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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
DE PROTEÍNA ISOLADA DE SOJA, AMIDO E GLÚTEN
E SUAS MISTURAS
Dissertação de Mestrado
Liziane Dantas Lacerda
Porto Alegre, março 2008.
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2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
LIZIANE DANTAS LACERDA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
DE PROTEÍNA ISOLADA DE SOJA, AMIDO E GLÚTEN
E SUAS MISTURAS
Dissertação apresentada como requisito parcial
para a obtenção do grau de Mestre em Química
Prof. Dr. Nádya Pesce da Silveira
Orientadora
Porto Alegre, março 2008.
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3
A presente dissertação foi realizada inteiramente pelo autor, exceto as
colaborações as quais serão devidamente citadas nos agradecimentos, no período
entre agosto de 2006 e janeiro de 2008, no Instituto de Química da Universidade
Federal do Rio Grande do Sul sob orientação da Professora Doutora Nádya Pesce
da Silveira. A dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre
em Química pela seguinte banca examinadora:
Comissão Examinadora:
Prof. Dr. Moacir Cardoso Elias Prof. Dr. Marly Antonia Maldaner Jacobi
Prof. Dr. Liane Lucy de Lucca Freitas Prof. Dr. Nádya Pesce da Silveira
Orientador
Liziane Dantas Lacerda
4
Para Marco Antônio
5
AGRADECIMENTOS
Ao meu marido por toda a força, compreensão, amor e companheirismo,
À Nádya pela orientação e principalmente pela amizade,
Aos meus pais e irmão pelo apoio,
Ao Eng. René Rech por sempre acreditar em mim,
À Janice pela ajuda no laboratório,
Ao Stas pelos ensinamentos de estatística,
Ao Mateus Cardoso, Mike e Tam pelas magníficas contribuições,
A todos os colegas e amigos da Solae que auxiliaram na realização do
trabalho.
6
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO ...........................................................................................................1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................3
2.1 PROTEÍNA ISOLADA DE SOJA..................................................................................................3
2.2 GLÚTEN.......................................................................................................................................5
2.3 AMIDO..........................................................................................................................................7
2.4 PLANEJAMENTO DE MISTURAS...............................................................................................9
3.PARTE EXPERIMENTAL.........................................................................................12
3.1 AMOSTRAS...............................................................................................................................12
3.2 CARACTERIZAÇÃO DAS MACROMOLÉCULAS .....................................................................12
3.2.1 Proteína Isolada de Soja e Glúten ........................................................................................12
3.2.2 Amidos...................................................................................................................................15
3.3 PLANEJAMENTO DAS MISTURAS...........................................................................................20
3.3.1 Fase Preliminar.....................................................................................................................20
3.3.2 Fase Final..............................................................................................................................22
3.4 PREPARAÇÃO DAS MISTURAS...............................................................................................23
3.5 PREPARAÇÃO DOS GÉIS........................................................................................................23
3.6 AVALIAÇÃO DOS GÉIS.............................................................................................................24
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...............................................................................27
4.1 PROTEÍNAS...............................................................................................................................27
4.2 AMIDOS.....................................................................................................................................32
4.3 MISTURAS.................................................................................................................................46
4.3.1 Fase Preliminar.....................................................................................................................46
4.3.2 Fase Final..............................................................................................................................51
5.DISCUSSÕES GERAIS............................................................................................70
6.CONCLUSÕES.........................................................................................................73
7 PERSPECTIVAS FUTURAS..................................................................................74
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................75
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Modelo estrutural da fração 11S da soja.......................................................4
Figura 2: Modelo estrutural da rede protéica do glúten................................................6
Figura 3: Imagem evidenciando a rede protéica viscoelástica típica do glúten,
formada pela presença de glutenina e gliadina............................................................6
Figura 4: Estrutura da amilopectina presente no amido...............................................8
Figura 5: Configuração espacial da região Simplex.....................................................9
Figura 6: Esquema de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura........12
Figura 7: Esquema de funcionamento da espectroscopia de difração a laser...........14
Figura 8: Esquema de polarização da luz
...............................................................................
16
Figura 9: Imagens obtidas através do ajuste das posições do analisador e
polarizador..................................................................................................................17
Figura 10: Esquema de funcionamento do viscosímetro Haake VT 550...................19
Figura 11: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
no Primeiro Estudo.....................................................................................................20
Figura 12: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
no Segundo Estudo....................................................................................................21
Figura 13: Planejamento experimental do tipo Simplex centróide realizado no
Segundo Estudo.........................................................................................................21
Figura 14: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
na Fase Final..............................................................................................................22
Figura 15: Planejamento experimental do tipo Vértices extremos realizado na Fase
Final............................................................................................................................23
Figura 16: Sensor utilizado na determinação da fluidez............................................24
Figura 17: Sensor utilizado na determinação da dureza............................................25
Figura 18: Sensor utilizado na determinação da força de ruptura e
deformabilidade..........................................................................................................25
8
Figura 19: Sensor utilizado na determinação da força de penetração.......................26
Figura 20: Microscopia eletrônica de varredura de proteína isolada de soja (a) e
glúten (b)....................................................................................................................27
Figura 21: Distribuição de tamanho de partícula de proteína isolada de soja (a) e
glúten (b)....................................................................................................................28
Figura 22: Termogramas de proteína isolada de soja e glúten..................................29
Figura 23: Viscograma contendo o comportamento de proteína isolada de soja e
glúten..........................................................................................................................31
Figura 24: Viscograma contendo o comportamento de glúten...................................32
Figura 25: Microscopia eletrônica de varredura dos amidos de trigo (a), mandioca (b)
e milho (c)...................................................................................................................33
Figura 26: Distribuição de tamanho de partícula dos amidos de trigo (a), mandioca
(b) e milho (c).............................................................................................................34
Figura 27: Microscopia óptica do amido de trigo a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada..............................36
Figura 28: Microscopia óptica do amido de trigo a 55ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). O círculo destaca um único grânulo (em cima) e sua
birrefringência na forma de cruz de malta (embaixo).................................................37
Figura 29: Microscopia óptica do amido de mandioca a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada..............................38
Figura 30: Microscopia óptica do amido de mandioca a 55ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). O círculo destaca um único grânulo em que ocorre a
ruptura........................................................................................................................39
Figura 31: Microscopia óptica do amido de milho a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada..............................40
Figura 32:
Microscopia óptica do amido de milho a 65ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). As micrografias evidenciam a estabilidade dos grânulos.......41
Figura 33: Termogramas dos amidos de trigo, mandioca e milho.............................43
Figura 34: Perfil de intumescimento dos amidos de trigo, mandioca e milho............44
Figura 35: Viscograma contendo o comportamento dos diferentes amidos..............45
Figura 36: Representação gráfica da interação entre as propriedades reológicas
utilizando-se a análise de regressão (Primeiro Estudo).............................................49
9
Figura 37: Representação gráfica da interação entre as propriedades reológicas
utilizando-se a análise de regressão (Fase Final)......................................................53
Figura 38: Gráfico de fluidez em função do tipo de mistura.......................................55
Figura 39: Gráfico de deformabilidade em função do tipo de mistura........................56
Figura 40: Gráfico de força de penetração em função do tipo de mistura.................56
Figura 41: Gráfico de força de ruptura em função do tipo de mistura........................57
Figura 42: Gráfico de dureza em função do tipo de mistura......................................57
Figura 43: Planejamento experimental do tipo Simplex centróide realizado na Fase
Final............................................................................................................................64
Figura 44: Curvas de nível da fluidez, modelo quadrático para o amido de trigo e
modelo cúbico especial para a mandioca e o milho...................................................67
Figura 45: Curvas de nível da dureza, modelo cúbico especial para as três espécies
de amido.....................................................................................................................68
10
LISTA DE TABELAS
Tabela I: Características das frações protéicas hidrossolúveis da soja.......................3
Tabela II: Características das proteínas do trigo.........................................................5
Tabela III: Proporção de amilose e amilopectina em amido de trigo, mandioca e
milho.............................................................................................................................7
Tabela IV: Modelos de ajuste utilizados no planejamento de misturas.....................11
Tabela V: Parâmetros granulométricos de proteína isolada de soja e glúten........... 28
Tabela VI: Parâmetros granulométricos dos amidos de trigo, mandioca e milho......35
Tabela VII: Propriedades reológicas obtidas para as misturas do Primeiro Estudo..46
Tabela VIII: Interação entre as propriedades reológicas através de indicadores
estatísticos (Primeiro Estudo).....................................................................................47
Tabela IX: Correlação da variação dos parâmetros reológicos com os componentes
(Primeiro Estudo)........................................................................................................49
Tabela X: Propriedades reológicas obtidas para as misturas do Segundo Estudo...50
Tabela XI: Propriedades reológicas obtidas para as misturas da Fase Final............51
Tabela XII: Interação entre as propriedades reológicas através de indicadores
estatísticos (Fase Final).............................................................................................51
Tabela XIII: Correlação da variação dos parâmetros reológicos com os componentes
(Fase Final)................................................................................................................54
Tabela XIV: Contribuição de cada componente de acordo com a mistura
utilizada......................................................................................................................59
Tabela XV: Valores de R-Sq (adj) para os modelos de regressão............................60
Tabela XVI: Valores preditos pelo modelo quadrático e valores experimentais........63
11
GLOSSÁRIO
S – unidade Sverdberg
Da – dalton
BMM – baixa massa molecular
AMM – alta massa molecular
b.s. – base seca
GP – grau de polimerização
PIS – proteína isolada de soja
DSC – calorimetria diferencial de varredura
T
g
– temperatura de transição vítrea
T
m
– temperatura de fusão
T
onset -
temperatura inicial
T
peak -
temperatura do pico
T
endset -
temperatura final
C. C. P. - coeficiente de correlação de Pearson
R
2
ou R-Sq - coeficiente de determinação
R
2
A
ou
R-Sq(adj) - coeficiente de determinação ajustado
ANOVA - análise de variância
12
RESUMO
Durante o processamento industrial de produtos alimentícios, tendem a ocorrer
modificações físicas e/ou químicas nos diferentes componentes, que interferem
diretamente em seus atributos típicos. Portanto, torna-se necessária a avaliação do
comportamento físico-químico de cada componente, bem como de suas misturas.
Dois tipos de proteína, proteína isolada de soja e glúten, tiveram suas propriedades
morfológicas, térmicas e reológicas avaliadas neste trabalho. Estas propriedades
também foram investigadas para os amidos de trigo, mandioca e milho, incluindo-se
a determinação de amido danificado e o acompanhamento do processo de
gelatinização através da microscopia óptica utilizando luz polarizada. Para investigar
o efeito individual dos componentes, foram aplicados vários planejamentos
experimentais de misturas do tipo simplex contendo diferentes concentrações de
proteína isolada de soja/glúten/amido. A influência da fonte botânica do amido
também foi verificada. Parâmetros reológicos como força de ruptura, dureza,
deformabilidade, fluidez e força de penetração foram determinados para géis obtidos
a partir das misturas preparadas, permitindo assim um estudo comparativo. Através
da quimiometria, modelos de ajuste lineares, quadráticos e cúbicos foram aplicados
para obter equações polinomiais que pudessem expressar adequadamente as
superfícies de resposta observadas para cada parâmetro reológico avaliado. A
significância estatística desses modelos foi avaliada através da análise de variância
e de um novo ensaio experimental, sendo possível indicar o melhor modelo de
ajuste para cada propriedade reológica estudada.
13
ABSTRACT
Physical and/or chemical modifications that happen in the ingredients during
industrial process of food products interfere directly in their typical attributes.
Therefore, the physical-chemistry behavior evaluation of each ingredient and their
blends make necessary. Two kinds of proteins, isolate soy protein and gluten, have
been their morphological, thermal and rheological properties evaluated in this work.
These properties have been investigated to wheat, corn and tapioca starches,
damaged starch determination and gelatinization process following using light
microscopy with polarized light were included. In order to investigate the effects of
the individual components, applied several mixture simplex design for modeling
experiments of blends with different isolate soy protein/gluten/starch ratios. The
influence of botanical source of starch was also investigated. Rheological parameters
like rupture strength, hardness, deformability, firmness and penetration strength of
the gels obtained through the prepared blends were determined make possible a
comparative study. Using chemometry, linear, quadratic and special cubic models
were studied to get polynomial equations that express the observed surface
response to each evaluated rheological parameter. The statistical significance of
these models was obtained using analysis of variance and new experimental blend,
being possible indicate the better model to each studied rheological parameter.
14
1 INTRODUÇÃO
Proteína e amido são os principais componentes de cereais, legumes e
tubérculos. Produtos alimentícios como pães, massas, salgadinhos, cereais matinais
e outros processados industrialmente possuem textura característica e atributos
sensoriais relacionados à presença de diferentes proporções de proteína, glúten e
amido em suas formulações
1
. Além disso, as propriedades visco-elásticas
necessárias à preparação e ao processamento de diferentes tipos de alimentos
industrializados dependem da presença de uma proporção adequada destes três
componentes
2
. Um exemplo disto são os produtos extrusados
3,4
.
Dentre as proteínas utilizadas na indústria de alimentos, a proteína isolada de
soja é a que está em larga expansão atualmente. O tratamento térmico conduz à
dissociação, denaturação e agregação das subunidades protéicas, 7S e 11S, que
em concentração adequada resultam no fenômeno da gelatinização
5
. Este
comportamento associado com o alto valor nutricional apresentado pelas proteínas
isoladas de soja tem atraído pesquisas intensas relacionadas a aplicações na
indústria alimentícia. Entretanto, fortes interações intra e intermoleculares resultam
em alta viscosidade que faz seu processamento, tal como extrusão e injeção, muito
difícil na ausência de outros aditivos, tais como óleos vegetais
6
.
O glúten é uma fração isolada do trigo rica em proteínas
7
. As gliadinas são
responsáveis pelas propriedades de ductibilidade e coesividade do glúten, enquanto
as gluteninas formam polímeros de alta massa molecular e contribuem para a
elasticidade
8
. As proteínas do glúten são insolúveis em água e durante o
processamento, formam estruturas fortes, coesas e viscoelásticas que retêem a
estrutura inicial resultando em um produto final aerado
9
.
O amido, que pode ser de diferentes origens e procedências para a utilização
industrial, consiste de grânulos micrométricos constituídos das macromoléculas
amilose e amilopectina, em uma proporção que depende da origem do grânulo
10
. A
gelatinização do amido é de grande importância nas etapas de cozimento, secagem
e extrusão de produtos que o contém
11
. Durante o processo de gelatinização ocorre
a ruptura de ligações de hidrogênio, ocasionando a perda da cristalinidade, a qual
tem sido quantitativamente relacionada com eventos térmicos e estruturais
12
.
15
A maioria dos estudos realizados em amostras contendo proteína isolada de
soja, glúten e/ou amido costuma avaliar as misturas através de seus produtos finais,
utilizando metodologia de controle de qualidade industrial, tais como índice de
expansão, densidade, grau de hidratação
1,11
, atividade de água
13
, coloração,
textura
14,15
e avaliação sensorial
16
.
Estudos fundamentais avaliando o comportamento físico-químico de cada
biopolímero e sua correlação com as propriedades físico-químicas de suas misturas
são necessários, porém difíceis de realizar comparativamente, pois cada sistema
apresenta suas características específicas, em função da origem dos diferentes
componentes.
O principal objetivo deste trabalho é, portanto, a caracterização físico-química
de cada um dos componentes, proteína isolada de soja, glúten e amido (trigo,
mandioca e milho), bem como a avaliação de propriedades reológicas de diferentes
composições de misturas dos mesmos. Para tal, serão aplicadas técnicas
experimentais tais como microscopia óptica utilizando campo claro e luz polarizada,
microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de difração a laser, calorimetria
diferencial de varredura, viscosimetria e textura, planejamento de misturas utilizando
a região simplex e modelos de ajuste linear, quadrático e cúbico.
16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 PROTEÍNA ISOLADA DE SOJA
A soja constitui uma excelente fonte de proteína para a alimentação humana e
animal. Além de apresentar cerca de 40% de proteína em seus grãos, estas são de
elevado valor nutritivo
17
.
A proteína isolada de soja é um produto extraído da farinha desengordurada de
soja e que contém mais de 90% de proteína. As proteínas de soja constituem uma
mistura de macromoléculas de tamanhos, densidades de carga e estruturas
diferentes
18
.
As globulinas são as principais proteínas da soja sendo insolúveis em meio
aquoso em seu ponto isoelétrico. O ponto isoelétrico representa o pH no qual uma
molécula carregada em solução possui carga elétrica resultante nula e, portanto, não
é deslocada em um campo elétrico
19
.
Quando submetidas à ultracentrifugação as proteínas podem ser separadas em
quatro frações de acordo com a sua velocidade de sedimentação, 2S, 7S, 11S e 15S
(onde S é a unidade Sverdberg)
20
, Tabela I.
Tabela I: Características das frações protéicas hidrossolúveis da soja.
Fração
2S 7S 11S 15S
Proporção (p/p), % 15 35 40 10
Massas Molares (KDa) 7,8 - 21,5 12 - 175 320 - 350 600
As proteínas de soja constituem-se principalmente de globulinas 11S e 7S,
representando estas duas frações 75% do total.
A fração 11S, ou glicinina, é constituída por 12 subunidades, sendo 6 de
caráter ácido e 6 de caráter básico, ligadas por ligação dissulfeto. Já a fração 7S, ou
β
-conglicinina, é uma glicoproteína trimérica formada por três subunidades:
α
,
α
’ e
β
21
.
O modelo estrutural da fração 11S pode ser visualizado na Figura 1.
17
Figura 1: Modelo estrutural da fração 11S da soja
22
.
A glicinina e a
β
-conglicinina contém 39% e 41% resíduos de aminoácidos
hidrofóbicos, respectivamente. Como o conteúdo de aminoácidos hidrofóbicos é
superior a 30%, torna-se fisicamente impossível formar uma estrutura quaternária
capaz de esconder todos os resíduos apolares. Sendo assim, zonas hidrofóbicas
ficam expostas e a interação entre as zonas forma dímeros e trímeros
23
.
Durante o aquecimento das proteínas há uma interação das globulinas 7S e
11S. A formação de agregados das subunidades
α
e
α
’ ocorre devido a ligações
iônicas e ligações dissulfeto. Agregados de alta massa molecular são formados por
trímeros ou dímeros das subunidades
α
e
α
’, enquanto que agregados de massa
molecular intermediário são formados pelas subunidades
α
e
α
’ e pelos
polipeptídeos da glicinina
24
.
O mecanismo de formação do gel protéico é o mesmo para a glicinina e a
β
-
conglicinina: agregação das partículas de proteína, sendo que o tamanho dos
agregados depende do tamanho e da forma das moléculas de proteína, da
temperatura de aquecimento, do pH e do rearranjo molecular antes da formação do
gel
25
. A glicinina forma géis mais firmes e elásticos que a
β
-conglicinina, devido às
diferenças na estrutura da rede protéica formada, bem como pelas numerosas
ligações dissulfeto existentes na molécula da glicinina
26
.
18
A fração 7S apresenta um gel menos rígido em temperaturas acima de 75
°
C.
Isso pode ser explicado pelo fato das altas temperaturas gerarem mais sítios
reativos na superfície da molécula de proteína, principalmente sítios hidrofóbicos,
formando gel desordenado
27
.
2.2 GLÚTEN
O trigo apresenta 13% de proteína em sua composição. O glúten é um produto
obtido da lavagem da farinha de trigo e que contém mais de 80% de proteína. As
proteínas do trigo são normalmente divididas em proteínas de reserva (gliadina e
glutenina), globulinas e albuminas
28
, Tabela
II
.
Tabela
II
: Características das proteínas do trigo.
Proteínas
Gliadina Glutenina Globulinas Albuminas
Proporção (p/p), % 68 32 13 7
Solubilidade álcool 70%
ácidos e bases
diluídas
solução salina água
Massas Molares (KDa) 15 - 60 60 - 10000 <25 <25
Utilizando a técnica de eletroforese em gel de poliacrilamida podem ser
identificadas a gliadina e a glutenina de acordo com a sua mobilidade no gel
29
.
As gliadinas, que pertencem à classe das prolaminas, apresentam baixo teor
de aminoácidos carregados, formam somente ligações intramoleculares dissulfeto e
podem ser classificadas em ordem crescente de massa molecular como
α
,
β
,
γ
e
ω
-
gliadinas
30
. As gluteninas, que pertencem à classe das glutelinas, entretanto, são
agregados de proteínas ligadas por ligações intermoleculares dissulfeto devido à
presença de cisteína nas subunidades. As mesmas podem ser classificadas como
BMM (baixa massa molecular) e AMM (alto massa molecular)-gluteninas
31
.
O modelo estrutural da rede protéica do glúten pode ser visualizado na
Figura 2.
19
Figura 2: Modelo estrutural da rede protéica do glúten
30
.
A capacidade do trigo em formar uma rede protéica viscoelástica, o chamado
glúten
32
, somente é observada quando a gliadina, responsável pela extensibilidade, e
a glutenina, responsável pela elasticidade, estão presentes em proporções
adequadas
33, 34
, Figura 3.
Figura 3: Imagem evidenciando a rede protéica viscoelástica típica do glúten,
formada pela presença de glutenina e gliadina
29
.
A elasticidade do glúten hidratado é devida principalmente à glutenina pela
resistência à ruptura, que por sua vez se deve à sua estrutura e massa molecular
35
.
O glúten deverá conter um conteúdo apropriado de grupos ligados ao nitrogênio
amídico para garantir a sua hidratação e formação de ligações hidrogênio, além do
conteúdo e posicionamento adequado de radicais sulfidrilas que se convertem em
pontes dissulfeto, garantindo a correta conformação e tamanho molecular
36, 37
.
Gliadina Glutenina Glúten
20
2.3 AMIDO
O amido é a principal substância de reserva presente nas plantas, sendo
encontrado sob a forma de grânulos insolúveis. Depois dos açúcares mais simples
(sacarose, glicose, frutose, maltose), é o principal carboidrato que os vegetais
superiores sintetizam a partir da fotossíntese. Entre as matérias-primas utilizadas
para sua extração destacam-se as raízes e os tubérculos, como a mandioca e a
batata, e os cereais, como o milho, o trigo e o arroz
10
.
Este polissacarídeo é composto basicamente por dois tipos de
macromoléculas: amilose e amilopectina. A proporção entre amilose e amilopectina
está diretamente relacionada ao seu desenvolvimento na célula viva, sendo afetada
pelas condições climáticas e o tipo de solo durante o crescimento da planta e a fonte
botânica
38
. A Tabela
III
apresenta valores médios de amilose e amilopectina para
três espécies de amido citadas na literatura.
Tabela
III
: Proporção de amilose e amilopectina em amido de trigo, mandioca e
milho
10
.
Trigo Mandioca Milho
Amilose b.s., % 26 17 28
Amilopectina b.s., % 74 83 72
Amilose GP 800 3000 800
b.s. - base seca GP - Grau de Polimerização
Os grânulos de amido são semicristalinos com níveis variados de cristalinidade.
Esta é exclusivamente associada com o componente amilopectina, o qual é
radialmente orientado no grânulo, enquanto as regiões amorfas são principalmente
representadas pela amilose
39, 40
.
Amilose é uma molécula essencialmente linear formada por unidades de
D-glicose ligadas em
α
(1
→
4), já a amilopectina é uma molécula com uma das mais
altas massas moleculares encontradas em macromoléculas biológicas e possui
ligações glicosídicas
α
(1
→
4) e
α
(1
→
6)
38
, Figura 4.
21
Figura 4: Estrutura da amilopectina presente no amido
41
.
As cadeias das unidades de D-glicose com as ligações
α
-glicosídicas, tendem
a assumir um arranjo helicoloidal. Este arranjo resulta em uma forma compacta para
a molécula amilose, apesar de sua massa molecular ser bastante elevada (150 a
600KDa). Medidas físicas indicam que a amilopectina possui massa molecular de 1
a 6000KDa; assim, a amilopectina consiste em centenas de cadeias interligadas de
20 a 25 unidades de glicose cada
42
.
Quando amidos são submetidos a aquecimento (temperaturas tipicamente
maiores que 50
°
C) na presença de água, os grânulos absorvem água e intumescem,
produzindo uma suspensão coloidal
43
. Começa a ocorrer a ruptura das duplas-
hélices da amilopectina (dissociação das ligações hidrogênio), enquanto a amilose é
liberada dos grânulos intumescidos, resultando na perda da birrefringência. Assim,
uma rede tridimensional é formada
44, 45
. Este evento, chamado de gelatinização, é
acompanhado por um drástico aumento na viscosidade do sistema à medida que a
estrutura dos grânulos é destruída
46
.
22
2.4 PLANEJAMENTO DE MISTURAS
Proteínas e amidos desempenham papel importante na estrutura, textura e
estabilidade dos alimentos. Como eles são raramente encontrados isoladamente nos
produtos, o conhecimento do comportamento de suas misturas é de grande
interesse industrial
47
.
A utilização das técnicas estatísticas no planejamento experimental promove a
redução do número de ensaios, sem prejuízo da qualidade de informação. Por outro
lado, promove-se o estudo simultâneo de diversas variáveis, a determinação da
confiabilidade dos resultados, a representação do processo estudado através de
expressões matemáticas e a elaboração de conclusões a partir de resultados
quantitativos e qualitativos
48
.
Uma mistura é uma classe especial de experimento do tipo superfície de
resposta no qual o produto sob investigação é composto de vários componentes. As
propriedades de uma mistura são determinadas pelas proporções de seus
componentes. Além disto, as proporções dos diversos componentes de uma mistura
não são independentes. A soma de todas as proporções deve resultar sempre no
valor de 100%
49
.
Em um experimento do tipo mistura, as proporções de cada elemento estão
restritas por uma fronteira. Combinando-se estas fronteiras cria-se o que se
denomina região simplex. A configuração espacial desta região é apresentada na
Figura 5.
Figura 5: Configuração espacial da região Simplex.
23
O sistema de coordenadas do triângulo permite a visualização das interações
entre os três componentes envolvidos na mistura. Os vértices do triângulo, x
1
, x
2
e x
3
,
representam a mistura pura com proporção de um componente sendo 1 e os outros
sendo 0
50
.
Os principais tipos de projetos utilizando simplex são:
Simplex lattice.
Os pontos são distribuídos uniformemente por toda a região
compreendida pelo simplex. Para pesquisar o comportamento da mistura no interior
da região simplex, o projeto precisa ser incrementado com pontos interiores;
Simplex centróide.
Diferentemente do Simplex lattice, inclui observações para
as misturas nas quais os componentes sempre aparecem em proporções iguais;
Simplex com pontos axiais.
Contém pontos das misturas dentro da região
simplex e são recomendados quando se deseja explorar a superfície de resposta
através das misturas. O projeto denominado incrementado é aquele que recebe,
adicionalmente, pontos axiais interiores e centróides.
Vértices extremos.
É utilizado quando existem restrições às proporções dos
componentes da mistura. Os componentes
C
n
são expressos por
L
i
≤
C
n
≤
L
s
, onde
L
i
é o limite inferior e deve estar presente quando o componente for indispensável à
mistura;
L
s
é o limite superior e deve estar presente sempre que a mistura não puder
conter mais do que a proporção indicada para o componente.
A equação geral para as misturas com restrições pode ser dada por:
C
1
+ C
2
+ C
3
+ ... = 1
(2.1)
Este tipo de projeto restrito produz variáveis altamente correlacionadas, por
isso é necessário fazer-se um estudo de multicolinearidade através dos coeficientes
individuais da regressão
51, 52
.
Em adição às restrições individuais dos componentes, podem ser
estabelecidas restrições para o conjunto de componentes. Estas restrições
denominadas lineares podem ser introduzidas no problema de mistura em razão da
consideração de outras peculiaridades da prática experimental. Cada modelo tem
uma determinada aplicação. A escolha do modelo mais adequado dependerá do tipo
de ajuste para o modelo de regressão que o experimentador desejar, ou o que
possuir o maior coeficiente de determinação ajustado
53, 54
.
24
Os modelos de ajuste mais comuns utilizados estão resumidos na tabela
IV
.
Tabela
IV
: Modelos de ajuste utilizados no planejamento de misturas.
Modelo Termos Tipo de Mistura
Linear Lineares Aditivo
Quadrático Lineares e quadráticos
Aditivo, não-linear binário
sinérgico ou antagônico
Cúbico Especial Lineares, quadráticos e cúbicos
Aditivo, não-linear ternário
sinérgico ou antagônico
25
3 PARTE EXPERIMENTAL
3.1 AMOSTRAS
As amostras utilizadas neste trabalho foram a proteína isolada de soja
produzida no Brasil pela empresa Solae, o glúten e o amido de trigo produzidos na
Argentina pela empresa Molinos Juan Semino S.A, o amido de mandioca e o amido
de milho produzidos no Brasil pela empresa Cassava S.A.
3.1 CARACTERIZAÇÃO DAS MACROMOLÉCULAS
3.1.1 Proteína Isolada de Soja e Glúten
Microscopia Eletrônica de Varredura:
Uma suspensão aquosa contendo as
proteínas foi gotejada em grades de cobre e deixada em repouso para secagem. O
material foi posteriormente revestido com ouro e paládio. Utilizou-se o microscópio
JEOL JSM 6320F. Estas análises foram realizadas na empresa Solae, Saint Louis,
Estados Unidos da América.
No microscópio eletrônico de varredura o feixe de radiação é um feixe de
elétrons que é focado em um ponto da amostra. O feixe percorre sistematicamente
toda a amostra por um processo de varredura e a interação do feixe de elétrons com
a amostra gera um conjunto de sinais (elétrons secundários) que são medidos por
detectores apropriados, Figura 6.
Figura 6: Esquema de funcionamento do microscópio eletrônico de varredura
55
.
26
Estes sinais são convertidos pelo detector em correntes elétricas de maior ou
menor intensidade que modulam a intensidade do feixe de elétrons. A imagem
forma-se ponto por ponto em tubos de raios catódicos.
A etapa de preparação da amostra tem por objetivo preservar a superfície.
Como as amostras são observadas no vácuo do microscópio, elas devem ser
fixadas e depois desidratadas cuidadosamente.
Os elétrons secundários são os elétrons ejetados dos átomos da amostra
pelas colisões não elásticas com os elétrons do feixe. Estes elétrons são ejetados
direcionalmente em função da topografia da amostra. A intensidade da emissão
depende da natureza química da amostra. Os metais, que possuem elétrons mais
fracamente ligados emitem melhor que as substâncias orgânicas. Por este motivo, a
superfície das amostras é recoberta com finas camadas de metal, como o ouro,
paládio ou carbono
56
.
Granulometria:
A distribuição de tamanho de partícula foi determinada
diretamente através da espectroscopia de difração a laser, utilizando-se os
equipamentos Mastersizer 2000 e Scirocco - Malvern. Estas análises foram
realizadas na empresa Solae, Esteio, Brasil.
Este método baseia-se no fato de que o ângulo de difração é inversamente
proporcional ao tamanho de partícula.
No funcionamento deste equipamento, um laser de He-Ne produz um feixe de
luz monocromática com comprimento de onda
λ
=0,63
µ
m, o qual ilumina a célula de
medida onde se encontram as partículas. A luz incidente é difratada pelas partículas,
gerando-se um padrão de difração estável, independente do movimento das
partículas. Em seguida, este padrão de difração é captado por uma lente
focalizadora e um detector fotoelétrico constituído por detectores de silicone foto-
sensitivos, Figura 7. Produz-se, deste modo, um sinal proporcional à intensidade da
luz incidente, o qual, após ser amplificado por um tubo fotomultiplicador, é
transmitido a um computador que registra o padrão de difração e realiza as
integrações necessárias
57
.
27
Figura 7: Esquema de funcionamento da espectroscopia de difração a laser
58
.
O volume da esfera equivalente é utilizado para medir o tamanho de uma
partícula. O diâmetro desta esfera equivalente é considerado o tamanho da
partícula. A unidade óptica captura o padrão real de espalhamento de um conjunto
de partículas e então calcula o tamanho das partículas que geraram aquele padrão.
Sabendo-se o tamanho de uma partícula e outros detalhes sobre sua estrutura,
pode-se precisamente prever a forma que ela irá espalhar a luz. Cada tamanho de
partícula terá o seu padrão de espalhamento característico.
O intervalo de determinação é de 0,02
µ
m a 2000
µ
m e os parâmetros
granulométricos são determinados automaticamente para cada medição:
Uniformidade, o desvio absoluto em relação a mediana;
D[3,2] ou diâmetro médio de Sauter, superfície média das partículas;
D[4,3] ou diâmetro médio de Broucker, volume médio das partículas;
d(0.1), o diâmetro máximo (em
µ
m) apresentado por 10% da distribuição
granulométrica da amostra;
d(0.5), o diâmetro máximo (em
µ
m) apresentado por 50% da distribuição
granulométrica da amostra;
d(0.9), o diâmetro máximo (em
µ
m) apresentado por 90% da distribuição
granulométrica da amostra
59
.
28
Calorimetria Diferencial de Varredura:
A análise térmica das amostras de
proteína foi feita em um equipamento DSC822 - Mettler Toledo. Aproximadamente
11,5mg de proteína foram transferidos diretamente para uma panelinha de alumínio,
a qual foi selada hermeticamente e deixada em repouso por 2 horas a 20
°
C. A
amostra foi aquecida de 20
°
C a 200
°
C com taxa de aquecimento de 10
°
C/min. Estas
análises foram realizadas na empresa Polimate, São Paulo, Brasil.
De modo simplificado, a análise de calorimetria diferencial de varredura mede a
diferença de energia entre a substância a ser analisada e um material de referência
(material inerte) quando ambos estão sujeitos a um programa controlado de
temperatura. A magnitude do sinal medido está diretamente relacionada com a
capacidade calorífica dos compostos em análise. Uma curva de DSC fornece a
variação de entalpia em função do tempo ou temperatura e possibilita identificar
60
:
T
onset -
temperatura inicial
T
peak -
temperatura do pico
T
endset -
temperatura final
Viscosimetria:
Uma suspensão de proteína a 12% foi aquecida de 50
°
C a 95
°
C,
com taxa de aquecimento de 5,6
°
C/min e mantida por 4 minutos a 95
°
C. Após, a
mesma foi resfriada a 50
°
C com taxa de resfriamento de 7,5
°
C/min
8
. A viscosidade
do sistema foi medida utilizando-se o analisador de viscosidade do tipo RVA4 –
Newport Scientific. Estas análises foram realizadas na empresa Solae, Saint Louis,
Estados Unidos da América.
O equipamento determina viscosidades de 50 a 50000cP com faixa de
cisalhamento de 20 a 2000rpm permitindo caracterização das propriedades das
amostras em qualquer condição
61
.
3.1.2 Amidos
Microscopia Eletrônica de Varredura:
Uma suspensão aquosa contendo os
grânulos de amido foi gotejada em grades de cobre e deixada em repouso para
secagem. O material foi posteriormente revestido com ouro e paládio. Utilizou-se o
microscópio JSM-6100 operando a 8kV. Estas análises foram realizadas no
Centre
de Recherches sur les Macromolécules Végétales, Grenoble, França.
29
Granulometria:
A distribuição de tamanho de partícula foi determinada
diretamente através da espectroscopia de difração a laser, utilizando-se os
equipamentos Mastersizer 2000 e Scirocco - Malvern. Estas análises foram
realizadas na empresa Solae, Esteio, Brasil.
Microscopia Óptica:
Lamínulas contendo dispersão aquosa dos amidos foram
aquecidas de 55
°
C a 95
°
C, utilizando-se o controle de temperatura FP900 Thermo
System–Mettler Toledo. A objetiva escolhida proporcionou um aumento de 40X do
objeto observado. O microscópio óptico BX4-Olympus foi utilizado para a
visualização do processo de gelatinização. Estas análises foram realizadas na
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil.
No microscópio óptico é utilizada luz visível como radiação eletromagnética, o
chamado campo claro. Esta luz, emitida pela fonte luminosa e concentrada pelas
lentes condensadoras, atravessa a amostra e penetra na objetiva. A objetiva forma
uma imagem real, ampliada do objeto e as oculares formam uma imagem virtual,
também ampliada, da imagem real produzida pela objetiva.
No microscópio de polarização a luz é polarizada abaixo da platina do
microscópio pelos polarizadores e passa através da amostra chegando ao
analisador, localizado acima da objetiva, Figura 8.
Figura 8: Esquema de polarização da luz
62
.
30
Quando as posições do analisador e polarizador são ajustadas, de modo que
os feixes luminosos tenham um trajeto paralelo, uma imagem normal pode ser vista
através da ocular.
Se o analisador é então rodado de modo que o seu eixo fique em ângulo reto
com o polarizador, nenhuma luz alcança a ocular e nada pode ser visto. Colocando-
se um objeto amorfo (não refringente) na platina do microscópio com os prismas na
mesma posição em ângulo reto, nada será visto porque os raios de luz não foram
divididos pelo objeto. Porém, se for colocado um objeto cristalino ou birrefringente na
platina uma imagem luminosa aparecerá em fundo escuro, Figura 9.
Figura 9: Imagens obtidas através do ajuste das posições do analisador e
polarizador
63
.
Se o material for isotrópico, a luz polarizada propaga-se através dele com a
mesma velocidade, independente da direção do plano de incidência. Por outro lado,
num material anisotrópico a velocidade de propagação da luz polarizada varia. Este
material também é chamado de birrefringente, porque apresenta dois índices de
refração diferentes, correspondentes a diferentes velocidades de transmissão
64
.
31
Amido Danificado:
O amido danificado foi determinado utilizando-se método
amperimétrico em equipamento SDmatic–Chopin. Estas análises foram realizadas
na Bunge Alimentos, Gaspar, Brasil.
Basicamente, tem-se uma solução de iodo onde os íons I
3
-
geram uma corrente
elétrica (medida em
µ
A) que é diretamente associada a sua concentração na
solução. O amido é adicionado a esta solução e permanece em contato, sob
agitação e aquecimento a 35
°
C, durante certo período de tempo. O amido danificado
presente absorve iodo. No final da análise a corrente elétrica é medida. Quanto
menor a corrente elétrica resultante maior a quantidade de amido danificado
presente na amostra de amido analisada
65, 66
.
Calorimetria Diferencial de Varredura:
A análise térmica das amostras de amido
foi feita em um equipamento DSC822 - Mettler Toledo. Aproximadamente 6,5mg de
uma suspensão a 20% de amido foram transferidos para uma panelinha de alumínio,
a qual foi selada hermeticamente e deixada em repouso por 2 horas a 20
°
C. A
amostra foi aquecida de 20
°
C a 200
°
C com taxa de aquecimento de 10
°
C/min. Estas
análises foram realizadas na empresa Polimate, São Paulo, Brasil.
Grau de Intumescimento:
15mL de uma suspensão a 2% de amido foi incubada
por 30 minutos em um banho de aquecimento programado para temperaturas de
55
°
C a 95
°
C. A amostra foi resfriada e centrifugada a 3000rpm por 20 minutos
67
.
Estas análises foram realizadas na empresa Solae, Esteio, Brasil.
O grau de intumescimento é expresso como a massa do centrifugado contendo
os grânulos de amido intumescido dividida pela massa da amostra de amido inicial
68
.
Massa do centrifugado – Massa do tubo de centrífuga
(3.1)
Massa da amostra
Viscosimetria:
Uma suspensão de amido a 5% foi aquecida de 40
°
C a 95
°
C
com taxa de aquecimento de 3
°
C/min e mantida por 30 minutos a 95
°
C. Após, a
mesma foi resfriada a 55
°
C com taxa de resfriamento de 2,4
°
C/min
69
. A viscosidade
do sistema foi medida utilizando-se o viscosímetro Haake VT 550. Estas análises
foram realizadas na empresa Solae, Esteio, Brasil.
32
A substância a ser medida é colocada dentro de um sensor, preenchendo os
espaços vagos. Uma velocidade é selecionada e fixada para o rotor, Figura 10. A
amostra exerce uma resistência ao movimento rotacional devido a sua viscosidade e
é indicada pelo valor do torque
70
.
Figura 10: Esquema de funcionamento do viscosímetro Haake VT 550
70
.
33
3.2 PLANEJAMENTO DAS MISTURAS
3.2.1 Fase Preliminar
No Primeiro Estudo foram utilizadas proporções pré-estabelecidas de proteína
isolada de soja (50% a 80%), glúten (0% a 30%) e amido (10% a 30%) para compor
as oito misturas selecionadas, Figura 11.
Figura 11: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
no Primeiro Estudo.
Nesta etapa foi estudada a influência das três espécies de amidos, o que
resultou em vinte e quatro (24) pontos.
No Segundo Estudo foram introduzidas novas misturas e uma referência de
importância industrial que simularia a composição básica da farinha de trigo,
contendo 69% de amido de trigo e 11% de glúten, Figura 12. O planejamento do tipo
Simplex centróide através do Minitab
resultou em quatro pontos, sendo três
localizados nos vértices e um no centro do triângulo. Este modelo foi utilizado para
posterior definição dos limites das proporções dos componentes, Figura 13.
34
Figura 12: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
no Segundo Estudo.
Amido
0,2
0,6
Glúten
0,6
0,2
PIS
0,6
0,2
Figura 13: Planejamento experimental do tipo Simplex centróide realizado no
Segundo Estudo.
35
3.2.2 Fase Final
Com os dados obtidos na fase preliminar impuseram-se limites superiores e
inferiores às proporções dos componentes das misturas, conforme segue:
0,3
≤
C
PIS
≤
0,7
0,3
≤
C
glúten
≤
0,7
0,0
≤
C
amido
≤
0,4
Os limites estabelecidos para cada componente definem no interior do triângulo
das concentrações um triângulo eqüilátero, Figura 14. Nesta etapa foi estudada a
influência dos amidos das três espécies vegetais, o que resultou em doze (12)
pontos.
Figura 14: Representação através de Sistema Ternário dos experimentos realizados
na Fase Final.
36
A restrição às proporções dos componentes exigiu a utilização do planejamento
experimental do tipo Vértices extremos para definir as misturas, Figura 15. Através
do Minitab
foram definidos seis (6) pontos, sendo três localizados nos vértices e
três no ponto central de cada aresta do triângulo.
Amido
0,0
0,4
Glúten
0,7
0,3
PIS
0,7
0,3
Figura 15: Planejamento experimental do tipo Vértices extremos realizado na Fase
Final.
3.3 PREPARAÇÃO DAS MISTURAS
Quantidades adequadas dos componentes foram colocadas em uma
embalagem de polietileno e homogeneizadas manualmente.
3.4 PREPARAÇÃO DOS GÉIS
Após testes preliminares, a proporção usada foi de uma parte de mistura
(500g) e quatro partes de água a 20°C (2000g). A amostra foi preparada em
misturador Cutter Stephan, capacidade de 20 litros, equipado com sistema de
resfriamento (10°C) e vácuo.
37
As etapas foram: misturar por 1 minuto na velocidade mínima, misturar por 5
minutos na velocidade máxima, encher 7 latas de alumínio com o gel preparado,
colocar as tampas de alumínio, selar o sistema utilizando uma recravadeira, colocar
as latas em um banho de aquecimento (100
°
C), aquecer por 30 minutos, remover
todas as latas e resfriar por 30 minutos sob água corrente e estocar de 12 a 24
horas a 20°C.
3.5 AVALIAÇÃO DOS GÉIS
As latas preparadas, conforme descrição na seção 3.5, foram abertas,
descartando-se aproximadamente 0,5cm de espessura da camada superior para
eliminação da película formada
e centralizadas abaixo do sensor. As propriedades
reológicas foram determinadas utilizando-se o texturômetro TA-XT2 (Stable
Microsystems)
71
e os parâmetros registrados foram:
Fluidez,
força registrada em gramas quando a amostra flui através de um
orifício padrão localizado na base do recipiente que a contém. Para este parâmetro
reológico, utilizou-se cilindro de acrílico com orifício de 10mm de diâmetro na base e
pistão para compressão, coletor de acrílico, velocidade de 1,0mm/seg e distância de
20mm, conforme Figura 16.
Figura 16: Sensor utilizado na determinação da fluidez.
38
Dureza, força registrada em gramas a uma distância padrão percorrida. Para
tal, utilizou-se sensor raiado de aço inox de 30mm de diâmetro, velocidade de
0,8mm/seg, distância de 41mm e força gatilho de 8g, conforme Figura 17.
Figura 17: Sensor utilizado na determinação da dureza.
Força de ruptura
, força registrada em gramas no momento da ruptura da
superfície e deformabilidade
, distância desde a superfície do gel até a posição em
que ocorre a ruptura (cm). Para estes dois parâmetros reológicos foram utilizados
sensor esférico de aço inox de 7mm de diâmetro, velocidade de 0,3mm/seg,
distância de 14,3mm e força gatilho de 1g, conforme Figura 18.
Figura 18: Sensor utilizado na determinação da força de ruptura e deformabilidade.
39
Força de penetração,
máxima força registrada em gramas durante a
penetração do sensor na amostra. Para tal, utilizou-se sensor cilíndrico de aço inox
de 35mm de diâmetro, velocidade de 2,12mm/seg e força gatilho de 5g, conforme
Figura 19.
Figura 19: Sensor utilizado na determinação da força de penetração.
40
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 PROTEÍNAS
O estudo utilizando a microscopia eletrônica de varredura, Figura 20, revelou
que as proteínas estudadas, proteína isolada de soja e glúten, apresentam
morfologias diferentes.
Enquanto, a proteína isolada de soja apresenta aspecto
característico de proteínas globulares
72
, o glúten possui uma morfologia aleatória,
não específica. Entretanto, o glúten parece apresentar maior dispersão de tamanho
de partícula do que a proteína isolada de soja.
Figura 20: Microscopia eletrônica de varredura de proteína isolada de soja (a) e
glúten (b).
Os resultados da análise de distribuição de tamanho de partícula obtidos por
espectroscopia de difração a laser são apresentados na Figura 21. Os parâmetros
d(0.1), d(0.5) e d(0.9) foram determinados e destacados na figura. A proteína isolada
de soja registrou um d(0.9) de 120
µ
m, enquanto para o glúten o d(0.9) foi de 156
µ
m,
um parâmetro importante na indústria alimentícia
73
.
a a a
b b b
41
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 2 3 7 13 26 52 105 209
Particle Size, um
Volume, %
a
d(0.1) d(0.5) d(0.9)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 2 3 7 13 26 52 105 209
Particle Size, um
Volume, %
b
d(0.1) d(0.5) d(0.9)
Figura 21: Distribuição de tamanho de partícula de proteína isolada de soja (a) e
glúten (b).
A polidispersão é caracterizada pelo coeficiente de variação da distribuição do
tamanho de partícula e, portanto, está diretamente relacionada com os valores de
uniformidade. O glúten apresentou uma polidispersão menor quando comparado à
proteína isolada de soja, Tabela
V
.
Tabela
V
: Parâmetros granulométricos de proteína isolada de soja e glúten.
d(0.1),
µ
µµ
µ
m d(0.5),
µ
µµ
µ
m d(0.9),
µ
µµ
µ
m
Uniformidade
D[3,2], µ
µµ
µm
2
D[4,3], µ
µµ
µm
3
Proteína isolada de
soja
13 42 120 0,78 25 56
Glúten 14 73 156 0,59 30 80
42
A superfície média, D[3,2], e o volume médio, D[4,3], das partículas também
foram determinados. Para o glúten obtiveram-se os maiores resultados, D[3,2] de
30
µ
m
2
e D[4,3] de 80
µ
m
3
, quando comparados aos apresentados pela proteína
isolada de soja D[3,2] de 24
µ
m
2
e D[4,3] de 56
µ
m
3
. Portanto, o glúten contém
partículas maiores, com distribuição mais homogênea de tamanho, quando
comparado à proteína isolada de soja.
O comportamento térmico das proteínas foi estudado utilizando-se o DSC,
onde um fenômeno endotérmico é atribuído à denaturação das mesmas
74
. A
denaturação é definida como alterações nas estruturas secundárias, terciárias e
quaternárias das proteínas sem o rompimento das cadeias de ligações peptídicas
20
.
Esse processo irreversível produziu somente um pico endotérmico, no mesmo
intervalo de temperatura, para os dois tipos de proteína neste trabalho, Figura 22.
Desta forma, não foi possível identificar as frações gliadina/glutenina do glúten e
7S/11S da proteína isolada de soja
19,75
. A energia de entalpia menor obtida para a
proteína isolada de soja confirma sua melhor capacidade de gelatinização quando
comparada ao glúten
57
.
Figura 22: Termogramas de proteína isolada de soja e glúten.
43
Gelatinização de proteínas refere-se à transformação de uma proteína do
estado sol (solução) para o estado gel,
que pode ser facilitada pelo aquecimento
e/ou outros agentes. De uma maneira geral, primeiramente ocorre a denaturação da
proteína e a exposição de um número crítico de grupos funcionais, tais como
ligações de hidrogênio e grupos hidrofóbicos. Em um segundo estágio, ocorre a
formação da rede protéica.
As interações envolvidas na rede protéica são ligações de hidrogênio e
interações hidrofóbicas e eletrostáticas. A contribuição relativa destas forças varia de
acordo com o tipo de proteína, condições de aquecimento e grau de denaturação. A
estabilidade da rede protéica formada frente a processos térmicos e mecânicos
depende do número e dos tipos de interações por cadeia monomérica.
Para as proteínas globulares, caso da proteína isolada de soja, as ligações
formadas durante a gelatinização podem ser atribuídas a ligações dissulfeto, outras
ligações covalentes, pontes salinas e/ou ligações hidrofóbicas. Segundo Fenema,
proteínas globulares com massa molecular menor que 23KDa não podem formar um
gel induzido por aquecimento se não existir no mínimo um grupo sulfidrila livre ou
uma ligação dissulfeto por unidade
20
.
Já a viscosidade das proteínas está associada a interações complexas entre
outras variáveis, incluindo tamanho, forma, interações proteína-solvente, volume
hidrodinâmico e flexibilidade molecular no estado hidratado. Quando dispersas em
água as proteínas absorvem água e intumescem
76, 77
.
Com as curvas de viscosidade apresentadas na Figura 23 foi possível
observar-se o comportamento de cada proteína na presença de água e sob
aquecimento, sendo que a proteína isolada de soja apresentou uma alta viscosidade
inicial quando comparada com o glúten. O decréscimo da viscosidade está
diretamente associado à denaturação das proteínas.
44
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 15 16 17 19
Tempo, min
Temperatura, °C
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
Viscosidae, cP
Proteína Isolada de Soja
Glúten
Figura 23: Viscograma contendo o comportamento de proteína isolada de soja e
glúten.
A baixa viscosidade apresentada pelo glúten poderia ser explicada pela
diferença no conteúdo dos resíduos de prolina e hidroxiprolina quando comparada
com a proteína isolada de soja
78
. Estes resíduos não contribuem para o arranjo da
cadeia em folhas
β
-pregueadas e
α
-hélice, que resultaria em estruturas
secundárias
79
. Outro fator de influência poderia ser a elevada massa molecular
apresentada pela fração glutenina.
A Figura 24 proporciona uma melhor visualização do comportamento do
glúten, sendo possível observar a etapa de denaturação, principalmente da
glutenina
74
. Talvez esta medida da amostra de glúten tenha sido comprometida pela
limitada sensibilidade do equipamento utilizado.
45
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 15 16 17 19
Tempo, min
Temperatura, °C
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
Viscosidae, cP
Glúten
Figura 24: Viscograma contendo o comportamento de glúten.
4.2 AMIDOS
O estudo utilizando a microscopia eletrônica de varredura, Figura 25, revelou,
como esperado, que as características morfológicas do amido variam de acordo com
a sua origem botânica
38
. Quanto à forma dos grânulos, o amido de trigo é esférico e
lenticular, o amido de mandioca é esférico com grânulos deformados (irregulares) e
o amido de milho é poliédrico
10, 80
. O amido de trigo apresentou o maior tamanho de
grânulo quando comparado com a mandioca e o milho.
46
Figura 25: Microscopia eletrônica de varredura dos amidos de trigo (a), mandioca (b)
e milho (c).
Os resultados da análise de distribuição de tamanho de partícula obtidos por
espectroscopia de difração a laser são apresentados na Figura 26. A variação no
tamanho dos grânulos é maior para o amido de trigo, 8 a 60
µ
m, do que para a
mandioca e milho, 6 a 30
µ
m. Quanto aos parâmetros d(0.1), d(0.5) e d(0.9), o amido
de trigo registrou um d(0.9) de 40
µ
m, enquanto para a mandioca o d(0.9) foi de
19
µ
m e para o milho o d(0.9) foi de 20
µ
m.
47
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 3 10 40 158
Particle Size, um
Volume, %
b
d(0.1) d(0.5) d(0.9)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 3 10 40 158
Particle Size, um
Volume, %
c
d(0.1)d(0.5) d(0.9)
Figura 26: Distribuição de tamanho de partícula dos amidos de trigo (a), mandioca
0
2
4
6
8
10
12
0 1 3 10 40 158
Particle Size, um
Volume, %
a
d(0.5)d(0.1)
d(0.9)
48
(b) e milho (c).
O amido de milho apresentou uma polidispersão menor quando comparado aos
outros amidos, com uniformidade de 0,27, Tabela
VI
.
Tabela
VI
: Parâmetros granulométricos dos amidos de trigo, mandioca e milho.
d(0.1), µ
µµ
µm d(0.5), µ
µµ
µm d(0.9), µ
µµ
µm
Uniformidade
D[3,2], µ
µµ
µm
2
D[4,3], µ
µµ
µm
3
Amido de trigo 11 21 40 0,55 9 26
Amido de mandioca 8 12 19 0,29 7 13
Amido de milho 8 13 20 0,27 12 13
Os valores de superfície média, D[3,2], e volume médio, D[4,3], das partículas
foram de 9
µ
m
2
e 26
µ
m
3
para o amido de trigo, 7
µ
m
2
e 13
µ
m
3
para o amido de
mandioca e 12
µ
m
2
e 13
µ
m
3
para o amido de milho. Neste caso, a maior área
superficial é apresentada pelo amido de milho, provavelmente devido ao formato do
grânulo, enquanto o maior volume médio é atribuído ao amido de trigo.
Em presença de água e sob aquecimento os grânulos de amido sofrem o
processo de gelatinização. Os vários estágios deste processo (perda inicial da
birrefringência, intumescimento e ruptura dos grânulos, temperaturas de
gelatinização)
40
para os amidos neste trabalho podem ser observados nas Figuras
27, 28, 29, 30, 31 e 32.
49
Figura 27: Microscopia óptica do amido de trigo a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada.
50
Figura 28: Microscopia óptica do amido de trigo a 55ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). O círculo destaca um único grânulo (em cima) e sua
birrefringência na forma de cruz de malta (embaixo).
51
Figura 29: Microscopia óptica do amido de mandioca a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada.
52
Figura 30:
Microscopia óptica do amido de mandioca a 55ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). O círculo destaca um único grânulo em que ocorre a ruptura.
53
Figura 31: Microscopia óptica do amido de milho a diferentes temperaturas. As
micrografias com fundo escuro foram obtidas sob luz polarizada.
54
Figura 32:
Microscopia óptica do amido de milho a 65ºC (em cima) e sob luz
polarizada (embaixo). As micrografias evidenciam a estabilidade dos grânulos.
55
Como já comentado na revisão bibliográfica, a cristalinidade do grânulo de
amido é exclusivamente associada com o componente amilopectina, enquanto as
regiões amorfas são representadas pela amilose
20
. Quando observados em
microscópio óptico os grânulos de amido nativo são birrefringentes e exibem uma
cruz de malta, indicando a presença de regiões cristalinas no amido
38
, Figura 28.
A absorção de água pelas regiões amorfas durante o aquecimento fez com que
os grânulos desestabilizassem sua estrutura cristalina, resultando na perda da
birrefringência
10
. As imagens mostram a completa ruptura granular e a gelatinização
ocorrendo a 65-75
°
C para o trigo, 75-85
°
C para a mandioca e 85
°
C para o milho,
Figuras 27, 29 e 31 respectivamente. Os grânulos maiores de amido de trigo e
mandioca intumescem primeiro e começam a romper a 55-60
°
C. A Figura 30
destaca o exato momento em que ocorre a ruptura de um grânulo de amido de
mandioca.
Além disso, durante o beneficiamento do amido, uma pequena mas significante
fração dos grânulos é fisicamente danificada
81
. Estes fragmentos não são
birrefringentes e aumentam a absorção de água durante o aquecimento
66
. A
estabilidade dos grânulos de amido de milho, Figura 32, foi confirmada pelos
resultados obtidos na análise de amido danificado: 0,2% para o milho, 9,4% para a
mandioca e 9,8% para o trigo.
A caracterização por DSC, Figura 33, revelou o fenômeno endotérmico da
gelatinização do amido. Quando grânulos de amido são aquecidos na presença de
água (no mínimo 60%) e uma temperatura específica (
T
g
, temperatura de transição
vítrea) é atingida, determinadas regiões do grânulo sofrem a transição de fase do
estado vítreo para um estado amorfo menos viscoso. Entretanto, o pico de energia
associado com esta transição não é frequentemente observado no DSC devido às
regiões cristalinas presentes. Assim, o que normalmente é visualizado corresponde
a uma temperatura de fusão,
T
m
, característica das porções cristalinas do material.
Uma
T
m
costuma ser observada após a
T
g
20
. Portanto, o fenômeno endotérmico
observado na Figura 33 corresponde a uma
T
m
.
56
Figura 33: Termogramas dos amidos de trigo, mandioca e milho.
Comparado com os outros amidos, o amido de milho tem os maiores valores
de
T
onset
(temperatura inicial),
T
peak
(temperatura do pico) e
T
endset
(temperatura final),
indicando um alto nível de cristalinidade. A entalpia de gelatinização de 12,73J/g
pode ser relacionada com o baixo teor de amilose presente
67
.
Para obter maior informação sobre a estrutura dos grânulos foram feitos
ensaios de intumescimento. O intumescimento do amido é uma propriedade da
amilopectina, pois a amilose age como diluente e inibidor nesta condição
68
.
O grau de intumescimento do amido de milho foi menor do que para os outros
amidos até atingir a temperatura de 70
°
C. Após esta temperatura o amido de trigo
apresentou os menores valores de intumescimento, Figura 34, indicando uma
estrutura dos grânulos mais estável
82
.
57
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
Poder de Intumescimento
55 60 65 70 75 80 85 90 95
Temperatura, ºC
Trigo Milho Mandioca
Figura 34: Perfil de intumescimento dos amidos de trigo, mandioca e milho.
Amidos que são capazes de intumescer em altos níveis são também menos
resistentes a ruptura do grânulo durante o aquecimento e consequentemente exibem
um significativo decréscimo na viscosidade após atingir o pico máximo de
viscosidade
69
.
Com as curvas de viscosidade apresentadas na Figura 35 foi possível observar
o comportamento reológico de cada amido na presença de água e sob aquecimento.
O amido de mandioca gelatinizou em temperaturas muito inferiores, ao contrário do
amido de milho, o qual gelatinizou em temperaturas superiores devido ao seu alto
grau de cristalinidade.
58
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 4 8 12 15 19 22 25 28 31 34 38 43 47 52 57
Tempo, min
Temperatura, °C
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Viscosidade, cP
Trigo Mandioca Milho
Figura 35: Viscograma contendo o comportamento dos diferentes amidos.
Os resultados são confirmados pelo fato de que geralmente amidos de
tubérculos gelatinizam mais rapidamente, e em temperaturas mais baixas, do que
amidos de cereais
20
.
A viscosidade máxima foi atingida quando os grânulos encontravam-se em seu
maior estágio de intumescimento. Entretanto, a continuidade do cisalhamento e o
resfriamento do sistema causam ruptura e fragmentação dos grânulos, que são
acompanhadas pela queda da viscosidade
83, 84
.
Durante o resfriamento do sistema, o amido torna-se progressivamente menos
solúvel. Em solução diluída, algumas moléculas de amido voltam a se associar
parcialmente para formar um precipitado ou novamente um gel. Nesta etapa, ocorre
um segundo acréscimo na viscosidade que é associado com o fenômeno da
retrogradação
20, 85
.
Deve-se observar, no entanto, que para o amido de mandioca o fenômeno de
retrogradação ocorre antes do resfriamento do sistema.
59
4.3 MISTURAS
4.3.1 Fase Preliminar
Os resultados reológicos obtidos (média) para as misturas utilizadas no
Primeiro Estudo estão apresentados na Tabela
VII
.
Tabela
VII
: Propriedades reológicas obtidas para as misturas do Primeiro Estudo.
Proteína
Isolada de
Soja (%)
Glúten
(%)
Amido
(%)
Fluidez
(g)
Força de
Penetração
(g)
Força de
Ruptura
(g)
Deformabilidade
(cm)
Dureza
(g)
TR 1 80 10 10 9800 9574 181 9,3 871
T TR 2
50 30 20 6800 4298 89 7,3 549
R TR 3 50 20 30 8550 4849 92 7,2 592
I TR 4 60 30 10 9300 7648 150 8,6 780
G TR 5 60 10 30 10150 6192 123 7,8 705
O TR 6 70 10 20 13200 8206 152 8,9 777
TR 7 70 20 10 9350 7556 148 8,9 722
TR 8 70 0 30 6200 7915 144 8,5 797
M MA 1 80 10 10 12500 8317 172 9,1 815
A MA 2
50 30 20 4400 3417 67 6,8 476
N MA 3 50 20 30 5800 3928 78 7,2 472
D MA 4 60 30 10 6250 4694 92 7,3 511
I MA 5 60 10 30 7250 5344 102 7,8 556
O MA 6 70 10 20 10600 7005 120 7,7 657
C MA 7 70 20 10 6600 6761 116 8,0 624
A MA 8 70 0 30 8800 7346 125 8,1 652
MI 1 80 10 10 11700 8333 152 8,6 832
MI 2
50 30 20 4000 3895 79 6,5 523
M MI 3 50 20 30 6700 4499 84 6,2 625
I MI 4 60 30 10 5800 4972 97 8,1 601
L MI 5 60 10 30 4750 5644 112 7,3 734
H MI 6 70 10 20 11600 7669 148 8,4 824
O MI 7 70 20 10 5700 6554 132 8,6 725
MI 8 70 0 30 7900 7857 149 8,0 729
Primeiramente foi investigada a interação entre as propriedades reológicas,
através de estudos de correlação linear. A análise de correlação linear fornece um
número que resume o grau de relação entre duas variáveis, denominado coeficiente
de correlação de Pearson. Este coeficiente varia entre -1 e 1, sendo que um valor
igual a 1 mostra uma relação linear positiva perfeita entre as duas variáveis. Isto
significa que quando uma variável aumenta, a outra aumenta linearmente e que,
quando uma variável diminui, a outra diminui linearmente. De modo idêntico, um
coeficiente de correlação de Pearson igual a -1 indica uma relação linear negativa
perfeita entre as duas variáveis. Entretanto, se o valor for igual a 0, as duas variáveis
são não-correlacionadas linearmente, embora possam ter outro tipo de relação
86
.
60
O C.C.P.,coeficiente de correlação de Pearson, de 0,978 indicou uma forte
associação linear entre força de ruptura e força de penetração. Por outro lado,
deformabilidade e fluidez apresentaram coeficiente de correlação de Pearson de
0,651, Tabela
VIII
.
Tabela
VIII
: Interação entre as propriedades reológicas através de indicadores
estatísticos (Primeiro Estudo).
Correlação R-Sq(adj), % C.C.P.
Fluidez x Deformabilidade 39,7 0,651
Fluidez x Dureza 42,0 0,667
Fluidez x Força de ruptura 50,3 0,724
Fluidez x Força de penetração 50,9 0,728
Deformabilidade x Dureza 60,8 0,790
Deformabilidade x Força de penetração 77,4 0,885
Deformabilidade x Força de ruptura 82,1 0,910
Dureza x Força de penetração 83,0 0,915
Dureza x Força de ruptura 87,1 0,936
Força de ruptura x Força de penetração 95,4 0,978
Uma estatística mais significativa é o R
2
ou R-Sq, denominado coeficiente de
determinação, o qual fornece a porcentagem de variação em uma variável que é
explicada estatisticamente pela variação da outra variável. O coeficiente de
determinação ajustado, R
2
A
ou
R-Sq(adj), ajusta o R
2
ou R-Sq para o número de
termos no modelo comparado ao número de observações
87
.
Através dos valores de R-Sq(adj) apresentados na Figura 36 é possível afirmar
que 95,4% da variação encontrada para a força de ruptura está associada à
variação da força de penetração e apenas 39,7% da variação encontrada para a
deformabilidade está associada à variação da fluidez. Também é mostrada na
Figura 36 a equação matemática que descreve a relação entre as variáveis, sendo
possível utilizá-la para estimar ou predizer valores de uma variável quando se
conhecem ou se supõem conhecidos valores da outra variável
86
.
61
Deformabilidade (cm)
Fluidez (g)
9,59,08,58,07,57,06,56,0
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
S 2043,70
R-Sq 42,3%
R-Sq(adj) 39,7%
Regression
95% C I
95% PI
Fluidez (g) = - 8334 + 2070 Deformabilidade (cm)
Fluidez (g)
Dureza (g)
13000120001100010000900080007000600050004000
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
S 91,5551
R-Sq 44,5%
R-Sq (adj) 42,0%
Regression
95% CI
95% PI
Dureza (g) = 427,1 + 0,03046 Fluidez (g)
Fluidez (g)
Força de Ruptura (g)
13000120001100010000900080007000600050004000
200
150
100
50
S 22,5566
R-Sq 52,4%
R-Sq(adj) 50,3%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Ruptura (g) = 50,01 + 0,008796 Fluidez (g)
Fluidez (g)
Força de Penetração (g)
13000120001100010000900080007000600050004000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
S 1217,92
R-Sq 53,0%
R-Sq(adj) 50,9%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = 2475 + 0,4806 Fluidez (g)
Deformabilidade (cm)
Dureza (g)
9,59,08,58,07,57,06,56,0
1000
900
800
700
600
500
400
300
S 75,2887
R-Sq 62,5%
R-Sq(adj) 60,8%
Regression
95% C I
95% PI
Dureza (g) = - 237,0 + 114,8 Deformabilidade (cm)
Deformabilidade (cm)
Força de Penetração (g)
9,59,08,58,07,57,06,56,0
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
S 825,510
R-Sq 78,4%
R-Sq(adj) 77,4%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = - 8383 + 1859 Deformabilidade (cm)
Deformabilidade (cm)
Força de Ruptura (g)
9,59,08,58,07,57,06,56,0
200
150
100
50
S 13,5481
R-Sq 82,8%
R-Sq(adj) 82,1%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Ruptura (g) = - 157,8 + 35,18 Deformabilidade (cm)
Força de Penetração (g)
Dureza (g)
100009000800070006000500040003000
1000
900
800
700
600
500
400
300
S 49,5363
R-Sq 83,8%
R-Sq(adj) 83,0%
Regression
95% C I
95% PI
Dureza (g) = 270,7 + 0,06331 Força de Penetração (g)
62
Força de Ruptura (g)
Dureza (g)
1751501251007550
1000
900
800
700
600
500
400
S 43,1214
R-Sq 87,7%
R-Sq(adj) 87,1%
Regression
95% C I
95% PI
Dureza (g) = 247,1 + 3,519 Força de Ruptura (g)
Força de Ruptura (g)
Força de Penetração (g)
1751501251007550
11000
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
S 370,911
R-Sq 95,6%
R-Sq(adj) 95,4%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = - 75,8 + 53,13 Força de Ruptura (g)
Figura 36: Representação gráfica da interação entre as propriedades reológicas
utilizando-se a análise de regressão (Primeiro Estudo).
Para reduzir o desvio padrão encontrado entre as medidas de fluidez e
aumentar a correlação deste parâmetro com os outros parâmetros, buscou-se a
melhoria de alguns procedimentos durante a avaliação desta propriedade. Isto foi
testado no Segundo Estudo da fase preliminar.
O efeito individual de cada componente, proteína isolada de soja, glúten e
amido, nas propriedades reológicas das misturas foi investigado através da análise
de variância (ANOVA)
88
. Nesta etapa foram utilizados os valores médios das três
espécies de amido estudadas, ou seja, não foi verificado o efeito para cada espécie
de amido.
A Tabela
IX
mostra a variação dos parâmetros que pode ser explicada através
da variação dos componentes, R-Sq(adj).
Tabela
IX
: Correlação da variação dos parâmetros reológicos com os componentes
(Primeiro Estudo).
Proteína Isolada de Soja, % Glúten, % Amido, %
Força de Ruptura
77,0 29,7 9,5
Dureza
59,9 32,6 1,4
Deformabilidade
71,5 10,2 23,6
Fluidez
33,1 35,0 0,0
Força de Penetração
82,6 37,0 5,4
63
A proteína isolada de soja foi o componente que apresentou a maior influência
sob as propriedades reológicas. Apenas a fluidez revelou um comportamento
diferente, sofrendo influência praticamente similar da proteína isolada de soja e do
glúten.
Na tentativa de uma melhor visualização do efeito dos outros componentes nas
propriedades reológicas, foram preparadas misturas com maiores proporções de
amido e glúten para a composição das misturas que seriam utilizadas na próxima
etapa (Segundo Estudo). Deve ser salientado que foi utilizado somente o amido de
trigo para este Segundo Estudo.
Os resultados reológicos obtidos (média) para as misturas, modelo Simplex
centróide, utilizadas no Segundo Estudo da fase preliminar estão apresentados na
Tabela
X
.
Tabela
X
: Propriedades reológicas obtidas para as misturas do Segundo Estudo.
Proteína
Isolada de
Soja (%)
Glúten
(%)
Amido
(%)
Fluidez
(g)
Força de
Penetração
(g)
Força de
Ruptura
(g)
Deformabilidade
(cm)
Dureza
(g)
T Referência 0 13,8 86,2
R A 33,33 33,33 33,33
2938 2787 52 5,7 415
I B 20 60 20
1242 1595 24 5,4 202
G C 60 20 20
5157 4869 108 7,8 646
O D 20 20 60
A referência e a mistura D não formaram um gel homogêneo após o
aquecimento. Estes dois pontos apresentaram separação de fases, o que
inviabilizou a utilização de proporções de amido superiores a 60% nas misturas da
Fase Final.
64
4.3.2 Fase Final
Os resultados reológicos obtidos (média) para as misturas, modelo Vértices
extremos, utilizadas na Fase Final estão apresentados na Tabela
XI
.
Tabela
XI
: Propriedades reológicas obtidas para as misturas da Fase Final.
Proteína
Isolada de
Soja (%)
Glúten
(%)
Amido
(%)
Fluidez
(g)
Força de
Penetração
(g)
Força de
Ruptura
(g)
Deformabilidade
(cm)
Dureza
(g)
E1
30 30 40 2868 2898 53 5,3 448
F1
30 50 20
1936 1821 30 5,3 258
G1
50 30 20
3923 2990 65 7,0 449
E2
30 30 40 5095 2582 36 6,6 341
F2
30 50 20
2391 1513 29 5,3 227
G2
50 30 20
4580 3111 58 6,7 394
E3
30 30 40 3802 3011 54 5,2 462
F3
30 50 20
1468 1501 33 4,9
301
G3
50 30 20
4052 3411 72 6,6
493
H
30 70 0 900 1184 16 6,8 119
I
50 50 0 3012 2211 45 7,8 289
J
70 30 0 7137 5019 96 8,9 572
TRIGOMANDIOCAMILHO
Novamente foi investigada a interação entre as propriedades reológicas através
de estudos de correlação linear. Como observado no Primeiro Estudo, todas as
interações que envolviam as propriedades reológicas de deformabilidade e fluidez
apresentaram fraco coeficiente de correlação de Pearson, Tabela
XII
.
Tabela
XII
: Interação entre as propriedades reológicas através de indicadores
estatísticos (Fase Final).
Correlação R-Sq(adj), % C.C.P.
Deformabilidade x Dureza 1,1 0,317
Deformabilidade x Força de ruptura 26,1 0,572
Deformabilidade x Força de penetração 28,5 0,592
Fluidez x Deformabilidade 34,7 0,638
Fluidez x Dureza 59,6 0,795
Fluidez x Força de ruptura 66,5 0,834
Fluidez x Força de penetração 82,5 0,917
Dureza x Força de penetração 84,4 0,927
Dureza x Força de ruptura 86,7 0,938
Força de Ruptura x Força de Penetração 92,3 0,965
65
As maiores interações continuaram sendo entre Dureza x Força de penetração,
Dureza x Força de ruptura e Força de ruptura x Força de penetração, com valores
de coeficiente de determinação ajustado de 84,4%, 86,6% e 92,4% respectivamente.
A Figura 37 apresenta os coeficientes de determinação ajustados e as
equações matemáticas que descrevem a relação entre as variáveis.
Dureza (g)
Deformabilidade (cm)
600500400300200100
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
S 1,20718
R-Sq 10,1%
R-Sq(adj) 1,1%
Regression
95% CI
95% PI
Deformabilidade (cm) = 5,288 + 0,002973 Dureza (g)
Deformabilidade (cm)
Força de Ruptura (g)
98765
125
100
75
50
25
0
S 19,0653
R-Sq 32,8%
R-Sq(adj) 26,1%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Ruptura (g) = - 17,66 + 10,46 Deformabilidade (cm)
Deformabilidade (cm)
Força de Penetração (g)
98765
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
S 895,329
R-Sq 35,0%
R-Sq(adj) 28,5%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = - 681 + 516,1 Deformabilidade (cm)
Deformabilidade (cm)
Fluidez (g)
98765
10000
8000
6000
4000
2000
0
S 1392,08
R-Sq 40,7%
R-Sq(adj) 34,7%
Regression
95% C I
95% PI
Fluidez (g) = - 2333 + 905,2 Deformabilidade (cm)
Dureza (g)
Fluidez (g)
600500400300200100
8000
6000
4000
2000
0
-2000
S 1095,25
R-Sq 63,3%
R-Sq(adj) 59,6%
Regression
95% C I
95% PI
Fluidez (g) = - 405,1 + 10,57 Dureza (g)
Força de Ruptura (g)
Fluidez (g)
100908070605040302010
10000
8000
6000
4000
2000
0
S 997,074
R-Sq 69,6%
R-Sq(adj) 66,5%
Regression
95% C I
95% PI
Fluidez (g) = 259,7 + 64,82 Força de Ruptura (g)
66
Força de Penetração (g)
Fluidez (g)
50004000300020001000
10000
8000
6000
4000
2000
0
S 721,176
R-Sq 84,1%
R-Sq(adj) 82,5%
Regression
95% C I
95% PI
Fluidez (g) = - 455,5 + 1,492 Força de Penetração (g)
Dureza (g)
Força de Penetração (g)
600500400300200100
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
S 417,784
R-Sq 85,8%
R-Sq(adj) 84,4%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = - 141,2 + 7,569 Dureza (g)
Dureza (g)
Força de Ruptura (g)
600500400300200100
100
80
60
40
20
0
S 8,07706
R-Sq 87,9%
R-Sq(adj) 86,7%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Ruptura (g) = - 9,264 + 0,1604 Dureza (g)
Força de Ruptura (g)
Força de Penetração (g)
100908070605040302010
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
S 293,023
R-Sq 93,0%
R-Sq(adj) 92,3%
Regression
95% C I
95% PI
Força de Penetração (g) = 350,9 + 46,07 Força de Ruptura (g)
Figura 37: Representação gráfica da interação entre as propriedades reológicas
utilizando-se a análise de regressão (Fase Final).
O efeito individual de cada componente nas propriedades reológicas das
misturas foi investigado através da análise de variância (ANOVA). Desta vez foi
verificado o efeito para cada espécie de amido.
A Tabela
XIII
mostra a variação dos parâmetros que pode ser explicada pela
variação dos componentes.
67
Tabela
XIII
: Correlação da variação dos parâmetros reológicos com os componentes
(Fase Final).
Proteína Isolada de Soja, % Glúten, % Amido de Trigo, %
Força de Ruptura
61,9 53,4 0,0
Dureza
16,3 86,8 0,0
Deformabilidade
69,5 0,0 38,7
Fluidez
83,0 24,2 0,0
Força de Penetração
65,9 44,2 0,0
Proteína Isolada de Soja, % Glúten, % Amido de Mandioca, %
Força de Ruptura
87,7 16,5 0,0
Dureza
57,9 56,4 0,0
Deformabilidade
56,7 0,0 28,5
Fluidez
29,9 73,7 0,0
Força de Penetração
74,0 37,8 0,0
Proteína Isolada de Soja, % Glúten, % Amido de Milho, %
Força de Ruptura
55,1 60,4 0,0
Dureza
4,2 92,2 0,0
Deformabilidade
59,5 0,0 47,4
Fluidez
64,4 45,4 0,0
Força de Penetração
56,0 57,9 0,0
De uma maneira geral, o aumento da concentração de proteína isolada de soja
na mistura afeta diretamente os resultados das propriedades reológicas, já a adição
de glúten afeta inversamente as mesmas propriedades. Maiores proporções de
amido não afetam significantemente os resultados das propriedades reológicas.
A deformabilidade apresentou comportamento diferente, sendo que o aumento
da concentração de glúten não influenciou significantemente estes resultados,
porém o aumento da concentração de amido afetou inversamente os resultados. O
amido de milho foi o que mais contribuiu para este efeito.
Apesar da concentração de amido não afetar diretamente a maioria das
propriedades estudadas, a espécie de amido altera fortemente a influência dos
outros componentes. A presença de amido de milho nas misturas faz com que a
influência do glúten seja maior do que a da proteína isolada de soja na força de
ruptura e na força de penetração: 60,4% e 57,8%, respectivamente. Já a presença
do amido de milho e trigo diminui a influência da proteína isolada de soja na dureza:
4,2% e 16,3%, respectivamente. A fluidez tem a influência do glúten drasticamente
potencializada pela presença do amido de mandioca nas misturas: 73,7%.
68
As diferentes proporções dos três componentes e espécies de amido foram
também avaliadas utilizando-se o boxplot, ou gráfico de caixa, uma ferramenta
exploratória de dados, Figuras 38, 39, 40, 41 e 42.
Nestes gráficos, está evidenciada a localização e dispersão do conjunto de
dados. A localização é representada pela mediana (linha que corta a caixa) e a
dispersão pode ser visualizada pelo valor mínimo, 1
°
quartil, 3
°
quartil e valor
máximo
88
.
Misturas contendo amido de trigo
Misturas contendo amido de mandioca
Misturas contendo amido de milho
Mistura com 30% de PIS e 70% de glúten
Mistura com 50% de PIS e 50% de glúten
Mistura com 70% de PIS e 30% de glúten
Misturas
Fluidez (Kg)
JIHG3G2G1F3F2F1E3E2E1
7
6
5
4
3
2
1
Figura 38: Gráfico de fluidez em função do tipo de mistura.
69
Misturas
Deformabilidade (cm)
JIHG3G2G1F3F2F1E3E2E1
9
8
7
6
5
Figura 39: Gráfico de deformabilidade em função do tipo de mistura.
Misturas
Força de Penetração (g)
JIHG3G2G1F3F2F1E3E2E1
5000
4000
3000
2000
1000
Figura 40: Gráfico de força de penetração em função do tipo de mistura.
70
Misturas
Força de Ruptura (g)
JIHG3G2G1F3F2F1E3E2E1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Figura 41: Gráfico de força de ruptura em função do tipo de mistura.
Misturas
Dureza (g)
JIHG3G2G1F3F2F1E3E2E1
600
500
400
300
200
100
Figura 42: Gráfico de dureza em função do tipo de mistura.
71
Os gráficos de força de penetração, força de ruptura e dureza apresentaram
comportamento similar.
Houve uma maior distribuição dos valores para cada mistura nas avaliações de
deformabilidade e fluidez, evidenciado através da dispersão do conjunto de dados
apresentado no gráfico de caixa. O maior valor de desvio padrão observado entre as
repetições para cada propriedade analisada foi de 357 para fluidez, 0,4 para
deformabilidade, 123,7 para força de penetração, 3,6 para força de ruptura e 10,6
para dureza.
Quando avaliada somente a relação proteína isolada de soja e glúten, misturas
H, I e J, percebe-se nitidamente a influência da proteína isolada de soja nas
propriedades reológicas. O acréscimo de proteína isolada de soja na mistura
aumenta consideravelmente o valor obtido. Quanto as diferentes espécies de
amidos, pode-se afirmar que os amidos de trigo e de milho apresentaram
comportamento similar. O amido de mandioca quando comparado as outras duas
espécies, apresentou propriedades reológicas inferiores.
Na busca do modelo que melhor se ajusta ao problema estudado, foi
necessária a realização dos cálculos dos coeficientes, determinação do erro padrão
de cada coeficiente e a análise de variância (ANOVA). Primeiramente foram
aplicados os modelos linear e quadrático. O modelo linear ou modelo aditivo é
representado pela equação
:
y = b
1
C
1
+ b
2
C
2
+ b
3
C
3
(4.1)
A ampliação mais simples do modelo linear é o modelo quadrático,
representado pela equação:
y = b
1
C
1
+ b
2
C
2
+ b
3
C
3
+ b
12
C
1
C
2
+ b
13
C
1
C
3
+ b
23
C
2
C
3
(4.2)
O modelo quadrático contém, além dos termos do modelo aditivo, termos
cruzados que descrevem as interações entre dois componentes. Geralmente o
modelo quadrático consegue reproduzir satisfatoriamente os valores da resposta nos
vértices e nas arestas do triângulo de concentrações, que representam
respectivamente os componentes puros e suas misturas binárias
48
.
72
O modelo quadrático de uma mistura pode ser expresso por:
(4.3)
Para aplicar o cálculo matricial, precisa-se compor uma matriz principal (X) que
tenha colunas necessárias para se proceder à estimativa dos termos
β
ij
χ
i
χ
j
. Para
tanto, basta que as colunas respectivas sejam multiplicadas termo a termo
51
.
Considerando-se,
C
1
= proteína isolada de soja,
C
2
= glúten e
C
3
= amido e as
proporções sugeridas pelo modelo Vértices extremos pode-se observar a
contribuição de cada componente na Tabela
XIV
.
Tabela
XIV
: Contribuição de cada componente de acordo com a mistura utilizada.
C
1
C
2
C
3
C
1
* C
2
C
1
* C
3
C
2
* C
3
0,3 0,3 0,4 0,09 0,12 0,12
0,3 0,5 0,2 0,15 0,06 0,10
0,5 0,3 0,2 0,15 0,10 0,06
0,3 0,7 0,0 0,21 0,00 0,00
0,5 0,5 0,0 0,25 0,00 0,00
0,7 0,3 0,0 0,21 0,00 0,00
Através do Minitab
, foram obtidos os valores de coeficiente de determinação
ajustado para os modelos lineares e quadráticos aplicados em cada propriedade,
Tabela
XV
. Este parâmetro é frequentemente utilizado para julgar a adequação de
um modelo de regressão, ou seja, especifica a proporção de variabilidade nos
valores de resposta que é expressa pelo modelo
87
.
O valor máximo de R-Sq(adj) é 100%, e o mesmo somente ocorrerá se não
houver resíduo nenhum e portanto toda a variação em torno da média for explicada
pelo modelo de regressão. Quanto mais próximo de 100% estiver o valor de
R-Sq(adj), melhor terá sido o ajuste do modelo para as respostas observadas
48
.
73
Tabela
XV
: Valores de R-Sq (adj) para os modelos de regressão.
Modelo Fluidez
Força de
Penetração
Força de
Ruptura
Deformabilidade Dureza
Linear
91,4 85,8 95,5 88,3 96,1
Quadrático
97,6 99,3 99,0 89,1 99,6
Linear
88,3 89,8 95,3 63,8 95,5
Quadrático
97,3 99,0 98,5 87,8 99,7
Linear
89,5 90,3 97,0 85,5 97,4
Quadrático
98,6 99,6 99,0 91,5 99,6
Milho
Propriedades reológicas, R-Sq(adj), %
Trigo
Mandioca
Para o experimento envolvendo misturas aqui apresentado, o modelo
quadrático pode ser considerado o melhor, pois apresentou os maiores valores de
coeficiente de determinação ajustado.
Aplicando-se o modelo quadrático foram obtidas as equações de (4.4) a (4.8)
para o amido de trigo, (4.9) a (4.13) para o amido de mandioca e (4.14) a (4.18) para
o amido de milho.
Os números entre parênteses nas equações são estimativas dos erros padrão
dos coeficientes
52
. Estes valores são obtidos através do desvio padrão dos
resíduos
87
.
Amido de Trigo:
Fluidez = 17099C
1
+ 1506C
2
+ 6588C
3
- 25163C
1
C
2
- 27000C
1
C
3
+ 1300C
2
C
3
(4.4)
(±1586) (±1586) (±3354) (±6853) (±6853) (±6853)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 9507C
3
- 22262C
1
C
2
- 24213C
1
C
3
- 5513C
2
C
3
(4.5)
(±542) (±542) (±1146) (±2342) (±2342) (±2342)
F. Ruptura = 211C
1
+ 12C
2
+ 130C
3
– 265C
1
C
2
– 248C
1
C
3
– 103C
2
C
3
(4.6)
(±13) (±13) (±28) (±57) (±57) (±57)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 8C
3
– 1C
1
C
2
– 3C
1
C
3
– 19C
2
C
3
(4.7)
(±2) (±2) (±5) (±10) (±10) (±10)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 1117C
3
– 1425C
1
C
2
– 1519C
1
C
3
– 631C
2
C
3
(4.8)
(±52) (±52) (±110) (±225) (±225) (±225)
74
Amido de Mandioca:
Fluidez = 17099C
1
+ 1506C
2
+ 20514C
3
- 25163C
1
C
2
- 38400C
1
C
3
- 15163C
2
C
3
(4.9)
(±1763) (±1763) (±3728) (±7616) (±7616) (±7616)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 7739C
3
- 22262C
1
C
2
- 17225C
1
C
3
- 9250C
2
C
3
(4.10)
(±658) (±658) (±1392) (±2844) (±2844) (±2844)
F. Ruptura = 211C
1
+ 12C
2
+ 19C
3
– 265C
1
C
2
– 190C
1
C
3
+ 68C
2
C
3
(4.11)
(±17) (±17) (±35) (±72) (±72) (±72)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 23C
3
– 1C
1
C
2
– 26C
1
C
3
– 35C
2
C
3
(4.12)
(±2) (±2) (±4) (±9) (±9) (±9)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 705C
3
– 1425C
1
C
2
– 1575C
1
C
3
– 88C
2
C
3
(4.13)
(±39) (±39) (±83) (±169) (±169) (±169)
Amido de Milho:
Fluidez = 17099C
1
+ 1506C
2
+ 18466C
3
- 25163C
1
C
2
- 35438C
1
C
3
- 22075C
2
C
3
(4.14)
(±1249) (±1249) (±2640) (±5395) (±5395) (±5395)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 9874C
3
- 22263C
1
C
2
- 15106C
1
C
3
- 14906C
2
C
3
(4.15)
(±403) (±403) (±851) (±1740) (±1740) (±1740)
F. Ruptura = 211C
1
+ 12C
2
+ 58C
3
– 265C
1
C
2
– 65C
1
C
3
- 40C
2
C
3
(4.16)
(±14) (±14) (±29) (±59) (±59) (±59)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 13C
3
– 1C
1
C
2
– 11C
1
C
3
– 28C
2
C
3
(4.17)
(±2) (±2) (±4) (±9) (±9) (±9)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 614C
3
– 1425C
1
C
2
– 600C
1
C
3
+ 250C
2
C
3
(4.18)
(±51) (±51) (±108) (±220) (±220) (±220)
Alguns coeficientes das equações apresentaram seus valores inferiores aos
seus respectivos erros padrão (em vermelho nas equações). Pode-se adotar,
portanto, as equações simplificadas de (4.19) a (4.23) para o amido de trigo, (4.24) a
(4.28) para o amido de mandioca e (4.29) a (4.33) para o amido de milho.
75
Amido de Trigo:
Fluidez = 17099C
1
+ 6588C
3
- 25163C
1
C
2
- 27000C
1
C
3
(4.19)
(±1586) (±3354) (±6853) (±6853)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 9507C
3
- 22262C
1
C
2
- 24213C
1
C
3
- 5513C
2
C
3
(4.20)
(±542) (±542) (±1146) (±2342) (±2342) (±2342)
F. Ruptura = 211C
1
+ 130C
3
– 265C
1
C
2
– 248C
1
C
3
– 103C
2
C
3
(4.21)
(±13) (±13) (±57) (±57) (±57)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 8C
3
– 19C
2
C
3
(4.22)
(±2) (±2) (±5) (±10)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 1117C
3
– 1425C
1
C
2
– 1519C
1
C
3
– 631C
2
C
3
(4.23)
(±52) (±52) (±110) (±225) (±225) (±225)
Amido de Mandioca:
Fluidez = 17099C
1
+ 20514C
3
- 25163C
1
C
2
- 38400C
1
C
3
- 15163C
2
C
3
(4.24)
(±1763) (±3728) (±7616) (±7616) (±7616)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 7739C
3
- 22262C
1
C
2
- 17225C
1
C
3
- 9250C
2
C
3
(4.25)
(±658) (±658) (±1392) (±2844) (±2844) (±2844)
F. Ruptura = 211C
1
– 265C
1
C
2
– 190C
1
C
3
(4.26)
(±17) (±72) (±72)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 23C
3
– 26C
1
C
3
– 35C
2
C
3
(4.27)
(±2) (±2) (±4) (±9) (±9)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 705C
3
– 1425C
1
C
2
– 1575C
1
C
3
(4.28)
(±39) (±39) (±83) (±169) (±169)
Amido de Milho:
Fluidez = 17099C
1
+ 1506C
2
+ 18466C
3
- 25163C
1
C
2
- 35438C
1
C
3
- 22075C
2
C
3
(4.29)
(±1249) (±1249) (±2640) (±5395) (±5395) (±5395)
F. Penetração = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 9874C
3
- 22263C
1
C
2
- 15106C
1
C
3
- 14906C
2
C
3
(4.30)
(±403) (±403) (±851) (±1740) (±1740) (±1740)
76
F. Ruptura = 211C
1
+ 58C
3
– 265C
1
C
2
– 65C
1
C
3
(4.31)
(±14) (±29) (±59) (±59)
Deformabilidade = 11C
1
+ 5C
2
+ 13C
3
– 11C
1
C
3
– 28C
2
C
3
(4.32)
(±2) (±2) (±4) (±9) (±9)
Dureza = 1211C
1
+ 78C
2
+ 614C
3
– 1425C
1
C
2
– 600C
1
C
3
+ 250C
2
C
3
(4.33)
(±51) (±51) (±108) (±220) (±220) (±220)
Uma maneira mais segura de verificar se as equações expressas pelo modelo
quadrático podem ser utilizadas é determinar novas respostas para misturas que
não foram usadas na modelagem e comparar os resultados observados com os
valores previstos
48
. Assim, foi realizado um novo ensaio chamado mistura-teste com
43,33% proteína isolada de soja, 43,33% glúten e 13,33% amido.
Na Tabela
XVI
são apresentados os valores preditos pelas equações do
modelo quadrático e os valores experimentais obtidos.
Tabela
XVI
: Valores preditos pelo modelo quadrático e valores experimentais.
Fluidez
(g)
Força de
Penetração (g)
Força de
Ruptura (g)
Deformabilidade
(cm)
Dureza
(g)
Resultado
Predito
2047 2146 39,2 6,9 316
Resultado
Experimental
2569 2498 45,0 6,4 351
Resultado
Predito
2372 2098 31,2 6,5 294
Resultado
Experimental
3612 2475 45,7 6,2 322
Resultado
Predito
2533 2177 45,8 6,5 351
Resultado
Experimental
2814 2459 45,7 6,0 326
TRIGOMANDIOCAMILHO
Somente os valores encontrados experimentalmente, considerando o desvio
padrão, para as propriedades de fluidez e força de ruptura utilizando amido de milho
e deformabilidade utilizando amido de mandioca, confirmaram os valores preditos
pelas equações obtidas através do modelo quadrático.
77
Como a mistura teste é exatamente uma mistura dos três componentes que se
posiciona no centro da região do simplex, foi possível construir um planejamento
experimental mais complexo do que o anterior, o Simplex centróide, Figura 43.
Amido
0
40
Glúten
70
30
PIS
70
30
Figura 43: Planejamento experimental do tipo Simplex centróide realizado na Fase
Final.
A introdução deste termo torna possível chegar-se à expressão do modelo
cúbico especial, que possui apenas um termo a mais do que o modelo quadrático e
é representado pela equação:
y = b
1
C
1
+ b
2
C
2
+ b
3
C
3
+ b
12
C
1
C
2
+ b
13
C
1
C
3
+ b
23
C
2
C
3
+ b
123
C
1
C
2
C
3
(4.34)
Os efeitos não aditivos envolvendo a presença simultânea dos três
componentes podem ser importantes para descrever melhor a resposta das
misturas
48
.
A seguir são apresentadas as equações contendo os coeficientes dos termos
estatisticamente significativos do modelo cúbico especial.
78
Fluidez:
Amido de trigo = 17099C
1
+ 1506C
2
- 25163C
1
C
2
(4.35)
(±1482) (±1482) (±6402)
Amido de mandioca = 17099C
1
+ 44594C
3
- 25163C
1
C
2
- 118669C
1
C
3
- 95431C
2
C
3
(4.36)
(±1673) (±13189) (±7229) (±41273) (±41273)
+ 267562C
1
C
2
C
3
(±127158)
Amido de milho = 17099C
1
+ 1506C
2
+ 31279C
3
- 25163C
1
C
2
- 78145C
1
C
3
(4.37)
(±1245) (±1245) (±9817) (±5381) (±30720)
- 64783C
2
C
3
+ 142359C
1
C
2
C
3
(±30720) (±94645)
Força de Penetração:
Amido de trigo = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 24260C
3
- 22262C
1
C
2
- 73389C
1
C
3
(4.38)
(±531) (±531) (±4187) (±2295) (±13103)
- 54689C
2
C
3
+ 163922C
1
C
2
C
3
(±13103) (±40369)
Amido de mandioca= 12570C
1
+ 2983C
2
+ 23437C
3
- 22262C
1
C
2
- 69552C
1
C
3
(4.39)
(±621) (±621) (±4896) (±2683) (±15322)
- 61577C
2
C
3
+ 174422C
1
C
2
C
3
(±15322) (±47206)
Amido de milho = 12570C
1
+ 2983C
2
+ 21936C
3
- 22262C
1
C
2
- 55311C
1
C
3
(4.40)
(±372) (±372) (±2938) (±1610) (±9195)
- 55111C
2
C
3
+ 134016C
1
C
2
C
3
(±9195) (±28330)
Força de Ruptura:
Amido de trigo = 211C
1
+ 168C
3
– 265C
1
C
2
– 374C
1
C
3
(4.41)
(±13) (±109) (±60) (±343)
Amido de mandioca = 211C
1
+ 145C
2
– 265C
1
C
2
– 610C
1
C
3
+ 1401C
1
C
2
C
3
(4.42)
(±15) (±124) (±68) (±390) (±1203)
Amido de milho = 211C
1
– 265C
1
C
2
+ 330C
2
C
3
- 1233C
1
C
2
C
3
(4.43)
(±12) (±55) (±317) (±978)
79
Deformabilidade:
Amido de trigo = 11C
1
+ 5C
2
(4.44)
(±2) (±2)
Amido de mandioca = 11C
1
+ 5C
2
+ 18C
3
(4.45)
(±2) (±2) (±16)
Amido de milho = 11C
1
+ 5C
2
(4.46)
(±2) (±2)
Dureza:
Amido de trigo = 1211C
1
+ 79C
2
+ 2448C
3
– 1425C
1
C
2
– 5955C
1
C
3
– 5068C
2
C
3
(4.47)
(±59) (±59) (±468) (±256) (±1466) (±1466)
+ 14789C
1
C
2
C
3
(±4517)
Amido de mandioca = 1211C
1
+ 79C
2
+ 1953C
3
– 1425C
1
C
2
– 5737C
1
C
3
– 4250C
2
C
3
(4.48)
(±37) (±37) (±298) (±163) (±933) (±933)
+ 13875C
1
C
2
C
3
(±2876)
Amido de milho = 1211C
1
+ 78C
2
- 422C
3
– 1425C
1
C
2
+ 2852C
1
C
3
+ 3702C
2
C
3
(4.49)
(±51) (±51) (±403) (±221) (±1263) (±1263)
- 11508C
1
C
2
C
3
(±3892)
Para o parâmetro fluidez, utilizando amido de trigo, o modelo indica que a
presença da proteína isolada de soja e do glúten na mistura resultam em respostas
mais intensas. O amido de trigo não aparece na equação e, portanto, não contribui
para aumentar o sinal, embora possa ser importante para determinar outros
parâmetros. A proteína isolada de soja tem uma interação antagônica com o glúten.
Isto quer dizer que a presença simultânea dos dois componentes na mistura produz
sinais mais fracos do que se poderia esperar com um modelo aditivo. Já para a
fluidez utilizando o amido de milho, as contribuições de todos os termos (linear,
quadrático e cúbico) são significativas e devem ser consideradas. O amido de
mandioca não sofre contribuição do componente puro glúten.
80
Para um melhor entendimento destas equações podem-se utilizar as curvas de
níveis que fornecem uma visão bi-dimensional onde todos os pontos que
apresentam a mesma resposta são conectados para produzir curvas de níveis de
respostas constantes
88
. As curvas de nível correspondentes à propriedade de fluidez
são apresentadas na Figura 44.
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de trigo
40
0
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de mandioca
40
0
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de milho
40
0
>
–
–
–
–
–
–
<
1000
1000 2000
2000 3000
3000 4000
4000 5000
5000 6000
6000 7000
7000
Fluidez, g
Figura 44: Curvas de nível da fluidez, modelo quadrático para o amido de trigo e
modelo cúbico especial para a mandioca e o milho.
Os maiores valores de fluidez são obtidos na direção do vértice superior, o que
corresponde a misturas com predomínio de proteína isolada de soja. Pode-se
observar a influência da espécie de amido, ou seja, menores resultados são obtidos
com a presença de amido de trigo, seguido pelo amido de milho e por último o amido
de mandioca.
O modelo cúbico foi muito adequado para o parâmetro força de penetração.
Nas três espécies de amido estudadas os termos lineares apresentaram efeito
sinérgico, os quadráticos efeito antagônico e o cúbico sinérgico. As magnitudes dos
coeficientes apresentados para os três termos puros indicam que o termo amido é o
que mais influencia devido ao seu maior valor.
81
Os três amidos apresentaram comportamentos diferentes quanto à força de
ruptura. As misturas contendo os amidos de mandioca e milho não sofrem efeito
direto dos mesmos, porém através do modelo cúbico ficou evidenciada a interação
com os outros componentes. Entretanto, o amido de trigo não sofre influência linear
do glúten, demonstrada pelo modelo quadrático.
O modelo linear foi satisfatório para o parâmetro deformabilidade. Somente o
amido de mandioca aparece nas equações. Os amidos de trigo e milho não
contribuem significativamente para este parâmetro.
Igualmente ao parâmetro de penetração, o modelo cúbico foi muito adequado
para o parâmetro dureza. Nas três espécies de amido estudadas os termos lineares
apresentaram efeito sinérgico, os quadráticos efeito antagônico e o cúbico efeito
sinérgico.
As curvas de nível correspondentes são mostradas na Figura 45.
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de trigo
40
0
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de mandioca
40
0
Proteína isolada de soja
30
70
Glúten
70
30
Amido de milho
40
0
>
–
–
–
<
200
200 300
300 400
400 500
500
Dureza, g
Figura 45: Curvas de nível da dureza, modelo cúbico especial para as três espécies
de amido.
82
Os maiores valores de dureza são obtidos na direção do vértice superior, o
mesmo comportamento observado no parâmetro de fluidez. A presença de amido de
mandioca resulta em resultados inferiores quando comparados aos amidos de trigo
e milho.
83
5 DISCUSSÕES GERAIS
A caracterização da proteína isolada de soja utilizando-se microscopia
eletrônica de varredura evidenciou seu aspecto morfológico típico de proteína
globular. A análise de distribuição de tamanho de partícula obtida por espectroscopia
de difração a laser revelou maior polidispersão quando comparada aos outros
componentes estudados neste trabalho. Já a caracterização do glúten revelou uma
morfologia aleatória e não específica. Contudo, os maiores valores de superfície e
volume médios de partículas entre todos os componentes foram obtidos para o
glúten.
A denaturação e a capacidade de gelatinização da proteína isolada de soja
foram confirmadas através do baixo valor de energia de entalpia apresentada no
DSC e do comportamento reológico apresentado no viscosímetro do tipo RVA. Esta
elevada capacidade de gelatinização da proteína isolada de soja pode estar
associada a sua estrutura que propicia ligações de hidrogênio, ligações dissulfeto,
outras ligações covalentes, pontes salinas e interações hidrofóbicas e eletrostáticas.
Com relação ao glúten, o maior percentual de resíduos de prolina e hidroxiprolina e
a elevada massa molecular apresentada pela fração glutenina podem explicar a sua
inferior capacidade de gelatinização quando comparada com a proteína isolada de
soja e até mesmo com as diferentes espécies de amido estudados.
A caracterização do amido demonstrou a influência da origem botânica em
todas as propriedades avaliadas neste trabalho. A observação dos grânulos de
amido através da microscopia eletrônica de varredura confirmou os aspectos
morfológicos descritos na literatura. Quando comparado com a proteína isolada de
soja e o glúten, os grânulos de amido apresentaram menor polidispersão, superfície
e volume médios das partículas. Dentre os amidos, o amido de milho apresentou a
menor polidispersão e a maior área superficial média, provavelmente devido ao
formato do grânulo, enquanto maior volume médio foi atribuído ao amido de trigo.
O amido de milho demonstrou maior resistência ao processo de gelatinização
do que o amido de trigo e mandioca, apresentando perda inicial de birrefringência,
intumescimento e ruptura dos grânulos em temperaturas mais elevadas quando
observados através do poder de intumescimento e da microscopia óptica utilizando
luz polarizada. Este comportamento foi confirmado através do alto valor de energia
de entalpia e as altas temperaturas apresentadas no DSC. Todas estas observações
84
indicam um alto nível de cristalinidade para o amido de milho, porém, pela literatura,
os maiores teores de amilopectina, responsável pela cristalinidade, são esperados
para a mandioca. No entanto, os valores quase insignificantes de amido danificado
determinados no amido de milho indicaram a ausência de fragmentos de grânulos
capazes de aumentar a absorção de água e diminuir a birrefringência do sistema.
A afirmação de que amidos de tubérculos gelatinizam em temperaturas mais
baixas do que amidos de cereais foi comprovada através das curvas de viscosidade
obtidas, onde o amido de mandioca gelatinizou em temperaturas muito inferiores
quando comparado ao amido de trigo e milho.
Os resultados obtidos no DSC revelaram que o amido de trigo inicia seu
processo de gelatinização em temperaturas muito similares à proteína isolada de
soja e glúten.
Os estudos realizados na Fase Preliminar utilizando misturas contendo
diferentes proporções dos três componentes foram decisivos para a investigação
inicial da interação entre as propriedades reológicas avaliadas, do efeito individual
de cada componente, mas principalmente para delimitar os limites superiores e
inferiores de cada componente que foram utilizados na Fase Final deste trabalho.
Os dados obtidos na Fase Final revelaram uma forte interação entre as
propriedades reológicas de força de penetração, dureza e força de ruptura.
De maneira geral, o aumento da concentração de proteína isolada de soja na
mistura influenciou diretamente os resultados das propriedades reológicas. Este fato
pode estar associado à sua elevada capacidade de gelatinização elucidada neste
trabalho durante a caracterização deste componente. Por outro lado, o glúten
influenciou inversamente as mesmas propriedades enquanto que a contribuição do
amido foi nula. Apenas a deformabilidade apresentou comportamento diferente,
onde o aumento da concentração de amido, em destaque o amido de milho, afetou
inversamente os resultados.
Apesar da concentração de amido não ter afetado diretamente a maioria das
propriedades reológicas estudadas, a presença do amido de milho nas misturas fez
com que a influência do glúten fosse maior do que a da proteína isolada de soja na
força de ruptura, dureza e força de penetração. A baixa quantidade de amido
danificado e a alta cristalinidade indicada pelo amido de milho durante sua
caracterização podem ser os responsáveis por estas observações. Já a fluidez teve
85
a influência do glúten drasticamente potencializada pela presença do amido de
mandioca.
Com a região de estudo da Fase Final representada por um simplex do tipo
Vértices extremos, foi possível através do Minitab
aplicar os modelos de ajuste
linear e quadrático, onde o modelo quadrático foi considerado o mais adequado de
acordo com a análise de variância. As equações polinomiais foram determinadas
para cada propriedade reológica, simplificadas através da estimativa do erro padrão
dos componentes e testadas com a utilização de uma nova mistura. Apenas três
resultados experimentais confirmaram os valores preditos pelas equações do
modelo quadrático, inviabilizando sua utilização.
A nova mistura foi então incluída na região de estudo, possibilitando a
representação por um simplex do tipo Simplex centróide e aplicação do modelo de
ajuste cúbico especial. As equações polinomiais foram recalculadas para cada
propriedade reológica e novamente simplificadas. A utilização do modelo cúbico
especial considerou o efeito não aditivo envolvido na presença dos três
componentes da mistura, resultando em equações que melhor descrevem as
respostas das misturas.
Observa-se um grande potencial de utilização destas equações pela indústria
alimentícia pois torna possível prever as propriedades reológicas resultantes da
mistura a partir da concentração dos componentes. Isto permite uma otimização
substancial no esforço e recursos gastos.
86
6 CONCLUSÕES
A microscopia eletrônica de varredura evidenciou a morfologia típica e a
dispersão do tamanho de partícula de cada macromolécula.
A análise de distribuição de tamanho de partícula por espectroscopia de
difração a laser indicou a uniformidade, a superfície média e o volume médio das
partículas dos componentes.
A calorimetria diferencial de varredura revelou os fenômenos endotérmicos
associados à denaturação das proteínas e à gelatinização do amido.
A viscosimetria complementou os comportamentos observados através do
DSC, denaturação e gelatinização. Para os amidos, ainda foi possível observar o
intumescimento dos grânulos e o fenômeno de retrogradação.
A microscopia óptica sob luz polarizada exibiu a birrefringência,
intumescimento, ruptura e gelatinização dos grânulos de amido.
A análise do poder de intumescimento proporcionou informação sobre a
absorção de água pelos grânulos de amido.
Os dados obtidos na Fase Final revelaram uma forte interação entre as
propriedades reológicas de força de penetração, dureza e força de ruptura.
O aumento da concentração de proteína isolada de soja nas misturas
influenciou diretamente os resultados das propriedades reológicas. O glúten
influenciou inversamente as mesmas propriedades enquanto que a contribuição do
amido foi nula, com exceção da deformabilidade, onde o amido afetou inversamente
os resultados e o glúten não contribuiu.
A espécie de amido altera fortemente a influência dos outros componentes.
A representação das misturas através do Simplex centróide e aplicação do
modelo de ajuste cúbico especial resultou em equações que melhor descreveram as
respostas das misturas.
Há um grande potencial de utilização destas equações pela indústria
alimentícia pois torna possível prever as propriedades reológicas resultantes da
mistura a partir da concentração dos componentes.
87
7 PERSPECTIVAS FUTURAS
Verificação das equações expressas pelo modelo cúbico especial utilizando
uma nova mistura e comparação dos resultados observados com os valores
previstos.
Melhor entendimento da influência indireta da fonte botânica do amido sob as
propriedades reológicas das misturas.
Determinação das frações 7S/11S (proteína isolada de soja), gliadina/glutenina
(glúten) e amilose/amilopectina (amido).
88
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Gutiérrez J. A. F.; Martinez E. S. M.; Bustos F. M.; Orea A. C.; Starch, 2004, 56, 190.
2. Day L.; Augustin M. A.; Batey I. L.; Wrigley C. W.; Food Science & Technology, 2006,
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4. Kearns J. P.; Rokey G. J.; Huber G. R.; Extrusion of Texturized Proteins, 2000,
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