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PROPRIEDADES FUNCIONAIS, MORFOLÓGICAS E TÉRMICAS DE AMIDO DE ARROZ JAPÔNICA MODIFICADO COM ALTA PRESSÃO HIDROSTÁTICA

Capítulo de livro publicado no livro Ciência e tecnologia de alimentos: Pesquisas e avançosPara acessa-lo  clique aqui.

DOI: https://doi.org/10.53934/9786585062060-06

Este trabalho foi escrito por:

Virgínia Mirtes de Alcântara Silva *; Raphael Lucas Jacinto Almeida  ; Newton Carlos Santos ; Victor Herbert de Alcântara Ribeiro ;

Raniza de Oliveira Carvalho ; Soraya Alves de Morais 

* Email:[email protected]

Resumo: O processo de alta pressão hidrostática (HHP) tem sido estudado para diversas aplicações na tecnologia de alimentos e tem sido implementado comercialmente em diversos países. Portanto, o presente estudo tem como objetivo avaliar a influência da HHP nas propriedades funcionais, morfológicas e térmicas do amido de arroz japônica (JRS). O JRS foi disperso em 20% de água e logo foi aplicada a HHP nas pressões de 200, 400 e 600 MPa/min, onde os parâmetros funcionais (capacidade de absorção de água, óleo, leite sem lactose e integral), morfológicos e térmicos foram avaliados antes e após a modificação não térmica com HHP. Foram encontradas rachaduras na superfície, com aumento do diâmetro médio em relação a pressão aplicada no amido, principalmente para a JS600. O amido modificado apresentou uma maior afinidade com água e óleo do que o amido nativo (NJS), já para a absorção de leite foi verificado que a capacidade de ligação ao leite integral foi superior ao amido nativo. Os amidos modificados apresentaram menores temperaturas de gelatinização, em relação ao NJS. Portanto, pode-se concluir que o tratamento a 600 MPa/min mostrou ser um método não térmico eficiente para modificação do JRS e menos nocivo ao meio ambiente.

Palavras–chave: Amido de arroz;modificação não térmica; diâmetro de partícula; absorção de leite; gelatinização.

INTRODUÇÃO

O arroz (Oryza sativa L.) é o segundo cereal mais cultivado no mundo e um alimento básico importante para mais da metade da população mundial, especialmente dos países do continente asiático. O consumo aparente médio mundial é de 54 Kg/pessoa/ano, com o Brasil se destacando com 32 Kg/pessoa/ano (1). O arroz faz parte do mercado global de grãos secos, que cresce a uma taxa crescente, devido ao aumento da conscientização sobre seus benefícios para a saúde, onde os maiores produtores globais são: China, Índia, Bangladesh, Indonésia, Vietnam, Tailândia, Myanmar, Filipinas, Japão e Brasil, único país não asiático (2).

O arroz pode ser simplesmente dividido em duas classes primárias: Indica e Japônica (3). O arroz japônica está cada vez mais popular entre os consumidores asiáticos orientais que o preferem por sua moderada elasticidade e textura em bastão atribuída ao seu baixo teor de amilose (4). Consumido frequentemente cozido, seu sabor é uma característica importante que pode influenciar diretamente na aceitabilidade do consumidor contribuindo para o forte potencial de desenvolvimento no mercado de consumo de arroz na Ásia e no mundo (5). Seu conteúdo amiláceo contribui com aproximadamente 90% do peso seco final do grão, com teores de amilose e amilopectina que podem variar entre 6,59 e 24,38% e 74,10 – 82,82%, respectivamente (6), valores que destacam o arroz japônica de outras cultivares da mesma espécie. 

O amido é o principal carboidrato dos grãos de cereais e um importante nutriente para os seres humanos. O amido de arroz possui uma estrutura hierárquica, que pode ser dividida em seis níveis. Sucintamente, os monômeros de glicose anidra são conectados através de ligações glicosídicas α-(1,4) em ramificações de amidos individuais (nível 1), que formam ainda moléculas de amilose e amilopectina por ligações glicosídicas α-(1,6) (nível 2). As cadeias de amilopectina se entrelaçam em duplas hélices e lamelas semicristalinas (nível 3), que são alternadas com anéis de crescimento amorfos como estrutura de nível 4. A estrutura de nível 5 é o grânulo de amido inteiro e a estrutura de nível 6 é o grão de arroz integral (7). Arroz com alto teor de amilose (25-30%) tende a ser firme e seco, enquanto arroz com teor intermediário de amilose (20-25%) tende a ser mais macio e pegajoso e arroz com baixo teor de amilose (<20%) é geralmente bastante macio e pegajoso (8).

Apesar da sua utilidade para diversos processos industriais, a aplicação do amido na forma nativa é limitada devido alguns fatores como baixa fluidez, baixa transparência da pasta, suscetibilidade à retrogradação, altas temperaturas de gelatinização, rápida degradação enzimática, alta turbidez do gel e alto teor de água (9). Para mitigar essas limitações inerentes, o amido deve ser modificado por métodos físicos, químicos e/ou enzimáticos a fim de melhorar suas propriedades funcionais (10). Embora os métodos de modificação química sejam os mais aplicados industrialmente, há uma preocupação elevada sobre seu uso, por serem prejudiciais ao meio ambiente. Nesse contexto, os pesquisadores podem explorar métodos inovadores baseados na aplicação de tecnologias emergentes (11).

A alta pressão hidrostática (HHP) é um processo não térmico amplamente utilizado para inativar microrganismos patogênicos com perdas nutricionais e organolépticas mínimas em alimentos (12). Durante a HHP, os grânulos de amido podem ser deformados, formar agregados e eventualmente serem rompidos, dependendo da fonte botânica do amido e da intensidade do tratamento. Como o HHP atua sobre os grânulos de amido, várias propriedades são modificadas, incluindo solubilidade em água, poder de intumescimento, colagem, capacidade de retenção de água e óleo, digestibilidade e propriedades térmicas (13).

Na literatura, ainda são poucas as investigações sobre a influência da HHP na estrutura do amido de arroz japônica, pois a maioria dos estudos são focados na digestibilidade do amido após o tratamento. Portanto, o objetivo do estudo foi avaliar a influência da alta pressão hidrostática (HHP) nas propriedades funcionais, morfológicas e térmicas do amido de arroz japônica (JRS).

MATERIAL E MÉTODOS

Extração do amido

A extração do amido do arroz japônica (JRS) foi realizada pelo método descrito por Almeida et al. (10). Inicialmente os grãos (500 g) foram moídos e colocados em imersão em solução de metabissulfito de sódio 0.5% na proporção de 1/2 (w/v) grãos/água por 72 h. Os grãos foram filtrados para remoção da solução e lavados em água corrente por 3 min. Logo, foram triturados em liquidificador (PHILCO PH900) com adição de água destilada (500 mL) e filtrados em malha de organza. Foi realizada a etapa de lavagem e decantação a 7 ºC por 5 dias com renovação da água de lavagem a cada 24 h. Para secagem do amido foi utilizada a estufa com circulação de ar (SolidSteel, SSDCR-40 L) a uma temperatura de secagem de 50 ºC com velocidade do ar de 1.0 m s-1 (14).

Pré-tratamento de alta pressão hidrostática (HHP)

O JRS (4 g) foi disperso em água destilada na proporção de 20% (w/v), logo foram tratados por alta pressão hidrostática (HHP) em escala laboratorial (UHPF-800 MPa-3L). As pressões escolhidas foram de 200 MPa/min, 400 MPa/min e 600 MPa/min durante 30 min. A temperatura do vaso foi controlada termostaticamente a 30 ºC durante todo o tratamento (15). As formulações foram denominadas JS200: para o amido de arroz japônica submetido ao HHP 200 MPa/min, JS400: para o amido de arroz japônica submetido ao HHP 400 MPa/min, JS600: para o amido de arroz japônica submetido ao HHP 600 MPa/min e NJS: para o amido de arroz japônica nativo, sem o tratamento de HHP.

Determinação de amido e amilose

O teor de amido total foi determinado seguindo o método (996.11) da A.O.A.C. (16), utilizando α-amilase de Bacillus sp. (Sigma®, EC 3.2.1.1) e amiloglucosidase de Rhizopus sp. (Sigma®, EC 3.2.1.3). 10,0 mg de amido foram dissolvidos em 0,2 mL de etanol 80%, depois 2 mL de solução de hidróxido de sódio 1,7 M foram adicionados, seguidos de 1,0 mL (1.500 unidades/mg de proteína) de α-amilase e 1,0 mL de enzima amiloglucosidase (40.000 unidades/g de sólido) diluído em tampão de acetato de sódio 660 mM pH 3,8. As amostras foram incubadas a 50 ºC por 30 min e centrifugadas (10.000 ×g por 2 min) (KASVI, K14-5000M). Foi realizada a dosagem do amido, quantificando-se a glicose liberada no processo, conforme metodologia proposta por Miller (17).

 O teor de amilose dos amidos foi medido usando um kit comercial de ensaio de amilose/amilopectina (Megazyme, K-AMYL 06/18), com base na precipitação de concanavalina A.

Capacidade de absorção de água

A determinação da capacidade de absorção de água seguiu o método de Beuchat (18), onde foi utilizado 1 g de amido com 10 ml de água destilada. A suspensão foi homogeneizada por 30 segundos e deixada em repouso por 30 minutos. Em seguida, as amostras foram centrifugadas (KASVI, K14-5000M) por 15 min a 2000 ×g.

Capacidade de absorção de óleo

Foi feita a combinação de 1 g de JRS com 10 mL de óleo de girassol em tubos de centrifugação. As amostras foram mantidas a 24 ºC, agitadas manualmente durante 5 min e depois centrifugadas (KASVI, K14-5000M) a 15 000 ×g durante 15 min. Após esse processo, houve a retirada e pesagem do excesso de óleo (18).

Índice de absorção de leite integral e zero lactose

O amido (2,5 g) foi adicionado a 30 mL de leite à temperatura de 25 ± 2 ºC durante 30 min e depois centrifugada em 2000 ×g durante 15 min (KASVI, K14-5000M).  Logo após o processo de centrifugação houve a transferência do sobrenadante para uma placa de Petri de massa conhecida. O índice de absorção do leite, que corresponde a massa do gel obtido após a remoção do sobrenadante (19).

Micrografia eletrônica de varredura (SEM)

O amido foi analisado por micrografia eletrônica de varredura (Shimadzu, Superscan SSX-550), em que as amostras foram dispersas uniformemente sobre a mesa de amostras na qual a fita condutora de carbono duplamente adesiva foi fixada e capturada em uma ampliação de 250x com potencial de aceleração de 15kV. O tamanho dos grânulos foi medido com o auxílio do Image J Software (disponível em http://rsbweb.nih.gov/ij/).

Propriedades térmicas

As propriedades térmicas do amido de arroz japônica foram determinadas usando um calorímetro de varredura diferencial (2920 Modulated DSC, TA Instruments, New Castle, Del., EUA), seguindo a metodologia de Zhu et al. (6). O amido (12 mg, base seca) e água destilada (28 mg) foram adicionados às panelas de alumínio. As amostras foram seladas e deixadas equilibrar overnight à temperatura ambiente. As amostras foram aquecidas a uma taxa de 10 °C min-1 a partir de 20 °C até 200 °C. Uma panela vazia foi usada como referência. As temperaturas de início (T0), pico (Tp), conclusão (Tc) e entalpia de transição (ΔHg) foram medidas a partir dos termogramas.

Análise estatística

Os resultados foram descritos como média ± desvio padrão. As diferenças foram avaliadas por análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey a um nível de significância de 5% usando o software Statistic 7.0.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os valores do teor de amido e amilose dos amidos de arroz japônica nativo e modificados por alta pressão hidrostática (HHP) são apresentados na Tabela 1.

A modificação com HHP influenciou os teores de amido e amilose, mostrando eficiência na alteração das macromoléculas que compõem o amido. Foi observado que a pressão acima de 400 MPa/min não apresentou diferença significativa quando comparado ao de 600 MPa/min, o que indica que pressões em 200 e 400 MPa/min são suficientes para quebrar as cadeias de amido e amilose do JRS. O teor de amilose para os grãos de arroz japônica podem variar de 6,59 24,38% (6), valores que destacam o arroz japônica de outras cultivares da mesma espécie. Na Tabela 2 são mostrados os resultados da capacidade de absorção de água, óleo, leite sem lactose e integral do amido de arroz japônica.

As capacidades de absorção de água, óleo, leite sem lactose e integral foram alteradas em decorrência da modificação não-térmica por HHP. É notado que os valores apresentam um acréscimo com o aumento da pressão que é aplicada no JRS, mostrando a viabilidade do amido modificado na aplicação em indústria de lacticínios e para estabilizar emulsões óleo/água por apresentar dupla molhabilidade para as duas soluções (20). Os maiores valores foram encontrados para a formulação JS600 em ambos os parâmetros analisados, o que indica diferença significativa quando comparado ao amido nativo NJS.

Para Carvalho et al. (21) os amidos modificados apresentam uma maior capacidade de ligação da água, o que resulta em maior viscosidade, podendo ser justificado pela ligação de moléculas de água a grupos hidrofílicos (-OH) (22). A absorção de óleo foi superior a absorção de água para todas as formulações, confirmando o encontrado por Castro et al. (23) para o amido de pitomba. Wang et al. (24) obtiveram o valor de 73 e 74% para absorção de óleo para os amidos de trigo e mandioca, respectivamente, valores estes superiores ao encontrado para NJS e próximos a JS600.

Quando comparado às absorções de leite, é notado que a absorção de leite integral é maior para todas as formulações, o que confirma a disponibilidade dos amidos modificados em se ligar as moléculas de gordura presente no leite integral, destaque para JS600. Almeida et al. (25) obtiveram valores de 47 g 100g-1 para a absorção de óleo para o amido de arroz vermelho nativo e de 50 g 100g-1 para a absorção de leite integral, valores estes inferiores ao encontrado para o NJS.

Na Figura 1 são apresentadas as imagens do amido nativo e dos modificados por HHP com ampliação de 250x.

Os grânulos de amido do arroz japônica apresentaram morfologia poligonal para a NJS, enquanto para as formulações modificadas por HHP, o formato é mais irregular, apresentando cavidades no caso de JS400 (Figura 1C) e JS600 (Figura 1D). O mesmo formato foi identificado por Almeida et al. (25) e Ramos et al. (26) para o amido de arroz vermelho, onde foi descrito que para amidos de arroz a geometria pode ser classificada como poligonal ou poliédrica. Para Hu et al. (27), a maioria dos grânulos do amido nativo manteve sua integridade, e apresentou diferença para os grânulos modificados por HHP. Wang et al. (28) notou a aparência de sulcos nas superfícies do amido de arroz tratado por HHP a 20%.

As faces dos grânulos JS600 são mais planas e lisas em decorrência do tratamento não-térmico que influenciou o diâmetro médio dos grânulos (Tabela 3), no qual mesmo após a etapa de moagem, esse parâmetro apresentou diferença significativa quando comparada a NJS.

O diâmetro médio dos grânulos de NJS foi de 3.93 µm, tamanho este dentro da faixa encontrada por Zeng et al. (29) para o amido de arroz ceroso 3−8 μm. Para Li et al. (2004), este resultado sugeriu inchamento granular irregular nas direções radial e tangencial. Para Guo et al. (30) os grânulos de amido apresentaram tendência à agregação, indicando a ocorrência de gelatinização, quando aplicada uma pressão de 600 MPa. É perceptível que quanto maior a pressão aplicada nas pastas de amido, maior será o aglomerado dos grânulos, fazendo com que a resistência mecânica aumente, destaque para JS600 que obteve o valor de 66.69 µm. Isso foi confirmado por Zeng et al. (29), no qual afirmaram que pressões baixas não são suficientes para romper a estrutura do amido, apenas acima de 400-500 MPa, que as rachaduras aparecem juntamente com a aparência rugosa na superfície.

 Segundo Wu et al. (31), o tamanho e a forma dos grânulos influenciam as propriedades físico-químicas e a digestibilidade dos amidos. Para Colussi et al. (32) o tratamento HHP resultou em grânulos agregados e pequenas imperfeições foram observadas na superfície do amido de batata. Zhang et al. (33) observaram que após 30 min de HHP os grânulos de amido de aveia começaram a inchar e deformar, chegando ao valor máximo de 109 µm, indicando a gelatinização da amostra, onde a superfície dos grânulos apresentou aspereza com regiões gelatinosas.

O tratamento HHP resultou em uma estrutura compacta com cavidades, fissuras e buracos na superfície, em decorrência das fortes interações entre as cadeias de amilose e amilopectina (34). Esse aumento do diâmetro pode ser justificado pois a região amorfa absorveu água e inchou, resultando em maiores grânulos de amido, que por sua vez levaram à colagem e adesão dos grânulos (35). Na Tabela 4 são apresentados os valores das temperaturas e da entalpia de gelatinização dos amidos de arroz Japônica após a modificação por HHP.

O valor de T0 para ambas as formulações foram superiores a 70 ºC, indicando uma alta resistência térmica. Os amidos modificados por HHP, apresentaram maiores valores de T0, o que indica que é necessária uma maior temperatura para o início da gelatinização destes amidos, destaque para JS600 (60,92 ºC). A farinha de arroz japônica obteve um menor valor de T0 variando de 54,25 – 62,78 °C (36).

Colussi et al. (32) observaram aumento da temperatura de início (T0), indicando que os cristalitos com menor temperatura de fusão são mais sensíveis ao HHP, enquanto que a temperatura de pico (Tp) e temperatura de conclusão (Tc) foram reduzidas, o mesmo foi encontrado no presente estudo. Para Hu et al. (36) o tratamento HHP retardou a retrogradação do amido de arroz, este processo está diretamente relacionado ao teor de amilose e às origens do amido. Para Guo et al. (30) foi observada uma redução nos valores da temperatura de (T0, Tp e Tc) dependente da pressão aplicada na HHP, onde isso indicou uma redução na termoestabilidade do amido.

A entalpia de gelatinização ΔH variou de 14,49 a 9,70 J g-1, as maiores diferenças foram observadas para JS400 e JS600. A diminuição de ΔH indica que uma menor energia foi necessária para romper os grânulos, podendo ser atribuída à gelatinização parcial da amilose e amilopectina, onde gera uma ruptura das duplas hélices nas lamelas cristalinas/amorfas (37). Guo et al. (30) observaram a redução do ΔH por HHP em decorrência da presença de mais ligações de hidrogênio intermoleculares.  Segundo Karunaratne & Fan, (38), os polifenóis presentes no amido de arroz interagiram com as cadeias de amido durante a gelatinização, tornando as cadeias menos suscetíveis a interagir consigo mesmas para reordenação, o que contribuiu para a redução do ΔH.

CONCLUSÕES

            As condições de tratamento com HHP influenciaram no aumento dos valores de absorção de água, óleo e leite do JRS, destaque para JS600. A análise do SEM mostrou que os grânulos de NJS apresentaram morfologia poligonal; no entanto, com o aumento da pressão, os grânulos apresentaram rachaduras na superfície e aumento no tamanho das partículas. O amido modificado apresentou menores temperaturas de gelatinização, mostrando que menos energia é necessária para gelatinizar o amido, em decorrência da quebra das cadeias de amilose e amilopectina. Portanto, os resultados do presente estudo mostraram que a aplicação de HHP a 600 MPa/min é um método não térmico eficiente para modificação JRS, de baixo custo e que segue os padrões da química verde, que visa a redução do uso de reagente tóxicos ao meio ambiente.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo apoio a este estudo e pela bolsa de pesquisa.

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