Departamento de Ciência e Tecnologia

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
Faculdade de Agronomia “Eliseu Maciel”
Departamento de Ciência e Tecnologia Agroindustrial
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos
TESE
Efeitos das condições de processamento e do teor de amilose sobre
propriedades tecnológicas, sensoriais e nutricionais de extrusados
expandidos à base de arroz e feijão
Nathan Levien Vanier
Engenheiro Agrônomo
Mestre em Ciência e Tecnologia de Alimentos
Pelotas, 2014
Nathan Levien Vanier
Efeitos das condições de processamento e do teor de amilose sobre
propriedades tecnológicas, sensoriais e nutricionais de extrusados
expandidos à base de arroz e feijão
Tese apresentada ao Programa de PósGraduação em Ciência e Tecnologia de
Alimentos da Universidade Federal de
Pelotas, como requisito parcial à obtenção
do
Título
de
Doutor
em
Ciência
Tecnologia de Alimentos.
Comitê de orientação: Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias (DCTA-FAEM-UFPEL)
Prof. Dr. Maurício de Oliveira (DCTA-FAEM-UFPEL)
Dr. Jose De J. Berrios (WRRC-ARS-USDA)
Pelotas, 2014
2
e
Universidade Federal de Pelotas / Sistema de Bibliotecas
Catalogação na Publicação
V258e Vanier, Nathan Levien
VanEfeitos das condições de processamento e do teor de
amilose sobre propriedades tecnológicas, sensoriais e
nutricionais de extrusados expandidos à base de arroz e
feijão / Nathan Levien Vanier ; Moacir Cardoso Elias,
orientador ; Maurício de Oliveira, Jose De Jesus Berrios,
coorientadores. Pelotas, 2014.
Van87 f. : il.
VanTese (Doutorado) Programa de Pós-Graduação em
Ciência e Tecnologia de Alimentos, Faculdade de
Agronomia Eliseu Maciel, Universidade Federal de Pelotas,
2014.
Van1. Amilose. 2. Amilopectina. 3. Arroz. 4. Cromatografia
de permeação em gel. 5. Extrusão. I. Elias, Moacir Cardoso,
orient. II. Oliveira, Maurício de, coorient. III. Berrios, Jose De
Jesus, coorient. IV. Título.
CDD : 664
Banca examinadora:
Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias (UFPEL-FAEM)
Profa. Dra. Elessandra da Rosa Zavareze (UFPEL-FAEM)
Profa. Dra. Ana Paula Wally Vallim (IFSUL-CAVG)
Prof. Dr. Jander Luiz Fernandes Monks (IFSUL)
Prof. Dr. Fabrizio da Fonseca Barbosa (UFPEL-CCQFA)
3
Dedico este trabalho aos meus pais,
João Luiz e Mônica.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela família e pelos amigos que o Senhor me deu. Agradeço,
também, por me dar forças para lutar pelos meus objetivos.
Aos meus pais, João Luiz e Mônica, que sempre se preocuparam com a
minha formação pessoal e profissional, por todo o apoio e carinho. Agradeço por
estarem sempre ao meu lado, sendo o meu porto seguro.
Ao orientador acadêmico, Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias. Muito obrigado pela
amizade, pelo convívio e pelos ensinamentos profissionais e pessoais que levarei
para toda a vida.
Ao co-orientador no exterior, Dr. Jose De J. Berrios, pelo apoio, pelos
ensinamentos e pela atenção prestada durante o período de doutorado sanduíche.
Ao co-orientador Prof. Dr. Maurício de Oliveira, pela amizade, pelos
ensinamentos e pelos auxílios prestados durante minha caminhada acadêmica.
Ao amigo Prof. Dr. Ricardo Tadeu Paraginski, pela amizade, pelos
ensinamentos e por ter topado tantos desafios “impossíveis” durante os períodos de
graduação – como estagiários do Laboratório de Grãos –, de Mestrado e de
Doutorado.
Ao amigo Pesquisador James Pan, da Unidade de Alimentos Processados do
USDA, fundamental para que eu superasse as dificuldades no exterior. A essa
pessoa extremamente dedicada ao trabalho e focada em ajudar o próximo, agradeço
pela amizade e pela atenção prestada durante o período do doutorado sanduíche.
Às colegas e amigas Eng. de Alimentos M.Sc. Rosana Colussi e Eng. de
Alimentos Dra. Vânia Zanella Pinto, pelo apoio na pesquisa.
Aos Pesquisadores do USDA Artur Klamczynski, Delilah Wood, Gary
Takeoka, Rebecca Milczarek, Roberto Avena, Tina Williams, Wallace Yokoyama, por
me auxiliarem na condução de algumas análises laboratoriais e por me transmitirem
ensinamentos preciosos.
Ao Pesquisador Varatharajan Vamadevam, da Agri-Food Canadá, pelo
precioso auxílio na realização da análise de cromatografia de permeação em gel.
Aos professores Alvaro Renato Guerra Dias, Cesar Valmor Rombaldi,
Elessandra da Rosa Zavareze, Fábio Clasen Chaves, Leonardo Nora e Manoel
Artigas Schirmer, pela contribuição no meu desenvolvimento profissional.
5
Aos colegas do Laboratório de Grãos, em especial Aline Pereira, Cláudia
Camargo, Cristiano Dietrich Ferreira, Fabiana Torma Botelho, Flávia Fernandes
Paiva, Gabriela Alves, Jarine Amaral do Evangelho, Jean Oliveira, Jorge Tiago
Schwanz Göebel, Josiane Bartz, Luciana Prietto, Nelisa Lamas, Rafael de Almeida
Schiavon, Shanise Lisie Mello El Halal, Valmor Ziegler, Wagner Schellin Vieira da
Silva e Wilner Peres, pelo apoio e pela amizade.
Aos alunos de iniciação científica do Laboratório de Grãos, em especial André
Talhamento, Bruno Artur Rockenbach, Daiane Kroning, Felipe Cruz Borges, Jean
Ávila Schwartz, Jennifer da Silva, Juciano Gabriel da Silva, Lázaro Costa Canizares,
Márcio Peter, Miriã Miranda Silveira, Patrícia Gomes Vivian, Rodrigo Fernandes dos
Santos, Vanessa Bubolz, Veridiana Zanetti, e às alunas de iniciação científica do
Laboratório de Bromatologia da Faculdade de Nutrição, Andressa Gonçalves e
Chaiane Goulart Soares, pelo apoio e pela amizade.
Ao amigo e colega Eng. Agr. M.Sc. Ronei Dorneles Machado, que sempre
esteve pronto para me auxiliar nos momentos mais difíceis, e por compartilhar os
momentos de alegria e de dificuldade da caminhada pessoal e profissional.
À CAPES, pela concessão das bolsas de Doutorado e Doutorado Sanduíche,
e ao CNPq, à.FAPERGS e ao Polo de Alimentos pelo apoio à pesquisa.
6
“O conhecimento envaidece; é o amor que constrói”
(1 Cor 8, 1)
7
RESUMO
VANIER, Nathan Levien. Efeitos das condições de processamento e do teor de
amilose sobre propriedades tecnológicas, sensoriais e nutricionais de
extrusados expandidos à base de arroz e feijão. 2014. 87f. Tese (Doutorado)–
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos. Universidade
Federal de Pelotas, Pelotas.
A extrusão é uma operação que transforma matérias-primas em produtos cozidos,
estáveis no armazenamento, prontos para consumo, através da utilização rápida de
elevada temperatura e pressão. Composição e características do produto extrusado
dependem de variáveis do processo de extrusão, que incluem as características da
farinha utilizada, temperatura, umidade da farinha e outras. Objetivou-se, com o
estudo, avaliar efeitos das condições de extrusão e do teor de amilose sobre
propriedades tecnológicas, sensoriais e nutricionais de extrusados expandidos à
base de arroz e feijão. O trabalho foi dividido em dois Estudos. Os tratamentos de
ambos os Estudos foram preparados em extrusora dupla-rosca de 18 mm com 6
zonas de aquecimento-arrefecimento, com taxa de alimentação de 50 g.min-1,
velocidade de rosca de 500 rpm e orifício de saída na zona de expansão com 3,0
mm de diâmetro. No Estudo 1, foram avaliados efeitos da umidade da farinha (18%
e 22%) e da temperatura de extrusão (100°C e 140°C) sobre propriedades
tecnológicas, sensoriais e nutricionais de extrusados expandidos à base de arroz e
feijão. As farinhas mistas utilizadas no Estudo 1 foram preparadas pela mistura de
arroz, feijão, farelo de trigo, resíduo sólido de indústria de suco de maçã, sal e
açúcar. Foram testadas, ainda, três farinhas de arroz na adição, com diferentes
teores de amilose: 6,1%, 17,7% e 23,1%. No Estudo 2, amidos isolados de grãos de
três cultivares de arroz, uma cultivar de feijão carioca e o amido comercial de milho
denominado Hylon V®, com teores de amilose de 8, 20, 32, 35 e 55%,
respectivamente, foram extrusados com umidade de 22% e temperatura máxima de
100°C, visando avaliar efeitos do teor de amilose sobre propriedades tecnológicas
dos extrusados expandidos, bem como avaliar as alterações estruturais na amilose
e na amilopectina causadas pelo processo de extrusão. Extrusados expandidos à
base de arroz e feijão com alto índice de expansão, baixa densidade, baixa dureza e
boa aceitação sensorial foram obtidos utilizando farinha mista com 18% de umidade
e temperatura de extrusão de 140°C, havendo aumento do índice de expansão e
redução da dureza do extrusado com a diminuição o teor de amilose do arroz na
mistura. A farinha de arroz com 6,1% de amilose propiciou extrusados com maior
índice de expansão e menor dureza. A extrusão da farinha com 18% de umidade e
140°C propiciou maior teor de compostos fenólicos livres, resultado da solubilização
de compostos fenólicos complexados presentes na parede celular. De forma
semelhante, uma parte da fração fibra insolúvel foi solubilizada com o processo de
extrusão. O maior índice de expansão na extrusão dos amidos isolados de arroz,
feijão e milho ocorre com teores de amilose entre 20 e 35%. O processo de extrusão
promove a quebra das ligações α(1,6), predominantemente, das cadeias de amilose
e de amilopectina do amido, independentemente se de arroz, feijão ou milho.
Palavras-Chave: amilose, amilopectina, arroz, cromatografia de permeação em gel,
extrusão.
8
ABSTRACT
VANIER, Nathan Levien. Effects of processing conditions and amylose content
on technological, sensory and nutritional properties of rice and bean-based
expanded snacks. 2014. 87f. Tese (Doutorado)–Programa de Pós-Graduação em
Ciência e Tecnologia de Alimentos. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
Extrusion is a high-temperature-and-pressure, and short-time technology that
converts agricultural commodities into fully cooked, shelf-stable and ready-to-eat
products. The composition and the physical characteristics of the extrudates depends
on several process parameters, such as characteristics of the formulation, extrusion
temperature, moisture content of the formulation, and others. This work aims to
evaluate effects of extrusion conditions and amylose content on technological,
sensory and nutritional properties of rice and bean-based expanded snacks. The
work was divided in two studies. The treatments were all prepared using the same 18
mm twin screw extruded, with six barrel zones, feed rate of 50 g.min-1, screw speed
of 500 rpm, and 3.00 mm-die. In the first study, the effects of feed moisture (18% and
22%) and barrel temperature (100 and 140°C) on technological, sensory and
nutritional properties of expanded snacks were evaluated. The raw formulations were
prepared by mixing rice and bean flours, wheat bran, apple pomace, salt and sugar.
Moreover, three different rice flours were tested, varying in amylose content (6.1,
17.7 and 23.1%). In the second study, starch isolated from three rice cultivars, one
Carioca bean cultivar and the commercial Hylon V® maize starch, with amylose
content of 8, 20, 32, 35 and 55%, respectively, were extruded at 22% of feed
moisture and 100°C barrel temperature, aiming to evaluate effects of amylose
content on technological properties of expanded snacks, as well as to evaluate the
structural changes on amylose and amylopectin as a function of extrusion
processing. Rice-bean-based expanded extrudates with high expansion ratio, low
bulk density, low hardness and good overall acceptability were obtained using 18%
of feed moisture and 140°C of barrel temperature. The rice flour presenting 6.1%
amylose content provided extrudates with higher expansion ratio and lower
hardness. The use of 18% feed moisture and 140°C barrel temperature provided
extrudates with high free phenolic compounds content, which is a result of bound
phenolics solubilization. Similarly, insoluble fiber was partially solubilized and
converted to soluble fiber due to extrusion. The greater expansion ratio occurred in
starches with amylose content between 20 and 35%. The extrusion mainly caused
the cleavage of α(1,6) linkages from amylopectin and amylose, regardless of starch
origin.
Keywords: amylose, amylopectin, rice, gel permeation chromatography, extrusion
technology.
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – A) Estrutura da amilose [polímero linear composto por D-glicoses
unidas em α-1,4]. B) Estrutura da amilopectina [polímero ramificado composto
por D-glicoses unidas em α-1,4 e α-1,6]................................................................ 24
Figura 2 – Visão geral da estrutura granular do amido em diferentes níveis de
ampliação............................................................................................................... 26
Figura 3 – Representação de uma curva típica obtida na análise das
propriedades viscoamilográficas do amido em um Rapid Visco Analyzer
(RVA)..................................................................................................................... 27
Figura 4 – Estrutura da dupla-rosca utilizada no preparo dos extrusados
expandidos. ZC1 = Zona de cocção 1; ZC2 = Zona de cocção 2; M1 =
Misturador 1; ZC3 = Zona de cocção 3; M2 = Misturador 2; ZC4 = Zona de
cocção 4; ZAP = Zona de alta pressão.................................................................. 35
Figura 5 – Extrusados expandidos à base de arroz, com diferentes teores de
amilose, e feijão obtidos pelas diferentes condições de extrusão adotadas no
Estudo 1................................................................................................................. 42
Figura 6 – Torque (%) registrado pela extrusora dupla-rosca de 18 mm durante
o preparo dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão............................ 43
Figura 7 – Pressão (psi) registrada pela extrusora dupla-rosca de 18 mm
durante o preparo dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão............... 44
Figura 8 – Efeitos das condições de extrusão e do teor de amilose sobre o
índice de expansão dos extrusados à base de arroz e feijão................................ 45
Figura 9 – Efeitos das condições de extrusão e do teor de amilose sobre a
densidade (g.cm-3) dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão.............. 47
dureza (N) dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão........................... 49
Figura 11 – Avaliação sensorial dos extrusados expandidos pré-selecionados
com base nos resultados de taxa de expansão, densidade e dureza................... 50
Figura 12 – Efeitos das condições de extrusão sobre o teor de compostos
fenólicos livres (mg ác. gálico.100 g-1) dos extrusados à base de arroz e
feijão....................................................................................................................... 52
Figura 13 – Efeitos das condições de extrusão sobre a atividade antioxidante
10
de radicais DPPH (mg Trolox equiv.100 g-1) dos extrusados à base de arroz e
feijão....................................................................................................................... 54
Figura 14 – Imagens de microscopia estereoscópica dos extrusados
expandidos de amido isolado contendo 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e
55% (E) de amilose. Números 1 e 2 representam, respectivamente, imagens
tomadas com 0,71X de aproximação da vista frontal e 1,6X de aproximação da
seção transversal dos extrusados.......................................................................... 60
Figura 15 – Torque (%) e pressão (psi) registrados pela extrusora dupla-rosca
18 mm durante o preparo dos extrusados expandidos de amido isolado com
diferentes teores de amilose.................................................................................. 62
Figura 16 – Índice de expansão e densidade (g.cm-3) dos extrusados
expandidos de amido isolado de grãos em função do teor de amilose................. 63
Figura 17 – Dureza (kg) dos extrusados expandidos de amido isolado de grãos
em função do teor de amilose................................................................................ 64
Figura 18 – Valores L* (A), a* (B) e b* (C) da análise colorimétrica dos amidos
nativos e extrusados com diferentes teores de amilose........................................ 66
Figura 19 – Perfil viscoamilográfico dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32% (C),
35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e extrusados............................................ 68
Figura 20 – Imagens de microscopia ótica dos amidos com 8% (A), 20% (B),
32% (C), 35%, (D) e 55% (E) de amilose. Números 1 e 2 representam imagens
dos
amidos
nativos
e
extrusados,
respectivamente,
com
40X
de
aproximação........................................................................................................... 70
Figura 21 – Cromatografia de permeação em gel Sepharose CL-2B dos amidos
com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e
extrusados.............................................................................................................. 71
Figura 22 – Cromatografia de permeação em gel Sepharose CL-6B dos amidos
com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e
extrusados.............................................................................................................. 72
Figura 23 – Difratogramas de raios-X dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32%
(C), 35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e extrusados..................................... 74
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Características dos genótipos de arroz Calamylow-201, M-206 e L206 utilizados no Estudo 1...................................................................................... 30
Tabela 2 – Características físico-químicas e estruturais dos amidos de arroz,
feijão e milho, utilizados no Estudo 2...................................................................... 30
Tabela 3 – Delineamento experimental para avaliar efeitos do teor de amilose
do arroz, da umidade da formulação e da temperatura de extrusão sobre
parâmetros operacionais do processo e tecnológicos, sensoriais e de avaliação
nutricional de extrusados arroz-feijão..................................................................... 31
Tabela 4 – Delineamento experimental para avaliar efeitos do processo de
extrusão e do teor de amilose sobre parâmetros operacionais do processo,
propriedades tecnológicas e componentes da estrutura do amido isolado de
arroz, feijão e milho................................................................................................ 32
Tabela 5 – Efeitos das condições de extrusão sobre a composição proximal (%
em base seca) dos extrusados à base de arroz (6,1% de amilose) e feijão.......... 51
Tabela 6 – Efeitos da temperatura de extrusão sobre os teores de vitamina B1,
fibras solúveis e insolúveis, e valor energético dos extrusados expandidos à
base de farinha de arroz (6,1% de amilose) e farinha de feijão............................. 55
Tabela 7 – Efeitos da temperatura de extrusão sobre o perfil de aminoácidos
dos extrusados expandidos à base de farinha de arroz (6,1% de amilose) e
farinha de feijão...................................................................................................... 58
12
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................ 8
ABSTRACT............................................................................................................ 9
LISTA DE FIGURAS.............................................................................................. 10
LISTA DE TABELAS............................................................................................. 12
1. INTRODUÇÃO................................................................................................... 15
2. REVISÃO DE LITERATURA............................................................................. 17
2.1. O processo de extrusão.................................................................................. 17
2.2. Propriedades tecnológicas de extrusados expandidos................................... 19
2.3. Avaliação sensorial e propriedades nutricionais de extrusados expandidos.. 20
2.4. Propriedades estruturais e tecnológicas do amido......................................... 23
3. MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................. 29
3.1. Materiais.......................................................................................................... 29
3.2. Métodos........................................................................................................... 30
3.2.1. Delineamento experimental.......................................................................... 30
3.2.2. Preparo das amostras.................................................................................. 32
3.2.3. Avaliações.................................................................................................... 34
3.2.3.1. Parâmetros operacionais.......................................................................... 34
3.2.3.1.1. Torque e pressão de funcionamento da extrusora................................. 34
3.2.3.2. Propriedades físico-químicas, tecnológicas e sensoriais dos extrusados
expandidos............................................................................................................. 35
3.2.3.2.1. Índice de expansão dos extrusados....................................................... 35
3.2.3.2.2. Densidade dos extrusados..................................................................... 35
3.2.3.2.3. Dureza dos extrusados.......................................................................... 35
3.2.3.2.4. Avaliação sensorial dos extrusados....................................................... 36
3.2.3.2.5. Perfil colorimétrico dos amidos nativos e extrusados............................ 36
3.2.3.2.6. Perfil viscoamilográfico (RVA) dos amidos nativos e extrusados.......... 36
3.2.3.3. Parâmetros de avaliação nutricional dos extrusados expandidos............ 37
3.2.3.3.1. Composição proximal............................................................................. 37
3.2.3.3.2. Compostos fenólicos livres e atividade antioxidante de radicais
DPPH...................................................................................................................... 37
3.2.3.3.2.1. Obtenção do extrato............................................................................ 37
13
3.2.3.3.2.2. Compostos fenólicos livres................................................................. 38
3.2.3.3.2.3. Atividade antioxidante de radicais DPPH............................................ 38
3.2.3.3.3. Vitaminas B1.......................................................................................... 38
3.2.3.3.4. Fibra solúvel e fibra insolúvel................................................................. 38
3.2.3.3.5. Valor energético..................................................................................... 39
3.2.3.3.6. Perfil de aminoácidos............................................................................. 39
3.2.3.4. Propriedades estruturais do amido isolado............................................... 39
3.2.3.4.1. Microscopia estereoscópica................................................................... 39
3.2.3.4.2. Microscopia ótica.................................................................................... 39
3.2.3.4.3. Cromatografia de permeação em gel sepharose 2B e 6B..................... 40
3.2.3.4.4. Difração de raio-X.................................................................................. 40
3.2.4. Estatística..................................................................................................... 40
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................................... 42
4.1. Estudo 1 – Estudo 1 - Efeitos do teor de amilose do arroz, da umidade da
formulação e da temperatura de extrusão sobre parâmetros operacionais do
processo e tecnológicos, sensoriais e nutricionais de extrusados à base de
arroz e feijão........................................................................................................... 42
4.2. Estudo 2 – Efeitos do processo de extrusão e do teor de amilose sobre
parâmetros
operacionais
do
processo,
propriedades
tecnológicas
e
componentes da estrutura do amido isolado de arroz, feijão e milho.................... 59
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................... 76
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................. 77
14
1. INTRODUÇÃO
O feijão compõe, juntamente com o arroz, a base da dieta diária dos
brasileiros. Principalmente nos países em desenvolvimento, o feijão é uma
importante fonte de proteínas em substituição parcial às carnes e outros alimentos
protéicos pela população de baixa renda, além de ser fonte de carboidratos, ácidos
graxos poliinsaturados, vitaminas, minerais e compostos fenólicos.
A extrusão é uma operação que transforma matérias-primas agrícolas em
produtos cozidos, estáveis no armazenamento, prontos para consumo, com
melhores características de textura e sabor, através da utilização de elevada
temperatura e pressão em pouco tempo.
Inicialmente utilizada nas indústrias de cereais, laticínios, pães, doces e de
rações para animais, esta tecnologia foi usada, mais recentemente, no
desenvolvimento de alimentos à base de feijões, com baixo índice glicêmico, baixo
teor de gordura, livres de glúten e com valor agregado. A mistura da farinha de feijão
com ingredientes ricos em amido, como a farinha de arroz, melhora a propriedade
de expansão dos extrusados. A farinha de arroz é um ingrediente atrativo para
extrusão devido ao seu sabor brando, cor atrativa, hipoalergenicidade e facilidade de
digestão.
Durante o processo de extrusão ocorre uma série de fenômenos simultâneos,
tais como a gelatinização de amido, a desnaturação de proteínas, a modificação de
lipídeos, o desenvolvimento da reação de Maillard, a degradação de vitaminas e
pigmentos, e a inativação de enzimas, microrganismos e fatores antinutricionais.
A composição e as características físicas do produto final extrusado
dependem de uma série de variáveis do processo de extrusão, que incluem as
características da farinha utilizada, a temperatura, a pressão, a velocidade da rosca,
o grau de umidade da farinha, a taxa de alimentação da extrusora, a energia
produzida, a configuração da rosca, entre outras. A proporção de amilose e
amilopectina na farinha apresenta efeito significativo sobre a viscosidade do material
15
gelatinizado durante a extrusão, influenciando, logo, no índice de expansão, na
densidade e na textura do extrusado.
Autores como Pìtts et al. (2014), afirmam que mesmo sendo uma tecnologia
desenvolvida há algumas décadas e que muitos estudos tenham sido realizados
sobre efeitos das condições de processamento sobre a qualidade dos extrusados,
ainda há muito a se entender sobre as variáveis do processo, as interações entre os
ingredientes usados nas formulações e os efeitos das modificações nas matériasprimas sobre propriedades tecnológicas, nutricionais e sensoriais dos produtos
finais.
Objetivou-se, com o estudo, avaliar efeitos das condições de extrusão e do
teor de amilose sobre propriedades tecnológicas, nutricionais e sensoriais de
extrusados expandidos à base de arroz e feijão.
16
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. O processo de extrusão
A extrusão é uma operação rápida, versátil, moderna, que utiliza altas
temperaturas para converter matérias primas agrícolas em produtos cozidos, com
baixa umidade e estáveis ao armazenamento (BERRIOS et al., 2010). O processo
reduz a presença de micro-organismos nos alimentos, inativa enzimas e minimiza
perdas de nutrientes e sabores dos alimentos durante a pós-colheita (BERRIOS et
al., 2013). Devido a flexibilidade do processo, a extrusão é amplamente utilizada na
produção de cereais matinais e rações, e em indústrias de produtos não alimentares
(CHINNASWAMY, 1993).
De acordo com Berrios et al. (2013), as farinhas submetidas ao processo de
extrusão, tanto em extrusoras de rosca simples como em extrusoras dupla-rosca,
passam por três fases principais: (1) alimentação e mistura; (2) cocção e transição; e
(3) alta pressão. Na primeira fase, de alimentação e mistura, a farinha é
continuamente transportada de um recipiente armazenador para a extrusora. A
distribuição precisa de material é feita por uma balança reguladora de fluxo, com
rosca condutora associada, operando em velocidade que atenda o fluxo de material
programado. O material é, então, conduzido pela(s) rosca(s) da extrusora, em alta
velocidade, até a zona de cocção. Água, óleo ou outro fluido pode ser injetado por
um compartimento da extrusora para hidratar a mistura antes de atingir a zona de
cocção.
Na segunda fase, de cocção, a mistura é aquecida pelo calor proveniente do
corpo da extrusora (temperatura programada para operação) e pelo calor gerado
pela própria rosca em funcionamento. Nesta fase ocorre uma série de fenômenos
simultâneos, tais como a gelatinização de amido, a desnaturação de proteínas, a
modificação de lipídeos, o desenvolvimento da reação de Maillard, a degradação de
vitaminas e pigmentos, e a inativação de enzimas, micro-organismos e fatores
17
antinutricionais (BHATTACHARYA; PRAKASH, 1994; MULLA et al., 2011; RUFIÁNHERNARES et al., 2006).
De acordo com Ruiz-Ruiz et al. (2008), a desnaturação que ocorre durante a
extrusão causa o rompimento de pontes de hidrogênio e ligações dissulfídicas
responsáveis pelas estruturas secundárias e terciárias das proteínas.
Na terceira fase, denominada de fase de alta pressão, o material gelatinizado
é expelido por um orifício de saída ao final do corpo da extrusora, onde o formato do
material dependerá da geometria do orifício de saída. A restrição do fluxo do
material ao entrar na zona de expansão promove o aumento da pressão. Ao sair do
corpo da extrusora e atingir a pressão atmosférica, o material expande por causa do
alívio de pressão (GUY, 2001).
Moraru e Kokini (2003) dividiram o processo de expansão em cinco etapas
principais: (1) alterações no amido; (2) formação de bolhas; (3) inchamento do
extrusado; (4) crescimento das bolhas; e (5) colapso das bolhas. Segundo os
mesmos autores, durante o processo de expansão, as propriedades reológicas do
material gelatinizado desempenham papel fundamental nas características finais do
extrusado expandido.
As propriedades reológicas, por sua vez, dependem da composição da
farinha e das condições utilizadas na extrusão (taxa de alimentação, umidade da
farinha, velocidade da rosca e temperatura) (ROBIN et al., 2012a). Os principais
alimentos utilizados como matérias-primas para produtos extrusados são cereais,
amidos e/ou vegetais (ANTON et al., 2009). Segundo Tahnoven et al. (1998), estes
ingredientes são os mais utilizados por darem estrutura e textura desejáveis aos
produtos extrusados expandidos.
A extrusão de farinha obtida de grãos de leguminosas, como o feijão,
restringe o índice de expansão do produto extrusado (NAYAK et al., 2011a). A
mistura da farinha de feijão com ingredientes ricos em amido, como a farinha de
milho ou de arroz, melhora a propriedade de expansão dos extrusados. De acordo
com Ding et al. (2005), a farinha de arroz é um ingrediente atrativo para extrusão
devido ao seu sabor brando, cor atrativa, hipoalergenicidade e facilidade de
digestão.
Mesmo sendo uma tecnologia desenvolvida há algumas décadas e que
muitos estudos tenham sido realizados sobre efeitos das condições de
18
processamento sobre a qualidade dos extrusados, ainda há muito a se entender
sobre as variáveis do processo, as interações entre os ingredientes usados nas
formulações e os efeitos das modificações nas matérias-primas sobre propriedades
tecnológicas dos produtos finais (PITTS et al., 2014).
2.2. Propriedades tecnológicas de extrusados expandidos
As principais propriedades tecnológicas avaliadas em extrusados expandidos
são índice de expansão, densidade e textura. Estas propriedades dependem de uma
série de variáveis do processo de extrusão, que incluem as características da farinha
utilizada, a temperatura, a pressão, a velocidade da rosca, o grau de umidade da
farinha, a taxa de alimentação da extrusora, a energia produzida, a configuração da
rosca, entre outras (BRENNAN et al., 2011).
Em geral, extrusados preparados com maior umidade de farinha apresentam
menor índice de expansão, maior densidade e maior dureza. Altas temperaturas e
taxas de alimentação adequadas aumentam a viscosidade da matriz (farinha/amido),
favorecendo o crescimento de bolhas no processo de expansão. Logo, o produto
final terá menor densidade e menor dureza. Produtos extrusados expandidos com
estas características tendem a apresentar boa aceitabilidade sensorial.
Anton et al. (2011) adicionaram diferentes proporções (15, 30 e 45%) de
farinha de feijão branco e de feijão vermelho em amido de milho, e extrusaram o
material em extrusora dupla-rosca de 19 mm, com taxa de alimentação de 1,8 kg.h-1,
umidade da farinha de 22%, velocidade de rosca de 150 rpm e temperatura máxima
de 160°C. Houve redução no índice de expansão à medida que aumentou a
proporção de farinha de feijão adicionada ao amido de milho.
Ding et al. (2005) avaliaram efeitos da taxa de alimentação (20-32 kg.h-1), da
velocidade de rosca (180-320 rpm), da umidade da farinha (20-32%) e da
temperatura
de
extrusão
(100-140°C) sobre
propriedades tecnológicas
de
extrusados expandidos à base de farinha de arroz. Os autores utilizaram extrusora
dupla-rosca de 37 mm de diâmetro. Umidades da farinha e temperaturas de
extrusão mais baixas propiciaram extrusados expandidos com menor densidade,
maior índice de expansão e menor dureza.
Lazou et al. (2010) verificaram o aumento da densidade de extrusados
preparados com farinha mista de milho e lentilha com o aumento da taxa de
19
alimentação e da umidade da farinha, e com a diminuição da temperatura de
extrusão. A expansão apresentou comportamento contrário à densidade. Os autores
utilizaram extrusora dupla-rosca de 16 mm, com velocidade de rosca fixa de 200
rpm, taxa de alimentação entre 2,52 e 6,84 kg.h-1, umidade entre 13 e 19%, e
temperatura entre 170 e 230°C.
2.3. Avaliação sensorial e propriedades nutricionais de extrusados expandidos
A aceitação do consumidor pelos produtos extrusados expandidos está
intimamente associada à aparência visual, à textura e ao valor destes produtos
(ANTON; LUCIANO, 2007). A textura dos extrusados tem sido amplamente avaliada
utilizando o equipamento texturômetro. Estudos foram realizados comparando os
resultados obtidos na análise em texturômetro com os resultados obtidos por um
painel sensorial, com provadores. Estes dois métodos mostraram boa correlação
(LIU et al., 2000;. SAELEAW et al., 2012).
Poucos trabalhos reportam efeitos das condições de extrusão sobre a
qualidade sensorial de extrusados expandidos à base de farinha mista de cereais e
leguminosas. Bhattacharya e Prakash (1994) relataram aceitação sensorial
semelhante entre extrusados expandidos preparados com 80% de farinha de arroz e
20% de farinha de grão de bico e extrusados expandidos preparados apenas com
farinha de arroz. A temperatura máxima de extrusão adotada no estudo foi de
150°C.
İbanoğlu et al. (2006) avaliaram os efeitos da taxa de alimentação (22-26
kg.h-1) e da velocidade de rosca (220-340 rpm) na aceitação sensorial de extrusados
expandidos preparados com 30% de farinha de arroz, 30% de farinha de grão de
bico, 20% de farinha de milho e 10% de outros aditivos. Embora os autores tenham
verificado diferenças significativas (p≤0,05) nas propriedades físicas dos extrusados,
as faixas testadas para a variável taxa de alimentação e a variável velocidade de
rosca não afetaram o sabor e a aceitação sensorial do produto.
Diferentes proporções de lentilha foram adicionadas à farinha de milho por
Lazou et al. (2010). Os autores avaliaram os efeitos da temperatura de extrusão
(170, 200 e 230°C), da taxa de alimentação (2,52, 4,86 e 6,84 kg.h-1) e da umidade
da farinha (13, 16 e 19%) sobre a qualidade sensorial dos extrusados expandidos. A
nota atribuída pelos provadores, em geral, diminuiu (p≤0,05) com a adição de
20
lentilha na formulação, exceto para o extrusado preparado com farinha mista
contendo 30% de lentilha, o qual apresentou aceitação igual (p≤0,05) a do extrusado
preparado apenas com farinha de milho.
Se por um lado utilizar o amido de milho como ingrediente para preparo de
extrusados expandidos é sinônimo de qualidade tecnológica do produto, haja vista a
boa capacidade de expansão e textura propiciadas, por outro lado significa baixa
qualidade nutricional, longe de satisfazer consumidores que buscam produtos mais
saudáveis (RAMPERSAD et al., 2003). Várias tentativas têm sido feitas para
melhorar o perfil nutricional de alimentos extrusados. Entre estas tentativas está a
incorporação de farinha de leguminosas em farinhas de cereais e amidos, visando
melhorar os níveis de proteínas e fibra alimentar dos extrusados. No entanto, esta
tarefa não é simples, uma vez que a adição de fontes proteicas e ricas em fibras
influencia a capacidade de expansão, a textura e a aceitabilidade dos extrusados.
A mistura de farinha de arroz com farinha de feijão é uma alternativa para
enriquecimento nutricional dos produtos expandidos. O arroz apresenta alto valor
energético, é rico em vitaminas do complexo B e sais minerais (fósforo, ferro e
cálcio), e apresenta proteína de boa qualidade entre os cereais, contendo oito
aminoácidos essenciais ao homem (CARVALHO et al., 2012). O feijão é um dos
alimentos mais importantes para a população brasileira, sendo uma das principais
fontes de proteína. É rico em lisina, mas limitante nos aminoácidos sulfurados
metionina e cisteína (PIRES et al., 2006). O feijão pode ser considerado
complementar ao arroz, que é deficiente em lisina e relativamente rico em
aminoácidos sulfurados.
Além do valor nutricional do feijão, os grãos podem ser considerados uma
fonte importante de fibras. A fibra alimentar dos alimentos é dividida em duas
frações: solúvel e insolúvel. A fração solúvel é constituída por pectinas, algumas
hemiceluloses, gomas, mucilagens, e polissacarídeos de reserva (TIWARI;
CUMMINS, 2011). A fibra solúvel se dissolve em água para formar um gel,
aumentando a viscosidade dos alimentos. A fração insolúvel apresenta três
componentes principais: celulose, hemicelulose e lignina (LUNN; BUTTRISS, 2007).
Esta fração é predominante nos alimentos e ainda resistente à digestão.
A fibra alimentar não apenas promove a saúde do intestino; promove também
a redução do colesterol, a regulação do índice glicêmico e o bem-estar.
21
Diferentemente do amido, da proteína e dos lipídeos, a fibra alimentar não é
digerida, passando diretamente para o cólon onde é fermentada por bactérias para
produzir ácidos carboxílicos de cadeia curta (BERRIOS et al., 2010).
Segundo Robin et al. (2012), durante a extrusão a fração fibra solúvel –
principalmente polímeros de xilose, glicose e arabinose – é solubilizada.
Arabinoxilanas com baixo grau de ramificação foram descritas por Ralet et al. (1990)
como a porção que é solubilizada com maior facilidade.
Outro aspecto nutricional positivo atribuído ao feijão é a presença de
compostos fenólicos, que apresentam capacidade antioxidante. Nayak et al. (2011b)
estudaram o teor de compostos fenólicos e a atividade antioxidante de farinhas
mistas de batata roxa e ervilha submetidas ao processo de extrusão em extrusora
dupla-rosca de 18 mm, com taxa de alimentação de 45 g.min-1, umidade da farinha
de 17%, velocidade de rosca de 300 rpm e 130°C. Os autores verificaram aumento
no teor de compostos fenólicos das farinhas extrusadas, comparadas à respectiva
farinha não extrusada. Segundo os mesmos autores, o aumento do teor de
compostos fenólicos em extrusados pode ser atribuído à solubilização de compostos
fenólicos conjugados ou complexados e/ou a lixiviação de fibras solúveis, proteínas
e outros compostos solúveis não-fenólicos, como mono, di e oligossacarídeos.
Por outro lado, Anton et al. (2009) verificaram reduções no teor de compostos
fenólicos de extrusados preparados com farinha mista de feijão vermelho (Phaseolus
vulgaris L.) e amido de milho, utilizando extrusora dupla-rosca de 19 mm, com taxa
de alimentação de 1,8 kg.h-1, umidade da farinha de 22%, velocidade de rosca de
150 rpm e temperatura máxima de 160°C. Segundo os mesmos autores, a extrusão
promove a polimerização de ácidos fenólicos e taninos, dificultando, assim, sua
extração. Tanto no estudo de Nayak et al. (2011b) como no de Anton et al. (2009) foi
verificada correlação positiva entre compostos fenólicos e atividade antioxidante dos
extrusados.
Para Nayak et al. (2011a), a atividade antioxidante dos extrusados depende
dos seguintes fatores: (1) quebra de compostos fenólicos complexados em
compostos fenólicos de menor massa molecular; (2) interação entre compostos
fenólicos e proteínas durante a ação do calor; e (3) formação de produtos da reação
de Maillard, os quais podem apresentar atividade antioxidante.
22
A tecnologia de extrusão permite a inativação total ou parcial dos fatores
antinutricionais presentes nas leguminosas, como o feijão (SHIMELIS; RAKSHIT,
2007). Os fatores antinutricionais, como inibidores de tripsina e o ácido fítico,
produzem efeitos adversos na nutrição humana e animal (MARTÍN-CABREJAS et
al., 2004). A extrusão também aumenta a digestibilidade da proteína e do amido de
cereais e leguminosas (BERRIOS et al., 2006).
A ingestão diária de vitaminas é pequena comparada com outros nutrientes.
No entanto, as vitaminas são cruciais para a manutenção da saúde. As vitaminas
diferem quanto à estrutura química e composição. Logo, sua estabilidade durante a
extrusão também é variável (SINGH et al., 2007). O nível de degradação das
vitaminas durante o processamento depende de vários fatores, como umidade,
temperatura, luminosidade, presença de oxigênio, tempo e pH (CAMIRE, 1998).
Beetner (1974) avaliou o teor de vitamina B1 em extrusados de milho. O autor
relatou diminuição entre 10% e 81% no teor de vitamina B1 da farinha de milho ao
extrusá-la com temperaturas entre 149 e 193°C, com velocidade de rosca de 125
rpm. O mesmo autor, em trabalho posterior (BEETNER, 1976), ajustando a
temperatura de extrusão para 232°C e com umidade da farinha de 15%, verificou
perda total de vitamina B1 na farinha de triticale após extrusão. Por outro lado, Athar
et al. (2006) não verificaram diferenças no teor de vitamina B1 em função da
temperatura de extrusão (130-160°C).
2.4. Propriedades estruturais e tecnológicas do amido
O amido é composto por dois polímeros: a amilose e a amilopectina (Fig. 1). A
amilose é formada por unidades de glicose unidas por ligações glicosídicas α-1,4,
originando uma cadeia linear. Já a amilopectina é formada por unidades de glicose
unidas em α-1,4 e α-1,6, formando uma estrutura ramificada. As proporções, em que
essas estruturas aparecem, diferem em relação às fontes botânicas, variedades de
uma mesma espécie e, mesmo numa mesma variedade, de acordo com o grau de
maturação da planta (ELIASSON, 2004; TESTER; KARKALAS, 2004).
23
Figura 1 – A) Estrutura da amilose [polímero linear composto por D-glicoses unidas
em α-1,4]. B) Estrutura da amilopectina [polímero ramificado composto por Dglicoses unidas em α-1,4 e α-1,6].
A proporção de amilose e amilopectina no amido tem efeito significativo sobre
a viscosidade do material gelatinizado durante a extrusão, influenciando, logo, o
índice de expansão do extrusado (PITTS et al., 2014). Segundo Politz et al. (1994), a
massa molecular de ambos os polímeros, amilose e amilopectina, é diminuída em
função do processo de extrusão. Porém, moléculas mais ramificadas de
amilopectina apresentam maiores reduções na massa molecular.
As alterações na massa molecular da amilose e da amilopectina em função
do processo de extrusão podem ser avaliadas por cromatografia de permeação em
gel ou cromatografia de exclusão por tamanho (JACKSON et al., 1990). Meuser et
24
al. (1982) apresentaram cromatogramas indicando diminuição na massa molecular
da amilopectina após extrusão sob alta temperatura. Entretanto, poucos estudos
mostram efeitos da extrusão sobre as propriedades estruturais da amilose e da
amilopectina.
Amidos ricos em amilopectina expandem mais do que amidos ricos em
amilose. Por apresentar cadeias mais curtas e ramificadas do que a amilose, a
amilopectina apresenta menor habilidade para se reorganizar após o processo de
gelatinização, formando uma matriz menos viscosa. Já a amilose, por apresentar
cadeias longas e lineares, é capaz de formar facilmente novas interações após
gelatinização e, logo, uma matriz mais viscosa (CHINNASWAMY, 1993; LAI;
KOKINI, 1991).
A disposição entre a amilose e a amilopectina no interior dos grânulos de
amido varia entre os amidos das diferentes espécies. A difratometria de raios-X é
utilizada para revelar a presença e a característica da estrutura cristalina de um
amido (SINGH, 2011). Os padrões “A”, “B” e “C” são as diferentes formas
poliméricas encontradas nos amidos que diferem no empacotamento das duplas
hélices da amilopectina.
A cristalinidade tipo A ocorre na maioria dos cereais (milho, arroz, trigo, aveia)
e é descrita como uma unidade celular monocíclica altamente condensada e
cristalina, em que 12 resíduos de glicose de duas cadeias no sentido anti-horário
abrigam quatro moléculas de água entre as hélices. A estrutura de padrão tipo B
(tubérculos, raízes, amido retrogradado, cereais com alto teor de amilose) é mais
claramente definida, sendo composta por uma unidade básica de cadeias que são
empacotadas em um arranjo hexagonal, onde a unidade celular tem duas duplas
hélices no sentido anti-horário, alinhadas e arranjadas em paralelo. Essa estrutura
contém 36 moléculas de água para cada 12 resíduos de glicose, sendo que a
metade dessa água é fortemente ligada às duplas hélices, e a outra metade é
concentrada em um eixo em parafuso (OATES, 1997; ELIASSON, 2004). O amido
de feijão apresenta cristalinidade tipo C, que é uma mistura entre os tipos A e B
(HOOVER et al., 2010).
De acordo com Hoover et al. (2010), diferenças na cristalinidade do amido
são influenciadas por: (1) tamanho de cristalito; (2) número de cristalitos que estão
arranjados em uma matriz cristalina, (3) teor de umidade, e (4) conteúdo polimórfico.
25
Na Fig. 2 está apresentada a estrutura granular do amido em diferentes níveis
de ampliação.
Figura 2 – Visão geral da estrutura granular do amido em diferentes níveis de
ampliação.
Fonte: SINGH, 2011.
Quando aquecido em excesso de água o amido passa pela transição de uma
fase ordenada para uma fase desordenada chamada gelatinização. Sabe-se que a
gelatinização tem início no hilo e se expande rapidamente para a periferia, dando-se,
inicialmente, nas regiões amorfas devido à fragilidade das ligações de hidrogênio
26
nessas áreas, ao contrário do que ocorre nas regiões cristalinas (SINGH, 2003). À
medida que os grânulos continuam se expandindo, acontece a lixiviação da amilose
da fase intergranular para a fase aquosa. O conjunto de mudanças que envolvem a
ruptura da estrutura granular, o inchamento, a hidratação e a solubilização das
moléculas de amido é definido como o fim da gelatinização (THARANATHAN, 2002).
Um gel (ou pasta) é formado durante o aquecimento do amido em excesso de
água, constituído por uma fase contínua de amilose e/ou amilopectina solubilizada e
uma fase descontínua, composta por fragmentos (HOOVER et al., 2010). As
propriedades do gel de amido são determinadas, principalmente, através do Rapid
Visco Analyzer (RVA).
Na
Fig.
3
está
apresentada
uma
curva
típica
obtida
na
análise
viscoamilográfica de um amido no Rapid Visco Analyzer (RVA).
Figura 3 – Representação de uma curva típica obtida na análise das propriedades
viscoamilográficas do amido em um Rapid Visco Analyzer (RVA).
Fonte: KAUR et al., 2007.
No período inicial da análise de RVA o grânulo absorve água, seguido por um
rápido aumento na viscosidade com o aumento da temperatura. Após atingir o
máximo, a viscosidade começa a diminuir como resultado do rompimento e da
fragmentação dos grânulos durante a agitação contínua durante a análise. Este
27
comportamento é conhecido como quebra de viscosidade, que é a medida da
facilidade com que os grânulos intumescidos se desintegram com a agitação do gel.
De acordo com Singh et al. (2006), baixo valor de quebra de viscosidade pode ser
atribuído a baixa desintegração dos grânulos de amido que apresentam alto teor de
amilose.
28
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Materiais
No Estudo 1 foram utilizados os seguintes materiais vegetais: (1) grãos arroz
branco polido (Oryza sativa L.) dos genótipos Calamylow-201, M-206 e L-206, os
quais foram gentilmente cedidos pela California Cooperative Rice Research
Foundation, Inc. (CCRRF), localizada em Biggs, California, Estados Unidos; (2)
grãos de feijão preto (Phaseolus vulgaris L.) considerados “hard-to-cook”,
acondicionados hermeticamente durante 4 anos no Western Regional Research
Center (WRRC) do United States Department of Agriculture (USDA), localizado em
Albany, California, Estados Unidos; (3) farelo de trigo, o qual foi fornecido por
ConAgra Mills, de Oakland, California, Estados Unidos; e (4) resíduo sólido de
indústria de suco de maçã, fornecido por Tree Top, Inc., localizada na cidade de
Selah, Washington, Estados Unidos. Além destes materiais, foram utilizados sal e
açúcar no preparo das formulações do Estudo 1. Na tab. 1 estão apresentadas as
características gerais dos genótipos de arroz utilizados no Estudo 1, os quais
constituem uma das variáveis independentes deste Estudo, conforme apresentado
no item 3.2.1.
No Estudo 2 foram utilizados amidos isolados de três genótipos de arroz
(Oryza sativa L.), de um genótipo de feijão carioca (Phaseolus vulgaris L.) e de
amido comercial de milho Hylon V®. Grãos de arroz dos genótipos Moti, IRGA 406 e
IRGA 417, bem como grãos de feijão carioca da cultivar Pérola, foram obtidos da
coleção de amostras do Laboratório de Pós-Colheita, Industrialização e Qualidade
de Grãos (LABGRÃOS) da Universidade Federal de Pelotas (UFPEL). O amido
comercial Hylon V® foi fornecido por Ingredion, Inc., de Bridgewater, Estado de New
Jersey, Estados Unidos. O amido foi isolado dos grãos de arroz conforme método
descrito por Colussi et al. (2014), enquanto o amido de feijão carioca foi isolado de
acordo com o método descrito por Rupollo et al. (2011). As características físico-
29
químicas e estruturais dos amidos de arroz, feijão e milho utilizados no Estudo 2
estão apresentadas na tab. 2.
Tabela 1 – Características dos genótipos de arroz branco polido Calamylow-201, M206 e L-206 utilizados no Estudo 1.
Cultivar
Características
Calamylow - 201
M - 206
L - 206
Classe
Curto - glutinoso
Médio
Longo
Comprimento (mm)
4,43
5,84
7,41
Largura (mm)
2,79
2,75
2,15
Relação C/L
1,6
2,2
3,5
Teor de amilose (%)
6,3
17,7
23,1
Teor de proteína (%)
5,7
5,9
6,2
Dimensões
* Informações fornecidas por California Cooperative Rice Research Foundation, Inc., responsável
pela multiplicação e comercialização das sementes de arroz Calamylow-201, M-206 e L-206.
Tabela 2 – Características físico-químicas e estruturais dos amidos de arroz, feijão e
milho, utilizados no Estudo 2.
Fonte
Arroz
Arroz
Arroz
Feijão
Milho
Cultivar
Moti
IRGA 406
IRGA 417
Pérola
*
Teor de amilose (%)
8,0
20,0
32,0
35,0
55,0
Teor residual de proteína (%)
0,17
0,19
0,41
0,40
0,02
Padrão da estrutura cristalina
A
A
A
C
B
* Amido de milho comercial denominado Hylon V®.
3.2. Métodos
3.2.1. Delineamento experimental
O delineamento experimental utilizado no Estudo 1 foi o completamente
casualizado trifatorial (3x2x2), em duas repetições, conforme apresentado na tab. 3,
enquanto que o delineamento experimental adotado no Estudo 2 foi o
completamente casualizado bifatorial (2x5), também em duas repetições, conforme
apresentado na tab. 4.
30
Tabela 3 – Delineamento experimental para avaliar efeitos do teor de amilose do
arroz, da umidade da formulação e da temperatura de extrusão sobre parâmetros
operacionais do processo e tecnológicos, sensoriais e de avaliação nutricional de
extrusados arroz-feijão.
Variáveis independentes
Tratamentos
Teor de amilose da
farinha de arroz (%)
Temperatura
Umidade (%)
máxima de
Variáveis dependentes*
extrusão (°C)
Torque médio registrado
1
2
6,1
18
100
pela extrusora
3
17,7
22
140
Pressão de
4
23,1
funcionamento
5
Índice de expansão
6
Controle 1 = formulação preparada com farinha de arroz Densidade
7
contendo 6,1% de amilose
Dureza
8
Sensorial
9
Controle 2= formulação preparada com farinha de arroz
Composição proximal
10
contendo 17,7% amilose
Compostos fenólicos
11
Atividade antioxidante de
12
Controle 3 = formulação preparada com farinha de arroz DPPH
13
contendo 23,1% de amilose
Vitamina B1
14
Fibra solúvel e insolúvel
15
Valor energético
Perfil de aminoácidos
*Variáveis listadas conforme a ordem de apresentação dos resultados.
31
Tabela 4 – Delineamento experimental para avaliar efeitos do processo de extrusão
e do teor de amilose sobre parâmetros operacionais do processo, propriedades
tecnológicas e componentes da estrutura do amido isolado de arroz, feijão e milho.
Tratamentos
Variáveis independentes
Modificação
Variáveis dependentes*
Amido
1
Microscopia estereoscópica
2
Nativo
Arroz Moti – 8% de amilose
Torque
3
Extrusado
Arroz IRGA 406 – 20% de amilose
Pressão de funcionamento
4
Arroz IRGA 417 – 32% de amilose
Índice de expansão
5
Feijão Carioca – 35% de amilose
Densidade dos extrusados
6
Milho Hylon V® – 55% de amilose
Dureza dos extrusados
7
Perfil colorimétrico
8
Perfil viscoamilográfico (RVA)
9
Microscopia ótica
10
Perfil de cadeias de amilose e
amilopectina, dos amidos
íntegros e desramificados
Arranjo semicristalino
*Variáveis listadas conforme a ordem de apresentação dos resultados.
3.2.2. Preparo das amostras
Para o preparo das formulações do Estudo 1, os grãos de arroz branco
polidos foram moídos em moinho de pinos (modelo 160Z, Hosakawa Micron,
Summit, NJ, Estados Unidos), apresentando tamanho médio de partículas de 35
Mesh após a moagem. Já os grãos de feijão foram moídos previamente em moinho
de martelos (modelo WBB-4, Gluender Pulverizing Co., St. Louis, MO, Estados
Unidos) para posteriormente serem moídos em moinho de pinos (modelo 160Z,
Hosakawa Micron, Summit, NJ, Estados Unidos). Assim como as farinhas de arroz, a
farinha de feijão também apresentou tamanho médio de partículas de 35 Mesh. O
farelo de arroz e a farinha de resíduo sólido de indústria de suco de maçã recebidos
no Laboratório já apresentavam tamanho de partículas médio de 45 e 35 Mesh,
respectivamente.
As formulações (2,5 kg) foram preparadas utilizando 61,6% de farinha de
arroz, 26,4% de farinha de feijão, 2,5% de farelo de trigo, 2,5% de resíduo sólido de
indústria de suco de maçã, 2,0% de sal e 5,0% de açúcar. A homogeneização das
misturas foi realizada em misturadora planetária (modelo N-50, Hobart Corp., Troy,
OH, Estados Unidos), com rotação média por 5 minutos. Dessa forma, a mistura
32
arroz-feijão compunha 88% da formulação, numa razão arroz:feijão de 70:30
(peso/peso), considerada ideal para o balanço de aminoácidos essenciais à dieta
dos seres humanos.
As misturas foram acondicionadas em embalagens herméticas da marca
Ziploc®, com capacidade aproximada para 3 kg de farinha. Imediatamente foi
determinado o teor de água de cada formulação, conforme o método descrito pela
ASAE (2000). O conhecimento do teor de água de cada formulação permitiu calcular
o volume de água a ser injetado na extrusora de forma a contemplar as umidades
da farinha a serem testadas no Estudo 1, 18% e 22%, conforme apresentado na tab.
1. A extrusão foi realizada na planta piloto do Western Regional Research Center
(WRRC) do United States Department of Agriculture (USDA), utilizando extrusora
dupla-rosca de 18 mm (modelo MIC 18/GL 30D, American Leistritz Extruder Corp.,
NJ, Estados Unidos).
A extrusora apresentava 6 zonas de aquecimento-arrefecimento, sendo
utilizada a seguinte programação para as zonas, considerando o início como a zona
de alimentação e o término como a zona de expansão: 60, 80, 90, 90, 100 ou 140, e
100°C. A taxa de alimentação da extrusora com as formulações foi de 50 g.min-1 e a
velocidade da rosca foi mantida constante a 500 rpm.
Cerca de 800 g de extrusados expandidos, de cada tratamento, foram
coletados após a saída na zona de expansão e deixados arrefecer por 30 minutos
em temperatura ambiente. Após, o material foi cortado com o auxílio de uma
tesoura, em pequenos pedaços (ao redor de 10 cm), e acondicionado em
embalagem Ziploc®. Posteriormente, uma amostra (40 g) dos extrusados
expandidos de cada tratamento foi moída para a determinação do grau de umidade,
de acordo com o método descrito pela American Society of Agricultural Engineers
(ASAE, 2000).
De posse do conhecimento do grau de umidade, foi calculado o peso
necessário para cada amostra atingir 6% de umidade, ideal para acondicionamento
e comercialização de extrusados expandidos. Esta etapa de secagem foi conduzida
a 70°C em estufa com circulação forçada de ar.
Para o preparo dos tratamentos do Estudo 2, o qual foi constituído por 10
tratamentos (tab. 4), cerca de 100 g dos amidos de arroz, feijão e milho foi mantida
no estado nativo, enquanto outra parte (700 g) foi extrusada. O procedimento
33
adotado na extrusão dos amidos isolados foi semelhante ao procedimento adotado
para o preparo dos tratamentos do Estudo 2. A mesma extrusora dupla-rosca de 18
mm (modelo MIC 18/GL 30D, American Leistritz Extruder Corp., NJ, Estados Unidos)
foi utilizada, com programação fixa de 60, 80, 90, 90, 100 e 100°C, para cada uma
das seis zonas de aquecimento-arrefecimento. A taxa de alimentação, como no
Estudo 1, foi de 50 g.min-1, e a velocidade da rosca foi mantida constante a 500 rpm.
A umidade dos amidos foi fixada em 22%. Os extrusados foram coletados conforme
descrito para o Estudo 1 e secos até 10% de umidade. Na Fig. 4 é apresentada a
estrutura da dupla-rosca utilizada nos Estudos 1 e 2.
ZC1
ZC2
M1
ZC3
M2
ZC4
ZAP
Figura 4 – Estrutura da dupla-rosca utilizada no preparo dos extrusados expandidos.
ZC1 = Zona de cocção 1; ZC2 = Zona de cocção 2; M1 = Misturador 1; ZC3 = Zona
de cocção 3; M2 = Misturador 2; ZC4 = Zona de cocção 4; ZAP = Zona de alta
pressão.
Parte (100 g) dos extrusados expandidos obtidos nos Estudos 1 e 2 foi moída
em moinho laboratorial (Cyclone Sample Mill modelo 3010-030, UDY Corporation,
Fort Collins, CO, Estados Unidos) para ser utilizada em algumas análises.
3.2.3. Avaliações
3.2.3.1. Parâmetros operacionais
3.2.3.1.1. Torque e pressão de funcionamento da extrusora
A leitura do torque e da pressão de funcionamento da extrusora foi realizada
no painel de comandos da extrusora, durante o preparo dos tratamentos, tanto do
Estudo 1 como do Estudo 2. Os dados foram coletados a cada 60 segundos,
totalizando 20 repetições para as amostras do Estudo 1 e 10 repetições para as
amostras do Estudo 2.
34
3.2.3.2. Propriedades tecnológicas e sensoriais dos extrusados expandidos
3.2.3.2.1. Índice de expansão dos extrusados
Para determinação do índice (ou razão) de expansão, 5 leituras do diâmetro
foram tomadas ao acaso de 25 extrusados expandidos contendo cerca de 4 cm de
comprimento. O diâmetro dos extrusados foi determinado utilizando paquímetro
digital. A taxa de expansão foi calculada como a razão entre o diâmetro médio dos
extrusados expandidos e o diâmetro do orifício de saída (3,0 mm) dos extrusados na
zona de expansão da extrusora.
3.2.3.2.2. Densidade dos extrusados
A determinação da densidade dos extrusados foi realizada pelo método do
deslocamento volumétrico, conforme descrito por Altan et al. (2009), utilizando
esferas de vidro com diâmetro entre 1,00 e 1,18 mm como meio de deslocamento.
Cerca de 5 g de extrusados foram dispostos em um recipiente de vidro e cobertos
com esferas de vidro até a borda do recipiente. O volume dos extrusados foi
determinado pela seguinte fórmula: Volume (cm³) = (Peso do recipiente com esferas
de vidro – Peso do recipiente com esferas e extrusados) / (Densidade das esferas
de vidro). A densidade, em g.cm-³ foi calculada pela razão entre o peso dos
extrusados dispostos no recipiente e o seu volume.
3.2.3.2.3. Dureza dos extrusados
A resistência mecânica dos extrusados à quebra foi avaliada em texturômetro
(TA-XT2, Texture Technologies Corp., Reino Unido), calibrado com 5 kg de carga e
utilizando apenas um ciclo de compressão. Os extrusados foram dispostos
individualmente sobre uma plataforma metálica (85 x 10 mm) e, posteriormente,
pressionados com um probe em formato de guilhotina (55 x 1 mm). Para avaliar a
dureza dos extrusados expandidos obtidos no Estudo 1, o probe foi programado
para pressionar o extrusado até 2,5 mm de profundidade, com velocidades pré, pós
e de teste de 10, 10 e 0,5 mm.s-1, respectivamente.
35
A força trigger foi programada para 0,020 kg. Para avaliar a dureza dos
extrusados expandidos do Estudo 2, a mesma profundidade de 2,5 mm foi
programada, bem como as mesmas velocidades pré e pós-teste foram adotadas. No
entanto, a velocidade de teste e a força trigger foram ajustadas para 1,0 mm.s-1 e
0,010 kg, respectivamente. No total, 25 avaliações foram realizadas para cada
tratamento, em ambos os Estudos.
3.2.3.2.4. Avaliação sensorial dos extrusados
A avaliação sensorial dos extrusados expandidos obtidos no Estudo 1 foi
realizada no Western Regional Research Center (WWRC) do United States
Department of Agriculture (USDA). Foram utilizados 50 avaliadores não treinados,
entre funcionários, pesquisadores e alunos de pós-graduação do WWRC-USDA, de
ambos os sexos, com idade entre 18 e 70 anos, para avaliação contendo cinco
amostras pré-selecionadas. A seleção das amostras foi realizada de acordo com os
resultados de taxa de expansão, densidade e textura.
A aceitabilidade dos consumidores aos extrusados foi medida através do teste
de escala hedônica de 9 pontos, não estruturada, variando de desgostei muitíssimo
(1) à gostei muitíssimo (9). As amostras foram servidas em cabines individuais sob
luz branca, em pratos de porcelana, com codificações de três dígitos. A ordem de
apresentação foi inteiramente casualizada.
3.2.3.2.5. Perfil colorimétrico dos amidos nativos e extrusados
Para a avaliação do perfil colorimétrico dos amidos nativos e extrusados de
arroz, feijão e milho, do Estudo 2, foi utilizado um colorímetro Minolta, modelo CR300, o qual indica as cores em um sistema tridimensional. O eixo vertical L* aponta a
cor da amostra numa variação do preto ao branco. O eixo a* indica a variação da cor
entre o verde e o vermelho. O eixo b* indica a variação do azul ao amarelo. Foram
feitas 10 determinações nos amidos nativos e extrusados. As leituras foram
realizadas colocando as amostras em um recipiente de 22 cm de diâmetro e 3 cm de
altura, em que o amido cobria completamente o fundo do recipiente.
36
3.2.3.2.6. Perfil viscoamilográfico (RVA) dos amidos nativos e extrusados
A viscosidade das amostras de amido nativo e extrusado, do Estudo 2, foi
determinada através do analisador rápido de viscosidade (Rapid Visco Analyser),
modelo RVA-3D+ da Newport Scientific Pty. Ltd., Sidney, Austrália, provido do
software Termocline, utilizando o perfil de análise denominado “Standard 1”. O
analisador rápido de viscosidade foi projetado para determinações de viscosidade de
produtos amiláceos a partir de pequenas quantidades de amostra (3-4 g) e em curto
espaço de tempo (13-20 min). As etapas de aquecimento, temperatura constante e
resfriamento são monitoradas automaticamente por computador (WALKER et al.,
1988).
Foram tomados 25 mL de água destilada e 3,5 g de amostra, previamente
corrigida para 14% de umidade e colocada em copo especial de folha de alumínio,
em duplicata. Após a inserção da paleta e da colocação do copo no aparelho, o ciclo
do teste foi iniciado, sendo os resultados das análises interpretados a partir dos
gráficos fornecidos pelo software do aparelho.
3.2.3.3. Parâmetros de avaliação nutricional dos extrusados expandidos
3.2.3.3.1. Composição proximal
O teor de água dos extrusados foi determinado de acordo com as
recomendações da American Society of Agricultural Engineers (ASAE, 2000). As
análises do teor de cinzas, proteína bruta e lipídios foram executadas de acordo com
o método indicado pela Association of Oficial Analytical Chemists (AOAC, 2006). O
teor de carboidratos foi determinado por diferença dos demais componentes.
3.2.3.3.2. Compostos fenólicos livres e atividade antioxidante de radicais DPPH
3.2.3.3.2.1. Obtenção do extrato
Para extração dos compostos fenólicos, 2 g de amostra foram solubilizados
em 20 mL de metanol 80% e deixados sob agitação constante por 1 h, em
temperatura ambiente ao abrigo da luz. Os extratos foram centrifugados a 5000 rpm
por 20 minutos (modelo 5430R, Eppendorf International, Estados Unidos). O
sobrenadante foi coletado e o resíduo foi solubilizado outras duas vezes em metanol
37
80%, repetindo-se o processo de extração. Ao final das 3 lavagens, as 3 alíquotas
do sobrenadante de cada amostra foram misturadas e rotaevaporadas. O extrato
rotaevaporado foi concentrado em 25 mL de metanol 80% e armazenado a 4°C para
realização das análises de compostos fenólicos livres e atividade antioxidante de
radicais DPPH.
3.2.3.3.2.2. Compostos fenólicos livres
O teor de compostos fenólicos livres foi determinado pelo método de FolinCiocalteau, conforme descrito por Zielinski e Kozlowska (2000). Foram adicionados
100 µL do extrato em tubo de falcon de 15 mL e completado o volume para 500 µL
com água destilada. Adicionou-se 250 µL de reagente Folin-Ciocalteau 1 N e
aguardou-se 8 minutos para redução dos compostos fenólicos com o reagente FolinCiocalteau. Após, foram adicionados 1,25 mL da solução de carbonato de sódio
(20%) ao tubo de falcon, agitado e colocado em ambiente ao abrigo da luz. A leitura
foi realizada após 2 horas em espectrofotômetro a 725 nm. Os resultados foram
expressos em mg de ácido gálico por 100 g de amostra, a partir da curva de
quantificação preparada com ácido gálico nas concentrações 12,5, 25, 50, 75 e 100
ppm.
3.2.3.3.2.3. Atividade antioxidante de radicais DPPH
A atividade antioxidante de radicais DPPH (2,2-difenil-1-picrilhidrazil) foi
determinada conforme pela reação de 100 µL do extrato com 3,9 mL de solução de
DPPH, a qual apresentou, inicialmente, absorbância entre 1,080 e 1,120 nm. A
mistura foi agitada em vortex e a leitura foi realizada em espectrofotômetro a 515 nm
após 2 horas de reação em temperatura ambiente ao abrigo da luz. O aparelho foi
zerado com metanol. A atividade antioxidante foi expressa em mg de Trolox
equivalente por 100 g de amostra, com base na curva de quantificação preparada
com o reagente Trolox nas concentrações de 100, 130, 150, 180 e 200 ppm.
3.2.3.3.3. Vitamina B1
O teor de vitamina B1 dos extrusados expandidos foi determinado de acordo
com os métodos 942.23, 953.17 e 957.17, da Association of Oficial Analytical
Chemists (AOAC, 2005).
38
3.2.3.3.4. Fibra solúvel e fibra insolúvel
Os teores de fibra solúvel e insolúvel dos extrusados expandidos foram
determinados pelo método 991.43 da Association of Oficial Analytical Chemists
(AOAC, 2005).
3.2.3.3.5. Valor energético
A determinação do valor energético foi realizada por meio de calorimetria
direta (AC-350, LECO Corporation, St. Joseph, MI, Estados Unidos), seguindo o
Manual de Instruções para quantificação do valor energético de alimentos fornecido
pelo fabricante do equipamento (LECO, 2002).
3.2.3.3.6. Perfil de aminoácidos
O perfil de aminoácidos dos extrusados expandidos foi determinado por
cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC, Shimadzu, bomba LC - 20AT,
Detector SPD-M20A e Injetor SIL 10AF, Kyoto, Japão). As amostras passaram por
hidrólise prévia com ácido clorídrico (HCl) bidestilado 6 N, seguida de derivação em
pré-coluna dos aminoácidos livres com fenilisotiocianato (PITC) e a separação dos
derivativos feniltiocarbamilaminoácidos (PTC-aa), em coluna de fase reversa C18
(Pico-Tag –3,9 x 300 mm), com detecção por UV a 254 nm. A quantificação da
amostra foi baseada na área de cada pico de aminoácido, utilizando como referência
a área do pico do padrão interno de aminoácidos, com concentração conhecida,
eluídos nas mesmas condições e pelo mesmo tempo das amostras.
3.2.3.4. Propriedades estruturais do amido isolado
3.2.3.4.1. Microscopia estereoscópica
Os extrusados preparados com amidos de diferentes teores de amilose foram
fotografados em microscópio estereoscópico (Nikon SMZ25, Nikon Instruments Co.,
Mellvile, NY, Estados Unidos). Imagens foram obtidas das frações longitudinais e de
cortes transversais dos extrusados expandidos, com aproximações de 0,71X e 1,6X,
respectivamente.
39
3.2.3.4.2. Microscopia ótica
Os amidos nativos e extrusados avaliados no Estudo 2 foram fixados com
solução de iodo e observados em microscópio ótico (Olympus BX45, Olympus
Optical Co., Tokyo, Japão), com sistema analisador de imagem acoplado (digital
Olympus camera C3030 and Image Pro-Plus version 4.5 software, Media
Cybernetics, Inc., Rockville, MD, Estados Unidos).
3.2.3.4.3. Cromatografia de permeação em gel sepharose CL-2B e CL-6B
A estrutura molecular foi avaliada através da cromatografia de permeação em
gel (GPC) Sepharose CL-2B. As amostras foram preparadas conforme descrito por
Bertoft et al., (2008) com algumas modificações. Os grânulos de amido (8 mg) foram
dissolvidos em dimetilsulfóxido (DMSO) a 90% (0,3 mL) por agitação suave e
aquecimento por 5 minutos, em seguida foram deixadas à temperatura ambiente
durante 16 h. Após o período de agitação, as amostras foram aquecidas durante 2 a
5 min e diluídas com água quente (0,7 mL). A distribuição de tamanho das cadeias
do amido foi obtida por cromatografia com o emprego de uma coluna contendo gel
de agarose Sepharose CL-2B (1,6 x 32 cm) (Pharmacia, Uppsala, Suécia). Uma
fração de amido dissolvido (0,3 mL) foi eluída através da coluna com NaOH a 0,01 M
como eluente, a uma taxa de 0,5 mL.min-1. As frações de 1 mL foram recolhidas e o
teor de carboidratos totais foi determinado pela reação de fenol-ácido sulfúrico 42
(DUBOIS et al., 1956).
Para a análise molecular dos amidos desramificados as amostras foram
dissolvidos em 90% de DMSO, como descrito acima, e desramificada com
pululanase e isoamilase (específicas para α-1,6) como descrito por Bertoft et al.
(2008). A distribuição do comprimento da cadeia de amido desramificado foi
submetido a cromatografia em uma coluna contendo gel de agarose Sepharose CL6B (1,6 x 90 cm) (Pharmacia, Uppsala, Suécia), eluindo-se 1 mL da amostra com
NaOH 0,5 M a uma taxa de 1 mL.min-1. As frações pares (1 mL) foram recolhidas e o
teor de carboidratos totais foi analisado, utilizando a reação de fenol-ácido sulfúrico
(DUBOIS et al., 1956).
3.2.3.4.4. Difração de raio-X
40
Difratogramas de raio-X dos amidos nativos e extrusados foram obtidos com
um difratômetro de raio-X (modelo XRD-6000, Shimadzu, Japão) em que a região de
varredura da difração variou de 3 a 45°, com uma tensão alvo de 30 kV, uma
corrente de 30 mA e velocidade de varredura de 1°.min-1.
3.2.4. Estatística
Os
dados
foram
analisados
quanto
a
sua
normalidade
e
homocedasticidade, submetidos à análise de variância (ANOVA) e, posteriormente,
comparados pelo teste de Tukey a 5% de significância.
41
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Estudo 1 - Efeitos do teor de amilose do arroz, da umidade da formulação e
da temperatura de extrusão sobre parâmetros operacionais do processo e
tecnológicos, sensoriais e nutricionais de extrusados à base de arroz e feijão
Na Fig. 5 está apresentada uma fotografia dos extrusados expandidos obtidos
no Estudo 1, a qual foi capturada utilizando uma câmera digital (modelo D600,
Nikon, Japão), onde é perceptível a diferença de cor e de diâmetro entre os
extrusados preparados nas diferentes umidades e temperaturas. No entanto, não é
observada diferença no aspecto visual dos extrusados em função do teor de amilose
da farinha de arroz utilizada na mistura com farinha de feijão.
Figura 5 – Extrusados expandidos à base de arroz, com diferentes teores de
amilose, e feijão obtidos pelas diferentes condições de extrusão adotadas no Estudo
1.
42
Os extrusados preparados com umidade de 18% e 140°C apresentaram
coloração mais clara do que os demais, bem como maior diâmetro. A coloração mais
clara pode ser resultante da maior distribuição das antocianinas no produto
extrusado, haja vista que o diâmetro é maior nestes extrusados, ou resultante da
degradação das antocianinas.
O torque e a pressão registrados pela extrusora durante o preparo dos
tratamentos estão apresentados nas Figs. 6 e 7, respectivamente.
Figura 6 – Torque (%) registrado pela extrusora dupla-rosca de 18 mm durante o
preparo dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão. Barras de erro indicam
o desvio padrão. Barras com letras diferentes são significativamente diferentes
(p≤0,05).
O maior torque (p≤0,05) foi registrado no preparo dos extrusados utilizando a
farinha de arroz com 6,1% de amilose na umidade de 18% e 100°C, seguido dos
tratamentos preparados também com 18% de umidade e 100°C, mas utilizando as
farinhas de arroz com 17,7 e 23,1% de amilose. De forma geral, a menor umidade
da farinha e a maior temperatura de extrusão foram responsáveis pelo menor torque.
Stojceska et al. (2009) também observaram maior torque ao utilizarem menores
umidades da farinha durante a extrusão de bagaço do malte da cerveja adicionado à
43
farinha de trigo e ao amido de milho, na proporção de 10% (peso/peso). Os autores
realizaram a extrusão em equipamento dupla-rosca de 37 mm, com umidades da
farinha variando de 12% a 17%, taxa de alimentação fixa de 25 kg.h-1, temperatura
máxima de 120°C e velocidade de rosca fixa de 200 rpm.
Figura 7 – Pressão (psi) registrada pela extrusora dupla-rosca de 18 mm durante o
preparo dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão. Barras de erro indicam
o desvio padrão. Barras com letras diferentes são significativamente diferentes
(p≤0,05).
Comportamento semelhante ao torque foi verificado na pressão (Fig. 7). No
entanto, a maior pressão (p≤0,05) foi observada no preparo dos tratamentos com
maior teor de amilose da farinha de arroz, 17,7 e 23,1%, com 18% de umidade e
100°C. Os resultados estão de acordo com os relatos de Akdogan (1996), que
observou redução da pressão ao aumentar a umidade da farinha e a temperatura de
extrusão durante a extrusão de amido de arroz contendo 6,5% de proteína,
utilizando extrusora dupla-rosca.
O índice de expansão dos extrusados à base de arroz e feijão, preparados
com diferentes farinhas de arroz na mistura e em diferentes condições, está
apresentada na Fig. 8.
44
Figura 8 – Efeitos das condições de extrusão e do teor de amilose sobre o índice de
expansão dos extrusados à base de arroz e feijão. Barras de erro indicam o desvio
padrão. Barras com letras diferentes são significativamente diferentes (p≤0,05).
O maior (p≤0,05) índice de expansão foi verificado nos extrusados preparados
com a farinha de arroz com 6,1% de amilose, com umidade de 18% e temperatura
de 140°C, seguido das formulações preparadas com farinha de arroz com 17,7 e
23,1% de amilose, nas mesmas condições (18% de umidade e 140°C). Logo, ficou
evidente, pelo teste de expansão, que a menor umidade da farinha e a maior
temperatura de extrusão promoveram a propriedade de expansão dos extrusados.
Estes resultados corroboram com a aparência visual dos extrusados
expandidos, previamente apresentada na Fig. 5, onde foi verificado nitidamente
maior diâmetro nos extrusados preparados com 18% de umidade da farinha e
temperatura de 140°C, comparados aos demais. Os menores índices de expansão,
por outro lado, foram verificados nos extrusados preparados com 22% de umidade
da farinha e 100°C (Fig. 8).
De acordo com Bouvier e Campanella (2014), dois fatores controlam a
capacidade de expansão da farinha gelatinizada: (1) a viscosidade da matriz e (2) a
elasticidade da matriz. À medida que a farinha gelatinizada chega à zona de
expansão se inicia o crescimento de uma bolha, como resultado da diferença de
45
pressão entre o interior da própria bolha em formação e a pressão atmosférica. A
primeira resistência encontrada pela bolha para crescer é a viscosidade do material
que forma a parede da bolha, que na verdade é a própria matriz.
A água presente na farinha atua como plastificante, deixando a matriz menos
elástica e mais densa. Quanto maior o teor de água, maior a chance da matriz ficar
demasiadamente densa e, assim, interromper o crescimento da bolha. No presente
Estudo, a umidade de 22% foi suficiente para dificultar o crescimento da bolha, haja
vista os menores valores (p≤0,05) de índice de expansão observados nos
extrusados expandidos preparados com 22% de umidade comparados aos
preparados com 18% de umidade, para ambas as temperaturas de extrusão.
Temperaturas mais elevadas podem favorecer o crescimento da bolha, pois a
viscosidade da matriz é reduzida (DING et al., 2005). Conforme verificado na Fig. 8,
extrusados preparados a 140°C, comparados aos extrusados preparados a 100°C
em uma mesma umidade da farinha e teor de amilose do arroz, apresentaram maior
taxa de expansão. Este fato permite inferir que a temperatura de 140°C foi suficiente
para reduzir a viscosidade da farinha gelatinizada e aumentar a sua elasticidade,
promovendo, assim, maior crescimento de bolhas do que a temperatura de 100°C.
De acordo com Pitts et al. (2014), amidos ricos em amilopectina expandem
mais do que amidos ricos em amilose, pois a presença de cadeias curtas e
ramificadas de amilopectina dificulta a formação de interações moleculares,
enquanto que a estrutura linear das moléculas de amilose permite a formação de
interações fortes, aumentando a viscosidade do amido gelatinizado (matriz). A
viscosidade da matriz é considerada como o primeiro empecilho ao crescimento da
bolha de vapor d’água durante o processo de expansão. Isto pode explicar o maior
índice de expansão verificado nos extrusados preparados com a farinha de arroz
com 6,1% de amilose comparados às farinhas de arroz com 17,7 e 23,1% de
amilose na condição 140°C/18% de umidade (Fig. 8).
Anton et al. (2009) prepararam formulações contendo 15, 30 e 45% de farinha
de feijão branco ou feijão vermelho, ambos da espécie Phaseolus vulgaris L., em
amido de milho, e extrusaram os materiais com extrusora dupla-rosca de 19 mm,
com velocidade de rosca de 150 rpm, taxa de alimentação de 1,8 kg.h-1, 160°C e
utilizando orifício de saída na zona de expansão de 4,5 mm. O índice de expansão
46
encontrado pelos autores variou entre 1,7 e 2,17, sendo inferiores aos índices de
expansão observados no presente estudo (Fig. 8).
Os maiores índices de expansão verificados neste estudo, comparados às
observações de Anton et al. (2009), se deram, provavelmente, devido: (1) a
presença de 2,5% de farelo de trigo e 2,5% de farinha do resíduo sólido de indústria
de maçã nas formulações, os quais apresentavam alto teor de fibra alimentar; (2) a
maior velocidade de rotação da dupla-rosca utilizada no presente Estudo (500 rpm);
e (3) ao menor diâmetro do orifício de saída da zona de expansão utilizado no
preparo dos extrusados do presente Estudo, o qual apresentava 3,00 mm de
diâmetro.
A densidade dos extrusados apresenta-se como uma relação inversa ao
índice de expansão. Os resultados da avaliação da densidade dos extrusados
expandidos preparados à base de feijão e arroz, em função do teor de amilose da
farinha de arroz de mistura, da umidade da farinha e da temperatura de extrusão,
estão apresentados na Fig. 9.
densidade (g.cm-³) dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão. Barras de
erro indicam o desvio padrão. Barras com letras diferentes são significativamente
diferentes (p≤0,05).
47
A menor densidade (p≤0,05) dentre todos os tratamentos foi observada
naqueles extrusados que apresentaram maiores índices de expansão. Resultados
similares foram encontrados por Ding et al. (2005), ao prepararem extrusados
expandidos de farinha de arroz em diferentes umidades da farinha e temperaturas
de extrusão, também utilizando uma extrusora dupla-rosca. Segundo os autores,
que testaram umidades entre 14 e 22% e temperaturas entre 100 e 140°C, maiores
umidades e menores temperaturas propiciam extrusados com maior densidade.
Stojceska et al. (2009) reportaram densidade variando de 0,13 a 0,50 g.cm-³
em extrusados preparados com farinha mista contendo 10% do resíduo do malte e
90% de farinha de trigo ou amido de milho. Estes autores trabalharam com
umidades da farinha entre 12 e 17% e temperatura de extrusão fixa de 120°C. Altan
et al. (2009) observaram densidade de 0,365 g.cm-³ em extrusados preparados com
farinha de cevada com umidade de 20,5%, temperatura máxima de extrusão de
150°C e velocidade de rosca fixa em 175 rpm, sendo esta densidade bem superior
aos valores mais baixos de densidade obtidos no presente estudo, os quais variaram
de 0,18-0,22 g.cm-³.
Na Fig. 10 é apresentada a dureza dos extrusados expandidos em função do
teor de amilose da farinha de arroz de mistura, da umidade da farinha e da
temperatura de extrusão. A dureza é um parâmetro de qualidade de grande
importância na avaliação da aceitação dos produtos extrusados (CARVALHO et al.,
2012). É um parâmetro de textura que, fisicamente, representa a força necessária
para o probe penetrar no extrusado, enquanto que, sensorialmente, representa a
força requerida para a compressão de uma substância entre os dentes.
48
Figura 10 – Efeitos das condições de extrusão e do teor de amilose sobre a dureza
(N) dos extrusados expandidos à base de arroz e feijão. Barras de erro indicam o
desvio padrão. Barras com letras diferentes são significativamente diferentes
(p≤0,05).
De acordo com Ding et al. (2005), a dureza está associada à expansão e à
estrutura das células dos extrusados. Como consequência da menor taxa de
expansão e maior densidade dos extrusados, os maiores valores de dureza foram
apresentados pelas amostras preparadas com 18% de umidade da farinha e 100°C.
Os extrusados expandidos preparados com a farinha de arroz com 6,1% de amilose,
18% de umidade e 140°C, por sua vez, apresentaram a menor dureza. Estudos
anteriores (ALTAN et al., 2009; DING et al., 2005; ROBIN et al., 2012) também
apontaram menor dureza em extrusados com maior taxa de expansão, maior
porosidade e menor densidade.
Os cinco tratamentos que apresentaram os maiores valores de taxa de
expansão, e os menores valores de densidade e dureza dos extrusados foram
selecionados para compor uma avaliação sensorial. Os seguintes tratamentos foram
selecionados: (1) 6,1% de amilose-18% de umidade-140°C; (2) 17,7% de amilose18% de umidade-140°C; (3) 23,1% de amilose-18% de umidade-140°C; (4) 6,1% de
amilose-18% de umidade-100°C; e (5) 23,1% de amilose-18% de umidade-100°C.
49
Na Fig. 11 estão apresentados os valores médios de atribuído por 50
avaliadores não treinados a cada tratamento, utilizando a escala hedônica de 9
pontos não estruturada.
Figura 11 – Avaliação sensorial dos extrusados expandidos pré-selecionados com
base nos resultados de taxa de expansão, densidade e dureza.
Não houve diferença estatística (p≤0,05) entre os extrusados preparados com
18% de umidade da farinha e 140°C, independente do teor de amilose da farinha de
arroz usada na mistura. Por outro lado, os valores médios atribuídos pelos
provadores aos extrusados preparados nestas condições foram maiores (p≤0,05) do
que os valores médios atribuídos aos extrusados preparados com 18% de umidade
e 100°C (Fig. 11).
Por reunirem um conjunto de características superiores aos demais
tratamentos, os extrusados expandidos preparados com farinha de arroz com 6,1%
de amilose, 18% de umidade e 140°C foram escolhidos para aprofundar estudos
sobre efeitos das condições de extrusão nos parâmetros de avaliação nutricional. O
conjunto de características que embasaram a escolha destes extrusados como os
mais promissores incluiu: (1) coloração mais clara; (2) maior índice de expansão, (3)
menor densidade, (4) menor dureza; e (5) média mais alta na avaliação sensorial.
Além disso, os comentários feitos pelos provadores no item “observações gerais” da
avaliação sensorial apontavam maior “crocância” para os extrusados provenientes
50
do tratamento 6,1% de amilose/18% de umidade/140°C, sendo este outro aspecto
positivo atribuído a estes extrusados expandidos.
Na tab. 5 é apresentada a composição centesimal da farinha não extrusada e
dos extrusados expandidos à base de arroz (6,1% de amilose) e feijão, em função
das condições de extrusão.
Tabela 5 – Efeitos das condições de extrusão sobre a composição proximal (% em
base seca) dos extrusados à base de arroz (6,1% de amilose) e feijão.
Composição
Proteína
FNE*
Condição de extrusão
100°C/18%
100°C/22%
140°C/18%
140°C/22%
10,41±0,09a 10,60±0,19a 10,52±0,13a 10,58±0,21a 10,50±0,15a
Cinzas
3,56±0,04a
3,59±0,02a
3,69±0,08a
3,59±0,04a
3,70±0,13a
Lipídeos
2,35±0,08a
1,47±0,04b
1,22±0,05c
1,24±0,08c
1,15±0,05c
83,68
84,34
84,57
87,07
84,65
Carboidratos totais**
Resultados expressam médias de três repetições ± desvio padrão. Valores acompanhados por letras
minúsculas diferentes, na mesma linha, diferem estatisticamente (p≤0,05). * FNE = farinha não
extrusada. ** Valores calculados por diferença dos demais constituintes.
Não houve diferença (p≤0,05) nos teores de proteína bruta e cinzas entre as
amostras extrusadas e a farinha não extrusada. No entanto, houve redução (p≤0,05)
no teor de lipídeos dos extrusados expandidos, comparados à FNE. Redução
semelhante no teor de lipídeos foi relatada por Guy e Ryu (2014), ao comparar a
composição proximal de extrusados de farinha de ginseng com a farinha não
extrusada. A formação de complexos amilose-lipídeos é apontada pelos autores
como um dos responsáveis pela redução do teor de lipídeos nos alimentos
extrusados.
De acordo com Singh et al. (2007), alguns lipídeos podem ser perdidos no
momento de expansão do extrusado, na forma de óleo livre, e outros podem se
complexar com amilose, formando complexos que dificultam sua extração.
Na Fig. 12 é apresentado o teor de compostos fenólicos livres na farinha não
extrusada e nos extrusados expandidos à base de arroz (6,1% de amilose) e feijão,
em função das condições de extrusão.
51
Figura 12 – Efeitos das condições de extrusão sobre o teor de compostos fenólicos
livres (mg ác. gálico.100 g-¹) dos extrusados à base de arroz (6,1% de amilose) e
feijão. Barras de erro indicam o desvio padrão. Barras com letras diferentes são
significativamente diferentes (p≤0,05).
Houve redução (p≤0,05) no teor de compostos fenólicos livres (solúveis) nos
extrusados expandidos, comparados à farinha não extrusada (FNE), exceto para os
extrusados preparados 140°C e 18% de umidade da farinha, os quais apresentaram
teor semelhante (p≤0,05) ao da FNE. Viscidi et al. (2004) e Zadernowski et al. (1999)
reportaram redução do teor de compostos fenólicos totais em amostras de aveia
extrusadas, comparadas às respectivas amostras não extrusadas. De acordo com
os autores, perdas no teor de compostos fenólicos em função do processo de
extrusão são esperadas, uma vez que a alta temperatura do processo tende a
quebrar/transformar os compostos polifenólicos em outros compostos fenólicos ou
não-fenólicos. Além disso, Remy et al. (2000), sugeriram que a extrusão pode
promover a polimerização de ácidos fenólicos e taninos, reduzindo sua solubilidade.
Estes aspectos explicam a redução (p≤0,05) observada no teor de compostos
fenólicos livres dos tratamentos 100°C/18%, 100°C/22% e 140°C/22%, comparados
à FNE.
Anton et al. (2009) também verificaram menor (p≤0,05) teor de compostos
fenólicos livres em extrusados expandidos preparados com farinhas mistas de amido
52
de milho e farinha de feijão branco ou de feijão vermelho, comparados às
respectivas farinhas mistas não extrusadas.
Por outro lado, Nayak et al. (2011b) observaram maior teor de compostos
fenólicos livres em extrusados de farinha mista batata roxa-ervilha, independente da
proporção de mistura utilizada (35, 50 ou 65%), do que nas respectivas farinhas
mistas não extrusadas. Os autores utilizaram a mesma extrusora dupla-rosca de 18
mm usada no preparo dos tratamentos do presente estudo, com umidade da farinha
de 17%, temperatura máxima de 130°C, velocidade de rosca de 300 rpm e taxa de
alimentação de 45 g.min-¹.
Segundo os mesmos autores, o aumento no teor de compostos fenólicos
livres pode ser devido a: (1) rompimento das ligações éter e éster dos compostos
fenólicos complexados na parede celular, tornando-os livres e mais facilmente
extraíveis da matriz; e/ou (2) lixiviação de fibras solúveis, proteínas e outros
compostos solúveis que não sejam fenólicos, como mono, di e oligossacarídeos.
Nesse sentido, o fato do teor de compostos fenólicos livres das amostras
preparadas na condição 140°C/18% não diferir (p≤0,05) da FNE se deve,
provavelmente, ao maior rompimento das ligações éter e éster entre os compostos
fenólicos (complexados, ligados) e os compostos de parede celular propiciado por
esta condição de extrusão, tornando os fenólicos mais solúveis e mais facilmente
extraíveis durante as lavagens com o solvente metanol 80%. Portanto, por mais que
na condição 140°C/18% tenha ocorrido a degradação de parte dos compostos
fenólicos, o conteúdo foi compensado pela liberação daqueles previamente
complexados, naturalmente presentes na FNE.
Na Fig. 13 é apresentada a atividade antioxidante de radicais DPPH dos
extrusados expandidos à base de arroz (6,1% de amilose) e feijão, em função das
condições de extrusão.
53
Figura 13 – Efeitos das condições de extrusão sobre a atividade antioxidante de
radicais DPPH (mg Trolox equiv.100 g-¹) dos extrusados à base de arroz (6,1% de
amilose) e feijão. Barras de erro indicam o desvio padrão. Barras com letras
diferentes são significativamente diferentes (p≤0,05).
O mecanismo da reação de eliminação de radicais livres DPPH envolve a
simples transferência de um elétron (PRIOR et al., 2005). Houve diminuição (p≤0,05)
da atividade antioxidante de radicais DPPH em todos os extrusados, quando
comparados à FNE. A análise de correlação de Pearson entre o teor de compostos
fenólicos livres e a atividade antioxidante de radicais DPPH (dados não
apresentados) indicou correlação positiva (r=0,60) entre ambos, com alto grau de
significância (p≤0,001).
Sharma et al. (2012) observaram aumento da atividade antioxidante de
radicais DPPH em extrusados de farinha de cevada, preparados em extrusora dupla
rosca de 25 mm, com taxa de alimentação de 20 kg.h-1, velocidade de rosca de 400
rpm, umidade da farinha de 15 ou 20% e temperatura máxima de 150 ou 180°C. De
acordo com os autores, compostos escuros provenientes da reação de Maillard,
particularmente melanoidinas, podem se formar durante a extrusão. Estes
compostos apresentam atividade antioxidante, aumentando, assim, os valores para
esta variável nos extrusados, comparados ao material não extrusado.
54
No presente estudo, pelo alto grau de significância da correlação entre
compostos fenólicos e a atividade antioxidante, pode-se inferir que as condições
testadas não promoveram a formação de compostos escuros provenientes da
reação de Maillard ou que tais compostos, mesmos que presentes nos extrusados,
não influenciaram na atividade antioxidante.
Na tab. 6 são apresentados os efeitos da temperatura de extrusão sobre os
teores de vitamina B1, fibra solúvel e fibra insolúvel, e o valor energético dos
extrusados expandidos à base de farinha de arroz (6,1% de amilose) e feijão com
18% de umidade.
Tabela 6 – Efeitos da temperatura de extrusão sobre os teores de vitamina B1, fibras
solúveis e insolúveis, e valor energético dos extrusados expandidos à base de
farinha de arroz (6,1% de amilose) e farinha de feijão.
100°C e
140°C e
Análise
FNE*
18%umidade
18%umidade
Vitamina B1 (mg.100 g-¹)
0,14±0,00 a
0,14±0,00 a
0,14±0,01 a
Fibra solúvel (g.100 g-¹)
1,24±0,03 c
1,61±0,02 b
1,88±0,05 a
6,83±0,02 a
6,24±0,02 b
5,96±0,04 c
382
387
390
Fibra insolúvel (g.100 g-¹)
-
Valor energético (cal.100 g ¹)
Resultados expressam médias de três repetições ± desvio padrão. Valores acompanhados por letras
minúsculas diferentes, na mesma linha, diferem estatisticamente (p≤0,05). * FNE = farinha não
extrusada.
Uma vez que vitaminas diferem quanto à estrutura química e composição, sua
estabilidade durante a extrusão também é variável (SINGH et al., 2007). O consumo
inadequado de vitamina B1, ou tiamina, promove danos ao sistema nervoso e
cardiovascular do organismo, levando a uma síndrome mundialmente conhecida
como béri-béri (BRAVATA et al., 2014). Isto mostra a importância do estudo do teor
de vitamina B1 nos extrusados expandidos.
A farinha mista prepara com arroz, feijão, farelo de trigo e resíduo sólido de
indústria de suco de maçã, utilizada no Estudo 1, apresentou 0,14 mg de vitamina
B1 por 100 g. Segundo a Food and Agriculture Organization (FAO/WHO, 2001), os
requerimentos mínimos de ingestão diária de vitamina B1 para crianças de até 6 e 9
anos são, respectivamente, 0,6 e 0,9 mg. Já para adultos, a recomendação mínima
para ingestão diária de vitamina B1 é de 1,2 mg. Os extrusados preparados com
umidade mais baixa, de 18%, foram escolhidos para a avaliação do teor de vitamina
55
B1, já que teores mais baixos de água representam ponto mais crítico à preservação
de vitamina B1 durante a extrusão (GUZMAN-TELLO; CHEFTEL, 1987; MAGA;
SIZER, 1978; PHAM; DEL ROSARIO, 1986).
Não houve alteração (p≤0,05) no teor de vitamina B1 em função do processo
de extrusão e da temperatura de extrusão (tab. 6). Poucos trabalhos avaliaram o
efeito das condições de extrusão sobre o teor de vitamina B1. Beetner (1974)
verificou diminuição de entre 10% e 81% no teor de vitamina B1 da farinha de milho
ao extrusá-la com temperaturas entre 149 e 193°C, com velocidade de rosca de 125
rpm. O mesmo autor em trabalho posterior (BEETNER, 1976), ajustando a
temperatura de extrusão para 232°C e com umidade da farinha de 15%, verificou
perda total de vitamina B1 na farinha de triticale após extrusão. Por outro lado, Athar
et al. (2006) não verificaram diferenças no teor de vitamina B1 em função da
temperatura de extrusão (130-160°C).
No presente estudo, as temperatura de 140°C, mais baixa do que as
verificadas nos relatos da literatura, associada à maior velocidade de rosca (500
rpm) em extrusora dupla-rosca, pode ter favorecido a preservação de vitamina B1 da
farinha mista de arroz, feijão, farelo de arroz e resíduo sólido de indústria de suco de
maçã.
A fibra alimentar dos alimentos é dividida em duas frações: solúvel e
insolúvel. A fração solúvel é constituída por pectinas, algumas hemiceluloses,
gomas, mucilagens, e polissacarídeos de reserva (TIWARI; CUMMINS, 2011). A
fibra solúvel se dissolve em água para formar um gel, aumentando a viscosidade
dos alimentos. Isto ajuda a regular os níveis de glicose pós-prandial, insulina e
colesterol (JENKINS et al., 2000). A fração insolúvel apresenta três componentes
principais: celulose, hemicelulose e lignina (LUNN; BUTTRISS, 2007). Esta fração é
predominante nos alimentos e ainda resistente à digestão. A fibra insolúvel acelera a
passagem dos alimentos pelo estômago e pelo intestino delgado, e é fermentada no
cólon por bactérias, produzindo ácidos graxos de cadeia curta (JOHNSON et al.,
2006).
Houve aumento (p≤0,05) no teor de fibra solúvel e redução (p≤0,05) no teor
de fibra insolúvel nos extrusados expandidos, comparados à FNE (tab. 6). As
alterações mais severas foram observadas nos extrusados preparados a 140°C.
Resultados semelhantes foram encontrados por Berrios et al. (2002), ao extrusar
56
farinha de feijão preto com a mesma extrusora utilizada no presente estudo, com
taxa de alimentação de 80 g.min-¹, velocidade de rosca de 200 rpm, umidade da
farinha de 20% e temperatura máxima de 160°C. Os autores verificaram aumento
nos teores de rafinose e estaquiose, constituintes da fração solúvel. Resultados
semelhantes também foram relatados por Lintas et al. (1995) e Gualberto et al.
(1997).
Segundo Tiwari e Cummins (2011), durante a extrusão não há alteração no
teor de fibra alimentar, mas sim uma solubilização e redistribuição de fibras
insolúveis para a forma solúvel. Nesse sentido, os resultados apresentados na tab. 5
sugerem que a maior temperatura utilizada (140°C) promoveu a maior solubilização
de fibras insolúveis do que a menor temperatura (100°C).
Os extrusados apresentaram valor energético inferior a produtos comerciais,
como os extrusados expandidos de milho com sabor de queijo (564 calorias.100 g-¹)
e cebola (498 calorias.100 g-¹) (NUTRITION DATA, 2014), sendo esta uma
vantagem dos extrusados expandidos preparados à base de arroz e feijão no
presente estudo.
Na tab. 7 são apresentados os efeitos da temperatura de extrusão sobre o
perfil de aminoácidos dos extrusados expandidos à base de farinha de arroz (6,1%
de amilose) e feijão com 18% de umidade.
57
Tabela 7 – Efeitos da temperatura de extrusão sobre o perfil de aminoácidos (g.100
g-¹ de proteína) dos extrusados expandidos à base de farinha de arroz (contendo
6,1% de amilose) e farinha de feijão.
100°C
140°C
FAO/WHO
FAO/WHO
18%umidade
18%umidade
(2002)***
(2002)****
16,72
16,99
17,05
12,11
11,99
11,72
8,58
8,64
8,68
5,9
6,1
Arginina
7,64
7,73
7,74
Lisina**
6,35
6,09
6,03
4,5
4,8
Fenilalanina**
6,00
5,96
6,01
3,8
Tirosina**
4,03
4,00
4,07
(fen + tir)
Valina**
5,23
5,28
5,28
3,9
4,0
Serina
5,17
5,31
5,40
Alanina
4,53
4,60
4,60
Isoleucina**
4,53
4,54
4,55
3,0
3,1
Prolina
4,51
4,63
4,59
Treonina**
4,51
4,04
4,02
2,3
2,5
Glicina
4,00
4,01
4,00
Histidina**
2,93
2,94
2,90
1,5
1,6
Metionina**
2,03
1,86
1,89
2,2
2,4
Cisteína
1,52
1,45
1,47
Aminoácido
FNE*
Ácido glutâmico +
Glutamina
Ácido aspártico +
Asparagina
Leucina**
4,1
-
Resultados são médias de duas determinações, expressos em g.100 g ¹ de proteína.
* FNE = Formulação não extrusada. ** Aminoácidos essenciais. *** Escore de ingestão de
aminoácidos recomendado pela FAO/WHO para adultos (g.100 g ¹ de proteína). **** Escore de
ingestão de aminoácidos recomendado pela FAO/WHO para crianças entre 3 e 10 anos (g.100 g ¹ de
proteína).
As condições de extrusão podem alterar a composição de aminoácidos dos
alimentos, uma vez que cada aminoácido tem suscetibilidade distinta à degradação
em função da temperatura (CAMPOS; ARÊAS, 1993; SANTIAGO et al., 2001).
Houve redução (p≤0,05) no teor de alguns aminoácidos, como ácido aspártico +
asparagina, lisina, treonina e metionina, em função do processo de extrusão.
Resultado semelhante foi observado por Santiago et al. (2001). Os autores
verificaram redução nos teores de lisina, treonina e isoleucina em farinha de grão de
bico (Cicer arietinum L.) após extrusão a 130°C e umidade da farinha de 13%.
O perfil de aminoácidos essenciais dos extrusados obtidos nas condições
apresentadas na tab. 7 atendeu aos valores recomendados pela Food and
58
Agriculture Organization e da World Health Organization (FAO/WHO, 2002), tanto
para crianças entre 3 e 10 anos como para adultos, exceto para o aminoácido
metionina. Cintra et al. (2007), ao estudar aminoácidos limitantes em uma dieta à
base de arroz e feijão, observaram treonina e os aminoácidos sulfurados como
limitante primário e secundário, respectivamente. Os teores de lisina e metionina
observados nos extrusados expandidos do presente estudo são superiores aos
observados por Carvalho et al. (2012), ao elaborar extrusados expandidos com
farinha mista de arroz quebrado e bandinha de feijão.
4.2. Estudo 2 - Efeitos do processo de extrusão e do teor de amilose sobre
parâmetros
operacionais
do
processo,
propriedades
tecnológicas
e
componentes da estrutura do amido isolado de arroz, feijão e milho
O isolamento das variáveis que afetam as propriedades tecnológicas do
produto final da extrusão, referentes aos ingredientes, é fundamental para o correto
entendimento das alterações que ocorrem a nível molecular em função do processo,
visto que a grande maioria dos estudos utilizou farinhas mistas, complexas,
impossibilitando o aprofundamento científico do tema.
Na Fig. 14 estão apresentadas as imagens de microscopia estereoscópica
dos extrusados expandidos preparados com amido isolado de arroz, feijão e milho,
com diferentes teores de amilose.
59
A1
A2
B1
B2
C1
C2
D1
D2
E1
E2
Figura 14 – Imagens de microscopia estereoscópica dos extrusados expandidos de amido
isolado contendo 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E) de amilose. Números 1 e 2
representam, respectivamente, imagens tomadas com 0,71X de aproximação da vista frontal
e 1,6X de aproximação da seção transversal dos extrusados.
60
Os extrusados preparados com amido de arroz com 8% de amilose (Fig.
14A2) apresentaram poros menores, com paredes mais tenras dos que os
extrusados preparados com amido de arroz com 20 e 32% de amilose (Figs. 14B2 e
14C2). No momento da expansão, foi observado que a matriz gelatinizada do amido
com apenas 8% de amilose apresenta mais elasticidade do que os demais materiais.
As bolhas se formavam, cresciam, mas ou estouravam ou murchavam.
Por outro lado, os extrusados preparados com amido de milho Hylon V®
contendo 55% de amilose (Fig. 14E2) podem ser considerados uma massa
compacta, sem poros, resultado da baixa elasticidade e alta viscosidade e
densidade da matriz gelatinizada no momento da expansão.
Os materiais com teores intermediários de amilose (Figs. 14B2, 14C2 e 14D2)
apresentaram um melhor equilíbrio entre elasticidade e viscosidade da matriz, os
quais permitiram crescimento e sustentação de bolhas, respectivamente, no
momento de expansão.
Os resultados estão de acordo com os relatos de Chinnaswamy (1993) e Lai e
Kokini (1991). Segundo estes autores, amidos ricos em amilopectina expandem
mais do que amidos ricos em amilose. Por apresentar cadeias mais curtas e
ramificadas do que a amilose, a amilopectina apresenta menor habilidade para se
reorganizar após o processo de gelatinização, formando uma matriz menos viscosa.
Já a amilose, por apresentar cadeias longas e lineares, é capaz de formar facilmente
novas interações após gelatinização e, logo, uma matriz mais viscosa.
Na Fig. 15 estão apresentados o torque e a pressão registrados pela
extrusora durante o processamento dos amidos isolados de arroz, feijão e milho,
com diferentes teores de amilose.
61
Figura 15 – Torque (%) e pressão (psi) registrados pela extrusora dupla-rosca 18
mm durante o preparo dos extrusados expandidos de amido isolado com diferentes
teores de amilose. Barras de erro indicam o desvio padrão.
O maior torque (p≤0,05) e a menor pressão (p≤0,05) foram registrados
durante o preparo dos extrusados de amido de arroz com 8% de amilose, enquanto
que o menor torque (p≤0,05) e a maior pressão (p≤0,05) foram observados durante o
preparo dos extrusados de amido de milho com 55% de amilose.
Segundo Abeykoon et al. (2009), a mensuração do torque permite verificar o
estado do polímero ao longo do corpo da extrusora, sendo conduzido pela rosca e
sob ação das variáveis do processo de extrusão. O maior torque (p≤0,05) verificado
no amido com 8% de amilose, comparado aos demais, se deve, provavelmente, à
maior adesividade da matriz. Por outro lado, por ser um material rico em
amilopectina e, portanto, haver pouca reorganização após gelatinização via
interações amilose-amilose, a pressão apresentada foi a mais baixa (p≤0,05).
Portanto, apesar de apresentar alta adesividade, o material apresentou baixa
viscosidade.
Comportamento contrário pode ser atribuído ao material extrusado com amido
de milho com 55% de amilose. O alto teor de amilose favoreceu a fluidez do material
durante a condução pela dupla-rosca. No entanto, a pressão foi maior (p≤0,05) do
que nos demais tratamentos, pois, por se tratar de material rico em amilose, a
62
reorganização dos grânulos gelatinizados foi favorecida, formando uma matriz mais
viscosa.
Na Fig. 16 estão apresentados o índice de expansão e a densidade dos
extrusados expandidos preparados com amidos de diferentes teores de amilose.
Figura 16 - Índice de expansão e densidade (g.cm-³) dos extrusados expandidos de
amido isolado de grãos em função do teor de amilose. Barras de erro indicam o
desvio padrão.
O índice de expansão e a densidade apresentaram comportamento inverso. O
menor índice de expansão (p≤0,05) foi observado nos extrusados preparados com
amido de milho com 55% de amilose, seguido do extrusados preparados com amido
de arroz com 8% de amilose. A maior densidade (p≤0,05) foi verificada nos
extrusados preparados com amido contendo 55% de amilose. Não foi observada
diferença (p≤0,05) na densidade dos extrusados preparados com amido de arroz
contendo 8% de amilose e 20% de amilose.
Os resultados observados na Fig. 16, para a variável índice de expansão,
corroboram com a observação visual dos extrusados apresentados na Fig. 14. O
baixo teor de amilose propiciou extrusados pouco estruturados, com paredes tenras,
embora seja observada a presença de alguns poros pequenos. Já o alto teor de
63
amilose propiciou extrusados com baixa elasticidade, alta viscosidade da matriz e
quase total ausência de poros.
Na Fig. 17 é apresentada a dureza dos extrusados expandidos em função do
teor de amilose do amido utilizado na extrusão.
Figura 17 – Dureza (kg) dos extrusados expandidos de amido isolado de grãos em
função do teor de amilose.
A menor dureza (p≤0,05) foi apresentada pelos extrusados expandidos
preparados com amido de arroz com 8% de amilose, o menor teor testado no
presente estudo. Dureza semelhante (p≤0,05) foi observada entre os extrusados
preparados com amidos de 20, 32 e 35% de amilose. Já os extrusados preparados
com amido com 55% de amilose apresentaram dureza cerca de duas vezes superior
ao extrusados preparados com amidos de 20, 32 e 35% de amilose.
A baixa dureza e a facilidade com que o extrusado expandido preparado com
amido de baixo teor de amilose quebra estão associadas à presença de poros e à
ausência de interações fortes entre amilose-amilose e amilose-amilopectina após a
gelatinização do amido, que deixou a matriz pouco viscosa e com paredes de bolha
pouco espessas. Enquanto todos os tratamentos apresentaram ponto de fratura
superior a 2,5 segundos, os extrusados expandidos preparados com amido de arroz
64
com 8% de amilose facilmente quebraram com aproximadamente 1 segundo de
compressão no teste de dureza (Fig. 17).
Na Fig.18 estão apresentados os resultados de L*, a* e b* da análise
colorimétrica dos amidos nativos e extrusados, em função do teor de amilose. Os
eixos L*, a* e b* indicam variações de cor do preto ao branco, do verde ao vermelho
e do azul ao amarelo, respectivamente.
Os amidos extrusados, de forma geral, apresentaram menores valores de L* e
a*, e maiores valores de b* do que os amidos nativos, indicando coloração mais
escura e amarelada após o processo de extrusão. Comportamento diferente foi
observado no material extrusado de amido de feijão, com 35% de amilose, onde
houve aumento do valor de a*, indicando tonalidade mais avermelhada nos
extrusados do que no amido isolado.
De acordo com Rupollo et al. (2011) e Vanier et al. (2012), o amido isolado de
feijão carioca, como o utilizado no presente Estudo, pode naturalmente apresentar a
presença de compostos fenólicos, deixando o amido com tonalidade mais
avermelhada. Este fato justifica o maior (p≤0,05) valor de a* observado pelo amido
nativo de feijão comparado aos demais (Fig. 18). O processo de extrusão, além de
deixar o amido de feijão mais escuro, como observado nos demais tratamentos
deste estudo, promoveu a coloração avermelhada do material.
65
A
B
C
Figura 18 – Valores L* (A), a* (B) e b* (C) da análise colorimétrica dos amidos
nativos e extrusados com diferentes teores de amilose. Barras de erro indicam o
desvio padrão.
66
Na Fig. 19 está apresentado o perfil viscoamilográfico dos amidos de arroz,
feijão e milho, nativos e extrusados, em função do teor de amilose.
Quando aquecido em excesso de água o amido passa pela transição de uma
fase ordenada para uma fase desordenada, chamada gelatinização. À medida que
os grânulos continuam se expandindo, acontece a lixiviação da amilose da fase
intergranular para a fase aquosa. O conjunto de mudanças que envolvem a ruptura
da estrutura granular, o inchamento, a hidratação e a solubilização das moléculas de
amido é definido como o fim da gelatinização (THARANATHAN, 2002).
Um gel (ou pasta) é formado durante o aquecimento do amido em excesso de
água, constituído por uma fase contínua de amilose e/ou amilopectina solubilizada e
uma fase descontínua, composta por fragmentos (HOOVER et al., 2010).
Após a extrusão, todos os amidos testados no presente Estudo apresentaram
perda da organização semicristalina da amilopectina, uma vez que foi verificada
ausência de pico de viscosidade para todos os amidos, independentemente do teor
de amilose, na análise do perfil viscoamilográfico (Fig. 19).
Robin et al. (2012) relataram que a presença de pico de viscosidade em
amido de trigo extrusado, mesmo com desaparecimento da cristalinidade do amido.
De acordo com os autores, com a extrusão pode ocorrer a formação de estruturas
no amido capazes de reter água durante o aquecimento na análise do perfil
viscoamilográfico, de forma semelhante aos grânulos nativos, mas sem apresentar
organização cristalina alguma.
Conforme observado na Fig. 18C, o amido extrusado de arroz com 32% de
amilose apresentou pequeno pico de viscosidade, mesmo com temperatura inferior a
60°C durante a avaliação do perfil viscoamilográfico. Este comportamento não foi
observado nos demais tratamentos extrusados.
67
A
C
B
D
E
Figura 19. Perfil viscoamilográfico dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e
extrusados.
68
Na Fig. 20 estão apresentadas imagens de microscopia ótica dos amidos
nativos e extrusados. De acordo com Ratnayake e Jackson (2007), após a
gelatinização os grânulos de amido pode persistir na forma de “ghosts” ou
“fantasmas”. Relatos recentes mostraram que estas formas ocorrem após
hidratação, gelatinização e colapso dos grânulos de amido, sendo preferencialmente
constituídas pela fração amilopectina (DEBET; GIDLEY, 2007; ZHANG et al., 2012).
Os amidos de baixo teor de amilose, 8 e 20% (Figs. 20A e 20B), quando
extrusados, ainda mantiveram estrutura granular semelhando aos seus respectivos
amidos nativos, enquanto que nos amidos com alto teor de amilose, 32, 35 e 55%
(Figs. 20C, 20D e 20E), foi observada maior desestruturação da estrutura granular.
Durante o processo de gelatinização, a amilose é lixiviada do grânulo de
amido, enquanto as duplas hélices da amilopectina são rompidas, perdendo, assim,
sua organização semicristalina. Como já relatado anteriormente, as moléculas
longas e lineares de amilose apresentam maior facilidade para formar novas
interações após o processo de gelatinização, ocorrido durante o processo de
extrusão.
O amido de milho Hylon V® com 55% de amilose apresentou o maior “ghost”
(Fig. 20E2). O seu alto teor de amilose resultou na maior lixiviação deste polímero
do grânulo de amido durante a gelatinização e numa reorganização mais intensa
durante o processo de expansão.
Os amidos nativos e extrusados foram avaliados por cromatografia de
permeação em gel. A distribuição de tamanho molecular das frações eluídas em gel
Sepharose CL-2B está apresentada na Fig. 21. Os amidos também foram
desramificados com as enzimas pullulanase e isoamilase e as frações eluídas em
gel Sepharose CL-6B estão apresentadas na Fig. 22.
69
A2
B1
B2
C1
C2
Feijão Carioca
D1
D2
Milho – Hylon V®
E1
E2
Arroz IRGA 417
Arroz IRGA 406
Arroz Moti
A1
Figura 20 – Imagens de microscopia ótica dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32%
(C), 35%, (D) e 55% (E) de amilose. Números 1 e 2 representam imagens dos
amidos nativos e extrusados, respectivamente, com 40X de aproximação.
70
B
A
C
D
E
Figura 21. Cromatografia de permeação em gel Sepharose CL-2B dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E)
de amilose, nativos e extrusados.
71
B
A
C
E
D
Figura 22. Cromatografia de permeação em gel Sepharose CL-6B dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E)
de amilose, nativos e extrusados.
72
As frações eluídas em gel Sepharose CL-2B (Fig. 21) podem ser divididas em
três: (1) fração de alto peso molecular (18-30); (2) fração de peso molecular
intermediário (30-40); e (3) fração de baixo peso molecular (40-70) (VAMADEVAM et
al., 2014). A primeira fração tipicamente representa moléculas de amilopectina,
enquanto as demais, superiores a 30, representam amilose.
A extrusão promoveu a redução do peso molecular das moléculas de
amilopectina, com aumento nas frações maiores, referentes às moléculas mais
lineares (Fig. 21). Segundo Singh et al. (2014), as cadeias ramificadas de
amilopectina tornam a molécula suscetível aos danos por cisalhamento durante a
extrusão.
O material desramificado pelas enzimas pullulanase e isoamilase, que clivam
ligações α(1-6), eluído em gel Sepharose CL-6B, também pode ser dividido em três
frações: (1) fração entre 60 e 80, que compreende cadeias longas de glicose; (2)
fração 80 a 120, que compreende cadeias lineares de tamanho médio; e (3) fração
acima de 120, que corresponde às cadeias curtas de glicose, provenientes da
desramificação da amilopectina (VAMADEVAM et al., 2014).
Não foi verificada diferença nas frações desramificadas de amido nativo e
extrusado dos materiais com 8% e 20% de amilose. Este fato indica que a extrusão
clivou preferencialmente ligações α(1-6), das ramificações da amilopectina. Em
amidos com maior teor de amilose, como é o caso dos amidos com 32%, 35% e
55% utilizados no presente estudo, foi observada pequena redução das frações de
cadeia longa (60-80) e média (80-120), indicando que algumas ligações α(1-4)
foram, também, clivadas.
Os resultados estão de acordo com Politz et al. (1994), que relataram que
moléculas grandes de amilopectina, bastante ramificadas, em farinha de milho,
apresentam as maiores reduções no tamanho molecular durante a extrusão.
Na Fig. 23 estão apresentados os difratogramas de raio-X dos amidos nativos
e extrusados. Os difratogramas de raio-X dos amidos nativos revelaram padrões de
estrutura cristalina de acordo com os relatos da literatura (COLUSSI et al., 2014;
VAMADEVAM et al., 2014; VANIER et al., 2012) para os amidos de arroz, feijão e
Hylon V®.
73
A
C
B
D
E
Figura 23. Difratogramas de raios-X dos amidos com 8% (A), 20% (B), 32% (C), 35% (D) e 55% (E) de amilose, nativos e
extrusados. Os difratogramas dos amidos nativos correspondem à curva em preto, enquanto os difratogramas dos amidos
extrusados correspondem à linha em cinza.
74
Os amidos nativos de arroz, com 8, 20 e 32% de amilose, apresentaram
estrutura cristalina tipo A, com picos principais no ângulo de difração 2θ de 15°, 17°,
18° e 23° (Figs. 23A, 23B e 23C). O amido nativo de feijão, com 35% de amilose,
apresentou estrutura cristalina tipo C, com picos principais nos ângulos de difração
2θ de 5,6°, 15°, 17°, 18° e 23° (Fig. 23D). Já o amido Hylon V®, de milho, com 55%
de amilose, apresentou estrutura cristalina tipo B, com picos principais nos ângulos
de difração 2θ de 5,6°, 18° e 20° (Fig. 23E).
A extrusão, nas condições aplicadas neste estudo, promoveu desestruturação
total das duplas hélices de amilopectina dos amidos com 8% de amilose (Fig. 23A) e
35% de amilose (Fig. 23D), haja vista a ausência dos picos inicialmente presentes
nos respectivos amidos nativos.
De acordo com Lambert et al. (2009), cristais de amilopectina originários de
estruturas cristalinas tipo B podem se formar a partir da retrogradação da
amilopectina após a gelatinização de amidos, sendo observados em ângulos de
difração 2θ de 5,6° e 13°. Por outro lado, complexos amilose-lipídeos podem ser
verificados em amidos gelatinizados e retrogradados no ângulo de difração 2θ de
20°.
Nos amidos extrusados de arroz que apresentavam 20% de amilose e 32%
de amilose (Figs. 23B e 23C) e no amido extrusado de milho (Hylon V®) com
55%
de amilose foram observados picos de difração nos ângulos 2θ de 13° e 20°,
indicando a reorganização parcial da amilopectina e da amilose, respectivamente,
em cristais, após a extrusão.
75
5. CONCLUSÕES
5.1. É possível a obtenção de extrusados à base de arroz e feijão com alto
índice de expansão, baixa densidade, baixa dureza e boa aceitação sensorial a
partir de farinha mista (70:30) com 18% de umidade e temperatura de extrusão de
140°C, havendo aumento do índice de expansão e redução da dureza do extrusado
com a diminuição o teor de amilose do arroz na mistura.
5.2. A extrusão propicia aumentos das proporções de compostos fenólicos
livres e de fibra solúvel, com redução da proporção de fibra insolúvel das farinhas
mistas de arroz e feijão, havendo maior efeito do processo com aumentos da
temperatura de extrusão e redução da umidade das farinhas utilizadas, mas a
temperatura de extrusão e a umidade da farinha mista não interferem no teor de
vitamina B1 e nem no valor energético.
5.3. O maior índice de expansão na extrusão dos amidos isolados de arroz,
feijão e milho ocorre com teores de amilose entre 20 e 35%. A amilopectina, apesar
de favorecer a elasticidade da matriz gelatinizada, não é capaz de formar novas
interações para fortalecer a parede das bolhas.
5.4. O processo de extrusão promove a quebra das ligações α-1,6,
predominantemente, das cadeias de amilose e de amilopectina do amido,
independentemente se de arroz, feijão ou milho.
76
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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