Extração, caraterização parcial e avaliação de comportamento
reológico de extratos β-glucanas.
S. M.Vasquez
1, A. de Francisco
a, P. L.M. Barreto
a,
L.Molognoni
b, H. Daguer
b.
1. Departamento de Ciência y Tecnologia de alimentos, Centro de Ciências Agropecuárias, Universidade Federal de Santa Catarina, 88034-001 Florianópolis, Brasil. Telefone: 55 (48) 96190767 e-mail: vasquezmilena43@gmail.com
2. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Laboratório Nacional Agropecuário, Serviço
Laboratorial Avançado, São José, SC, 88102-600, Brasil. – e-mail
luciano.molognoni@contratado.agricultura.gov.br
RESUMO: As β-glucanas (1-3:1-4) são fibras solúveis de cereais associadas à diminuição de doenças
cardiovasculares e diabetes e podem ser aplicadas aos alimentos por suas propriedades tecnológicas como o aumento da viscosidade. Os processos de extração das β-glucanas afetam a composição da fibra, diminuindo a massa molar e viscosidade. Foram extraídas β-glucanas de cevada, caracterizadas mediante análises químicas, teor de minerais e comportamento reológico e comparadas com duas marcas de β-glucanas comerciais. O rendimento da extração foi de 19,06±3,0%. Os extratos obtidos apresentaram 64,38±3,54% de β-glucanas, contaminação com amido (12,70±1,73) e altos teores de minerais (principalmente cálcio (8894mg/Kg)). As marcas comerciais apresentaram menos de 30% de β-glucanas e baixa contaminação com amido (1,68±0,21% e 2,32±0,30%). O comportamento reológico das amostras explicado pela lei da potência indica que os extratos obtidos apresentam comportamento pseudoplástico. A presença de outros compostos afetou o comportamento reológico das amostras analisadas. Recomenda-se purificação enzimática.
PALAVRAS CHAVE: Cereais, β-glucanas, comportamento reológico, fibra solúvel.
ABSTRACT: β-glucans (1-3:1-4) are soluble cereal fibers associated with decreased cardiovascular
diseases and diabetes and can been applied to foods due to their technological properties such as increased viscosity. The extraction procedures of β-glucans affect the composition of the fiber,
reducing the molecular weight and viscosity. Barley β-glucans were extracted, characterized by chemical analysis, mineral contents and rheological behavior, and compared with two commercial brands. The extraction yield was 19.06 ± 3.0%. The extracts showed 64.38 ± 3.54% of β-glucans, with starch contamination (12.70 ± 1.73) and high mineral content (calcium mainly (8894mg/kg)). The commercial brands showed less than 30% β-glucans and low starch contamination (1.68% ± 0.21 and 2.32 ± 0.30%). The rheological behavior of the samples explained by the power law indicates that the extracts have pseudoplastic behavior. The presence of other compounds affect the rheological behavior of the samples. It is recommend to further purify with enzymes.
KEYWORDS: Cereals, β-glucans, rheological behavior, soluble fiber.
1. INTRODUÇÃO
As β-glucanas de cereais são fibras solúveis formadas por monômeros de D-glucose com ligações β (1-3) e β (1-4) com diversas aplicações no âmbito da saúde, dos alimentos e da indústria farmacêutica (Zhu, Du, & Xu, 2016); (Comin, Temelli, & Saldaña, 2012). A utilização de β-glucanas
em alimentos baseia-se no seu potencial de atuar como agente espessante ((Lyly et al., 2004), estabilizador de emulsões (Álvarez & Barbut, 2013) e substituto de gordura (Morin, Temelli, & McMullen, 2004); (Álvarez & Barbut, 2013), sendo recomendadas para melhorar as características de textura em alguns alimentos.
As condições operacionais para a extração de β-glucanas são influenciadas pela temperatura, pH, tempo de extração, agitação, o tipo de solvente e o tamanho de partícula ((Benito-Román, Alonso, & Lucas, 2011). Existem no mercado produtos concentrados e isolados de β-glucanas que podem conter entre 50% e 90% da fibra (Ghotra, Vasanthan, & Temelli, 2008); (Jonker, Hasselwander, Tervilä-Wilo, & Tenning, 2010); (Limberger-Bayer et al., 2014); (Zhu et al., 2016) que podem ser usados como ingrediente funcionais no desenvolvimento de produtos com apelo saudável, porém, os isolados tem altos custos de produção e purificação (Zhu et al., 2016). Segundo (Regand, Chowdhury, Tosh, Wolever, & Wood, 2011) o estado físico das β-glucanas no material vegetal, a atividade da betaglucanase endógena, as condições de extração, e o processamento dos alimentos afetam as características deste homopolímero. Adicionalmente, a presença de moléculas que causam a oxidação como Fe2+ e H2O2 ocasionam mudanças do composto e diminuem a massa molar e viscosidade
(Faure, Sánchez-Ferrer, Zabara, Andersen, & Nyström, 2014). Sendo importante fazer uma caraterização química das β-glucanas extraídas antes de sua utilização em alimentos.
O objetivo de este trabalho foi extrair e caracterizar β- glucanas de cevada obtidas em condições de laboratório (extrato Ceres) e comparar suas propriedades físico-químicas e reológicas com duas marcas de β- glucanas comerciais.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais
As amostras de cevada para a extração de β-glucanas (extrato Ceres) foram fornecidas pela empresa SL Alimentos Ltda, Mauá da Serra, Brasil. O kit enzimático para a determinação de glucanas foi obtido da Megazyme International Ltda. Wicklow, Irlanda. As duas amostras de β-glucanas comerciais (A e B), foram fornecidos pela empresa Polycell Technologies (Minnesota, USA).
2.2 Extração de β-glucanas
O processo de extração foi conduzido no laboratório de Ciência e Tecnologia de Cerais “CERES” da Universidade Federal de Santa Catarina. As amostras de cevada foram processadas de acordo com o método de Wood et al., (1978) adaptado por Limberguer et al (2011) com algumas modificações. A cevada foi moída até um tamanho de partícula inferior a 0,5 mm e misturadas com água destilada na razão 1:10, o pH da solução foi ajustado até 8 com CaCO3 (20% p/v) para precipitação do amido, seguido de aquecimento em banho maria com agitação por 30 minutos entre 50 °C- 52°C. A solução foi esfriada a temperatura ambiente e centrifugada a 6000 rpm durante 30min a 4°C. O sobrenadante foi recuperado e adicionado igual volume de etanol p.a. para precipitação das β-glucanas. Depois de 16 horas a 4°C a solução foi centrifugada a 4580 rpm por 10 min a 4°C. O precipitado de β-glucanas foi recuperado e lavado com etanol p.a. O excesso de umidade foi eliminado deixando a amostra em placa de petri à temperatura ambiente durante 2 horas. O extrato de β-glucanas permaneceu em dessecador por 24 horas e posteriormente as amostras foram moídas em moinho Ika (Modelo A11 Basic) e peneiradas até 0.5 mm. O rendimento da extração (R.E) foi calculado pela Equação 1 utilizada por Gangopadhyay et al., (2015).
R.E(%) = (%β-G em cevada) - (% β-G no resíduo após extração) X 100 (1)
2.3 Análise química
As análises químicas foram realizadas utilizando as metodologias da AOAC (AOAC 2005). Umidade, método 950.01; Cinzas, método 942.05; o conteúdo de nitrogênio das amostras foi determinado por Kjeldahl, método 945.01 e convertido a proteína multiplicando por fator 6,25 (AOAC 46-19); Lipídeos por Soxhlet usando éter de petróleo, método 920.39C. As Fibras alimentares totais (FT), fibras insolúveis (FI) e fibras solúveis (FS) foram quantificadas empregando kit de ensaio da Megazyme Internacional Ltda. Wicklow, Irlanda (Método 991.43 AOAC). O amido total e o teor de β-glucanas foram determinados usando os métodos 996.11 e 995.16 da AOAC.
2.4 Teor de minerais
As análises para o teor de minerais foram realizadas no laboratório Nacional Agropecuário do Rio Grande do Sul (LANAGRO) – Serviço Laboratorial Avançado de Santa Catarina- (SLAV-SC) do MAPA. A análise de fósforo (P) foi realizada por método colorimétrico, utilizado um espectrofotômetro UV visível (Evolution 60S. Thermo Scientific. Madison, USA) (Método 965.17 AOAC, 2010). As análises de sódio (Na) e potássio (K) foram realizadas por espectrometria de emissão atômica utilizando um fotômetro de chama (Analyser 910M. S.P, Brasil) método 969.23 (AOAC, 2005). Os minerais: cálcio (Ca), ferro (Fe), magnésio (Mg) e zinco(Zn), foram determinados por espectrometria de absorção atômica por chama (F-AAS), utilizando um espectrômetro de absorção atômica (Aanlyst 200, Perkin Elmer. Shelton, USA), seguindo a metodologia proposta pela AOAC (método 968.08, AOAC 2010).
2.5 Análises reológicas
O comportamento reológico das β-glucanas foi realizada seguindo a metodologia utilizada por Limberger-Bayer et al., (2014) com modificações. Foi realizado em um reômetro rotacional (Brookfield Engineering Laboratories model RVDV-III Ultra, Stoughton, MA, USA) com cilindros concêntricos: spindle ULA (para as amostras A e B) e spindle S21 (para o extrato Ceres). As amostras foram preparadas mediante dispersões aquosas de 1,5% (p/v) de β-glucanas. As respostas reológicas foram analisadas pelo modelo de Ostwald de Waale ou lei da Potência, apresentado na Equação 2.
a = k()n-1 ... (2)
Onde: a = Viscosidade aparente, k= Índice de consistência (Pa.sn) ɤ= Taxa de deformação (s-1)
n= Índice de comportamento de fluxo (adimensional).
2.6 Processamento de dados e análise estatística
Foi utilizado o software estatístico Statistica versão 7.0 (Copyright (c) StatSoft, Inc. (2004)). Foram aplicados testes de análise de variância ANOVA com fator único utilizando o teste de Tukey para verificação da diferença entre as médias com p<0.05.
3. RESULTADOS E DISCUSÃO:
3.1 Rendimentos na extração
O rendimento da extração de β-glucanas de cevada foi 19,06 ± 3,0% e o teor de β-glucanas no extrato foi 64,38 ± 3,54%, indicando a presença de contaminantes no extrato. Tanto as condições de extração quanto as interações das β- glucanas com outros componentes do grão podem ter influenciado o rendimento da extração e a pureza dos extratos. Valores maiores de rendimento (> 50%) foram publicados por Limberger et al., (2011), para a cultivar de cevada (BRS195) porém, os
teores de β-glucanas obtidos neste trabalho foram menores (53% nos extratos sem purificar). As diferencias nos rendimentos da extração podem ser explicadas pela coexistência de vários biopolímeros na parede celular do endosperma, sua organização espacial e a natureza das interações entre os componentes da parede celular que contribuem à resistência mecânica, à permeabilidade, e por tanto à solubilidade dos componentes ((Izydorczyk & Dexter, 2008)).
3.2 Análises químicas de β-glucanas extraídas e comerciais
A tabela 1 exibe os resultados das análises química das β-glucanas extraídas e comerciais. As amostras apresentam diferença significativa (p<0.05) entre as marcas comerciais e os extratos obtidos no laboratório Ceres para todos os nutrientes analisados, exceto lipídeos.
Tabela 1 - Análises Químicas das amostras de β-glucanas (g/100g).
Amostra Proteína Lipídeos Cinzas Amido FI FS
β-glucanas Marca A 16,10±0,69a 1,31±0,31a 2,32±0,18a 1,68±0,21a 17,35±1,75a 27,99±0,80a Marca B 17,46±0,04a 1,01±0,25a 2,57±0,05a 2,32±0,30a 15,67±1,02a 29,97±1,59a Extrato Ceres 8,66±0,34 c 1,84±0,79a 5,23±0,35c 12,70±1,73b 6,47±0,81c 64,38±3,54c
Média ± Desvio padrão seguidos de letra igual em uma mesma coluna não tem diferença significativa pelo teste de Tukey (p>0,05). Resultados expressos em base seca.
As fibras solúveis (β-glucanas) são os carboidratos presentes em maior proporção nas amostras apresentando concentrações de 27,99±0,8 na marca B até 64,38±3,54 no extrato Ceres. O teor de FI apresenta grande variação com valores desde 6,47 para o extrato Ceres até 17,35±1,7 para a marca A. Já o amido apresenta valores baixos nas marcas comerciais (1,68±0,2 e 2,32±0,30 nas marcas A e B respectivamente) e o extrato Ceres apresenta alta contaminação com amido (12,70±1). Em geral, a presença de amido nas amostras, poderia ser explicada como uma consequência dos processos de extração de cada tipo de amostra analisada. Segundo Izydorczyk; Dexter, (2008), durante os processos de extração úmida é provável a solubilização parcial do amido ficando aderido à molécula de β-glucanas.
As amostras fornecidas pela empresa Polycell Technologies não apresentam entre elas diferença significativa entre elas na sua composição química e têm maiores teores de proteína e de FI que o extrato Ceres. Os altos valores de FI, podem ser explicados diretamente pelo processo de extração do polissacarídeo (possivelmente por métodos secos, obtendo fracções enriquecidas da molécula com altos níveis de FI), porém, no caso da proteína os valores são altos quando comparados com os extratos Ceres e com a proteína encontrada na cevada(10,59±0,50%). Estes resultados sugerem que, possivelmente estes produtos podem ter sido adicionados de outros compostos proteicos.
Segundo Burkus; Temelli, (2005) os principais contaminantes das β-glucanas são o amido e as proteínas que ficam aderidos à molécula por serem estes os principais componentes da cevada. Ao respeito, Izydorczyk; Dexter, (2008), indicam que as β-glucanas são afetadas diretamente pelos processos de extração e purificação empregados para obter frações enriquecidas da fibra e a interação com outros constituintes da cevada é importante nas perspectivas tecnológicas deste polissacarídeo.
3.3 Teor de minerais
Os resultados do teor de minerais das β-glucanas são apresentados na tabela 2. Todas as amostras apresentaram diferença significativa no teor de minerais. É possível evidenciar que o mineral
presente em maior quantidade em todas as amostras é o fósforo, seguido pelo potássio, cálcio e magnésio. Estes resultados são coerentes com os teores de minerais reportados para cevada, na qual o fósforo e o potássio são os principais minerais (Hoseney, R 1991).
Tabela 2 - Teor de Minerais das β-glucanas extraídas (mg/Kg).
Amostra P K Mg Ca Na Zn Fe
A 10113a 5966a 1795a 303a 44a 13a 17a
B 3244b 3159b 681b 333a 2500b 11b 9b
Extrato Ceres 4711c 1611c 303d 8894c 146a 10b 12c
Média ± Desvio padrão seguidos de letra igual em uma mesma coluna não tem diferença significativa pelo teste de Tukey (p>0,05). Resultados expressos em base seca.
O teor de fósforo encontrado neste estudo para as β-glucanas comerciais e extraídas estão dentro das faixas reportadas por Kivelä et al., (2012) e são superiores aos reportados por Ahmad et al., (2010). O alto teor de cálcio nas amostras de β-glucanas extraídas é consequência do processo de extração que utiliza carbonato de cálcio durante a separação do amido.
No caso do sódio, foram encontrados valores significativamente maiores nas amostras da marca B do que no resto das amostras. Já o valor de Ferro, foi maior na marca A, também com diferença significativa. Estes valores de minerais são importantes porque a presença de outros compostos como proteínas, amido, metais e fósforo podem causar a clivagem e degradação térmica das β-glucanas e em decorrência afetar sua massa molar e viscosidade (Kivelä et al., 2012). Nesse sentido, (Faure, Werder, & Nyström, 2013), indicam que a presença de ferro (Fe2+) ainda em pequenas
quantidades pode promover a formação de radicais OH e em decorrência gerar a degradação do polissacarídeo, afetando a viscosidade.
3.4 Comportamento reológico das β-glucanas em concentrações de 1,5%
Os comportamentos de fluxo das β-glucanas em concentrações de 1,5% são apresentados nas Figuras 1 e 2.
Figura 1 - Comportamento de fluxo das β-glucanas comerciais.
Na Figura 1, pode-se observar que nas amostras comerciais (A e B), a tensão de cisalhamento foi proporcional à taxa de cisalhamento, sendo mais próximo ao comportamento de fluidos Newtonianos. 0,00 0,80 1,60 2,40 3,20 4,00 4,80 10,00 60,00 110,00 160,00 Sh ea r St ress . (m Pa s. s -1) Shear Rate (s-1)
Comportamento de Fluxo β- Glucanas
Comerciais (1,5%)
A B
Figura 2 - Comportamento de fluxo das β-glucanas Extraídas.
Por outro lado, o extrato Ceres, apresentou um comportamento de fluxo similar a um fluido pseudoplástico. Neste tipo de fluidos, a viscosidade diminui com o aumento da taxa de cisalhamento e a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento não é linear como observado na Figura 2. Uma vez que a viscosidade é definida como a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento, os extratos obtidos no laboratório têm uma viscosidade mais alta que as marcas comerciais avaliadas.
O comportamento reológico de todas as amostras foi bem explicado pelo modelo da lei da potência com um R2 > 0,99. Os parâmetros do modelo são apresentados na tabela 3.
Tabela 3 - Parâmetros da Lei da Potência (ŋ= k(ɤ)(n-1)) para amostras de β-glucanas.
Amostra Índice de consistência (k) Índice de comportamento de fluxo (n) R2 A 0,0448 0,8822 0,9993 B 0,0133 0,9079 0,9984 Extrato Ceres 0,9207 0,5001 0,9931
As amostras comerciais (A e B), apresentaram um baixo índice de consistência (k) (0,04 e 0,013 respectivamente) e um índice de comportamento de fluxo (n) próximo a 1 (0,88 0,90 respectivamente) (Tabela 3). Valores similares foram reportados para extratos de β-glucanas de cevada por Riu et al., (2012), indicando um valor k=0,06 e um valor n= 0,92. Já o extrato Ceres apresentou um índice de consistência (k) alto (0,92) e um índice de comportamento de fluxo (n) igual a 0,5 (Tabela 3). De acordo com Burkus; Temelli, (2005), a pseudoplasticidade das β-glucanas já foi estabelecida para moléculas de alta viscosidade e normalmente apresentam um alto coeficiente de consistência (k) e baixo índice de comportamento de fluxo (n). As fibras solúveis com estas caraterísticas tem sido recomendados como substitutos de gorduras.
A alta viscosidade encontrada para as β-glucanas extraídas no laboratório Ceres pode ser explicada pela presença de 12,7% de amido, de 5,23% de cinzas e alto teor de cálcio (8894 mg/Kg) sendo a amostra com maiores teores de estes compostos. Nesse sentido, Limberger-Bayer et al., (2014) e Ahmad et al., (2010), indicam que a presença de outros componentes não fibrosos é um fator importante responsável pela alteração na viscosidade das fibras solúveis.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0 5 10 15 20 25 30 35 Sh ear S tr es s . ( m Pas . s -1 ) Shear Rate (s-1)
Comportamento de fluxo β- Glucanas
Extrato Ceres(1,5%)
Finalmente, segundo Regand et al., (2011), e Lazaridou; Biliaderis, (2007) as altas viscosidades normalmente estão relacionadas com altas massas moleculares. Existe uma relação direta entre o incremento da viscosidade e a massa molar das β-glucanas, refletido nas características de pseudoelasticidade e nas propriedades viscoelásticas deste composto. Assim, as diferenças de viscosidade entre as amostras comerciais e as extraídas podem ter explicação a partir dos fatores mencionados.
4. CONCLUSÕES:
Os extratos obtidos apresentaram alto teor de β-glucanas, porém contem maior contaminação com amido e alto teor de minerais (principalmente cálcio e fósforo). As β-glucanas extraídas apresentaram alta viscosidade e necessitam processos de purificação posteriores para tirar o amido e proteínas aderidos.
As duas amostras comerciais são mais próximas na composição centesimal e consequentemente apresentam características físico-químicas similares, mas seu conteúdo de β-glucanas não supera o 30% e seria necessário utilizar altas quantidades da fibra em aplicações em alimentos.
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