ESTUDO CINÉTICO E MICROSCÓPICO DO PROCESSO DE
HIDRATAÇÃO DOS GRÃOS DE SOJA DA VARIEDADE BRS
257
®- EMBRAPA SOJA
C.W.C. BORGES¹; L.M.M.JORGE2 e R.M.M.JORGE¹;
Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharia Química, Programa de Pós-graduação em Engenharia de Alimentos, Av. Cel. Francisco H dos Santos, s/n, Jardim das
Américas, CEP: 81530-900 – Curitiba - PR – Brasil E-mail para contato: criswborges@hotmail.com
RESUMO: O processo de hidratação dos grãos de soja é frequentemente utilizado nas operações de cozimento, moagem, extração de constituintes e na produção de derivados. A hidratação consiste em submergir os grãos em água durante tempo e temperatura pré-estabelecidos. O modelo empírico não exponencial de Peleg possibilita o ajuste dos dados experimentais e o cálculo do teor de umidade de equilíbrio e a Microscopia Eletrônica de Varredura é interessante para avaliar as alterações estruturais ocasionadas ao longo do processo. Estas ferramentas são de grande valor para o estudo da cinética de hidratação de grãos. O presente trabalho teve por objetivo a análise de dados obtidos durante o processo de hidratação dos grãos de soja, descrito pelo modelo empírico de Peleg e a avaliação das alterações estruturais identificadas através da Microscopia Eletrônica de Varredura, nas temperaturas de 30°, 40°, 50° e 60°C ao longo de 8 horas de hidratação.
1. INTRODUÇÃO
Entre os produtos agrícolas que atualmente alimentam o mundo, a soja ocupa uma posição de crescente destaque e extraordinária expansão. Segundo o USDA, a produção mundial na safra 2014/15 foi de 314 milhões de toneladas, o Brasil produziu 95,5 milhões de toneladas e a Argentina, 55 milhões. (USDA,2015)
A soja é considerada um alimento funcional, produz efeitos benéficos à saúde, que podem reduzir os riscos de algumas doenças crônicas e degenerativas. É rica em proteínas com aminoácidos essenciais, ácidos graxos poli insaturados e compostos fito químicos: isoflavonas, saponinas, fitatos e vitaminas do complexo B, além de ser uma excelente fonte de componentes inorgânicos como: cobre, ferro, fósforo, potássio, magnésio e manganês. Sua composição nutricional varia de acordo com as características das cultivares, época da semeadura e localização geográfica (Kudou et al., 1991; Liu, 2004; EMBRAPA, 2010).
A cultivar de soja BRS 257 desenvolvida pela Embrapa é isenta das três isoenzimas lipoxigenases (L1, L2 e L3) responsáveis pelas reações de oxidação sobre os ácidos graxos poli insaturados. Esta inibição torna a cultivar propícia para o cultivo orgânico e para a alimentação humana, principalmente para a produção de farinha de soja e leite de soja (Silva et al., 2001; EMBRAPA, 2008; Carrão-Pannizzi, 1999). Sua composição centesimal é de 5,7% de umidade, 41,7% de proteínas, 21,2% de lipídeos, 24,9% de carboidratos e 6,6% de fibras (Alves, 2012).
Durante o processo de hidratação dos grãos de soja ocorrem modificações de textura que afetam diretamente as etapas de moagem e extração dos constituintes (Liu,1997). A hidratação em temperaturas acima da temperatura ambiente é também recomendada para melhorar a digestibilidade da proteína (Bayram et al., 2004a, 2004b) e depende da permeabilidade do envoltório (casca) e das propriedades dos colóides constituintes dos grãos. A distribuição de umidade no grão é regulada pelo potencial celular, ocorre por difusão e por capilaridade, sempre no sentido do maior para o menor potencial hídrico (Braga et al., 2012), sendo importante considerar as variações de espessura, composição das diferentes cultivares e locais de produção (Cavariani et al., 2009).
Peleg propôs um modelo matemático não exponencial para a descrição da absorção da água em grãos e cereais, que possibilitou o cálculo do teor de umidade de equilíbrio a partir de dados experimentais (Peleg, 1988). . Vários pesquisadores aplicaram este modelo na hidratação de diversos grãos e o consideraram adequado para o estudo destas propriedades durante o processo de hidratação e para determinar a melhor condição de processamento industrial. Assim, o presente trabalho teve por objetivo a análise de dados da hidratação dos grãos de soja, descrito pelo modelo empírico de Peleg e a análise morfológica através da Microscopia Eletrônica de Varredura.
2 MATERIAL E MÉTODOS
Este trabalho foi desenvolvido nos laboratórios pertencentes ao Programa de Pós-graduação em Engenharia de Alimentos do Setor de Tecnologia, localizado no Campus da Universidade Federal do Paraná – UFPR, Curitiba – PR, Brasil.
2.1 Amostra
Para os ensaios utilizou-se grãos de soja da variedade BRS 257, safra 2014, fornecido pela EMBRAPA SOJA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) localizada no distrito de Warta - Londrina – PR, Brasil.
As amostras foram armazenadas a temperatura ambiente e acondicionadas em pacotes plásticos hermeticamente selados.
O teor de água inicial médio da amostra foi de 12,79%,Xb.u., determinado em estufa a
105±5°C por 24 horas sob três repetições (BRASIL, 1992).
2.2 Processo de Hidratação
Para cada ensaio foi utilizado a proporção de 1:3 de grãos de soja em água destilada contendo 0,5% de Benzoato de sódio, dispostos em formas de alumínio, sem agitação em banho termostático.
As temperaturas pré-estabelecidas do banho foram de 30, 40, 50 e 60±0.2°C. Porções de aproximadamente 30g foram retiradas em intervalos de 30 minutos até totalizar 3 horas. Posteriormente, intervalos de 1 hora até a soma de 8 horas. Notadamente, para esta condição, o grão de soja apresenta um patamar a partir de 5 horas de experimento, alcançando a condição de equilíbrio.
As porções amostradas foram drenadas em peneiras e posteriormente em papel toalha removendo a água superficial. Os ensaios ocorreram em triplicata, visando determinar o teor de água para cada instante, calculado com base no aumento da massa do grão em relação a
sua massa inicial, Equação 1. A variação do volume foi obtida pelo deslocamento de 20 grãos após a introdução em proveta de 25±0.25mL contendo 15mL de água destilada. Ao final, as amostras foram descartadas.
(1)
A Equação 1 expressa a massa da amostra hidratada (Massa Úmida - Xbu) e depois de
seca (Massa Seca - Xbs).
2.3 Modelagem Matemática do Processo de Hidratação
A operação de hidratação dos grãos de soja foi estudada pelo modelo empírico conhecido da literatura, o modelo de Peleg. Este modelo foi aplicado tendo em vista a correlação matemática dos dados experimentais obtidos, com base na Equação 2.
(2)
Tal que, as constantes C1 e C2 foram obtidas pelo ajuste não-linear, realizado pelo
programa estatístico Origin 8.5.
Em que, Ut designa o teor de água para um dado tempo; U0 indica o teor de água
inicial do produto; C1 refere-se à transferência de massa, proporcional à temperatura; C2
indica à capacidade máxima de absorção de umidade e t o tempo em horas.
O teor de água de equilíbrio foi obtido pela própria Equação 2, quando o tempo tende ao infinito, resultando na Equação 3, onde, Ue é o teor de água de equilíbrio.
(3)
Efeito da Temperatura na Constante do Modelo: Sopade e Obekpa (1990) e Sopade et al. (1994) observaram que o parâmetro C1 do modelo de Peleg está inversamente relacionado
com a temperatura e seu recíproco define a taxa de hidratação inicial, Equação 4, para U em t=t0.
(4)
Ajuste do Modelo: O grau de ajuste do modelo levou em consideração a magnitude do coeficiente de determinação (R2), do erro médio relativo (P) e estimativa do desvio padrão (SE). Os parâmetros P e SE foram calculados conforme as Equações 7 e 8, respectivamente.
(5)
Tal que, E é o valor observado experimentalmente, Ê o valor predito pelo modelo, n o número de dados observados e GLR o grau de liberdade do modelo, observado pela quantidade de dados observados menos a contagem de parâmetros do modelo.
A qualidade de representação do modelo também foi verificada levando em importância a raiz quadrada média do erro (RMSE) conforme a Equação 9. Assim, N o número de observações.
(7)
2.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Para a análise de MEV foi utilizado o microscópio eletrônico de varredura TESCAN Modelo Vega 3 do Centro de microscopia eletrônica da UFPR. Nos estudos foi utilizada tensão aceleradora de 15 KV e distância de trabalho entre 10-15 milímetros e aumento de 1 Kx (1000x).
Para o preparo das amostras foram realizados diferentes ensaios de hidratação, conforme mostra a Tabela 1 e a metodologia seguida foi descrita por Dedavid et al., 2007.
Tabela 1: Condições de tempo e temperatura de hidratação para análise de MEV
Ensaios Temperatura (°C) Tempos (h) 1 e 2 30 2 h; 6 h 3 e 4 40 2 h; 6 h 5 e 6 50 2 h; 6 h 7 e 8 60 2 h; 6 h 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Análise do Processo de Hidratação
Variação da taxa de absorção de umidade: Foi verificado que o grão de soja durante o processo de hidratação exibiu comportamento de absorção de umidade característica de produtos agroindustriais, ou seja, absorção rápida de umidade no início do processo, seguida por uma taxa mais pausada, até estabilização. A Figura 1 mostra a evolução da umidade em função do tempo nas temperaturas de 30°C, 40°C, 50°C e 60°C.
A umidade inicial da soja de 0,1279 kg.kg-1 alcançou a umidade de equilíbrio em diferentes tempos nas temperaturas estudadas, conforme mostra a Tabela 2. E a maior temperatura exibiu a velocidade de hidratação maior, conforme também verificado por FRACASSO et al., 2014 além de outros estudos que também demonstraram este comportamento (SHANINEJAD et al., 2007, HWANG et al. 2009 e BOTELHO et al. 2013).
Tabela 2 - Umidade e tempo para o equilíbrio nas temperaturas de hidratação Temperatura(°C) Umidade equilíbrio Umidade inicial Tempo (min) 30 0,5360 0,1279 180 40 0,5114 0,1279 90 50 0,5194 0,1279 60 60 0,5012 0,1279 30
O aumento da umidade dos grãos foi em média igual a 78,4%, considerando a faixa de estabilização da absorção de umidade em cada temperatura estudada.
Figura 1 - Cinética de hidratação da cultivar BRS257 em função do tempo para as temperaturas de 30, 40, 50,60°C.
Foi observado que os dados experimentais esboçaram conduta acreditada em relação ao aumento da temperatura, ou seja, maior taxa de absorção foi alcançada pelo aquecimento do sistema.
O desprendimento da casca dos grãos de soja ocorreu após 4 horas de hidratação a 30°C e após 2 horas de hidratação a 60°C.
Variação do volume ao longo da hidratação: Observa-se na Figura 2, que o tratamento a 60°C foi o que obteve maior volume do grão e a maior velocidade de absorção de água. Os autores Steffe e Singh (1980) e Coutinho et al. (2007) consideraram que a variação do volume de grãos agropecuários ao longo do processo de hidratação é proporcional a quantidade de umidade absorvida.
Figura 2 - Variação do volume dos grãos de soja em função do tempo para as temperaturas de 30, 40, 50 e 60°C.
3.2 Modelagem Matemática do Processo de Imersão
Qualidade do Ajuste do Modelo: O gráfico de correspondência entre os valores observados experimentalmente e estimados pelo modelo de Peleg para a faixa de temperatura entre 30 e 60°C estão demonstrados na Figura 3. A análise destes resultados admite que o modelo representa adequadamente as principais tendências de absorção de umidade do processo de hidratação da soja, R² de 99.89%. Entretanto os resultados estimados pelo modelo e os dados experimentais não coincidiram 100%, mas os demais parâmetros estatísticos possibilitaram confirmar a qualidade do modelo quanto sua capacidade preditiva como apresentado na Tabela 2. Os valores de P estiveram abaixo de 10%, o que, segundo RESIO et al., (2006) representa um ajuste satisfatório do modelo diante da extensão da variação dos dados.
Tabela 3 – Parâmetros de ajustes do modelo de Peleg em função da temperatura de hidratação 30°C 40°C 50°C 60°C K1 0,0177 0,0103 0,0067 0,0023 K2 0,0187 0,0196 0,0193 0,02 R2 99.79 99.84 99.98 99.98 RMSE (Xbu) 2,3858 3,4299 1,1312 1,6167 SE (Xbu) 1,1378 1,5634 0,6852 0,9348 P(%) 1,5994 2,2192 0,7970 0,9382 3.3 Imagens MEV
Figura 4. Imagens obtidas por MEV, mostrando a estrutura do endosperma primário do grão de soja in natura, aumento médio de 1 Kx , CME-UFPR, 2015.
30°C/2h 30°C/6 h 40°C/2h 40°C/6h
50°C/2h 50°C/6h 60°C/2h 60°C/6h
Figura 5. Imagens obtidas por MEV, mostrando a influência dos diferentes tratamentos hidrotérmicos na estrutura do endosperma primário em grãos de soja, aumento médio de 1 Kx
CME-UFPR, 2015.
5. DISCUSSÕES
O aquecimento durante a hidratação de grãos de soja aumentou a capacidade de absorção de água, resultado da habilidade do calor desestabilizar a estrutura interna do grão de soja, permitindo maior intumescimento. A umidade de equilíbrio foi atingida mais rapidamente na maior temperatura testada.
Através do emprego da técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura foi compreendido que o grão in natura (Figura 4) se diferenciou morfologicamente das amostras submetidas às diferentes condições de hidratação. Futuros estudos são necessários para concluir a respeito das alterações morfológicas ocorridas durante os processos de hidratação.
6. REFERÊNCIAS
ALVES, F.P.; OLIVEIRA, M.A.; MANDARINO, J.M.G.; LEITE, R.S.; SEIBEL, N.F. Composição centesimal, teor de isoflavonas e inibidor de tripsina em cultivares de soja especiais para alimentação humana. VI Congresso Brasileiro de Soja, Cuiabá - MT, 2012.
BAYRAM, M.; KAYA, A.; ÖNER, M. D. Changes in properties of soaking water during production of soy-bulgur. Journal of Food Engineering, v. 61, p. 221-230, 2004.
BRAGA, N. da S.; MORAIS, C. S. B.; ROSSETTO, C. A. V. Hidratação controlada de sementes de pinhão manso. Revista Ciência Agronômica, v. 43, n. 3, p. 589-597, 2012.
BRASIL. Ministério da Agricultura e Reforma Agrária. Determinação do grau de umidade. In: Regras para análise de sementes. Brasília: SNAD/DNDV/CLAV, cap.7, p.183-190, 1992.
CARRÃO-PANIZZI, M.C., BELEIA A.D.; KITAMURA; OLIVEIRA M.C. Effects of genetics and enviroment on isoflavone content of soybean from different regions of Brazil. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v.34, n.10, p.1787-1795, out. 1999.
CAVARIANI, C.; TOLEDO, M. Z.; RODELLA, R. A.; NETO, J. de B. F.; NAKAGAWA, J. Velocidade de hidratação em função de características do tegumento de sementes de soja de diferentes cultivares e localidades. Revista Brasileira de Sementes, v. 31, n. 1, p. 30-39, 2009.
COUTINHO, M. R.; CONCEIÇÃO, W. A. S.; OMOTO, E. S.; ANDRADE, C. M. G.; JORGE, L. M. M. Novo modelo de parâmetros concentrados aplicado à hidratação de grãos. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 27, n. 3, 2007.
DEDAVID, B. A.; GOMES, C. I.; MACHADO, G. Microscopia eletrônica de varredura microscopia eletrônica de varredura - Aplicações e preparação de amostras - Materiais Poliméricos, metálicos e semicondutores. Disponível em : <http://www.pucrs.br/edipucrs/online/microscopia.pdf>. Acesso em: 15/03/2014.
DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DOS ESTADOS UNIDOS – USDA. Relatórios. Disponível em: <http://www.usdabrazil.org.br/portugues/report s.asp>. Acesso em: 05/12/2015.
EMBRAPA, 2008. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - Informe técnico. 2008.
EMBRAPA, 2010. Cultivares de soja - Regiões Sul e Central do Brasil. 2010/2011.
JIDEANI, V. A.; MPOTOKWANA, S. M. Modeling of water absorption of Botswana bambara varieties using Peleg’s equation. Journal of Food Engineering, v. 92, p. 182– 188, 2009.
KUDOU, S.; FLEURY, Y.; WELTI, D.; MAGNOLATO, D.; UCHIDA, T.; KITAMURA, K.; OKUBO, K. Malonyl isoflavone glycosides in soybeans seeds (Glicine max Merrill). Agriculture and Biological Chemistry, v. 55, n. 9, p. 2227-2233, 1991.
LIU, K. Soybeans: Chemistry, Technology and Utilization. New York: Chapman & Hall, 1997. 532p.
LIU, K. Soybeans as functional foods and ingredients.Illinois: AOCS Press, 2004. 331 p.
PELEG, M. An empirical model for the description of moisture sorption curves. Journal of Food Science, v. 53, p. 1216-1217, 1988.
SOPADE, P. A.; AJISEGIRIB, E. S.; BADAU, M. H. The Use of Peleg’s Equation to Model Water Absorption in Some Cereal Grains During Soaking. Journal of Food Engineering, v. 15, n. 4, p. 269-283, 1992.
STEFFE, J. R.; SINGH, R. P. Note of volumetric reduction of short grain rice during drying. Cereal Chemistry, v. 57, p. 148–150, 1980.
