Hybrid carrageenans as alternatives to commercial blends: rheological properties and performance in a food application

Abstract

O principal objetivo deste projeto foi comparar as propriedades reológicas e os mecanismos de gelificação de carrageninas híbridas (KI) e misturas comerciais (K+I), com composição equivalente de κ, sob diferentes concentrações de sal e de polissacarídeo. A caracterização das carrageninas extraídas incluiu ¹H-RMN, FTIR e análise da distribuição de peso molecular. Os perfis de gelificação foram avaliados com diagramas de fase, enquanto os mecanismos de gelificação e o comportamento viscoelástico foram estudados reologicamente. O desempenho das carrageninas híbridas numa formulação de gomas vegan também foi investigado, comparando-as com misturas comerciais e avaliando a influência de precursores biológicos, bem como a incorporação de um aditivo natural. A gelificação das KI foi mais dependente da concentração de polissacarídeo e da força iónica, enquanto as K+I gelificaram sob a maioria das condições. Em situações específicas, como altas concentrações de polissacarídeo em amostras ricas em ι ou equilíbrio κ/ι, e forças iónicas baixas em amostras ricas em κ, observou-se uma convergência nos perfis de gelificação. As K+I produziram géis mais rígidos e fortes, mas as KI apresentaram elasticidade superior em algumas condições, destacando o seu potencial em aplicações específicas. Contudo, maior elasticidade implicou menor resistência dos géis à deformação, resultando em maior fragilidade. Na formulação de gomas, as KI mostraram potencial como substitutos das K+I em termos de desempenho térmico, mas as misturas produziram géis mais fortes. O tratamento alcalino das KI aumentou a rigidez e a resistência à deformação dos géis, enquanto a incorporação do material biohíbrido melhorou a rigidez, mas reduziu a resistência, indicando a necessidade de otimização para equilibrar o desempenho técnico e a perceção do consumidor. Estes resultados evidenciam o potencial das carrageninas híbridas como alternativas a misturas comerciais, com aplicações promissoras em alimentos funcionais. Em última análise, a viabilidade das carrageninas híbridas como substitutos de misturas tradicionais depende do equilíbrio desejado entre força, elasticidade e resistência à deformação do gel.

This study provides a comprehensive comparison between the thermal-rheological properties of hybrid carrageenans (KI) and commercial K/I carrageenan blends (K+I) with equivalent κ content, focusing on hydrogels formed under varying salt and carrageenan concentrations. 1H-NMR, FTIR, and molecular weight distribution analyses were employed to characterize hybrid carrageenans, while phase diagrams and rheological tests (temperature, frequency, and strain sweeps) evaluated gel formation profiles, gelling mechanisms, and viscoelastic properties. Additionally, the study investigated the performance of hybrid carrageenans in vegan gummy candy formulations, comparing them to commercial blends and assessing the influence of biosynthetic precursors and the incorporation of a natural additive. KI showed greater dependence on polysaccharide concentration and ionic strength for gel formation compared to K+I, which gelled more readily under most conditions. KI demonstrated comparable performance under specific conditions, such as higher polysaccharide concentrations for ι-rich and balanced κ/ι samples or lower ionic strengths for κ-rich samples. While K+I generally produced stronger and stiffer gels, KI surpassed them in elasticity under certain ionic conditions, highlighting its potential for targeted applications despite trade-offs such as increased brittleness. In gummy candy formulations, KI successfully produced gel-like textures and demonstrated potential as a replacement for K+I in terms of thermal performance. While K+I produced stiffer and stronger gels, the alkaline treatment of hybrids generally enhanced their stiffness and strain resistance. The incorporation of the biohybrid material improved stiffness but reduced strain resistance, underscoring the need for formulation-specific optimization to balance technical performance and consumer appeal. These findings highlight the potential of hybrid carrageenans as clean-label, sustainable alternatives to commercial blends, with promising applications in functional foods. Ultimately, the viability of hybrid carrageenans as substitutes for commercial blends depends on the desired balance between gel strength, elasticity, and deformation resistance.