A celulose é uma substância naturalmente presente em plantas, frutas e vegetais. Em sua forma purificada é denominada celulose microcristalina (MCC), uma fibra insolúvel de fonte vegetal, obtida mais especificamente da madeira. Quando purificada e adicionada de hidrocoloides, mais comumente de carboximetilcelulose sódica (CMC), torna-se um ingrediente dispersível, capaz de estabilizar diversos sistemas alimentícios. Nessa forma coprocessada é conhecida como celulose microcristalina coloidal (MCC Coloidal).

O coprocessamento compreende a aplicação de energia através de uma homogeneização intensiva dos componentes envolvidos, resultando em um produto de desempenho e funções distintas. Diferenciando-se de uma simples mistura, nesse processo é como se a carboximetilcelulose sódica revestisse as partículas de celulose microcristalina, tornando a fibra que é insolúvel em um estabilizante dispersível. Ao ser dispersa, a celulose microcristalina coloidal forma um gel opaco com comportamento tixotrópico, estável em ampla faixa de pH e temperatura, além de apresentar sinergia com outros hidrocoloides.

A celulose microcristalina (MCC) é preparada por hidrólise ácida a partir da polpa de madeira altamente purificada sob condições controladas. No primeiro estágio, a polpa é tratada com uma solução mineral ácida diluída em meio aquoso. Durante a hidrólise, as moléculas ácidas penetram nas regiões amorfas e decompõem as ligações β-1,4 entre as unidades de glicopiranoses celulósicas. A glicose e os oligossacarídeos celulósicos hidrossolúveis resultantes são removidos por lavagem e filtração subsequentes. A massa úmida remanescente contém apenas regiões cristalinas puras de celulose natural.

Além da forma coloidal, já mencionada acima, a celulose microcristalina pode ser produzida na forma de pó e de pasta. A MCC em pó consiste em uma massa úmida, refinada, que misturada com água resulta em uma pasta, a qual é neutralizada. As partículas secas têm alta fluidez e elevada porosidade, visto que são um agregado de muitos materiais ligados, compostos por partículas de celulose microcristalina primária, as quais são unidas fortemente por pontes de hidrogênio, o que impede a sua liberação de maneira individual.

A MCC tipo pó possui excelentes propriedades como agente ligante para compressão direta de tabletes, bem como possui excelente capacidade de hidrorretenção, o que permite a fabricação de produtos pastosos em uma ampla faixa de conteúdo de água, podendo, também, melhorar a fluidez da dilatância fluida. Além disso, apresenta função ligante, que é a prevenção à adesão entre os pós adjacentes de drogas, a fim de se obter grânulos ou esferas rígidas com uma distribuição uniforme do tamanho de forma eficiente. Pode ser utilizada como agente adjuvante em granulação por leito fluidizado, por tamboreamento, etc.

A celulose microcristalina em pasta é obtida pela quebra da celulose hidrolisada em pequenos fragmentos, que são cisalhados para liberar as microfibrilas celulósicas e os cristalitos agregados (partículas de celulose microcristalina primária). Conforme a distribuição entre as microfibrilas e as partículas de cristalitos, obtém-se a funcionalidade desejada. A concentração de celulose microcristalina é, então, ajustada para se produzir a celulose microcristalina tipo pasta.

A celulose microcristalina é conhecida como um ingrediente multifuncional, pois desempenha as mais diversas funções em diferentes aplicações na indústria de alimentos, agindo como estabilizante, agente de textura e cremosidade, substituto de gordura, antiaglutinante, auxiliar de extrusão, agente de compressão e conteúdo de fibra insolúvel.

Já a carboximetilcelulose (CMC), normalmente apresentada na forma sódica como carboximetilcelulose de sódio, é muito solúvel em água, tanto fria quanto quente, na qual forma soluções propriamente ditas ou géis. É aeróbica e biodegradável por bactérias encontradas no meio ambiente, produzindo pequenas quantidades de fragmentos de CMC e açúcares; porém, sua biodegradabilidade varia de lenta a muito lenta.

A CMC resulta do tratamento da celulose, via reação de Williamson, à pressão atmosférica (diferentemente dos outros ésteres da celulose), que se dá através de solução de hidróxido de sódio e monocloroacetato de sódio, resultando na substituição parcial de grupos hidroxilas da glicose pelo grupo -CH2-COOH, o que atribui à celulose modificada qualidades de solubilidade e viscosidade em solução desejadas, facilitando a hidratação da molécula.

A estrutura da carboximetilcelulose é baseada sobre o polímero de celulose de β-(1→4)-D-glucopiranose. Diferentes preparações podem ter diferentes graus de substituição, sendo que o grau médio de substituição dos grupos hidroxila situa-se acima de 0,5, podendo chegar até 0,9.

As moléculas de carboximetilcelulose são normalmente mais curtas do que as moléculas da celulose original da qual é produzida, apresentando áreas de maior e menor substituição. Esta substituição é predominantemente ligada em 2-O- e 6-O-, seguida por ordem de importância por ligações em 2,6-di-O- e 3-O-, 3,6-di-O-, 2,3-di-O- e, por último, 2,3,6-tri-O-, o que ocorre, aparentemente, devido a substituição ser levemente cooperativa (nos resíduos), ou seja, mais do que um processo aleatório, dando áreas insubstituídas e trisubstituídas em taxa levemente mais alta. As moléculas de carboximetilcelulose são mais estendidas em ramificações a baixas concentrações; em altas concentrações, as moléculas sobrepõe-se e ligam-se em espiraladas, enredando-se para formar um gel termorreversível. Diminuindo a força iônica, assim como reduzindo o pH, a viscosidade descesse e causa ao polímero a disposição ainda mais espiralada.

Na indústria alimentícia, a carboximetilcelulose é utilizada como espessante, ligante, estabilizante para sucos (refrescos em geral), agente de suspensão, retenção de água e meio de suporte para imobilização de enzimas e/ou microorganismos.

Outro composto químico derivado da celulose é a metilcelulose (MC), categoria que envolve também a hidroxietilmetilcelulose (HEMC) e a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC).

A metilcelulose não ocorre naturalmente, sendo produzida sinteticamente pelo aquecimento da celulose com solução cáustica e tratando-a com cloreto de metila. Na reação de substituição a seguir, os resíduos hidroxila (grupos funcionais -OH) são substituídos por metóxido (grupos -OCH3). Diferentes tipos de metilcelulose podem ser preparados dependendo do número de grupos hidroxila substituídos. A celulose é um polímero que consiste em numerosas moléculas de glicose ligadas, cada uma das quais expõe três grupos hidroxila. O grau de substituição de uma dada forma de metilcelulose é definido como o número médio de grupos hidroxila substituídos por glicose. O máximo teórico é, portanto, um DS de 3,0, porém os valores mais típicos são de 1,3 a 2,6. Diferentes preparações de metilcelulose também podem diferir no comprimento médio de seus polímeros.

A metilcelulose tem uma temperatura mais baixa da solução crítica, conhecida pela sigla LCST, (a temperatura mais baixa da solução crítica, ou temperatura mais baixa de consoluto, é a temperatura crítica abaixo da qual os componentes de uma mistura são miscíveis para todas as composições), entre 40°C e 50°C. Em temperaturas abaixo do LCST, é facilmente solúvel em água; acima do LCST, a metilcelulose não é solúvel, o que tem um efeito paradoxal de que o aquecimento de uma solução saturada de metilcelulose a tornará sólida, porque precipitará. A temperatura na qual isso ocorre depende do valor do grau de substituição; valores de grau de substituição mais altos fornecem menor solubilidade e temperaturas mais baixas de precipitação.

A solução de metilcelulose com água fria é difícil de preparar, pois à medida que o pó entra em contato com a água, uma camada de gel se forma ao seu redor, diminuindo drasticamente a difusão da água no pó, ou seja, o interior permanece seco. Sendo assim, o procedimento mais adequado é primeiro misturar o pó com água quente, para que as partículas de metilcelulose sejam bem dispersas na água, resfriando e mexendo essa dispersão para que haja dissolução rápida das partículas.

A metilcelulose é reconhecida como emulsificante e ingrediente de textura, codificados pela numeração E461 na Comunidade Europeia, além de ser considerada como um aditivo espessante e gelificante. Assim como a celulose, é não digerível, não tóxica e não alérgica.

A celulose produz ainda outros derivados, como a hidroxipropilcelulose (HPC), etilcelulose (CE), hidroxietilcelulose (HEC), hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) e carboximetil-hidroxietilcelulose (CMHEC).

A celulose e seus derivados são amplamente utilizados na indústria de alimentos e bebidas, desempenhando importantes funções devido as suas propriedades de fluxo, emulsificação, estabilização de espuma, modificação da formação de cristais de gelo, crescimento e capacidade de ligação à água.

A aplicabilidade dos derivados de celulose em determinadas aplicações alimentícias pode ser selecionada em relação as características físicas e químicas. Contudo, tal seleção deve levar em consideração alguns parâmetros, como o composto químico do polímero; peso molecular do polímero; presença de outros aditivos ativos na matriz alimentar; processo de produção dos alimentos; e as propriedades físicas, incluindo o tamanho das fibras poliméricas.

A celulose microcristalina (MCC) é um dos derivados da celulose mais amplamente utilizados como aditivo alimentício. Suas dispersões coloidais exibem comportamento de fluxo tixotrópico devido a agregados em pó. As dispersões aquosas também são termicamente estáveis. É usada como um agente de volume para modificar texturas de alimentos e como um substituto de gordura em produtos alimentícios à base de emulsão. Também é um bom agente de suspensão para partículas e sólidos e adiciona cremosidade a vários produtos, como por exemplo, achocolatados. Sua adição em massas e panificados pode melhorar a aderência, reduzir o tempo de secagem e a absorção de gordura durante a fritura.

As principais funções da celulose microcristalina incluem estabilizar espumas e emulsões, substituir óleos e gorduras, melhorar a adesão em molhos, controlar a cristalização, sinérese e viscosidade e, devido as suas propriedades tixotrópicas, manter partículas em suspensão e formar géis termoestáveis. Uma das suas aplicações mais recentes é como substituto de gordura em produtos de panificação, molhos, coberturas e glacês, sobremesas geladas, produtos cárneos, frituras, sopas e alimentos estruturados.

A celulose microcristalina não é calórica e pode substituir 100% da gordura em molhos para salada, produtos lácteos e sobremesas. Sua habilidade em agir como estabilizante é particularmente útil para aplicações em formulações de baixo conteúdo de gordura.

Outras aplicações da celulose microcristalina incluem queijos, molhos, temperos para saladas, sobremesas geladas e produtos lácteos, além de vitaminas e suplementos alimentícios, produtos lácteos congelados, leite aromatizado, bolos, doces e tortas e em bebidas.

Também é utilizada para substituir a manteiga de cacau em coberturas de chocolate. Uma vez na boca, a transição da gordura do estado sólido ao líquido promove liquefação, liberando o sabor e proporcionando lubrificação e sensação tátil bucal agradável. É necessário substituir a gordura da fase continua sem afetar a performance da cobertura. Os ingredientes da cobertura são dispersos em uma solução saturada de açúcar contendo celulose microcristalina. As propriedades do sistema açúcar-celulose microcristalina reproduzem as propriedades da gordura.

A celulose microcristalina pode ser encontrada sob várias apresentações, dependendo do tamanho das partículas, grau de substituição, viscosidade e características de hidratação.

A carboximetilcelulose (CMC) é outro derivado da celulose muito utilizado como aditivo alimentício. Devido ao seu caráter hidrofílico, alta viscosidade em soluções diluídas, boas propriedades de formação de filme, segurança e excelente comportamento como coloide e adesivo protetor, a CMC é usada como agente auxiliar na agitação de sorvetes, cremes e laticínios; como auxiliar na formação de géis em gelatinas e pudins; e como espessante em molhos e recheios de saladas. Também é usada como agente de suspensão em sucos de frutas; como coloide protetor em emulsões e maionese; como agente protetor para cobrir a superfície de frutas; e como estabilizador em produtos prontos para assar. É utilizada, ainda, como agente espessante, estabilizante e agente de suspensão. Pode melhorar o volume do pão durante o cozimento, estabilizando as bolhas de gás; e estabilizar e inibir o crescimento de cristais de gelo em sobremesas congeladas e sorvetes.

A metilcelulose (MC) e a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) também possuem propriedades que as tornam adequadas para uso na indústria de alimentos e bebidas. Duas das suas características funcionais únicas são a solubilidade inversa da temperatura e a gelificação térmica. Devido às suas propriedades multifuncionais, são usadas como emulsificantes e estabilizantes em molhos para salada com baixo teor de óleo e/ou sem óleo. Em produtos de panificação, evitam o transbordamento de recheios da massa e ajudam na retenção de gases durante o cozimento.

As características de formação de filme e gelificação térmica da metilcelulose são aplicadas em alimentos fritos para reduzir a absorção de óleo.

Os derivados de celulose também são utilizados em aplicações mais específicas, como em alimentos emulsionados. Muitos alimentos líquidos, como molhos, caldos, sopas e sucos, são fabricados com hidrocoloides, incluindo derivados da celulose. Especificamente nesses itens, os derivados de celulose podem auxiliar na continuidade da coletividade estrutural durante o congelamento. Além disso, podem diminuir significativamente as calorias dos alimentos, substituindo carboidratos ou gorduras. São frequentemente preferidos nesses produtos devido as suas propriedades de ligação à água e para minimizar a sinérese na desintegração, bem como para fornecerem viscosidade ao sistema alimentício, incluindo níveis reduzidos de gorduras e óleos. A hidroxipropilcelulose (HPC), a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) e a metilcelulose (MC) são importantes derivados de celulose em muitos desses produtos, pois impedem a associação de gotículas de óleo, assim como garantem a viscosidade do volume e as características sensoriais desejadas em molhos e caldos.

Já os molhos para salada e coberturas batidas estão no grupo dos alimentos emulsionados, sendo o primeiro emulsões de óleo em água e o segundo espumas de emulsões de óleo em água. Ambos os tipos necessitam de propriedades químicas e físicas básicas específicas que são adquiridas com o uso de derivados de celulose. Mais comumente, as emulsões de molhos para salada são preparadas com hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) e celulose microcristalina (MCC), sendo o HPMC incluído na mistura como emulsificante, controlador de reologia e revelador das propriedades sensoriais.

A celulose e seus derivados também são os ingredientes preferidos na fabricação de produtos assados, principalmente em produtos panificados ricos em fibras, que incluem quantidades diminuídas de farinha, devido a atenuação do valor calórico e, consequentemente, precisam de um reajuste específico para fornecer estrutura e qualidade de cozimento comparáveis aos produtos que contêm farinha de trigo. Nesses casos, a celulose microcristalina (MCC), a metilcelulose (MC) e a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) são utilizadas para substituição fracionária da farinha de trigo. O uso de MC e HPMC evita a perda de manutenção do pão, devido a menor concentração de farinha de trigo, garantindo uma massa elástica durante o amassamento e o cozimento, que retém o CO2 e permite manter o volume do pão de forma satisfatória.

Já na estrutura de pães, os derivados de celulose com propriedades de gelificação são muito benéficos termicamente. Como a MC e a HPMC são ativas interfacialmente, moldando géis elásticos a temperaturas elevadas, podem ser implementadas para aumentar a resistência e a aparência da massa.

Em sobremesas congeladas os derivados de celulose são utilizados para controlar o acúmulo de cristais de gelo e modificar a reologia. Também podem produzir textura em sobremesas congeladas com baixo teor de gordura ou sem gordura, com mouthfeel semelhante aos produtos que incluem níveis mais altos de gordura na sua formulação. A metilcelulose (MC) é a mais utilizada nessa área. Em sorvetes e outros produtos ultracongelados, diminui o acúmulo de cristais de gelo durante o congelamento e o derretimento. Em maionese, especiarias, cremes e molhos, permite fixar e controlar a viscosidade da emulsão e diminuir a variedade de gordura e ovos; consequentemente, é indicada para uso em produtos alimentícios com baixo teor calórico, baixo teor de gordura e não digestibilidade. Também é indicada para promover espuma em bebidas frias e para atuar na desintegração homogênea dos vários agentes em produtos alimentícios.

Já em alimentos fritos industrializados, a metilcelulose (MC) e a hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) são os derivados de celulose preferidos. Além de sustentarem a forma dos produtos durante a fritura, são usados para adicionar textura quando o produto está quente e para impedir a fervura durante o cozimento ou a fritura.

A metilcelulose é mais adequada para massas de alimentos fritos, devido as suas propriedades de gelificação natural e menor temperatura de gelificação. Sua alta viscosidade também é benéfica nessa área, já que a viscosidade da massa afeta o incremento de gordura durante a fritura e uma viscosidade mais alta resulta em melhores revestimentos para a massa e menor penetração de óleo.

Uma tecnologia emergente para aplicação dos derivados de celulose é no revestimento de filmes comestíveis, onde se apresentam como excelentes ferramentas para aumentar o prazo de validade dos alimentos. Por serem hidrofílicos, possuem características de formar barreira à umidade, além de fornecerem uma conservação eficiente contra a oxidação de lipídios e outros materiais alimentícios sensíveis.

Os revestimentos obtidas com derivados de celulose são comparativamente duráveis à penetração da água e não são afetadas por gorduras, óleos e solventes orgânicos não polares, dificultando o acesso ao óleo em aproximadamente 50% a 90% e com benefícios em sistemas complexos no que diz respeito ao controle da condução de vapor de água, diminuindo a eclíptica do óleo. Essas películas são formuladas especialmente para alimentos congelados, impedindo a remoção de água de zonas de alta umidade relativa para zonas de baixa umidade relativa e conservando as características de textura das preparações de produtos frescos.

A hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) foi o primeiro derivado de celulose utilizado para a produção de filmes com essa técnica. Uma das propriedades autênticas desses filmes é que os géis hidratados de HPMC impedem que a umidade se mova a temperaturas acima de 65oC, diminuindo o transporte de áreas com atividade hídrica relativamente alta para áreas com baixa atividade hídrica.