Avaliação da maceração dinâmica do milho após um curto período de hidratação e subseqüente quebra do pericarpo do grão 1

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1 Avaliação da maceração dinâmica do milho após um curto período de hidratação e subseqüente quebra do pericarpo do grão 1 José Francisco LOPES FILHO 2 RESUMO A maceração dinâmica do milho submetido previamente à ruptura do seu pericarpo foi comparada com o processo convencional de maceração da moagem úmida para produção de amido e subprodutos. Os rendimentos das frações do grão (germe, fibra, amido e glúten) foram obtidos após o procedimento de moagem em laboratório utilizando as duas técnicas de maceração, com e sem a presença do ácido láctico, numa solução de dióxido de enxofre (SO 2 ) e maceração em água sem esses componentes. A maceração em água pura resultou no menor rendimento de amido, como era esperado, e alta produção de fibra confirmando a necessidade do uso do SO 2 e do ácido lático na solução de maceração. A técnica de maceração dinâmica mostrou-se vantajosa sobre a técnica convencional produzindo maior quantidade de amido com redução do tempo de horas para até 5 horas. Estes resultados indicaram a viabilidade do novo processo e confirmam que o longo tempo necessário no processo convencional é devido principalmente às limitações difusionais do SO 2 para o interior dos grãos. Palavras-chave: moagem úmida, milho, maceração dinâmica. SUMMARY Evaluation of dynamic steeping of corn after a short hydration period and subsequent grain pericarp cracking.

2 The dynamic steeping of craked corn grains was compared against the conventional steeping process of the wet milling for starch and subproducts production. Corn fractions yields (germ, fiber, starch and gluten) were obtained after wet milling in the laboratotry using both steeping thechniques, with and without lactic acid, in the sulfur dioxide (SO 2 ) solution and steeping in water without these components. The steeping in water resulted in lower starch yields than that obtained by the others two, which was expected, and a higher fiber production. This show that SO 2 and lactic acid are necessary to the process. The dynamic steeping technique produced more starch than the conventional process in a period reduced from hours up to 5 hours. These results indicate that the new process is suitable and confirms that the long time needed for the traditional method is mainly due to the SO 2 diffusional limitations. Keywords: wet milling, corn, dynamic steeping. 1 INTRODUÇÃO O processo de refinamento para a obtenção dos inúmeros produtos derivados do milho inicia-se pela moagem úmida, que separa o grão nos seus componentes básicos: germe, fibra, amido e proteína (glúten). O principal objetivo da moagem úmida é a máxima recuperação possível do amido, com alta qualidade para uso industrial geral (confecção de tecidos, processamento de couro, produção de papel e adesivos entre outros) e na indústria de alimentos normalmente usado como amido modificado para melhorar propriedades dos vários produtos. O primeiro e mais importante estágio da moagem úmida é a maceração dos grãos em solução de dióxido de enxofre sob condições controladas. As mudanças físicas, químicas e bioquímicas induzidas durante este período são responsáveis pela qualidade e rendimento dos produtos obtidos pós-moagem. Na indústria, os grãos são macerados num fluxo contracorrente, com solução de 0,1 0,2% de SO 2 a C, por 24 a 38 horas. As condições de processo permitem o desenvolvimento de Lactobacillus sp. que, através da utilização dos açúcares solúveis na água de maceração, produzem ácido láctico, reduzindo o ph do meio e promovendo condições favoráveis para a separação dos componentes do grão. Outros fenômenos que ocorrem são o amolecimento das sementes, a liberação dos grânulos de amido das matrizes de proteínas através

3 da quebra das pontes de enxofre e inibição do crescimento de microorganismos de deterioração [2, 3, 11]. Esta operação requer grandes investimentos, altos custos de manutenção, grandes espaços físicos de instalação, longos períodos, assim como um alto consumo de energia [2, 3] que limitam a taxa de produção de amido. Na tentativa de minimizar custos, reduzir o tempo necessário para a maceração e, portanto, otimizar o processo, estudos têm sido realizados por vários pesquisadores, podendo-se destacar os trabalhos de HASSANEN e ABDEL- WAHED [7], ROUSHDI et al. [11], ECKHOFF e TSO [2], GILLENWATER et al. [6], HUSTER et al. [8] e LOPES-FILHO [9], entre outros. Muitas das novas tecnologias propostas encontram resistências por parte das indústrias moageiras para modificar os métodos tradicionais, em função, principalmente, da necessidade de grandes investimentos. Uma das mais recentes propostas [9] refere-se à maceração dinâmica e moagem intermitente dos grãos de forma que, ao contrário do processo convencional, os grãos são macerados sob agitação e moídos a intervalos de tempo pré estabelecidos, obtendo-se ao final uma mistura pronta para a etapa de separação dos germes. Desta forma, é possível reduzir-se drásticamente o tempo total de maceração em até cinco vezes [10] visto que a fase de difusão do SO 2 é a principal responsável pelo longo tempo de maceração necessário, devido às suas limitações difusionais. O propósito deste trabalho foi de avaliar a maceração dinâmica, comparando os resultados obtidos para os rendimentos dos componentes dos grãos (germe, amido, fibra e glúten) com os rendimentos da maceração convencional e maceração em água destilada. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Milho recém-colhido, do tipo dentado com endosperma de dureza média, foi seco à temperatura ambiente e acondicionado em sacos plásticos sob refrigeração (5 8 C). Para cada teste experimental, amostras de 1.500g foram limpas em peneira de 4,8mm colocada num agitador ("Gamet shaker") por 30 oscilações. O restante do material estranho foi retirado manualmente. Três subamostras de 50g cada, eram utilizadas para a determinação do teor de umidade inicial pelo método padrão da estufa, AACC [1], a cada teste de moagem. Um quilograma do milho limpo era usado em cada corrida experimental que foi realizada em três repetições. 2.1 Métodos e procedimentos Um fluxograma esquemático do processo de maceração proposto por LOPES- FILHO et al. [10] é apresentado na Figura 1. Primeiramente, o milho limpo foi condicionado em solução de 0,2% SO 2 e 0,55% ácido láctico, por 2 horas, a 60 C, conforme recomendado por FERRATO et al. [5], em estudo realizado

4 sobre hidratação do grão e seus componentes. A solução era recirculada no tanque com o material a uma velocidade de 300mL/min, por meio de um sistema de bombeamento peristáltico. Este período de pré-hidratação promove condições favoráveis à quebra subseqüente do pericarpo dos grãos, causando um mínimo de danificação aos germes. Após a pré-hidratação, a solução era drenada e guardada para a posterior determinação de sólidos. Os grãos foram submetidos à quebra do pericarpo passando duas vezes entre dois rolos cilíndricos paralelos, com rotação de 150rpm. A abertura da primeira passagem foi fixada em 3,99mm e, a da segunda, em 3,06mm, de forma a garantir que a grande maioria dos grãos tivessem seus pericarpos abertos sem contudo causar maiores danificações ao germe. Uma nova solução era preparada para o passo seguinte, em que as sementes "quebradas" eram maceradas de forma dinâmica, seguindo os procedimentos de LOPES-FILHO et al. [10]. As concentrações usadas para a maceração foram 0,2% SO 2 e 0,0% ácido láctico; 0,2% SO 2 e 0,55% ácido lático e água destilada, sem a presença do SO 2 e do ácido lático. As mesmas concentrações foram usadas para o procedimento convencional de maceração seguindo o procedimento de ECKHOFF et al. [4] e os resultados comparados. Todas as concentrações são relativas a 1.600mL da nova solução na segunda etapa no caso da maceração dinâmica realizada a 52 C, conforme descrição a seguir.

5 O milho pré-hidratado submetido à ruptura do pericarpo e a solução foram colocados num tanque plástico de tampa rosqueada por onde eram inseridos um termômetro e um agitador de baixa velocidade ( 150rpm) para promover a movimentação da massa do material. A agitação constante, além de promover a redução contínua das partículas, proporciona o maior contato destas com os componentes da solução, causando maior rapidez na liberação dos grânulos de amido das redes de proteína. A temperatura foi mantida constante a 52 C, pela imersão do tanque num banho-maria. A cada duas horas, durante esta etapa, todo o material era colocado num "blender" (liquidificador industrial) conectado a um variador de voltagem e operado por 2 min, com 60% de sua potência total, obtendo-se uma velocidade que promovia redução e separação de partículas sem causar maiores danificações ao germe. Ao final da maceração dinâmica (em média 6 horas), o germe era separado manualmente sem a

6 necessidade da primeira moagem como no processo convencional, visto que ao longo da maceração dinâmica ele se separa do restante do grão. As etapas seguintes para a separação dos outros componentes do grão (fibra, amido e glúten) seguiram os procedimentos da moagem úmida por batelada em laboratório, de acordo com o método apresentado por ECKHOFF et al. [4]. Os resultados de rendimento das frações do grão de milho (amido, germe, fibra, glúten e sólidos da água de maceração/hidratação e do filtrado do glúten) foram submetidos à análise de variância (ANOVA) e testes de comparação de médias da diferença mínima significante ao nível de 5% de probabilidade. As análises estatísticas foram realizadas utilizando-se o programa estatístico SAS [14]. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 e Figuras 2,3 e 4 apresentam os resultados dos rendimentos dos componentes do grão para cada condição experimental e cada método utilizado para a moagem úmida. Durante a maceração e separação dos componentes ocorre a liberação de sólidos solúveis na água de processo, que devem ser considerados para a totalização no balanceamento de massa. Na verdade, estes sólidos são posteriormente concentrados e utilizados como meio de fermentação ou na formulação de rações. Desta forma, a fração de sólidos foi também considerada ao final da moagem.

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8 Cada gráfico das Figuras 2,3 e 4 apresenta uma comparação entre os procedimentos padrão de moagem, a moagem com maceração dinâmica e um controle, onde se utilizou somente água destilada para a maceração a 52 C, por 36 horas. Pelos gráficos das Figuras 2 e 3, verifica-se que todos os testes realizados com a presença do SO 2 e ácido lático na água de maceração resultaram em maiores rendimentos de amido e menor produção de fibra, comparados com a maceração em água pura. Esta observação era esperada, confirmando a atuação benéfica dos dois componentes, no sentido de facilitar a moagem através do amaciamento do grão, quebra da rede de proteína e maior liberação dos grânulos de amido da fração de fibra, entre outros. Comparando-se o método da maceração dinâmica dos grãos, que sofreram ruptura do pericarpo, com o método convencional de maceração estática por batelada, através do teste de comparação de médias da diferença mínima significante (P<0,05), verifica-se uma maior recuperação do amido, para os dois tratamentos (com e sem ácido láctico) e do glúten, para o tratamento com o ácido. Uma menor quantidade de fibra foi obtida com o método dinâmico. Entre os fatores maiores responsáveis por esta diferença pode-se destacar a mais rápida hidratação dos grãos quebrados, assim como mais rápida e maior penetração dos componentes da solução de maceração (SO 2 e ácido lático) no interior das sementes. Outro fenômeno que ocorre é o maior contato desses componentes com as partes do grão que, ao longo do processo dinâmico, são reduzidas e permanecem em movimento constante, permitindo maior rapidez de atuação. Via de regra, quando a maceração não é suficiente em termos de tempo e

9 quantidade de SO 2 e ácido láctico, a fração de fibra é maior, pois parte do amido e mesmo da porção protéica ficam agregados a ela. Assim, quanto maior a quebra das redes de proteína, cujo principal responsável é o SO 2, aliado à maior facilidade de lavagem da fibra, onde o ácido lático tem papel importante, menor será a "contaminação" da fração de fibra e, conseqüentemente, menor seu rendimento final, o que é desejado na produção do amido de milho. Desta forma, fica evidente a vantagem do uso da maceração dinâmica sobre a maceração convencional. Outra observação constatada nos resultados é que o teor de sólidos do filtrado, usando-se a maceração dinâmica é, em média, duas vezes maior que o obtido pela maceração tradicional. Isto se explica pelo fato de que a solução de maceração no processo dinâmico não é descartada, seguindo com a massa do material até a finalização da moagem. Desta forma, maior quantidade de sólidos solúveis, principalmente provenientes do germe, permanecem até a etapa final de filtragem do glúten. Os testes de comparação de médias mostraram a influência significativa (P<0,05) do ácido lático nos rendimentos de amido para os dois métodos de moagem. O rendimento foi maior quando o ácido esteve presente (Tabela 1 e Figura 4). Apesar de haver informações conflitantes na literatura relatadas por ROUSHDI et al. [12, 13] sobre a atuação do ácido lático no processo, trabalhos mais recentes [10] indicam que o uso do ácido durante a maceração dinâmica aumentou o rendimento do amido e diminuiu a fração de fibra numa quantidade diretamente proporcional de 4 pontos percentuais. Os resultados deste trabalho indicam vantagens consideráveis da maceração dinâmica sobre o processo convencional. Destacam-se o maior rendimento de amido (> dois pontos percentuais), confirmado pelo teste de médias, e um menor tempo de processo (em média 6 horas) para o processo da maceração dinâmica. Os resultados deste estudo são similares aos resultados reportados em estudo anterior [10] que também concluiu a necessidade do uso do ácido láctico e o maior rendimento de amido para o método da maceração dinâmica. Os rendimentos dos componentes do grão, obtidos para o controle, diferiram estatisticamente dos outros métodos com exceção da fração de germe e sólidos do filtrado. O alto teor de fibra e baixo rendimento de amido observados para o controle era esperado pois não houve atuação do SO 2, responsável pela quebra das redes de proteína e conseqüente liberação dos grânulos de amido, produzindo também, fibra mais pura, ou seja, com menor contaminação de amido. Novos trabalhos estão sendo realizados no sentido de verificar com maior profundidade as interferências das várias variáveis do processo na moagem úmida do milho. O presente trabalho confirma as perspectivas do processo de maceração dinâmica abrindo possibilidades de realização de estudos para o

10 aprimoramento da nova técnica de moagem e para verificar sua viabilidade em escalas maiores (piloto) e, a longo prazo, como alternativa para as indústrias de moagem. 4 CONCLUSÕES Os resultados obtidos nas condições deste estudo permitiram concluir que: Os maiores rendimentos de amido foram obtidos para os testes de moagem realizados com a presença do SO 2 e ácido lático na solução de maceração. A recuperação da fração de amido foi maior e a da fração de fibra menor para o processo de maceração dinâmica dos grãos de milho com o pericarpo rompido. O teor de sólidos do filtrado obtido durante a separação do glúten no processo de maceração dinâmica foi, em média, duas vezes maior que o teor de sólidos do filtrado no processo de maceração convencional. O processo de maceração dinâmica apresentou maior rendimento de amido com a possibilidade de uma substancial redução do tempo normal de maceração. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] AMERICAN ASSOCIATION OF CEREAL CHEMISTRY. Approved methods of the AACC. Method 32-10, approved October 1981, revised October The Association: St. Paul, MN [2] ECKHOFF, S. R. and TSO, C. C. Wet milling of corn using gaseous SO2 addition before steeping and the effect of lactic acid on steeping. Cereal Chemistry v. 68 n.3, p , [3] ECKHOFF, S. R. Improving corn milling technology. Wet milling notes No.5. Food and Process Engineering Group. Agricultural Engineering Department, University of Illinois, Urbana, IL [4] ECKHOFF, S. R., RAUSCH, K. D., FOX, E. J., TSO, C. C., WU, X., PAN, Z. And BURIAK, P. A laboratory wet milling procedure to increase reproducibility and accuracy of product yields. Cereal Chemistry v. 70, n. 5, p , [5] FERRATO, F. H. S., JUNQUEIRA, T. C. e LOPES-FILHO, J. F. Hidratação do germe, endosperma e grão do milho em função da temperatura e concentrações de ácido láctico e SO2 na água de maceração. Anais do XXVI Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola. Campina Grande, PB [6] GILLENWATER, D. L., PFUNDSTEIN, G. B. and HARVEY, A. R. Starch manufacture from corn. Processing Corporation. Muscatine, Iowa

11 [7] HASSANEAN, A. And ABDEL-WAHED, A. A new method to short the steeping period of corn grains. Starch/Stärke v. 38, p , [8] HUSTER, H., FRIEDRICH, M., HOEPKE, C. H. and SALZUFLEN, B. Method of producing starch from grain or ground grain products by the wet process. U.S. Patent No. 4, Westfalia Separator AG. Oeld, Fed. Rep. of Germany [9] LOPES-FILHO, J. F. The intermittent milling and dynamic steeping process for corn starch recovery. Urbana/E.U.A., p. (Tese de Doutorado) University of Illinois). [10] LOPES FILHO, J. F.; BURIAK, P.; TUMBLESON, M. E. & ECKHOFF, S. R. The intermittent milling and dynamic steeping (IMDS) process for corn starch recovery. Cereal Chemistry v. 74, n. 5, p , [11] ROUSHDI, M., GHALI, Y. and HASSANEAN, A. Factors improving the steeping process of corn grains. Part II. Effect of enzyme addition. Starch/Stärke v. 33, p. 7-9, [12] ROUSHDI, M., GHALI, Y. and HASSANEAN, A. Factors improving steeping process of corn grains. Part III. Conditions favouring lactic acid formation during corn steeping and its effect. Starch/Stärke v. 33, p , [13] ROUSHDI, M. FAHMY, A. A. and MOSTAFA, M. Role of lactic acid in corn steeping and its relation with starch isolation. Starch/Stärke v. 33, p , [14] SAS Institute. SAS User s Guide: statistics. Cary, USA: SAS Inst., Recebido para publicação em 06/04//98. Aceito para publicação em 29/07/99. 2 Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos Campus de São José do Rio Preto UNESP.