AMIDO RESISTENTE EM FÉCULA DE MANDIOCA EXTRUSADA SOB DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS

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1 Alim. Nutr., Araraquara v.19, n.2, p , abr./jun AMIDO RESISTENTE EM FÉCULA DE MANDIOCA EXTRUSADA SOB DIFERENTES CONDIÇÕES OPERACIONAIS ISSN Taila Santos de FREITAS* Magali LEONEL** RESUMO: Este trabalho teve por objetivo avaliar o efeito do teor de umidade da fécula, rotação da rosca e temperatura de extrusão sobre as características microscópicas e o teor de amido resistente em féculas de mandioca. As análises microscópicas mostraram grânulos de amido intactos antes de extrusar e após a extrusão não foi observada a presença deste tipo de grânulos em todos os tratamentos. Ocorreu redução no teor de amido resistente nas féculas após a extrusão, sendo que a temperatura de extrusão teve efeito significativo sobre este parâmetro, seguida pela interação da umidade da fécula com a rotação da rosca. PALAVRAS-CHAVE: Manihot esculenta; amido; digestibilidade; microscopia. INTRODUÇÃO O amido é o componente mais abundante da maioria dos alimentos sendo responsável pelas propriedades tecnológicas que caracterizam grande parte dos produtos processados. 12 De acordo com a velocidade com a qual o alimento é digerido in vitro, o amido divide-se em: rapidamente digerível, lentamente digerível e amido resistente (AR) que resiste à ação das enzimas digestivas. 9 A definição do amido como um carboidrato nutricionalmente disponível é baseada na suposição de que suas macromoléculas formadoras, amilose e amilopectina, sejam facilmente hidrolisadas no trato intestinal, produzindo carboidratos de baixo peso molecular. Entretanto, a origem e as características do amido, bem como, as condições de processamento a que são submetidos os produtos amiláceos, são de grande importância na alteração das taxas de hidrólise in vivo e in vitro. 7 Para preencher as várias demandas para funcionalidades em produtos amiláceos diferentes, o amido processado industrialmente pode ser modificado enzimaticamente, fisicamente ou quimicamente. 24 Na área de alimentos, o processo de extrusão, considerado também como um processo HTST (High-Temperature, Short-Time), possibilita, com pouca ou nenhuma modificação dos equipamentos básicos e um controle apropriado do processo, a produção de uma grande variedade de produtos. O princípio fundamental do processo de extrusão é converter um material sólido em um fluido por aplicação de calor e trabalho mecânico e extrusá-lo através de uma matriz, a termoplastificação do mesmo. 2 A extrusão provoca alterações em várias propriedades funcionais do amido, as quais dependem principalmente da relação amilose e amilopectina e dos parâmetros operacionais do processo como a umidade da matéria-prima, a temperatura do processo e a velocidade e geometria do parafuso. 10 Vários pesquisadores têm estudado o efeito do processo de extrusão sobre o amido. A maioria dos tratamentos térmicos em produtos amiláceos causa modificações físico-químicas nos grânulos de amido e seus constituintes, o que conduz a mudanças na textura e nas propriedades reológicas, além de deixar os produtos mais digeríveis e disponíveis. 3 No extrusor, o amido granular é progressivamente comprimido e transformado em um composto homogêneo de material denso e compacto com conseqüente desaparecimento de sua estrutura cristalina e granular. Todavia é preciso mencionar que a transformação dos grânulos de amido é função da intensidade do tratamento. De fato, grânulos intactos são ainda presentes nos extrusados obtidos em condições de alta umidade, baixo cisalhamento e baixa temperatura. 2,23 O desaparecimento do estado granular é completo acima de 500 a 600 Kj/Kg. 15 Para a despolarização das moléculas de amido, a energia mecânica fornecida a uma longa cadeia é primeiramente armazenada dando lugar às transições de conformações, depois às deformações moleculares. 22 Devido à mandioca apresentar uma série de vantagens em relação a outros cultivos e ser um alimento de extrema importância para a população, principalmente de países tropicais, onde sua produção é mais elevada, sua industrialização vem ganhando destaque na economia, sendo utilizada como matéria-prima para diversos produtos, como a fécula e seus subseqüentes. * Curso de Graduação em Nutrição Instituto de Biociências UNESP Botucatu SP Brasil. ** Centro de Raízes e Amidos Tropicais UNESP Botucatu SP Brasil. 183

2 Considerando o exposto, este trabalho teve por objetivo avaliar o efeito das condições operacionais do processo de extrusão sobre características microscópicas e teor de amido resistente em fécula de mandioca. MATERIAL E MÉTODOS A fécula de mandioca utilizada foi o produto comercial doado pela empresa Halotek-Fadel S/A, de Palmital- SP. Análises Microscópicas A fécula de mandioca natural (antes da extrusão) foi observada em microscópio eletrônico de varredura (MEV 515 Philips), sob tensão de 15 kv. As amostras foram suspensas em álcool etílico 100 % (1/10 p/v) e adicionadas duas gotas nos stubs. Após este procedimento as amostras foram cobertas com 10 mm de ouro metalizador (MED-010 da Balzers) e analisadas quanto à integridade dos grânulos de amido. Após a extrusão as amostras de fécula foram coletadas com um fio de platina e misturadas sobre lâminas de vidro em duas gotas de solução água e glicerina (50 %), sendo cobertas por lamínula. Após o preparo das lâminas estas foram observadas em microscópio óptico (AXIOSKOP II - ZEISS) e as imagens selecionadas foram digitalizadas pelo sistema de análise de imagens KS300- ZEISS. 25 Teor de Amido Resistente O método utilizado para determinação de amido resistente foi o proposto por Goñi et al., 13 consistindo em um processo enzimático, calculando-se o conteúdo final de amido resistente pela concentração de glicose liberada e analisada. Análise das Amostras Uma amostra de 100 mg de material amiláceo, peneirado em peneira ABNT 100, foi colocada em um erlenmeyer de 50 ml. Em seguida foram adicionados 10 ml de KCl/HCl, ph 1,5 (0,2M), e 0,1 ml de solução de pepsina (0,1g de pepsina Sigma P-7012 em 10 ml de solução tampão KCl-HCl, ph 1,5). A amostra foi mantida em banho de água a 40 C por 60 minutos, sob agitação constante. Após esse período, a amostra foi resfriada em temperatura ambiente. Já resfriada, foram adicionados na amostra 9 ml de tampão Trismaleate (Acros ), ph 6,9 (0,1M), e 1 ml de solução α-amilase (4 g de α-amilase Sigma A-3176 em 100 ml de tampão trismaleate). Em seguida a amostra foi incubada em banho de água a 37 C por 16 horas, com agitação constante. A amostra, após esses procedimentos, foi filtrada em filtro de papel 11,0/12,5 e o líquido foi descartado. O resíduo foi lavado com 10 ml de água destilada, sendo o líquido descartado novamente. Em um béquer, com a ajuda de uma espátula, foi colocado o resíduo que ficou no filtro juntamente com 3 ml de água destilada. A amostra do béquer foi transferida novamente para um erlenmeyer de 50 ml e então foram adicionados 3 ml de KOH (2M). Agitou-se a amostra, em temperatura ambiente, por 30 minutos. Foram adicionados 5,5 ml de HCl (1M), 3 ml de tampão sódio acetato, ph 4,75, e 80 μl de amiloglucosidase (0,144g de amiloglucosidase Sigma A em 10 ml de água). Então a amostra foi levada ao banho de água a 60 C por 45 minutos, sob agitação constante. A amostra foi filtrada novamente em filtro de papel 11,0/12,5 e o resíduo lavado com 10mL de água destilada. O resíduo foi descartado. A concentração de glicose do líquido restante foi determinada pelo método de glicose oxidase (LABORLAB), em espectrofotômetro. Para isso, foi colocado em cada tubo de ensaio 20 μl de amostra, 2 ml do reativo de trabalho de glicose-oxidase. Em seguida o tubo foi tampado e levado ao banho em água a 37 C por 10 minutos. Após esse período, o tubo foi resfriado em água corrente. A leitura foi feita em espectrofotômetro com comprimento de onda de 505nm. O equipamento foi zerado com o branco (20μl de água destilada e 2 ml do reativo de trabalho). Para avaliar as leituras de absorbâncias foi feita uma curva padrão de glicose com o reativo de trabalho utilizado nas análises. Processo de Extrusão A extrusão foi efetuada em uma linha completa IMBRA RX, da INBRAMAQ, com motor de 10HP acoplado a redutor de velocidade, sistema de extrusão por fricção mecânica, rosca simples, sistema de refrigeração hidráulica para controle de temperatura na camisa de extrusão, velocidade variável e capacidade de produção de 45Kg/h. Os parâmetros do processo foram os seguintes: Parâmetros fi xos: temperatura de extrusão na 1ª (20 C) e na 2ª zona (40 C); largura da rosca (14 mm); profundidade da rosca (4,5 mm); abertura da matriz (5 mm); taxa de compressão da rosca (1:3); taxa de alimentação (200 g/min) e velocidade de corte (68 rpm). Parâmetros variáveis: umidade da fécula (14, 16 e 18 %); temperatura na 3ª zona de extrusão (50, 65 e 80 C) e rotação da rosca (190, 218 e 245 rpm). O processo de extrusão seguiu o delineamento central composto rotacional para três fatores, segundo Cochran & Cox, 5 com um total de 15 tratamentos, a saber: - 8 tratamentos correspondentes ao fatorial 2 3, onde os três fatores são: 184

3 Tabela 1 Parâmetros variáveis do processo de extrusão. Níveis Fatores ou variáveis independentes Axiais Codificados R T U - α -1, , α +1, ,5 R: Rotação da rosca (rpm); T: Temperatura de extrusão (ºC); U: Umidade das amostras (%). R (rpm) = rotação da rosca, T = temperatura ( o C), U = umidade (%), cada qual em dois níveis, codificados como 1 e +1; - 6 tratamentos com níveis mínimo e máximo de cada fator, codificados como α e + α, respectivamente, sendo α = 2 3/4 = 1,682 ; - Um tratamento central repetido 6 vezes, onde os fatores estão todos em um nível médio, codificado como zero (Tabela 1). As féculas extrusadas foram moídas em moinho de facas e acondicionadas em frascos de vidro tampados. As amostras moídas dos diferentes ensaios de extrusão foram avaliadas quanto às características microscópicas e teor de amido resistente, conforme as metodologias descritas anteriormente. Para a análise estatística dos resultados experimentais foi utilizado o modelo: 3 y k = b 0 + i= 1 3 b i x ik + i= 1 3 b ij x ik x jk + e k, j= i onde: y k = valor observado da variável dependente no nível K, K = 1,..., 20; x ik = i-ésima variável independente, no nível K, i = 1, 2, 3; b 0 = parâmetro do modelo, independente de x; b i = parâmetros correspondentes aos efeitos lineares de x i ; b ij = parâmetros correspondentes aos efeitos de 2ª ordem de x i x j, i = 1,2,3, j = 1,..., 3; e k = erro experimental associado à k-ésima parcela. O processamento dos dados e a análise estatística foram realizados com o auxílio do sistema SAS. A significância do modelo foi testada pela análise de variância (ANOVA), sendo adotado o nível de significância alfa de 5%. O ajuste do modelo foi feito pela opção step-wise do programa SAS, sendo que o modelo obtido foi validado pelo teste F utilizando-se como denominador o quadrado médio do erro puro. FIGURA 1 Microfotografia em Microscopia Eletrônica de Varredura dos grânulos de fécula de mandioca antes da extrusão. 185

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Análises Microscópicas As plantas de mandioca apresentam crescimento indeterminado, tendo sempre grânulos de amido de tamanho pequeno, médio e grande. 1 A observação dos grânulos na fécula de mandioca mostrou formas circulares e alguns grânulos côncavo-convexos característicos, não sendo observada a presença de grânulos gelatinizados (Figura 1). Os grânulos de fécula de mandioca apresentam diâmetros parecidos com os grânulos de amido de milho, porém são morfologicamente diferentes. 11 Segundo Defloor et al., 8 os diâmetros médios dos grânulos de fécula de mandioca variam de 3 a 32μm. Leonel 20 analisando a forma de tamanho de grânulos de amido de diferentes fontes botânicas, observaram as forma circulares e côncavo-convexas para mandioca, com diferentes tamanhos, justificados pelo processo de tuberização da raiz a partir de um câmbio central, com predomínio de grânulos com diâmetro maior entre 15 e 20 μm Durante a extrusão-cocção, o amido que inicialmente se encontra na forma granular quando na presença de umidade, é progressivamente comprimido e transformado em material denso, sólido, compacto e a estrutura granular cristalina desaparece. 6 A análise microscópica das amostras de fécula de mandioca extrusadas, nos diferentes ensaios, mostrou que em todos eles não foi possível observar a presença de grânulos intactos. Todas as amostras após a diluição para preparo das lâminas formaram gel e a observação destes em microscopia óptica permitiu a visualização de porções de coloração castanha, o que indica degradação do amido em açúcares e o escurecimento não enzimático dos produtos. A Figura 2 mostra microfotografias da fécula de mandioca após a extrusão. Cheyne et al., 4 analisando o efeito da extrusão em amido de batata, observaram através da análise dos extrusados em microscopia eletrônica de varredura, uma estrutura complexa composta de paredes celulares parcialmente rompidas e fragmentos de paredes celulares unidos a uma matriz de grânulos de amido gelatinizados. Amido Resistente A análise do teor de amido resistente (AR) na fécula de mandioca antes do processo de extrusão mostrou a presença de 4,15% de AR, ou seja, 95,85% do total de amido, presente na fécula de mandioca comercial, não resistiram á digestão pela metodologia empregada. A Tabela 2 apresenta o teor de amido resistente nas féculas de mandioca extrusadas, nas diferentes condições experimentais, onde se observa uma variação de 0,9 a 2,14% desta fração não digerível. Considerando o valor obtido na fécula de mandioca natural (4,15%), o processo de extrusão promoveu redução significativa do conteúdo de amido resistente. O cozimento por extrusão, em geral, aumenta significativamente a digestibilidade de amido extrusados quando comparados com os não extrusados, devido à ruptura da estrutura física do grânulo de amido e a gelatinização, caracterizados pelo aumento da viscosidade a frio. 16 Os grânulos de amido são rompidos pela energia térmica e mecânica no processo de extrusão, aumentando a acessibilidade das amilases. Após o resfriamento, as cadeias hidratadas de amilose e amilopectina sofrem um processo de re-associação molecular e, conseqüentemente, podem adquirir resistência à digestão enzimática. 18 A partir dos resultados foi obtido o modelo matemático que prediz o comportamento das variáveis estudadas quanto à presença de amido resistente nos produtos (Tabela 3). A análise dos coeficientes de regressão mostrou ter ocorrido influência significativa da temperatura de extrusão e da interação umidade e rotação da rosca, após o ajuste do modelo (Tabela 4). Analisando os valores obtidos para o F calculado (6,69) e do F tabelado (3,24), verifica-se que o modelo é válido, pois o valor do primeiro é 2,06 vezes maior que o do segundo. O coeficiente de determinação foi de 55,8%, valor este aceitável para um processo complexo como o de extrusão. FIGURA 2 Microfotografias em microscopia ótica da fécula de mandioca extrusada (aumento de 40x). 186

5 Tabela 2 Teor de amido resistente na fécula de mandioca extrusada nas diferentes condições de processamento. Tratamento Variáveis codificadas Variáveis independentes Variável dependente X 1 X 2 X 3 T U R AR T ,24 T ,94 T ,14 T ,33 T ,58 T ,9 T ,02 T ,04 T ,35 T ,35 T ,36 T ,34 T ,38 T ,38 T10-1, ,22 T11 +1, ,75 T12 0-1, , ,25 T , , ,27 T , ,2 T , ,96 X 1 =T= temperatura de extrusão (ºC); X 2 = U= umidade (%); X 3 =R= rotação da rosca (rpm) Tabela 3 Coeficientes de regressão estimados e ANOVA para o teor de amido resistente das féculas de mandioca extrusadas. Coeficientes de regressão Erro padrão GL p valor Média 1,36 0,106 T -0,187 0, ,0242 U 0,066 0, ,3713 R 0,012 0, ,8651 T*T -0,1317 0, ,0745 U*U -0,0345 0, ,5501 R*R 0,0786 0, ,2799 T*U 0,0237 0, ,8023 T*R 0,0562 0, ,5560 U*R -0,2137 0, ,0432 R 2 0,6597 ANOVA GL SQ QM F valor Pr>F Regressão 9 1,32 0,15 2,15 0,1238 Resíduos 10 0,68 0,068 Total 19 2,005 T= temperatura, U= umidade, R= rotação da rosca 187

6 Tabela 4 Coeficientes de regressão estimados e ANOVA do modelo ajustado para o teor de amido resistente das féculas de mandioca extrusadas. Coeficientes de regressão Erro padrão GL P valor Média 1,39 0,067 T -0,1875 0, ,0096 T*T -0,1357 0, ,0424 U*R -0,2137 0,08 1 0,0208 R 2 0,5566 ANOVA GL SQ QM F valor Pr>F Regressão 3 1, , ,69 0,0039 Resíduos 16 0, ,05557 Total 19 2,00 Amido resistente (%) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Temperatura (ºC) FIGURA 3 Efeito da temperatura de extrusão (ºC) sobre o teor de amido resistente na fécula de mandioca extrusada, com umidade de 16% e rotação da rosca de 218rpm. A partir do modelo obtido foi possível a construção dos gráficos que permitem visualizar as melhores condições para a variável independente amido resistente (Figuras 3 e 4). Pela Figura 3 é possível observar queda acentuada do teor de amido resistente nas féculas extrusadas a partir da temperatura de 60ºC, próxima à temperatura média de gelatinização do amido de mandioca (65ºC) 21. A temperatura de gelatinização do pico da endoterma dos amidos nativos é em geral de 65 C, mas pode variar com a planta, com a variedade e as condições de campo 11. Na Figura 4 é mostrado o efeito da interação da umidade com a rotação da rosca, mantendo-se a temperatura de extrusão no ponto central. Os maiores valores de amido resistente são observados nas condições de elevada umidade e baixa rotação, e também nos seus inversos. Kim et al., 19 analisando o efeito de parâmetros de extrusão sobre o amido resistente (AR) em farinha de trigo, observaram que o conteúdo de AR aumentou significativamente com o aumento da umidade. Sabe-se que a umidade da matéria-prima age como plastificante para a retrogradação do amido e que a retrogradação pode ser maximizada em condições de elevada umidade. Guha et al., 14 avaliando o efeito da temperatura de extrusão e velocidade de rotação da rosca sobre o teor de amido resistente em farinha de arroz extrusada, observaram, através da metodologia de Holm et al., 17 que a digestibilidade em arroz extrusados é de 73,6 87,4%, enquanto que em arroz não processado é de 12,8%, mostrando que o primeiro apresenta uma maior susceptibilidade à degradação enzimática. A digestibilidade aumentou com a temperatura entre C, contudo ocorreu um decréscimo com a temperatura a 120 C. Em relação à rotação da rosca, observou-se maior digestibilidade de amido com a rotação a 200rpm, e houve um decréscimo de digestibilidade de 2 a 6% quando a rotação passou de 200 para 400rpm. 188

7 FIGURA 4 Efeito da umidade (%) e da rotação da rosca (rpm) sobre o teor de amido resistente na fécula de mandioca extrusada, com temperatura de extrusão de 65ºC. CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Os resultados obtidos mostraram o efeito do processo de extrusão sobre as características miscroscópicas das féculas, não sendo possível observar grânulos de amido intactos após a extrusão, independente da condição experimental utilizada. Ocorreu redução do teor de amido resistente na fécula após a extrusão, sendo que a temperatura de extrusão teve efeito significativo sobre este parâmetro, seguida pela interação da umidade da fécula com a rotação da rosca. FREITAS, T.S.; LEONEL, M. Resistant starch in cassava on different extrusion operational conditions. Alim.Nutr., v.19, n.2, p , abr./jun ABSTRACT: The objective of this work was to evaluate the effect of starch moisture, screw speed and extrusion temperature on the microscopic characteristics and content of resistent starch in extrused cassava starch. The microscopic analysis showed intact granules in cassava starch before the extrusion and after the process it was not observed intact granules in all extrused products. The content of resistant starch decreased after extrusion process independent of used conditions. The extrusion temperature had a significant effect about this parameter. The interaction of the starch moisture and screw speed had an effect too. KEYWORDS: Manihot esculenta; starch; digestibility; microscopy CEREDA, M.P.; VILPOUX, O.; DEMIATE, I.M. Amidos modificados. In: CEREDA,M.; VILPOUX, O. Tecnologias, usos e potencialidades de tuberosas amiláceas latino americanas. São Paulo: Fundação Cargill, p CHANG, Y.K. Influence of extrusion conditions on cassava starch and soybean protein concentrate blends. Acta Alim., Budapest, v.30, n.2, p , CHEFTEL, J. C. Nutritional effects of extrusion cooking. Food Chem., v.20, n.3, p , CHEYNE, A. Extrusion behavior of cohesive potato starch pastes: II. Microstructure-process interactions. J. Food Eng., v.66, p.13-24, COCHRAN, W.G.; COX, G.M. Experimental designs. 2 nd ed. New York: John Wiley & Sons, p. COLONNA, P.; BULEON, A.; MERCIER, C. P. Modified starch. In: GALLIARD, T. Starch: properties and potencial. Chischester: John Wiley & Sons, cap. 4, p COLONNA, P.; LELOUP, V.; BULÉON, A. Limiting factors of starchhidrolysis. Eur. J. Clin. Nutr., London, v.46, n.2, p.17-32, DEFLOOR, I.; DEHING, I.; DELCOUR, J.A. Physicochemical properties of cassava starch. Starch/Stärke, v.50, n.2-3, p , ENGLYST, H.N.; KINGMAN, S.M.; Classification and measurement of nutritionally important starch fractions. Eur. J. Clin. Nutr., v.46, p.s33-s50,

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