UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Agroindustrial
Dissertação
EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO DE BAIXA UMIDADE E DA OXIDAÇÃO NAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS, REOLÓGICAS E TÉRMICAS DO
AMIDO DE PINHÃO (Araucaria angustifolia, Bert, O. Ktze)
Vânia Zanella Pinto
Vânia Zanella Pinto
EFEITO DO TRATAMENTO TÉRMICO DE BAIXA UMIDADE E DA OXIDAÇÃO NAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS, REOLÓGICAS E TÉRMICAS DO
AMIDO DE PINHÃO (Araucaria angustifolia, Bert, O. Ktze)
Comitê de orientação:
Prof. Dr. Alvaro Renato Guerra Dias Prof Dr. Luiz Carlos Gutkoski
Pelotas, 2011
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Agroindustrial da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciência e Tecnologia Agroindustrial.
Dados de catalogação na fonte:
( Marlene Cravo Castillo – CRB-10/744 )
P659e Pinto, Vânia Zanella
Efeito do tratamento térmico de baixa umidade e da oxidação nas propriedades físico-químicas, reológicas e térmicas do amido de pinhão (Araucária angustifólia, Bert, O. Ktze) / Vânia Zanella Pinto ; orientadores Álvaro Renato Guerra Dias e Luiz Carlos Gutkoski - Pelotas,2011.-103f. : il.-Dissertação (Mestrado ) –Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Agroindustrial. Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel . Universidade Federal de Pelotas. Pelotas, 2011.
1. Araucária 2.Raio-X 3.Peróxido de hidrogênio I.Dias, Alvaro Renato Guerra (orientador) II.Gutkoski, Luiz Carlos(co-orientador) III. Título.
Banca examinadora:
Prof. Dr. Maurício de Oliveira Prof. Dr. Elizabete Helbig Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias Prof. Dr. Alvaro Renato Guerra Dias
Agradecimentos
A Deus, por tudo o que tenho, pelo que conquistei e por ter nascido numa família maravilhosa.
À minha família, que, apesar de distante, sempre esteve presente na minha vida e sempre compartilhou todos meus momentos felizes e tristes. Não tenho palavras para descrever o quanto amo minha família, a qual sempre apoiou todas as minhas decisões. À minha mãe, Clademilde, minha maior incentivadora; ao meu pai, Alberto, que sempre apoiou e me deu forças nas escolhas que fiz, sem questionar ou contrariar; ao meu irmão, Douglas, pelo carinho, amizade e compreensão.
Ao Vinícius, meu namorado, por me apoiar e compreender, uma pessoa muito especial que sempre esteve do meu lado, apensar da distância.
Aos meus padrinhos, Clademir e Dilvanete, pelo apoio constante, pela amizade e pelo carinho. Tenho grande amor e amizade por eles.
Ao Prof. Dr. Alvaro Renato Guerra Dias, pela orientação e pela participação integral deste trabalho. Sou imensamente grata pelo incentivo, pelo apoio, pela confiança e pela amizade. Tenho grande admiração pela forma que trabalha, demonstrando entusiasmo e amor pela pesquisa.
Ao Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias pelo apoio, pela receptividade e pelo empenho para integração da equipe do laboratório e pela amizade.
Ao Prof. Dr. Manoel Artigas Schirmer, pela ajuda científica e pela amizade. Ao Prof. Dr. Luiz Carlos Gutkoski, da UPF, pela ajuda científica, pelo apoio e pela amizade.
À minha grande amiga, Ana Claudia, que sempre esteve ao meu lado. Sou muito grata a ela que é a minha irmã em Pelotas.
À Elessandra Zavareze, uma pessoa muito querida e amiga, que me ajudou de forma fundamental sem medir esforços.
À Tânia Santetti, pelo apoio, amizade e pelas lições de vida que me ensinou. À Rosana, Angélica e Bárbara, pela amizade e pela ajuda nas análises. Aos meus amigos e amigas de longa data que sempre me apoiaram e incentivaram para a realização deste sonho.
Ao Leandro, à Cleonice e à Aline pela amizade e pela ajuda nos laboratórios do departamento.
Aos amigos e colegas que me ajudaram do inicio ao fim, Bruna Klein e Nathan Vanier. Não tenho palavras para agradecer o carinho e a ajuda.
À grande amiga Joana, pessoa admirável e um exemplo de força e determinação. Aos meus colegas do Laboratório de Grãos, Alexandra, Bruna A., Flávia, Josiane, Juliane, Profª Lucia, Ricardo, Rafael, Daniel, Jardel, ao Prof. Mauricio pela ajuda durante a realização do projeto, no descascamento dos pinhões, pelo carinho e pela grande amizade de todos.
À todos os estagiários do Laboratório de Grãos, em especial a Franciene, a Jarine, o Cristiano, o Ricardo Paraginski e o Joaquim, que me auxiliaram no árduo trabalho de descascar as sementes de pinhão, tarefa que parecia não ter fim.
DEDICATÓRIA
A Deus
À minha família Aos meus amigos
Resumo
PINTO, Vânia Zanella. Efeito do tratamento térmico de baixa umidade e da oxidação nas propriedades físico-químicas, reológicas e térmicas do amido de pinhão (Araucaria angustifolia, Bert, O. Ktze) 2011. 103 f. Dissertação (Mestrado)–Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Agroindustrial. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
O pinheiro do Paraná (Araucaria angustifolia, Bert, O. Ktze) é amplamente distribuído nas florestas nativas do sul do Brasil. Esta árvore tem importância comercial como fonte de madeira para móveis, construção de casas e produção de celulose. A obtenção das suas sementes se dá por coleta extrativista e estas têm produção anual. Devido à sua extração irracional para fins comerciais e desmatamento indevido, a araucária está em risco de extinção. As sementes da araucária são denominadas pinhões e possuem alto conteúdo de amido – o seu maior constituinte - facilmente obtido por decantação depois da moagem das sementes descascadas. Visando obter amido de pinhão com diferentes características reológicas objetivou-se avaliar o rendimento de extração e estudar o efeito do tratamento térmico de baixa umidade (TTBU) com 15, 20 e 25% de umidade a 100, 110 e 120 ºC durante 1 hora de tratamento e da oxidação do amido de pinhão com 0,5, 1,0 e 1,5 % (% H2O2 x 100 g -1 amido) de peróxido de hidrogênio em 1, 4 e 8 horas de reação sobre as propriedades fisico-quimicas, reológicas, padrões de difração de raio-X e propriedades térmicas. A extração do amido de pinhão apresentou um alto rendimento e baixos resíduos protéicos, lipídicos e de cinzas. O TTBU reduz o poder de inchamento e a solubilidade do amido de pinhão, altera as propriedades de pasta do amido com maior intensidade nas condições de extremas de umidade e temperatura, causando um aumento na temperatura de pasta, na retrogradação e na viscosidade final, e uma redução no pico de viscosidade. A aplicação controlada de calor e umidade modifica a textura do gel de amido de pinhão, aumenta as temperaturas de gelatinização do amido e muda a faixa de gelatinização pelo. A oxidação com peróxido de hidrogênio promove um aumento no conteúdo de carbonila e carboxila, na dureza de gel, além de alterações no poder de inchamento e solubilidade, porem não promoveu alterações no pico de viscosidade, na retrogração e na cristalinidade do amido. A oxidação e o tratamento térmico de baixa umidade modificam o amido, proporcionando diferentes características e ampliando assim, a possibilidade de utilização industrial, contribuindo de maneira indireta para a preservação e utilização racional das matas de araucária.
Palavras-Chave: sementes, modificação, gel, viscosidade, pasta, raio-X, peróxido de hidrogênio, araucária
Abstract
PINTO, Vânia Zanella. Effect of the heat moisture treatment and oxidation on physicochemical, rheological and themal properties of pinhão (Araucaria
angustifolia, Bert, O. Ktze) starch. 2011. 103 f. Dissertação (Mestrado) – Programa
de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Agroindustrial. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
Paraná pine (Araucaria angustifolia, Bert, O. Ktze) is widely distributed in native florets of Brazil south. This tree has commercial importance such as wood for furniture, houses constructions and paper. Seeds obtaining is by extractive collection and these have annual production. Due to it’s irrational for commercial extraction and deforestation improper araucaria is at risk of extinction. The araucaria`s seeds are named pinhão, and have high starch content, major constituent, obtained easily by decantation after milling without skin. To obtain pinhão starch with different rheological properties, the aim was measure the yield extraction of starch and study the effect of heat moisture treatment (HMT) to 15, 20 and 25% moisture levels and heated to 100, 110 and 120 °C for 1 h and the effec t of pinhão starch oxidation to 0,5, 1,0 and 1,5% (% H2O2 x 100 g -1 starch) of hydrogen peroxide in 1, 4 and 8 hours of reaction time on the physic-chemical, rheological properties, X-ray pattern and thermal properties. Yield of pinhão starch was high and presented lower contend of protein, fat and ash. HMT reduces the pinhão starch swelling power and solubility. Heat moisture treatment also changes the paste properties with greater intensity in extreme conditions of moisture and temperature, causing increased on paste temperature, final viscosity and setback, and reduction of on viscosity peak. The application of heat and moisture changes in pinhão starch gel textural. The effect in general HMT starches is the increase of starch gelatinization temperature and changes in the gelatinization range. The oxidation with hydrogen peroxide promote a increase content of carbonila and carboxila and gel hardeness, besides changes in swelling power and solubility, however not promoted in viscosity peak, setback and pinhão starch crystallinity. The oxidation and HMT change pinhão starch, providing different features thus expanding the industrial use possibility and indirectly contribute to preservation and rational use of araucaria florets.
Keywords: seeds, modification, gel, viscosity, paste, X-ray, hydrogen peroxide, araucaria.
Lista de Figuras
Figura 1 Organização das regiões amorfas e cristalinas do amido ... 21 Figura 2 Cadeia de amilopectina ... 23 Figura 3 Difratogramas de raio -X de diferentes amidos. (A) refere-se ao padrão tipo A de amidos de cereais, (B) tipo B de amidos de tubérculos, (C) tipo C de amidos de leguminosas, e (V) tipo V de amilose complexada. ... 24 Figura 4 Condições hidrotémicas do tratamento térmico em baixa umidade (TTBU) e do annealing (ANN). ... 32 Figura 5 Fluxograma de extração de amido de pinhão com água ... 40 Figura 6 Poder de inchamento e solubilidade dos amidos submetidos ao tratamento térmico de baixa umidade com 15% de umidades e diferentes temperaturas ... 51 Figura 7 Poder de inchamento e solubilidade dos amidos submetidos ao tratamento térmico de baixa umidade com 20% umidades e diferentes temperaturas ... 51 Figura 8 Poder de inchamento e solubilidade dos amidos submetidos ao tratamento térmico de baixa umidade com 25% umidades e diferentes temperaturas ... 51 Figura 9 Efeito do tratamento térmico em diferentes temperaturas sobre as propriedades viscoamilográficas de amido de pinhão com 15% de umidade ... 58 Figura 10 Efeito do tratamento térmico em diferentes temperaturas sobre as propriedades viscoamilográficas de amido de pinhão com 20% de umidade ... 58 Figura 11 Efeito do tratamento térmico em diferentes temperaturas sobre as propriedades viscoamilográficas de amido de pinhão com 25% de umidade ... 59 Figura 12 Curvas de raio-X de amido de pinhão nativo e modificados por TTBU (a) nativo, (b) TTBU 15%, 100 °C, (c) TTBU 15%, 110 °C, (d) TTBU 15%, 120 °C, (e) TTBU 20%, 100 °C, (f) TTBU 20%, 110 °C, (g) TTBU 20 %, 120 °C, (h) TTBU 25%, 100 °C, (i) TTBU 25%, 110 °C, (j) TTBU 25%, 120 °C ... 63 Figura 13 Curvas de DSC do amido de pinhão nativo e modificados por tratamento térmico de baixa umidade. ... 68
Figura 14 Efeito da oxidação com peróxido de hidrogênio em diferentes concentrações (0,5, 1,0 e 1,5 %) com 1 hora de reação, sobre o poder de inchamento (a) e a solubilidade (b) do amido de pinhão ... 72 Figura 15 Efeito da oxidação com peróxido de hidrogênio em diferentes concentrações (0,5, 1,0 e 1,5 %) com 4 horas de reação, sobre o poder de inchamento (a) e a solubilidade (b) do amido de pinhão ... 72 Figura 16 Efeito da oxidação com peróxido de hidrogênio em diferentes concentrações (0,5, 1,0 e 1,5 %) com 8 horas de reação, sobre o poder de inchamento (a) e a solubilidade (b) do amido de pinhão ... 73 Figura 17 Efeito da oxidação em diferentes concentrações de peróxido de hidrogênio, com 1 hora de reação, sobre as propriedades viscoamilográficas do amido de pinhão ... 77 Figura 18 Efeito da oxidação em diferentes concentrações de peróxido de hidrogênio, com 4 horas de reação, sobre as propriedades viscoamilográficas do amido de pinhão ... 77 Figura 19 Efeito da oxidação em diferentes concentrações de peróxido de hidrogênio, com 8 horas de reação, sobre as propriedades viscoamilográficas do amido de pinhão ... 78 Figura 20 Curvas de raio-X de amido de pinhão nativo e oxidados com peróxido de hidrogênio (a) nativo, (b) 0,5% 1 h, (c) 1,0% 1 h, (d) 1,5% 1 h, (e) 0,5% 4 h, (f) 1,0% 4 h, (g) 1,5% 4 h, (h) 0,5% 8 h, (i) 1,0% 8 h. ... 86
Lista de Tabelas
Tabela 1 Delineamento experimental para o tratamento térmico de baixa umidade em amido de pinhão ... 41 Tabela 2 Delineamento experimental para a oxidação com peróxido de hidrogênio em amido de pinhão . ... 42 Tabela 3 Propriedades viscoamilográficas de amidos de pinhão, submetidos ao tratamento térmico em diferentes níveis de umidade. ... 55 Tabela 5 Dureza de gel, flexibilidade, coesividade e gomosidade dos amidos submetidos ao tratamento térmico de baixa umidade ... 61 Tabela 5 Intensividade dos picos principais dos difratogramas de raio-X e cristalinidade relativa dos amidos de pinhão. ... 64 Tabela 6 Propriedades de gelatinização dos amidos de pinhão nativo e modificados por tratamento térmico de baixa umidade. ... 66 Tabela 7 Quantidade de carbonila e carboxila formada após a oxidação dos amidos de pinhão em diferentes tempos de reação e concentrações de H2O2. ... 71 Tabela 8 Propriedades de gelatinização de amido de pinhão oxidado com H2O2. ... 83 Tabela 9 Intensividade dos picos principais dos difratogramas de raio-X e cristalinidade relativa dos amidos de pinhão oxidado com H2O2. ... 85
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
2.1 Composição e aspectos nutricionais do pinhão ... 17
2.2 Estrutura e características dos grânulos de amido ... 18
2.2.1 Estrutura e organização ... 19
2.2.2 Amilose e amilopectina... 21
2.2.3 Estrutura cristalina ... 24
2.3 Propriedades do amido ... 25
2.3.1 Poder de inchamento e solubilidade ... 25
2.3.2 Gelatinização e retrogradação ... 26
2.3.3 Comportamento térmico ... 29
2.4 Amidos modificados ... 30
2.4.1 Tratamento térmico em baixa umidade ... 31
2.4.2 Oxidação com peróxido de hidrogênio ... 34
2.4.3 Aplicações de amidos modificados hidrotermicamente ... 36
2.4.4 Aplicações de amidos oxidados ... 37
3 MATERIAL E MÉTODOS ... 39
3.1 Material... 39
3.2 Extração do amido de pinhão ... 39
3.3 Modificações nos amidos ... 41
3.3.1 Tratamento térmico em baixa umidade ... 41
3.3.2 Oxidação com peróxido de hidrogênio ... 42
3.4 Caracterização da farinha e do amido ... 42
3.4.1 Composição centesimal ... 43
3.4.2 Determinação de amilose ... 43
3.5 Propriedades do amido ... 44
3.5.1 Poder de inchamento e solubilidade ... 44
3.5.2 Conteúdo de carbonilas... 44
3.5.3 Conteúdo de carboxilas ... 45
3.5.4 Propriedades viscoamilográficas ... 46
3.5.6 Difração de raio-X e cristalinidade ... 47
3.5.7 Propriedades térmicas... 47
3.6 Análise estatística ... 47
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 48
4.1 Caracterização química da semente, do resíduo e do amido ... 48
4.2 Rendimento de extração de amido ... 49
4.3 Tratamento térmico em baixa umidade (TTBU) ... 50
4.3.1 Poder de inchamento e solubilidade ... 50
4.3.2 Propriedades viscoamilográficas ... 54
4.3.3 Perfil de textura do gel ... 59
4.3.4 Difração de raio-X ... 62
4.3.5 Propriedades térmicas... 65
4.4 Oxidação com peróxido de hidrogênio ... 69
4.4.1 Carbonilas e carboxilas ... 69
4.4.2 Poder de inchamento e solubilidade ... 72
4.4.3 Propriedades viscoamilográficas ... 74
4.4.4 Perfil de textura do gel ... 80
4.4.5 Propriedades térmicas... 82
4.4.6 Difração de raio-X ... 84
5 CONCLUSÕES ... 87
1 INTRODUÇÃO
A Araucária (Araucaria angustifólia, Bert, O. Ktze) é uma conífera nativa da América do Sul, conhecida como Pinheiro do Paraná cresce no Sul e Sudeste do Brasil e norte da Argentina (CONFORTI, LUPANO 2008). As populações naturais ou plantações desta árvore têm importância comercial como fonte de madeira para móveis, construção de casas e produção de celulose. Devido à sua extração irracional para fins comerciais e o desmatamento indevido a araucária está em risco de extinção (WOSIACKI, CEREDA, 1985).
As sementes são denominadas pinhão e sua obtenção se dá por coleta extrativista, com produção anual, no período de abril a agosto (CLADERA-OLIVERA et al. 2008), possuem alto conteúdo de amido, seu maior constituinte, que é facilmente obtido por decantação depois da moagem das sementes sem casca. Além disso, os pinhões podem ser utilizados na preparação de pratos regionais em forma de farinha (CORDENUNSI et al. 2004).
Devido ao elevado conteúdo de amido (aproximadamente 68-72% da matéria seca), o pinhão é considerado uma boa fonte de carboidratos complexos (CORDENUNSI et al. 2004; BELLO-PÉREZ et al. 2006), podendo ser utilizado na indústria de alimentos, diversificando a obtenção de novas matérias-primas e produtos (HENRÍQUEZ et al., 2008).
O amido possui propriedades funcionais que o torna um importante ingrediente, pois promove modificações na textura e consistência dos alimentos. Estudos têm sido realizados com o objetivo de modificar as propriedades reológicas do amido de diferentes origens, como modificações enzimáticas, por tratamentos físicos e químicos. Entretanto, é pouco conhecido o efeito de tratamentos hidrotérmicos e da oxidação em amido de pinhão.
As modificações físicas também estão sendo utilizadas para se obter amidos com diferentes características para a aplicação em alimentos. São de grande
interesse por se tratar de uma modificação que não utiliza produtos químicos e não deixa resíduos no alimento, além de não agredir o meio ambiente com toxidade de efluentes industriais. A modificação física denominada tratamento térmico de baixa umidade (TTBU) promove a redução do poder de inchamento, do lixiviamento da amilose e da estabilidade ao aquecimento, que são propriedades desejáveis para o processamento vários tipos de alimentos como na produção de massas alimentícias.
A modificação química por oxidação, com peróxido de hidrogênio, ocasiona alterações das propriedades funcionais de interesse industrial, tais como a capacidade de geração de pastas fluídas com alto teor de sólidos, elevada transparência e resistência à retrogradação assim como o aumento de absorção de água pelo amido. Alguns amidos oxidados apresentam a capacidade de expansão e são muito utilizados em panificação.
Através da utilização do amido de pinhão, nativo ou modificado, pode-se colocar a disposição da população produtos diversificados e de qualidade, promovendo também a exploração racional da cultura da araucária como fonte de renda permanente para o produtor rural.
Considerando o pinhão uma boa fonte de amido, com elevado potencial para o uso comercial, os objetivos foram avaliar o rendimento de extração e a influência do tratamento térmico de baixa umidade e da oxidação com peróxido de hidrogênio, nas propriedades físico químicas, reológicas e térmicas do amido de pinhão.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Composição e aspectos nutricionais do pinhão
As populações naturais de araucária, no Brasil, podem ser encontradas principalmente nos estados mais ao sul (Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul) (SANTI-GADELHA et al. 2006; CLADERA-OLIVERA et al. 2008). No Rio Grande do Sul, o pinheiro ocorre principalmente na região do Planalto, como uma árvore componente das florestas ombrófilas mistas (ZANDAVALLI et al. 2004), ocorrendo ainda, como áreas esparsas no sul do Estado de São Paulo e na Serra da Mantiqueira, estendendo se até o sul de Minas Gerais e Rio de Janeiro. Entre as latitudes 25º30' e 27º sul, a araucária ocorre também na Província Argentina de Misiones (SANTOS et al., 2002).
A semente é uma matéria prima sazonal e exige estocagem sob refrigeração ou congelamento para permanecer apta para alimentação. Durante o período de estocagem, as sementes sofrem rápida perda de sua viabilidade fisiológica, com a redução do grau de umidade. Por ser um produto regional, é muito utilizado durante o outono e inverno na elaboração de pratos típicos da região Sul do Brasil. A comercialização de pinhão no estado do Paraná no ano de 2001 foi de aproximadamente 952.320 kg proveniente de vários estados, com preço médio de atacado de R$ 1,03 ao quilo, e para o consumidor com valor médio de R$ 1,25 kg (SANTOS et al., 2002). Durante o ano de 2009, o volume de pinhão ofertado no atacado na CEASA/SC (Unidade de São José) foi de 226,12 toneladas. A oferta deste produto comercializado foi proveniente dos Estados de: Santa Catarina, Minas Gerais, São Paulo, Paraná e Rio Grande do Sul. O preço médio ponderado pago por quilo do produto durante o período de comercialização foi R$ 2,34, teve alta de 9,35% em relação ao ano de 2008. O volume comercializado no atacado no ano de 2009 foi 52,46% inferior comparado ao mesmo período de 2008 (OSÓRIO, 2009).
O pinhão normalmente é consumido no inverno cozido ou assado (WOSIACKI, CEREDA, 1985, BELLO-PÉREZ et al., 2006, BICUDO et al. 2009). Além de amido (68-72%), o pinhão é composto por proteínas (~ 3%), lipídeos (~1%), açúcares solúveis além de fibras, minerais e compostos fenólicos (< 0,2 mg %). O consumo das sementes produz um baixo índice glicêmico, comparado com pão branco (CORDENUNSI, et al, 2004, STAHL et al., 2007, CLADERA-OLIVERA et al., 2008). Cordenunsi et al., (2004) não detectaram flavonóis em sementes de pinhão cru, apenas nas sementes após o cozimento com casca. Estes flavonóides encontrados nas sementes podem estar relacionados à presença de uma película entre a casca e a semente (DAROIT, et al., 2010).
Segundo Wosiacki e Cereda (1985), em estudo sobre a caracterização do amido de pinhão em comparação com amido de milho e amido de mandioca, o pinhão possui grânulos de amido de tamanho inferior ao amido de mandioca, formato esférico e com superfície irregular (CORDENUNSI, 2006). O teor de amilose encontrado por alguns autores no amido de pinhão varia de 23,54% a 26,3% segundo Bello-Pérez et al. (2006) de 25% ± 0,6%, Stahl et al. (2007) de 23,54% ± 1,74%, e de 26,3 ± 0,7%, Thys et al. (2010).
Em todas as caracterizações químicas, são observadas algumas diferenças entre as informações, que pode ter diversas justificativas, como as variedades utilizadas (geralmente não descritas nos trabalhos), estádio de maturação, ano da colheita e método de extração utilizado. Stahl et al. (2007) realizaram modificações na metodologia de purificação do amido proposta por Wosiacki e Cereda (1985), com a adição de uma solução de cloreto de sódio, metabissulfito de sódio e tolueno. Bello-Pérez et al. (2006) utilizaram moagem úmida (1:1,5, g/g) seguido de filtragem em peneiras de 100 mesh e decantação por uma noite à 4 °C seguida de centrifugação (16,274 x g), 3 lavagens sucessivas no amido decantado e posterior secagem por uma noite. Thys et al. (2010) adaptaram o método proposto por Bello-Pérez et al. (2006) utilizando duas peneiras para filtragem (60 e 300 mesh) e 4 lavagens após a decantação. Em todos os métodos utilizados os amidos caracterizados apresentaram semelhanças na composição centesimal.
2.2.1 Estrutura e organização
O amido está presente na maioria das partes dos vegetais, principalmente raiz, caule, fruto e semente, sendo a principal fonte de reserva de carboidratos em plantas e fonte essencial de energia para muitos organismos (SMITH, 2001, RICHARDSON e GORTON, 2003). Representa um importante componente na maioria dos produtos agrícolas como cereais (milho, trigo, arroz) de 30 a 80%; legumes (feijão, ervilha) com 25 a 50% e tuberosas (batata, mandioca) com 60 a 90%, em base seca (CEREDA, 2001), bem como de algumas frutas tropicais como banana, que quando verde podem conter acima de 70% em base seca (NÚÑEZ-SANTIAGO et al., 2004), além de sementes como o pinhão que apresentam de 68-72% de amido (BELLO-PÉREZ, et al., 2006, BICUDO et al., 2009).
O amido que se apresenta em forma de grânulos é composto pelas macromoléculas amilose e amilopectina. Estas macromoléculas não existem livres na natureza, mas como agregados semicristalinos organizados dentro dos grânulos. Os grânulos podem variar em formato, tamanho, estrutura e composição química, dependendo da origem botânica (JANE et al., 1994, SMITH, 2001). Os diâmetros dos grânulos geralmente variam de 1 a 100 µm, e os formatos podem ser regulares ou irregulares (LIU, 2005).
Os grânulos apresentam um hilo, que constitui o centro de nucleação, ao redor do qual se desenvolve o grânulo. O hilo pode estar no centro do grânulo ou deslocado lateralmente. Os grânulos de amido possuem arranjo das macromoléculas na direção radial. Essas moléculas formam pontes de hidrogênio, e estão associadas paralelamente ao aparecimento de regiões cristalinas (GALLANT et al., 1997). Esse arranjo torna os grânulos birrefringentes quando observados sob luz polarizada, apresentando uma cruz de polarização denominada Cruz de Malta (CEREDA, 2001).
Os diferentes graus de ordenamento estrutural dos grânulos são responsáveis pelas propriedades de birrefringência e cristalinidade. A região cristalina é constituída de cadeias laterais da amilopectina, enquanto que os pontos de ramificação e a amilose são os principais componentes das regiões amorfas (PARKER; RING, 2001). Desse modo, a cristalinidade dos grânulos, normalmente determinada pela difractometria de raio-x, é descrita principalmente em função das duplas hélices formadas pelas ramificações da amilopectina (HOOVER, 2001). A
birrefringência óptica e as propriedades de difração de raios-X fornecem ampla evidência de uma estrutura ordenada do grânulo de amido. Esta estrutura é formada por camadas concêntricas, que podem ser observadas em microscopia eletrônica (CEREDA, 2001). Entretanto, a birrefringência não implica necessariamente em uma forma cristalina e sim, num alto grau de organização molecular dos grânulos (ZOBEL, 1988). A proporção de amilose e amilopectina, e suas estruturas moleculares diferenciam os amidos de origens botânicas distintas, cultivares e diferentes condições de cultivo (KITAHARA e COPELAND, 2004).
Os grânulos de amido apresentam regiões cristalinas e amorfas (Figura 1). O grau de ligações por pontes de hidrogênio entre amilose e amilopectina e amilopectina consigo mesma é responsável pela heterogeneidade estrutural do grânulo de amido. Quando estas ligações são fortes, numerosas, e regulares, as cadeias se associam como redes cristalinas. Em contraste, nas áreas amorfas, as ligacoes de hidrogênio são mais fracas, e essa parte do grânulo se distingue facilmente das zonas cristalinas (LIU, 2005). De acordo com Biliaderis (1991), a zona amorfa dos grânulos de amido é a região menos densa, mais suscetível aos ataques enzimáticos e absorve mais água em temperaturas abaixo da temperatura de gelatinização, enquanto as áreas cristalinas do amido são as que mantêm a estrutura do grânulo, controlam o seu comportamento na presença de água e os tornam mais ou menos resistentes aos ataques químicos e enzimáticos, pois apresentam mais carbonos por unidade redutora.
Não existe uma demarcação específica entre as regiões cristalinas e amorfas e os diferentes graus de ordenamento estrutural dos grânulos são responsáveis pelas propriedades de birrefringência e cristalinidade (MATSUGUMA, 2006). A birrefringência óptica e as propriedades de difração de raios-X fornecem ampla evidência de uma estrutura ordenada do grânulo de amido. Esta estrutura é formada por camadas concêntricas, que podem ser observadas em microscopia eletrônica (CEREDA, 2001)
Figura 1 Organização das regiões amorfas e cristalinas do amido Fonte: LSBU (2011).
2.2.2 Amilose e amilopectina
A amilose é uma molécula essencialmente linear formada por unidades de D-glicose ligadas em α-1,4, com um pequeno número de ramificações (BULÉON et al., 1998, SMITH, 2001, LIU, 2005). A distribuição da massa molar da amilose é variável com as fontes botânicas e também com a forma de extração (BULÉON et al., 1998), podendo conter de 200 a 2000 unidades de glicose (CEREDA, 2001). Segundo (YOU et al., 2002) a massa molecular da amilose varia de 1x105 a 1x106 g.mol-1.
A amilose apresenta-se na forma helicoidal e o interior da hélice contém átomos de hidrogênio, enquanto que os grupos hidroxilas permanecem na parte externa da mesma (BULÉON et al., 1998). A presença de átomos de hidrogênio no interior da hélice torna-o hidrofóbico e permite que a amilose forme complexos de inclusão helicoidal com ácidos graxos livres, com componentes glicerídeos dos ácidos graxos, com alguns alcoóis e com iodo. A complexação com iodo é uma importante ferramenta de diagnóstico para caracterização do amido. Esta inclusão forma um complexo de cor azul intensa, sendo essa reação a base de uma das técnicas utilizadas para a determinação de amilose (blue value) e indicação da presença de amido. Complexos de amilose com gorduras e emulsificantes de alimentos como mono e diglicerídeos podem alterar a temperatura de gelatinização do amido, a textura e o perfil de viscosidade da pasta resultante, e limitando a retrogradação (MATSUGMA, 2006).
O teor de amilose apresentado em trabalhos científicos é geralmente expresso como teor de amilose aparente, isto devido à capacidade de algumas cadeias ramificadas externas de amilopectina interagirem com o iodo superestimando o teor de amilose (JANE et al., 1999). No entanto, muitos autores se referem ao teor de amilose aparente, como sendo aquele obtido de amidos que não foram previamente desengordurados, pois a presença de lipídeos no amido interfere na afinidade com o iodo (MORRISON, 1995).
A estrutura do grânulo de amido também depende da forma que amilose e amilopectina estão associados por ligações de hidrogênio intermoleculares e a presença de ligações α- 1 → 6 na amilopectina. As ligações α- 1 → 6 são responsáveis pela alternância e organização entre zonas amorfa e cristalina (LIU, 2005). A grande maioria dos amidos contém de 20 a 30% de amilose e de 70 a 80% de amilopectina e essa razão varia com a origem botânica e cultivares (dentro da mesma fonte) dos amidos (CEREDA, 2001, SMITH, 2001).
A amilose é conhecida por suas propriedades na formação de filmes e por ser mais resistente que a amilopectina. A estrutura macromolecular do amido lhe confere propriedades particulares, tais como baixa solubilidade, viscosidade, poder de gelatinização ou de adesão, variando conforme a origem botânica e a relação amilose/amilopectina (CEREDA, 2001). Os amidos com alto teor de amilose são desejáveis para produtos que necessitam ser crocantes e resistentes.
A amilopectina é uma macromolécula altamente ramificada e apresenta um grau de polimerização de cerca de 104-105, peso molecular da ordem de (50-500).106 e o comprimento das ramificações é variável sendo mais comum apresentarem entre 20 e 30 unidades de glicose (CEREDA, 2001, VAN DER MAAREL et al., 2002). O peso molecular da amilopectina é cerca de 1000 vezes o peso molecular da amilose e varia de 107 a 5.108 g.mol-1 (YOU et al., 2002). Em presença de iodo a amilopectina dá coloração avermelhada e é estável em soluções aquosas diluídas.
Uma molécula de amilopectina consiste de uma cadeia principal C, que carrega o grupo redutor da molécula, e numerosas cadeias ramificadas denominadas cadeias A e B. Na Figura 2 observa-se a estrutura da amilopectina como um esqueleto e suas ramificações. As cadeias A são conectadas a outras cadeias através de ligações α-1,6, mas não carregam ramificações. As cadeias B são conectadas a outras cadeias também via ligação α-1,6, e possuem uma ou mais
cadeias A ou B, conectadas através de ligações α-1,6. As cadeias de amilopectina estão radialmente arranjadas dentro do grânulo com seus terminais não redutores em direção à superfície, e estas são organizadas alternando áreas cristalinas (em forma de dupla-hélice) e amorfas (região com pontos de ramificações) com periodicidade de 9 nm (CEREDA, 2001).
A amilopectina permite manutenção da forma da pasta, resiste mais a tratamentos suplementares tais como o corte e a secagem. A amilopectina ramificada forma uma rede na matriz da pasta, em conseqüência, contribui para a expansão da massa e aumenta sua friabilidade (CEREDA, 2001).
Figura 2. Cadeia de amilopectina Fonte: LSBU (2011).
O amido na indústria de alimentos pode ser componente básico ou aditivo adicionado em baixa quantidade para melhorar a fabricação ou facilitar o processamento, fornecer textura, servir como espessante e fornecer sólidos em suspensão. É utilizado também como ingrediente em vários alimentos e produtos industriais, tais como, sobremesas, produtos de panificação e substituto de gorduras (PUCHONGKAVARIN et al., 2005), biscoitos, macarrões, sopas e iogurtes (CEREDA, 2001). Huang (2001) descreve que amidos de alto teor de amilose têm sido usados para reduzir a absorção de óleo em produtos fritos, devido a suas propriedades de formação de filmes.
2.2.3 Estrutura cristalina
A cristalinidade dos grânulos é descrita principalmente em função das duplas hélices formadas pelas cadeias lateriais da amilopectina (HOOVER, 2001), que varia entre 15 a 45%. De acordo com Miao, Zhang, e Jiang (2009), as diferenças entre a cristalinidade dos amidos pode ser atribuídas a fatores como o tamanho do cristal, número de regiões cristalinas, que são influenciadas pelo conteúdo de amilopectina e comprimento das cadeias, a orientação das duplas hélices dentro da área cristalina e a extensão da interação entre as duplas hélices.
Segundo Parker e Ring (2001), a estrutura cristalina é caracterizada de acordo com o perfil do difratograma manifestado por difração de raio-X, apresentando três diferentes tipos de estrutura cristalina que foram identificadas e classificadas por Katz e Itallie em 1930 (tipo A, B e C) (Figura 3). Esta organização é verificada, pois apresentam ângulos de difração específicos que se manifestam devido ao empacotamento em dupla-hélice das cadeias ramificadas da amilopectina. Os padrões de cristalinidade são definidos com base nos espaços interplanares e intensidade relativa das linhas de difração de raio -X (CEREDA, 2001).
Figura 3 Difratogramas de raio -X de diferentes amidos. (A) refere-se ao padrão tipo A de amidos de cereais, (B) tipo B de amidos de tubérculos, (C) tipo C de amidos de leguminosas, e (V) tipo V de amilose complexada.
Fonte: Liu (2005) adaptado de Zobel (1988)
Segundo Zobel (1988), o padrão de cristalinidade tipo A é aquele que apresenta picos fortes nos espaços interplanares de 5,8; 5,2 e 3,8 Å (angstrons), o
tipo B apresenta um pico de intensidade forte a 5,2 Å e vários picos de intensidade média de 15,8; 6,2; 4,0 e 3,7 Å. O amido tipo C geralmente é considerado como a mistura dos tipos A e B (DONALD, 2004), apresentando picos fortes nos espaços interplanares de 5,8; 5,2 e 3,8 Å, tendo um pico adicional a 15,4 Å de intensidade fraca (ZOBEL, 1988). O padrão A é característico de amido de cereais, o padrão B de amido de tubérculos, de frutas, de milho com alto teor de amilose e dos amidos retrogradados. O padrão C é característico de amido de leguminosas (BILIADERIS,1991).
A amilose quando estiver complexada com compostos orgânicos, água ou iodo, pode aparecer o padrão tipo V. O padrão V apresenta picos em 12,0; 6,8 e 4,4 Å, sendo que o pico de 4,4 Å é normalmente usado como a primeira indicação de que o complexo V está sendo formado (ZOBEL, 1988; BILIADERIS, 1991).
2.3 Propriedades do amido
2.3.1 Poder de inchamento e solubilidade
Os grânulos de amido intactos não são solúveis em água fria, mas podem reter pequenas quantidades de água, ocasionando um pequeno inchamento, porém de forma reversível pela secagem (CEREDA, 2001). Em certas concentrações, torna-se um fluído dilatante, não-newtoniano, ou seja, o fluxo desse fluido não é proporcional à pressão que é exercida; quanto maior a pressão, menor a fluidez (STEFFE, 1996). A insolubilidade do grânulo é devida às fortes ligações de hidrogênio que mantêm as cadeias de amido unidas. Entretanto, quando o amido é aquecido em excesso de água, acima da temperatura de gelatinização, a estrutura cristalina é rompida. Esta ruptura ocorre devido ao relaxamento de pontes de hidrogênio e as moléculas de água interagem com os grupos hidroxilas da amilose e da amilopectina, causando aumento do tamanho dos grânulos e solubilização parcial do amido (HOOVER, 2001).
O poder de inchamento é uma medida da capacidade de hidratação dos grânulos de amido sob aquecimento. Sua determinação é feita pelo peso do grânulo de amido intumescido e de sua água oclusa (sedimento) por grama de amido. A solubilidade do amido também pode ser determinada na mesma suspensão; ela é
expressa como a porcentagem (em peso) da amostra de amido que é dissolvida após aquecimento (LEACH et al., 1959).
Segundo Zheng e Sosulski (1997) e Lindeboom, Chang e Tyler (2004) o poder de inchamento está mais associado com a estrutura do grânulo e a composição química, particularmente o teor de amilose e lipídios, do que com o tamanho dos grânulos. O teor de amilose e lipídios em particular, afetam de forma que a quantidade de lipídios complexados com a amilose inibe o inchamento e a gelatinização (ZHENG, SOSULSKI, 1997).
Os amidos ricos em amilose mostram inchamento e solubilidade restritos, mesmo após um período prolongado de aquecimento (CEREDA, 2001). Este comportamento pode ser atribuído a presença de um grande número de cristais formados pela associação entre as cadeias longas de amilopectina. A formação de cristalito aumenta a estabilidade granular, reduzindo assim o grau de inchamento do grânulo (MIAO, ZHANG, JIANG, 2009).
A solubilidade do amido é resultado da lixiviação de amilose, que se dissocia e se difunde para fora dos grânulos durante o inchamento. O lixiviamento da amilose é uma fase de transição de ordem e desordem dentro do grânulo de amido e ocorre quando o amido é aquecido com água (TESTER e MORRISON, 1990). De acordo com Lii et al. (1995), a concentração de amilose lixiviada é afetada pela concentração de amido e pela temperatura de aquecimento. A solubilidade do amido tem demonstrado ser influenciada pelo teor de amilose total, extensão de interação entre as cadeias (amilose-amilose e / ou amilopectina-amilose) dentro do grânulo de amido, e quantidade de lipídio amilose complexada com as cadeias (HOOVER, VASANTHAN, 1994a).
2.3.2 Gelatinização e retrogradação
O amido é insolúvel em água fria apesar de sofrer pequeno inchamento. Os sítios de ligação da água são os grupos hidroxilas e os átomos de oxigênio no interior das moléculas de D-glicose, sendo estes grupos hidroxilas os que conferem natureza altamente hidrofílica ao amido. A insolubilidade do grânulo é decorrente das fortes ligações de hidrogênio que mantêm as cadeias de amido unidas. Entretanto, na presença de água e aquecimento, a água é incorporada na estrutura do grânulo, que possui uma capacidade de inchamento de até três vezes o seu
tamanho sem que ocorra a ruptura do grânulo, atingindo a viscosidade máxima da suspensão (PENG et al., 2007). Quando a suspensão é aquecida continuamente, os grânulos continuam a se expandir e absorver água, então ocorre uma ruptura dos mesmos e a região cristalina desaparece (BILIADERIS, 1991, PENG et al., 2007).
As propriedades de gelatinização do amido estão relacionadas a uma variedade de fatores, incluindo o tamanho, proporção e organização cristalina alem da estrutura dos grânulos de amido (LINDEBOOM, CHANG, TYLER, 2004). A formação da massa viscosa, denominada pasta, é composta por duas fases, uma fase contínua (uma dispersão molecular) de amilose e/ou amilopectina solubilizadas e uma fase descontínua, de pseudo grânulos e fragmentos. A gelatinização é uma das propriedades mais importantes pois promove o rompimento da ordem molecular manifestado em mudanças irreversíveis nas propriedades granulares (JAYAKODY, HOOVER, 2008).
O aquecimento necessário para a formação da pasta causa uma transição irreversível (gelatinização), que pode ser caracterizada por uma endoterma, obtida através de calorimetria diferencial de varredura (DSC). A gelatinizarão também é caracterizada pela perda da birrefringência (JAYAKODY, HOOVER, 2008) observada através de microscopia de luz polarizada (perda da cruz de malta) e pelo desaparecimento da cristalinidade, evidenciada pela difração de raio-X, (GARCIA et al., 1997), além de um colapso do arranjo molecular, em que o grânulo de amido sofre mudanças irreversíveis em suas propriedades, ocorre absorção de água, intumescimento dos grânulos e lixiviamento de alguns componentes, principalmente a amilose (ZHONG et al., 2009, JAYAKODY, HOOVER, 2008).
Alguns fatores como temperatura, tamanho e concentração dos grânulos e a presença de lipídeos também podem influenciar o comportamento do amido (JANE et al., 1999), além do inchamento dos grânulos e a solubilização da amilose e amilopectina, que induzem a gradual perda da integridade granular (CEREDA, 2001).
A retrogradação ocorre quando os componentes do amido se reassociam em amido gelatinizado com uma estrutura ordenada. Em sua fase inicial, duas ou mais cadeias de glicose podem formar um ponto de junção simples, e então se transformar em regiões mais ordenadas (JAYAKODY, HOOVER, 2008).
A intensidade da tendência à retrogradarão do amido pode representar a extensão da lixiviação da amilose do grânulo de amido, o comprimento da cadeia de
amilopectina, e a presença de grânulos inteiros inchados envoltos em uma rede de amilose lixiviada (HOOVER, VASANTHAN, 1994a, 1994b, JACOBS, et al.,1995, LAN, et al., 2008, CHUNG, LIU, HOOVER, 2009). Este processo ocorre quando as moléculas de amido gelatinizado começam a se reassociar em uma estrutura com nova ordenação com a saída de água.
As mudanças que ocorrem nos grânulos durante a gelatinização e retrogradação são os principais determinantes do comportamento de pasta desses amidos, as quais têm sido medidas principalmente pelas mudanças de viscosidade durante o aquecimento e resfriamento de dispersões de amido usando equipamentos denominados amilógrafos. Os principais equipamentos que ilustram este modelo de gelatinização por curvas de viscosidade são o amilógrafo Brabender e o analisador rápido de viscosidade (RVA). Ambos os equipamentos trabalham com aquecimento e posterior resfriamento das soluções de amido (JACOBS, et al., 1995). Durante a fase inicial de aquecimento da suspensão aquosa de amido, um aumento na viscosidade é registrado quando os grânulos começam a inchar. Neste ponto, polímeros com baixo peso molecular, particularmente moléculas de amilose, começam a ser lixiviadas dos grânulos. Um pico de viscosidade máxima é obtido durante o empastamento, quando a maioria dos grânulos encontra-se totalmente inchados (TSAI et al., 1997). Durante a fase de temperatura constante (95ºC) os grânulos começam a se romper e continua a solubilização dos polímeros. Neste ponto ocorre uma quebra na viscosidade, precedidos por uma fase de resfriamento, as moléculas de amilose e amilopectina solubilizadas começam a se reassociar proporcionando outro aumento na viscosidade. Este segundo aumento da viscosidade é conhecido como tendência a retrogradação (MATSUGUMA, 2006).
As curvas de viscosidade aparente fornecem as informações sobre a temperatura de início de formação de pasta, o pico de viscosidade, a resistência dos grânulos inchados à ação mecânica, assim como a influência do resfriamento sobre a viscosidade (retrogradação). Segundo Ribeiro e Seravalli (2004), as moléculas de amilose, em função de sua estrutura linear, se aproximam mais facilmente e são as principais responsáveis pela ocorrência da retrogradação, enquanto que com a amilopectina o fenômeno parece ocorrer somente na periferia de sua molécula. No entanto, a amilose não é o único componente do amido que intervém na retrogradação, pois estudos realizados por Jaillais et al. (2006) mostraram que sob determinadas condições experimentais, a retrogradação da amilopectina pode fazer
parte do amido retrogradado. A presença de outros fatores também interferem no comportamento da pasta, como o tipo de amido, a concentração da solução, a taxa de cisalhamento, o binômio tempo-temperatura, bem como o pH e a presença de outros ingredientes, tais como aminoácidos e lipídeos (THOMAS, ATWELL, 1999, LIANG, KING, 2003). Ao ser resfriado o gel de amido sofre a retrogradação e uma reorganização molecular, que favorecem a formação de estruturas mais organizadas, com novas pontes de hidrogênio e a expulsão da água do gel (sinérese). Sob condições favoráveis, esta estrutura ordenada pode desenvolver uma forma cristalina (JAYAKODY, HOOVER, 2008).
2.3.3 Comportamento térmico
A análise térmica pode ser definida por um grupo de técnicas nas quais propriedades físicas ou químicas de uma substância, ou de seus produtos de reação são monitoradas e/ou medidas em função do tempo ou temperatura, enquanto a temperatura da amostra, sob uma atmosfera específica, sob condições controladas (IONASHIRO 2005). O método diferencial de temperatura, no qual a temperatura da amostra é comparada a uma amostra inerte de referência, permite verificar quando alguma propriedade, física ou química, é favorecida ou alterada durante o aquecimento (HAINES, READING WILBUM, 1998, MATSUGUMA, 2006). A técnica de calorimetria diferencial de varredura (DSC) também permite avaliar as variações de entalpias que ocorrem com uma dada substância durante um processo de aquecimento e/ou resfriamento (IONASHIRO 2005). Segundo Krieger et al. (1997), as propriedades térmicas de amidos podem ajudar a determinar sua funcionalidade específica e, portanto, ser um indicativo de sua aplicação.
O termo ”diferencial” dá ênfase àquelas medidas que envolvem tanto a própria substância como um material termicamente estável. De acordo com Carvalho Filho (2000), qualquer fenômeno físico ou químico que por ocasião de sua ocorrência provoque variações de entalpia pode ser detectado através desta técnica e à medida que a sensibilidade dos instrumentos foi sendo aumentada a aplicabilidade do método também foi consideravelmente ampliada.
As propriedades térmicas são importantes em amido e têm sido um dos aspectos principais em pesquisas na área de polímeros. O estudo das propriedades térmicas pode fornecer informações para o processamento e utilização, bem como,
para explorar e compreender a estrutura do amido (ZHONG, SUN, 2005). A calorimetria diferencial de varredura (DSC) é uma ferramenta usada para investigar propriedades térmicas e de mudança de fase de amido (ROOS, 1995), além das mudanças endotérmicas e exotérmicas que revela as reações que ocorrem durante as análises, tais como transição vítrea, gelatinização e fusão dos materiais. O DSC, portanto, pode fornecer diretamente a temperatura e a entalpia de transição/reação do material analisado (JI et al., 2004, ZHONG, SUN, 2005).
Para detecção das fases de transição nos amidos, os métodos de DSC têm a vantagem de serem independentes da birrefringência dos grânulos. Esta é uma diferença importante quando a birrefringência se deve a orientação molecular nas regiões amorfas, ou está ausente devido aos cristais serem pequenos ou casualmente orientados. As mudanças de entalpia observadas em DSC geralmente são relacionadas à transição do tipo ordem e desordem dos cristais presentes em extensos arranjos ordenados internos e em regiões de menor ordem cristalina do grânulo (CEREDA, 2001, YU, CHRISTIE, 2001, KARLSSON, ELIASSON, 2003).
A análise de dados por DSC pode fornecer informações adicionais sobre amido, tais como a sua estrutura e composição, sua interação com outros componentes, os efeitos da água, e propriedades relacionadas. As técnicas termoanalíticas normalmente são utilizadas na análise de transições que ocorrem quando polímeros sintéticos são aquecidos. Entretanto o uso mais freqüente de DSC em amidos é com objetivo de investigar o seu comportamento na gelatinização (LELIÈVRE e LIU, 1994). Normalmente, amido é misturado com água em uma proporção de 1:3 e, em seguida, submetidos ao teste. Este tipo de análise termográfica exibe apenas um pico de gelatinização entre 50 e 80 °C (JI et al., 2004, ZHONG, SUN, 2005).
2.4 Amidos modificados
O amido, na sua forma nativa, nem sempre possui as propriedades adequadas a determinados tipos de processamento, mas, quando modificado, aumenta seu espectro de utilização. A modificação química é muito utilizada, pois promove alterações na estrutura das unidades de glicose nas cadeias do amido. As principais razões para a modificação do amido são alterar as características de cocção, aumentar a estabilidade do processo de congelamento e descongelamento,
diminuir a retrogradação e o poder geleificante, melhorar a propriedade de formação de filmes ou tornar o polímero eletrostaticamente carregado (BEMILLER, 1997).
Muitos amidos modificados são utilizados na indústria de alimentos, entre eles amidos oxidados. A utilização de amidos oxidados é regulamentada pela legislação como um ingrediente, devendo ser informados na rotulagem do produto e obedecer as especificações estabelecidas pelo Food Chemical Codex, 3rd Edition, 1981 (BRASIL, 1994)
O amido oxidado é obtido pela reação de um agente oxidante com os grupos hidroxilas livre nos monômeros de glicose, resultando na formação de grupos carbonila e / ou carboxila. O processo de oxidação normalmente causa despolimerização das moléculas de amido, por cisão de ligações glicosídicas (RICHARDSON, GORTON, 2003).
Contudo, há um crescente interesse na modificação física do amido, especialmente para aplicações em alimento, pois é considerado material natural de alta segurança alimentar e não é limitado pela legislação quanto às quantidades utilizadas, sendo considerado como ingrediente. A demanda por produtos naturais e normas mais rigorosas de proteção a consumidores têm dificultado o desenvolvimento de amidos alimentares a partir de modificações (BEMILLER, 1997), no entanto cada tipo de modificação apresenta propriedades singulares dependendo da aplicação final do amido.
2.4.1 Tratamento térmico em baixa umidade
Os tratamentos tratamento térmico de baixa umidade é considerado uma modificação física que alteram as propriedades físico-químicas do amido, sem promover mudanças na estrutura molecular (JACOBS e DELCOUR, 1998; ADEBOWALE et al., 2005; HORMDOK e NOOMHORM, 2007; MAACHE-REZZOUG et al., 2008). Apresenta como parâmetros críticos de controle o teor de umidade, a temperatura e o tempo de aquecimento (TESTER e DEBON, 2000). Envolve a presença de baixos conteúdos de água (<35% de umidade v/v) e aquecimento a temperaturas acima da temperatura de transição vítrea porém acima da temperatura de gelatinização, variando de 84 a 120°C, durante u m período de tempo que pode variar de 15 minutos a 16 horas (HOOVER, 2010). Na Figura 4 estão apresentadas as condições do tratamento térmico de baixa umidade (TTBU).
O annealing também é uma modificação física onde o amido é incubado em excesso de água (<65% v/v) ou em quantidade intermediária (<40-55% v/v) durante determinado período, a uma temperatura abaixo da temperatura de gelatinização, mas acima da temperatura de transição vítrea (JACOBS, DELCOUR, 1998; HOOVER, VASANTHAN, 1994a, TESTER, DEBON, 2000).
Figura 4 Condições hidrotémicas do tratamento térmico em baixa umidade (TTBU) e do annealing (ANN).
Fonte: Eliasson e Gudmundsson (2006).
Os primeiros estudos de tratamento térmico em baixa umidade foram feitos com amido de batata-doce com a intenção de tornar suas propriedades semelhantes às do amido de milho, para substituí-lo nos períodos de escassez do cereal (STUTE, 1992). Mais informações obtidas a partir de estudos anteriores sobre o efeito do calor condicionado em presença de umidade em amidos, vários sugerem que a grau de modificação depende da fonte de amido e do teor de umidade durante o tratamento de umidade de calor (ABEBOWALE et al., 2003). Donovan, Lorenz, Kulp (1983) verificaram que o efeito do tratamento de umidade de calor pode ser atribuída à formação de cristalitos novos ou recristalização e a perfeição das pequenas regiões cristalinas do grânulo de amido.
Como resultado desta modificação, são verificadas alterações no padrão de difração de raio-X, na cristalinidade, nas interações entre as cadeias, no intumescimento dos grânulos, lixiviação da amilose, parâmetros de gelatinização, viscosidade, retrogradação e na suscetibilidade à hidrólise enzimática e ácida (HOOVER, 2010). No entanto, não ocorrem alterações morfológicas que sejam
possíveis de serem observadas ao microscópio eletrônico (GUNARATNE, HOOVER, 2002).
O tratamento geralmente proporciona aumento na faixa de temperatura de gelatinização (HOOVER, MANUEL, 1996), redução na viscosidade e maior estabilidade de pasta (FRANCO et al., 2002; ANDERSON et al., 2002). A redução da viscosidade ocorre em função da pressão e do tempo de tratamento (CEREDA et al., 2001). Segundo Gunaratne e Hoover (2002), o tratamento térmico em baixa umidade promove a interação das cadeias poliméricas, através do rompimento da estrutura cristalina e dissociação das estruturas de duplas hélices na região amorfa e posterior rearranjo dos cristais rompidos durante o tratamento.
O tratamento térmico de baixa umidade pode causar alterações no padrão de difração de raio-X. Hoover (2010) revisou tratamentos distintos de TTBU e verificou que amidos de diferentes fontes botânicas (batata, taro, inhame coco, inhame verdadeiro, mandioca, mandioquinha-salsa, batata-doce, entre outros) apresentaram alterações no padrão de raio-X, enquanto amidos de cereais e leguminosas não apresentaram alterações no padrão de raio-X. Estas alterações no padrão de raio-X podem ser atribuídas a vaporização de moléculas de água da cadeia central, resultando na movimentação dos pares de duplas hélices (GUNARATNE, HOOVER, 2002).
Gunaratne e Hoover (2002) avaliaram o tratamento hidrotérmico (30% de umidade/ 100°C/ 10 horas dos amidos de taro, mandio ca e batata) e verificaram que a suscetibilidade enzimática aumentou quando utilizado α-amilase. O rompimento dos cristais próximos da superfície do grânulo pode facilitar o ataque da α-amilase no interior do grânulo, fato que pode explicar o aumento significativo na porcentagem de hidrólise dos amidos tratados termicamente em baixa umidade. Os autores também afirmam que mesmo quando os cristais não são quebrados pelo tratamento, o aumento da suscetibilidade ocorre devido ao número de duplas hélices rompidas pelo tratamento nas regiões amorfas dos grânulos, que facilita o acesso das enzimas aos sítios da cadeia e à interação que ocorre entre as cadeias de amilose durante o rearranjo das cadeias poliméricas.
2.4.2 Oxidação com peróxido de hidrogênio
A oxidação é uma importante modificação aplicada em amidos. Pela baixa viscosidade, alta estabilidade, claridade de pasta, propriedades de ligação e formação de filmes os amidos oxidados podem ser utilizados em muitas indústrias, particularmente na de papel, têxtil, acabamento de roupas, encadernação, indústria de materiais para fornecer propriedades de superfície e revestimento (SANCHEZ-RIVERA et al., 2005, KUAKPETOON, WANG, 2006). Em geral, a oxidação do amido é realizada usando agentes oxidantes como hipoclorito ou iodato e peróxido de hidrogênio (TOLVANEN et al., 2011).
Cereda et al. (2001) mencionaram que amidos oxidados com peróxido de hidrogênio podem ser utilizados em alimentos. Dias et al., (2007) e Tavares et al., (2010) verificaram que amidos oxidados com peróxido de hidrogênio, na presença de ácidos orgânicos promovem a despolimerização da amilose e da amilopectina apresentando capacidade de expansão.
O Joint Expert Committee on Food Additives (JECFA) de Hong Kong avaliou a segurança do peróxido de hidrogênio (APLEVICZ, DEMIATE, 2007) e considerou que a ingestão de pequena quantidade de peróxido de hidrogênio não produziria nenhum efeito toxicológico, devido à rápida decomposição química pela enzima catalase das células intestinais e relatou que o peróxido hidrogênio é instável em contato com alguns tipos de alimentos e também após o cozimento destes.
Os amidos oxidados são produzidos por reações de amidos com um agente oxidante específico, sob condições controladas de temperatura e pH (WANG, WANG, 2003). Os grupos hidroxila das moléculas de amidos são oxidados primeiramente a grupos carbonilas e depois a grupos carboxilas. O número de carbonilas e carboxilas no amido oxidado indicam o nível de oxidação, e esta oxidação ocorre primeiramente nos grupos hidroxilas nas posições C2, C3 e C6 dos carbonos nas unidades D-glicopiranosil (KUAKPETOON, WANG, 2001, 2008;). De acordo com Kuakpetoon, Wang (2001), a oxidação ocorre principalmente nas regiões amorfas, visto que não são observadas alterações nos padrões de raio-X intensidades nos amidos oxidados.
Kuakpetoon e Wang (2008) oxidaram amido de milho com hipoclorito de sódio e observaram que o conteúdo de amilose influencia o grau de oxidação. A oxidação foi mais intensa com menor conteúdo de amilose. Eles relataram que o tamanho da
lamela amorfa aumentou com a diminuição teor de amilose. Amidos com baixos conteúdos de amilose são mais susceptível à oxidação do que amidos de alta amilose, porque a oxidação ocorre principalmente nas lamelas amorfas dos grânulos de amido (KUAKPETOON, WANG, 2001)
A oxidação também promove alterações nas propriedades de pasta, reduzindo a viscosidade. Tavares, et al. (2010) verificaram que a oxidação com peróxido de hidrogênio reduziu a viscosidade de farinha de arroz. Estes autores relataram que a redução da pasta viscosidade tornou-se maior com o aumento na concentração de peróxido de hidrogênio. O efeito da oxidação sobre a viscosidade de pico é dependente das condições e intensidade da reação e da fonte de amido.
Esta redução tem sido verificada por diversos autores (Kuakpetoon, Wang, 2001; Li, Vasanthan, 2003, Martínez-Bustos et al, 2007) em amido de milho normal, batata, ervilha e grânulos de amido de mandioca durante a oxidação de hipoclorito sendo atribuída à introdução de grupos carbonila e carboxila. A oxidação de amido faz com que ocorra a cisão de ligações glicosídicas e a oxidação dos grupos hidroxilas. A quebra das ligações glicosídicas resulta na despolimerização de amilose e amilopectina, diminuindo também o poder de inchamento e viscosidade de pasta (TAVARES et al., 2010).
Segundo Martínez-Bustos et al. (2007), os grupos carbonila e carboxila formados depois da oxidação são mais volumosos do que os grupos hidroxila e tendem a manter as cadeias de amilose separadas, atrasando assim retrogradação.
Diversos métodos têm sido utilizados para preparar amidos oxidados que incluem o uso de peróxido de hidrogênio, oxigênio ambiente, ozônio, brometo, ácido crômico, permanganato, dióxido de nitrogênio, radiação ultravioleta e hipoclorito de sódio (LAWAL et al., 2005; VATANASUCHART et al., 2005). O peróxido de hidrogênio não tem sido muito utilizado em práticas comerciais, ao contrário do hipoclorito de sódio. O peróxido não cria nenhum subproduto prejudicial, além de se decompor inevitavelmente em oxigênio e água. Por tanto, este agente oxidante é considerado um agente de baixo impacto ambiental, sendo preferido quando se deseja processos livres de cloro (SANGSEETHONG et al., 2010). Por outro lado a oxidação com peróxido de hidrogênio requer longos tempos de reação, elevadas temperaturas e elevados pH’s (HAGE, LIENKE, 2006).
2.4.3 Aplicações de amidos modificados hidrotermicamente em alimentos
As modificações hidrotérmicas em amidos promovem aumento na estabilidade térmica e redução na capacidade de retrogradação (ADEBOWALE et al., 2005). Portanto, estes amidos poderiam ser utilizados em alimentos enlatados ou congelados (JAYAKODY, HOOVER, 2008) apresentando vantagens em relação aos amidos nativos.
A redução do poder de inchamento, do lixiviamento da amilose e da estabilidade ao aquecimento, promovida pelotratamento térmico em baixa umidade, são desejáveis para as propriedades de processamento de massas alimentícias (CEREDA, 2001).
Hormdok e Noomhorm (2007) avaliaram a qualidade de massa alimentícia substituindo a farinha de arroz por amido de arroz modificado pelo tratamento térmico em baixa umidade e por annealing na formulação, este estudo mostrou que houve uma melhoria nas propriedades de textura (adesividade, mastigabilidade e tensão de ruptura) das massas preparadas com amido de arroz modificado hidrotermicamente, sendo comparáveis às massas comerciais.
Brumovsky e Thompson (2001) e Chung, Liu e Hoover (2009), reportaram que o tratamento térmico em baixa umidade e o tratamento por annealing têm sido utilizados para aumentar os níveis de amido resistente, mantendo a estrutura granular. Segundo Brumovsky e Thompson (2001), o amido de milho de alta amilose tratado termicamente em baixa umidade e por annealing apresentou 43,9% e 28,1% de amido resistente, respectivamente, comparado a 18,4% de amido resistente no amido nativo. Esses autores também mostraram que a hidrólise parcial com HCl seguida dos tratamentos hidrotérmicos intensificaram o aumento no teor de amido resistente, ressaltando que a hidrólise ácida aumenta a mobilidade das cadeias de amido.
Jayakody e Hoover (2008) relatam que o amido resistente pode ser incorporado em alimentos sem alterar a aparência e textura devido ao seu sabor suave e cor branca, podendo ser utilizado como um substituto de gordura ou para aumentar o teor de fibra alimentar.
Tester e Debon (2000) descrevem algumas aplicações de amidos tratados hidrotermicamente na indústria de alimentos infantis, no processamento de amido de
batata, para substituir o amido de milho durante o período de escassez, na produção de amidos com estabilidade para o congelamento e descongelamento e na melhoria da qualidade do amido de batata para a panificação.
Cham e Suwannaporn (2010) avaliaram a utilização de farinhas de arroz modificadas por tratamento térmico de baixa umidade e por annealing em macarrão de arroz, concluindo que os tratamentos hidrotérmicos podem ser uma alternativa, ao uso de aditivos para a indústria de macarrão de arroz, pois os macarrões preparados com as farinhas modificadas apresentaram características de cocção e textura semelhantes aos macarrões preparados com farinhas comerciais.
2.4.4 Aplicações de amidos oxidados em alimentos
A oxidação em amidos fornece baixas viscosidades, aumento na estabilidade de pasta e aumento no inchamento e na solubilidade dos grânulos (WANG, WANG, 2003, TAVARES et al., 2010, DIAS et al., 2011b). Na indústria de alimentos, há uma necessidade de farinhas e amidos que apresentem características reológicas específicas e que favoreçam a diversificação de produtos.
A fécula de mandioca tem um grande número de aplicações na indústria, como em alimentos, papel e adesivos, no entanto, apenas uma pequena porção de amido é usado em seu estado nativo. Uma modificação muito comum do amido de mandioca é a fermentação por um processo natural, produzindo ácido orgânico, principalmente ácido lático e seco ao sol, sofrendo uma oxidação pela incidência de raios ultravioleta (MAEDA, CEREDA, 2001). Dias, et al. (2007), avaliaram a oxidação de amido de milho e de mandioca com peróxido de hidrogênio e relataram que os biscoitos elaborados com amido de mandioca oxidados apresentaram elevada expansão enquanto os amidos de milho oxidados não apresentaram propriedade de expansão.
Tavares et al., (2010) estudaram os efeitos de uma modificação ácida com posterior oxidação com peróxido de hidrogênio em farinha de arroz com diferentes conteúdos de amilose e verificaram propriedades de expansão nas farinhas com baixo conteúdo de amilose. O desenvolvimento de amidos e farinhas com propriedade de expansão pode resultar em novos ingredientes que podem ser utilizados na produção de biscoitos sem glúten, pão de queijo e outros produtos de panificação.
Os pudins são produtos geralmente elaborados com amidos, com textura semi-sólida (LIM, NARSIMHAN, 2006). O amido desempenha um papel importante nas propriedades da pasta, dando corpo e paladar (VERBEKEN et al., 2006). A presença de grânulos de amido com diferente poder de inchamento e desestruturação contribuem para as propriedades reológicas do pudim. Nesse sentido, o amido oxidado pode fornecer estas características e propriedades. Além disso, o acúmulo de amilose no espaço inter-granular e no interior dos grânulos de amido desempenha um importante papel (ALAMPRESE, MARIOTTI, 2011).
Zhang et al., (2009) estudaram as propriedades de amidos oxidados com peróxido de hidrogênio na formação de amidos termoplásticos, e verificaram que a inclusão de grupos aldeídos favorece as propriedades mecânicas e de barreira dos materiais, com potencial aplicação como material biodegradável.
