Características estruturais e propriedades de gelatinização de polvilho azedo Marina Costa Garcia 1*, Célia Maria Landi Franco 2, Manoel Soares Soares Júnior 3, Márcio Caliari 4 1,3,4 Universidade Federal de Goiás UFG, Escola de Agronomia, Campus Samambaia, Caixa Postal 131 - CEP 74001-970 - Goiânia GO. 2 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho Campus São José do Rio Preto UNESP, Departamento de Engenharia e Tecnologia de Alimentos, CEP: 15014-000, São José do Rio Preto - SP. *marinacosta16@gmail.com Telefone: 62-3521-1611 Resumo O objetivo deste trabalho foi avaliar as características estruturais e as propriedades de gelatinização de polvilhos comerciais com diferentes valores de acidez titulável. A acidez titulável variou de 2,16 a 6,74%, o que classificou todos como polvilho azedo. Polvilhos com acidez variando de 2,64 a 4,96% apresentaram erosões nas superfícies dos grânulos, aumento da cristalinidade relativa, aumento da temperatura de gelatinização e aumento da entalpia. Polvilhos com acidez acima de 5,00% apresentaram erosões mais profundas nos grânulos, redução da cristalinidade relativa e da entalpia de gelatinização, indicando inicio da degradação das áreas cristalinas dos grânulos. Palavras-chave: fécula de mandioca, fermentação, amido modificado, propriedades térmicas. Abstract The aim of this study was to evaluate the structural characteristics and gelatinization properties of commercial cassava starches with different titratable acidity values. The titratable acidity varied from 2,16 to 6,74%, this classified all the cassava starches as being sour. Cassava starch with acidity from 2,64 to 4,96% displayed erosions on the granule surface, increased relative crystallinity gelatinization temperature and enthalpy. Cassava starch with acidity above 5,00% displayed very deep erosions on the granules, decreased relative crystallinity and gelatinization enthalpy indicating degradation of granule crystalline regions. Key-words: cassava starch, fermentation, modified starch, thermal properties. Introdução Na agroindustrialização da mandioca, um produto de importância econômica e tradição é a fécula, simplesmente amido ou ainda polvilho, produto amiláceo extraído da mandioca (Manihot esculenta) [1]. O polvilho é classificado em doce ou azedo de acordo com o teor de acidez com máximos de 1,5 e 5,0mL de NaOH 100g -1, respectivamente [2]. O polvilho azedo é considerado um amido modificado por oxidação devido à ação dos ácidos orgânicos produzidos a partir da fermentação natural do amido de mandioca, seguida de secagem ao sol. Uma das consequências da fermentação é a formação de ácidos orgânicos, principalmente, lático, acético, butírico, propiônico, fórmico e succínico [3]. A atividade microbiana durante a fermentação altera a estrutura do grânulo de amido e promove modificações nas suas propriedades funcionais que são essenciais para que a massa do biscoito se expanda durante a cocção [3, 4]. O objetivo deste trabalho foi avaliar as características estruturais e as propriedades de gelatinização de polvilhos azedos comerciais com diferentes valores de acidez. Materiais e métodos Polvilhos comerciais de mandioca, gentilmente fornecidos pela Cooperativa Mista dos Pequenos Produtores de Polvilho e Derivados da Mandioca da Região do Cará (Cooperabs) de Bela Vista de Goiás, Goiás, Brasil, foram avaliados neste trabalho. Os associados da Cooperabs são 33 agricultores familiares produtores de polvilho azedo.
Acidez titulável A acidez titulável (mm NaOH 100g -1 de matéria ).foi determinada em trinta e três amostras, utilizando NaOH 0,1N e solução alcoólica de fenolftaleína para determinação da mudança de cor rósea [5]. Devido ao elevado número de produtores de polvilho associados à Cooperabs, optou-se por utilizar a ferramenta estatística da Regra de Distribuição de Frequência de Sturges [6] para diminuir o número das demais análises e ter uma representação de todas as faixas de acidez das amostras. O número de classes (K) foi determinado a partir da quantidade de produtores (Eq. 1), e a amplitude da classe a partir dos dados obtidos pela acidez titulável (Eq. 2), nas quais K é o número de classes, N é o número de observações para cada fator estatístico, h é a amplitude da classe e L é a amplitude amostral dos dados observados para cada fator estatístico. (Eq. 1) (Eq. 2) Microscopia eletrônica de varredura As micrografias foram obtidas em Microscópio Eletrônico de Varredura (JEOL/EO, JSM-6610, Peabody, MA, USA). As amostras foram metalizadas com ouro em equipamento (DentonVacuum, Desk V, Moorestown, NJ, USA). Difração de Raios-X e cristalinidade relativa Os padrões de difração de raios-x foram obtidos em difractômetro de bancada (Rigaku MiniFlex 300, Tokyo, Japan). A cristalinidade relativa foi quantitativamente calculada baseando-se na relação entre a área dos picos e área total dos difractogramas, conforme método descrito por Nara e Komiya [7], utilizando o software Origin versão 7.5 (Microcal Inc., EUA). Propriedades térmicas As propriedades térmicas foram determinadas utilizando-se Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC- Pyris1, Perkin Elmer, Norwalk, CT, EUA). Amostras de 2mg de amido foram pesadas em pequenos recipientes de alumínio e 6μL de água deionizada foi adicionada. Os recipientes foram selados e mantidos por 12h a temperatura ambiente. Em seguida, as amostras foram aquecidas de 25 a 100 C a uma taxa de 10ºC min -1. Análise estatística Os dados foram avaliados por análise de variância (ANOVA) e comparação de médias pelo teste Tukey (p 0,05) com auxílio do programa Statística 7.0. 3. Resultados e discussão
Acidez titulável Os valores obtidos para a acidez titulável apontaram uma grande variação (de 2,16 a 6,74%) entre os polvilhos avaliados (Tab. 1). Tabela 1 Acidez titulável 1 das amostras de polvilho. Amostra Acidez Titulável Amostra Acidez Titulável Amostra Acidez Titulável 1 4,66 ± 0,16 hi 12 3,80 ± 0,12 lm 23 5,32 ± 0,11 de 2 2,64 ± 0,09 pq 13 3,94 ± 0,13 lm 24 5,00 ± 0,16 efgh 3 3,20 ± 0,16 no 14 4,30 ± 0,04 jk 25 3,98 ± 0,11 jkl 4 2,66 ± 0,11 pq 15 4,84 ± 0,17 gh 26 3,74 ± 0,11 m 5 5,48 ± 0,11 cd 16 3,31 ± 0,13 n 27 2,93 ± 0,11 op 6 4,03 ± 0,11 klm 17 2,55 ± 0,06 q 28 3,86 ± 0,17 lm 7 5,18 ± 0,14 defg 18 6,74 ± 0,16 a 29 5,32 ± 0,12 cd 8 3,88 ± 0,00 lm 19 2,16 ± 0,00 r 30 3,72 ± 0,13 m 9 2,64 ± 0,09 pq 20 5,25 ± 0,11 def 31 4,46 ± 0,18 ij 10 3,26 ± 0,12 no 21 6,26 ± 0,24 b 32 5,68 ± 0,26 c 11 3,99 ± 0,04 lm 22 4,73 ± 0,14 hi 33 4,92 ± 0,16 fgh 1 Letras diferentes na mesma coluna diferem significativamente pelo Teste Tukey (p 0,05). A legislação brasileira classifica o polvilho em doce e azedo, tendo como base apenas a acidez titulável, que para alimentos fermentados deve ser no máximo de 5,0mL NaOH 0,1N 100g -1 [2]. Assim, neste estudo todos os polvilhos foram classificados como azedo. Algumas amostras de polvilho azedo apresentaram acidez acima do permitido pela legislação, o que pode estar relacionado com a variação da produção de ácidos durante a fermentação dos mesmos. Silva et al. [8] relatam que valores elevados de acidez podem estar relacionados com a maior presença de grupos carboxil, os quais provavelmente são decorrentes dos ácidos residuais devido à degradação das macromoléculas constituintes do amido. A partir da Regra de Distribuição de Frequência de Sturges foi determinado que a amplitude da classe da acidez titulável foi de 0,70, e foram definidas 6 classes. As amostras foram selecionadas aleatoriamente. A primeira classe o valor da acidez variou de 2,16 a 2,86% e a amostra de polvilho de número 9 foi avaliada, na segunda classe o valor da acidez variou de 2,86 a 3,56% e foi avaliada a amostra 16, na terceira classe a acidez variou de 3,56 a 4,26% e foi avaliada a amostra 11, a quarta classe a acidez variou de 4,26 a 4,96% e foi avaliada a amostra de polvilho número 33, na quinta classe a acidez variou de 4,96 a 5,66% e a amostra avaliada foi a de número 20 e a sexta classe apresentou variação de acidez de 5,66 a 6,36% e a amostra avaliada foi a 21. Microscopia eletrônica de varredura As micrografias das amostras de polvilho azedo selecionadas com diferentes valores de acidez titulável estão apresentadas na Fig. 1. O formato granular foi preservado para todos os polvilhos com o aumento da acidez titulável. Também foram observadas erosões na superfície dos grânulos de todos os polvilhos, que foram mais profundas com o aumento da acidez titulável (Fig. 1 A-F), sugerindo que a degradação decorrente da produção de ácidos pela fermentação ocorre primeiramente na superfície dos grânulos de amido preferencialmente nas regiões
amorfas [9]. Polvilhos com os maiores valores de acidez (5,25 e 6,26%) (Fig. 1, E-F) apresentaram erosões bem mais profundas, o que pode ter provocado um inicio da degradação das áreas cristalinas nos grânulos desses polvilhos. Campanha e Franco [10] ao estudarem a hidrólise ácida de amido de mandioca, também verificaram a partir do MEV erosões na superfície dos grânulos devido ao ataque do ácido. A B C D E F Fig. 1 Micrografias eletrônicas de varredura dos grânulos dos polvilhos azedos: (A) polvilho com 2,64% de acidez, (B) polvilho com 3,31% de acidez, (C) polvilho com 3,99% de acidez, (D) polvilho com 4,92% de acidez, (E) polvilho com 5,25% de acidez e (F) com 6,26% de acidez titulável. Difração de Raios-X e cristalinidade relativa Os padrões de difração de raios-x e as porcentagens de cristalinidade relativa dos polvilhos azedos estão apresentados na Fig. 2. Os polvilhos azedos apresentaram perfil de difração muito semelhante ao tipo A, entretanto exibiram também um pico a 5,6º em 2θ, típico de amidos tipo B. Desta forma, podem ser classificados como C A devido à maior semelhança dos picos com o padrão tipo A. Moorthy [11] também reportou padrão tipo C A para o amido de mandioca. Com o aumento dos valores de acidez titulável de 2,64 até 4,92%, os polvilhos apresentaram aumento na intensidade e definição dos picos característicos do padrão de difração tipo A, observado principalmente no dubleto em 17º e 18º e no singleto 23º em 2θ. Ao mesmo tempo, observou-se um decréscimo na intensidade dos picos em 5,6º e 23º em 2θ nos polvilhos com valores de acidez mais alta (5,25% e 6,26%) sugerindo o inicio da degradação dos cristais tipo B. O desaparecimento das características do padrão cristalino B mostraram que os tipos cristalinos desses polvilhos mudaram de C A, para o padrão tipo A. A cristalinidade relativa dos polvilhos aumentou com o aumento da acidez atingindo 40,89% quando a acidez foi de 4,92%. No entanto, os polvilhos com alta acidez (5,25% e 6,26%), acima do permitido pela legislação, apresentaram redução da cristalinidade relativa evidenciando o inicio da degradação da região cristalina. Esses resultados corroboram com as imagens obtidas em MEV.
Fig. 2 Difractogramas de raios-x do (A) polvilho com 2,64% de acidez, (B) polvilho com 3,31% de acidez, (C) polvilho com 3,99% de acidez, (D) polvilho com 4,92% de acidez, (E) polvilho com 5,25% de acidez e (F) com 6,26% de acidez titulável. Propriedades térmicas As curvas de DSC dos polvilhos azedos com diferentes valores de acidez titulável estão apresentadas na Fig. 3. Fig. 3 Curvas de DSC do (a) polvilho com 2,64% de acidez, (b) polvilho com 3,31% de acidez, (c) polvilho com 3,99% de acidez, (d) polvilho com 4,92% de acidez, (e) polvilho com 5,25% de acidez e (f) com 6,26% de acidez. De maneira geral, houve aumento das temperaturas de gelatinização dos polvilhos e redução da altura dos picos com o aumento da acidez titulável dos polvilhos azedos. Como o ácido ataca preferencialmente as áreas amorfas dos grânulos, os cristais isolados que ficam são mais desestabilizados. Como resultado, a fusão dos cristais ocorre em temperatura mais alta e a transição é mais ampla em função das diferenças na estabilidade dos cristais no grânulo de amido [10, 12]. Os polvilhos azedos apresentaram aumento da temperatura de gelatinização (de 58,56 para 60,79 C) com o aumento da acidez titulável (de 2,64 para 6,26%) (Fig. 3 a-f). A temperatura de pico (Tp) fornece a medida da qualidade dos cristais [12]. Portanto, o aumento da Tp (de 63,37 para 64,80 C)
com o aumento da acidez, indicou que a maioria dos cristais remanescentes da fermentação apresentou estrutura mais perfeita e estável, por isso a fusão ocorreu a maiores temperaturas. Em função da maior degradação das regiões amorfas, o que também provocou aumento na porcentagem de cristalinidade (Fig. 2, A-D), maior energia foi requerida (ΔH de 13,77 para 15,33 J g -1 ) para fundir os grânulos dos polvilhos com o aumento da acidez titulável (de 2,64% até 4,92%, respectivamente) (Fig. 3, a-d). Os polvilhos com alta acidez (5,25 e 6,26%) apresentaram redução do ΔH (13,57 e 13,15 J g -1 ) (Fig. 3, e-f), confirmando a degradação das áreas cristalinas. Esses resultados corroboram com os resultados encontrados nos difractogramas de raios-x (Fig. 2) e nas imagens de MEV (Fig. 1). Campanha e Franco [10] ao estudarem a hidrólise ácida de amido de mandioca também observaram redução do ΔH nos amidos submetidos a maiores tempos de hidrólise devido à degradação das áreas cristalinas dos grânulos. Conclusões Os resultados indicaram que a acidez titulável tem influência direta nas propriedades térmicas e estruturais dos polvilhos azedos. Os ácidos orgânicos produzidos durante a fermentação dos polvilhos com acidez de até 4,92% degradaram as regiões amorfas dos grânulos. Os polvilhos com valores de acidez titulável acima de5% foram mais afetados pelos ácidos orgânicos sugerindo o inicio da degradação das áreas cristalinas. Agradecimentos À Coordenadoria de Pesquisa e Ensino Superior (Capes) pela bolsa de pós-doutoramento e apoio financeiro, e à Cooperativa Mista dos Pequenos Produtores de Polvilho e Derivados da Mandioca da Região do Cará de Bela Vista de Goiás (Cooperabs) pelo fornecimento das amostras de polvilho azedo. Referências 1. Leonel M, Cereda MP. Características físico-químicas de algumas tuberosas amiláceas. Ciênc Tecnol Aliment. 2002;22: 65-69. 2. Brasil. Resolução CNNPA nº 12, 24/07/1978. Normas técnicas especiais relativas a alimentos e bebidas. Diário Oficial da União, Brasília, 24de julho de 1978. Disponível em: http://www.anvisa.gov.br. Acesso em: 07 de maio de 2014. 3. Pereira J, Ciacco CF, Vilela ER, Teixeira AL de S. Féculas fermentadas na fabricação de biscoitos: estudo de fontes alternativas. Ciênc Tecnol Aliment. 1999;19: 287-293. 4. Taverna LG, Leonel M, Mischan MM. Changes in physical properties of extruded sour cassava starch and quinoa flour blend snacks. Ciênc Tecnol Aliment. 2012;32: 826-834. 5. Instituto Adolfo Lutz. Normas Analíticas do Instituto Adolfo Lutz; 2005.1: 133-134. Métodos físico-químicos para análise de alimentos, 4 ed. Brasília. 6. Hoaglin DC, Mosteller F, Tukey JW. Understanding robust and exploratory data analysis. New York: J. Wiley; 1983; 447p. 7. Nara, S.; Komiya, T. Studies on the relationship between water-satured state and crystallinity by the diffraction method for moistened potato starch. Starch/Stärke.1983;35:407-410. 8. Silva GO, Takizawa FF, Pedroso RA, Franco CML, Leonel M, Sarmento SBS, Demiate IM. Características físico-químicas de amidos modificados de grau alimentício comercializados no Brasil. Ciênc Tecnol Aliment. 2006;26:188-197. 9. Tang H, Watanabe K, Mitsunaga T. Structure and functionality of large, medium and small granule starches in normal and waxy barley endosperms. Carbohydr Polym.2002; 49: 217-224. 10. Campanha RB, Franco CML. Gelatinization properties of native starches and their Naegeli dextrins.j Therm Anal Calorim. 2011;106:799 804 11. Moorthy SN. Physicochemical and functional properties of tropical tuber starches: a review. Starch/Stärke, 2002;54: 559-592. 12. Jacobs H, Eerlingen, RC, Rouseu N, Colonna P, Delcour J. A. Acid hydrolysis of native and annealed wheat, potato and pea starches DSC melting features and chain length distributions of lintnerised starches. Carbohydr Res. 1998;308: 359-371.