Obtenção de concentrado proteico do farelo de arroz e avaliação das propriedades químicas e funcionais - Bernardi, Silvia (Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2016)
Esta dissertação é composta por 5 artigos. === CNPq === INTRODUÇÃO E OBJETIVOS: O arroz é um dos cereais mais consumidos no mundo e durante o seu beneficiamento, obtém-se o farelo que representa cerca de 8% do peso total do grão. O farelo de arroz desengordurado contém aproximadamente 15% de proteínas de alto valor nutricional. As técnicas de extração permitem além de extrair, selecionar e separar e determinadas substâncias. A extração das proteínas do farelo de arroz em meio alcalino é muito utilizada porque neste pH sua solubilidade é máxima e há a ruptura das paredes celulares. Podem ser usados métodos mecânicos e não mecânicos. A agitação mecânica com a movimentação de líquidos por meio de impulsores giratórios auxilia no rompimento das paredes celulares durante processos de extração. A extração assistida por ultrassom (EAU) utiliza frequências acima de 20 kHz para gerar cavitação em meios líquidos, que nada mais é que o colapso de microbolhas de gás e vapor que ocorre quando as mudanças de pressão no meio são grandes o suficiente, para literalmente dilacerá-lo sob a influência do ultrassom. Com este colapso, há o rompimento celular e a transferência de massa para o meio. Um concentrado de proteína do farelo de arroz (CPFA) deve ter boa solubilidade, propriedades funcionais apropriadas, características organolépticas aceitáveis para serem utilizados como um ingrediente alimentar, e possuir aminoácidos essenciais. Os objetivos deste trabalho foram avaliar os efeitos do pH, temperatura, velocidade da agitação, tempo de agitação, tempo em banho ultrassônico e amplitude da potência na extração das proteínas do farelo de arroz, além de analisar a cor, funcionalidade do CPFA (capacidade de absorção de água e óleo, formação de espuma, estabilidade da espuma, capacidade emulsificante, estabilidade da emulsão e formação de gel), solubilidade, perfil de aminoácidos e sua aceitabilidade quando aplicado em suco de caju. MÉTODOS ─ Verificou-se o rendimento proteico em três tipos de extração alcalina: agitação, banho ultrassônico a 37 kHz e banho ultrassônico a 80 kHz. Numa primeira etapa, aplicou-se o planejamento fatorial fracionário 24-1 (com dois níveis, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios, tendo como variáveis independentes para a extração com agitação: pH, tempo de agitação (min), velocidade da agitação (rpm) e temperatura (ºC), e para a extração em banho de ultrassom (37 e 80 kHz): pH, tempo de ultrassom (min), temperatura (ºC) e amplitude da potência (%). Na segunda etapa, as variáveis com efeitos significativos (p < 0,05) de cada tipo de extração foram submetidas ao Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 22 (quatro pontos axiais, três repetições no ponto central), totalizando 11 ensaios. As variáveis dependentes, resposta experimental e predita, foram expressas em g.100 mL-1 de extrato ± desvio padrão médio. Os efeitos foram validados pela Análise de Variância, por meio do software Statistica 8.0, sendo considerada a melhor condição de extração aquela com maior teor proteico e desta, obtido o concentrado. O teor de proteína bruta foi determinado por Kjeldahl e multiplicado por 5,95, e o rendimento, razão do conteúdo total da proteína no farelo de arroz pelo encontrado no CPFA. A cor do concentrado extraído por agitação e por ultrassom foi verificada por colorimetria instrumental e deste último método de extração, determinou-se a composição centesimal (%), minerais (µg.g-1), proteínas solúveis (%), capacidade de absorção de água e óleo (g de água.g-1 de amostra; g de óleo.g-1 de amostra), capacidade de formação de espuma (%), estabilidade da espuma (%), capacidade emulsificante (%), estabilidade da emulsão (%) e capacidade de formar gel, perfil de aminoácidos (g.100 g-1). A aplicabilidade foi verificada por avaliação sensorial de suco de caju (ordenação por preferência e aceitabilidade dos atributos: sabor, cor, aroma e impressão global). PRINCIPAIS RESULTADOS ─ A resposta ótima na extração alcalina com acompanhamento de agitação foi do teor de proteína de 48,53 % (b.s.), em pH 10, velocidade de agitação de 80 rpm, tempo de agitação de 300 min e temperatura de 45 ºC, representando o rendimento de 34,51% na extração. A interação entre as variáveis independentes pH, tempo de agitação e temperatura promoveram efeitos favoráveis para a técnica de extração das proteínas, enquanto que a velocidade de agitação não interfere de modo significativo. O planejamento experimental utilizado foi adequado para estudar os efeitos da associação da agitação mecânica ao processo de extração alcalina das proteínas do farelo de arroz. Nessas condições, o CPFA obtido apresentou forma de pó fino e textura aveludada, com valores de L* de 78,29 ± 0,95, a* -4,97 ± 0,05 e b* 16,51 ± 0,10 para a medida instrumental de cor. Quando se avaliou a extração alcalina associada ao banho ultrassônico, comparou-se o desempenho das frequências de 37 e 80 kHz, comprovou-se que na menor frequência houve maior extração. No ensaio com maior rendimento obteve-se um concentrado proteico com teor de proteína de 83,36% (b.s.), quando utilizado o pH 10, 30 min de ultrassom, 100% de amplitude da potência (30ºC) representando um rendimento de 4,74 % na extração. Portanto, a extração assistida pode ultrassom ser utilizada como um método alternativo para extrair proteínas do farelo de arroz, reduzindo o tempo de extração e consumindo menos energia. A EAU é uma técnica promissora e avançada para a extração de substâncias de interesse alimentar, oferecendo potencial para o desenvolvimento de novos produtos. O CPFA apresentou-se na forma cristalina com valores de L* de 60,42 ± 2,15, a* -1,31 ± 0,53 e b* 20,29 ± 1,39 para a medida instrumental de cor, observou-se menor solubilidade em pH 2, 3, 4 e 5, e maior solubilidade na faixa de pH 6 a 10. A capacidade de absorção de água e de óleo de 1,04 ± 0,07 g.g-1, e 11,75 ± 0,67 g.g-1, respectivamente, superior ao da referência Albumina Bovina Sérica (BSA). A maior quantidade de espuma formada ocorreu em pH 4 e 8 (41,17% ± 2,30; 48,47% ± 1,15) e menor em pH 6 (9,96% ± 0,00), porém a estabilidade das espumas formadas foi baixa em todos os pHs, e em ambos os casos, a BSA apresentou característica espumante superior. CPFA apresentou boa capacidade emulsificante em pH 2, 4, 6 e 8 (56,20% ± 5,39; 66,19% ± 6,57; 67,86% ± 0,19; 72,92% ± 2,95) comparáveis a BSA, mas emulsões menos estáveis em pH 2 (32,50% ± 3,54). Em temperatura de 30 ºC e 8 ºC, o CPFA apresentou baixa capacidade geleificante, com um gel frágil e pouco consistente. O perfil de aminoácidos do CPFA indicou a presença de ácido glutâmico, glicina, histidina, arginina, treonina, valina, metionina, isoleucina, leucina, fenilalanina e lisina, essenciais para a síntese das proteínas. O desempenho sensorial do CPFA foi avaliado em formulações de suco de caju adoçado contendo 0,1%; 0,3% e 0,5% de CPFA e ordenadas de acordo com a preferência de 60 provadores não treinados. Constatou-se que não houve diferença significativa entre as amostras (p > 0,05). Em função deste resultado, um teste de aceitação foi aplicado a 64 provadores não treinados, utilizando uma fórmula de suco de caju adoçado adicionada de 0,5% de CPFA e a Controle (sem CPFA). Verificou-se que houve diferença significativa (p < 0,05) entre as amostras nos atributos cor, sabor, aroma e impressão global. Os provadores gostaram moderadamente do Controle, mas foram indiferentes a fórmula com 0,5% de CPFA, uma vez que acentuou as características sensoriais do arroz ao suco de caju. O CPFA apresentou excelentes propriedades funcionais que o tornam um ingrediente promissor para a indústria alimentícia. === INTRODUCTION AND OBJECTIVES: Rice is the cereal most consumed in the world and during the processing, it is obtained the rice bran which represents 8% of the total weight of the grain. The defatted rice bran contains approximately 15% of protein of high nutritional value. The extraction techniques permit besides to extract, also to select and to separate substances. The extraction of rice bran proteins by alkaline medium is often used because they reach the maximum solubility in the pH and to assist in rupture of cell walls of a food. Mechanical and non-mechanical methods may be used. Mechanical stirring with the movement of liquid through rotating impellers assists in the disruption of the cell walls during extraction processes. The extraction assisted by the ultrasound (EAU) uses frequencies above 20 kHz to generate cavitation in liquids, which is the collapse of microbubbles of gas and vapor that occurs when the pressure changes in the middle are large enough to literally lacerate it under the influence of ultrasound. With this collapse, there is the cell disruption and the mass transfer to the environment. A rice bran protein concentrate (RBPC) should have good solubility, appropriate functional properties, acceptable sensory characteristics to be used as a food ingredient e to have essential amino acids. The objectives of this study were evaluate the effects of pH, temperature, speed of stirring, stirring time, time in ultrasonic bath and amplitude of the power in the extraction of rice bran protein, and analyzing the color, RBPC functionality (water and oil retention capacity, foaming, foam stability, emulsifying capacity, emulsion stability and gel formation), solubility, amino acid profile and its acceptability when applied in cashew juice. METHODS ─ It was verified the protein yield in three types of alkaline extraction: agitation, ultrasonic bath at 37 kHz and ultrasonic bath at 80 kHz. As a first step, it was applied the Fractional Factorial Planning 24-1 (with two levels, three replicates in the central point), totaling 11 trials, with the independent variables for extraction with stirring: pH, agitation time (min), speed stirring (rpm) and temperature (°C) and for the extraction in an ultrasound bath (37 and 80 kHz): pH, ultrasound time (min) temperature (°C) and power range (%). In the second stage, the variables with significant effects (p < 0.05) of each type of extraction were subjected to Design Central Composite Rotational (DCCR) 22 (four axial points, three repetitions at the central point), totaling 11 trials. The dependent variables, the experimental and predicted response were expressed in g.100 mL-1 extract ± average standard deviation. The effects were validated by analysis of variance, using software Statistica 8.0, being considered the best extraction condition one with the highest protein content and thus, obtained the concentrate. The crude protein content was determined by Kjeldahl and multiplied by 5.95. The yield was calculated as the ratio of the total content of protein in rice bran by the one found in the RBPC. The color of the concentrate extracted by stirring and by ultrasound was checked by instrumental colorimetry and from the latter extraction method, it was determined the chemical composition (%), minerals (μg.g-1), soluble protein (%), water and oil retention capacity (g water.g-1 sample; g oil.g-1 sample), foaming capacity (%), foam stability (%), emulsifying capacity (%), stability of emulsion (%), ability to form gel and amino acid profile (g.100 g-1). The applicability was checked by sensory evaluation of cashew juice (preference and acceptability of attributes as taste, color, smell and global impression). MAIN RESULTS ─ The optimal response in the alkaline extraction with monitoring of stirring was of 48.53% protein (DB), at pH 10, stirring speed of 80 rpm, stirring time of 300 min and temperature of 45 °C, representing the yield of 34.51% in extraction. The interaction between the independent variables as pH, stirring time and temperature promoted favorable effects on protein extraction technique while the stirring speed does not interfere significantly. The experimental planning used was adequate to study the effects of the combination of mechanical stirring to alkaline extraction process of rice bran protein. Under these conditions, RBPC obtained presented as a fine powder and velvety texture, with values of L* 78.29 ± 0.95, a* -4.97 ± 0.05 and b* 16.51 ± 0.10 for the instrumental color measurement. When assessing the alkaline extraction associated with the ultrasonic bath, it was compared the performance of the frequencies of 37 and 80 kHz, and it was proved that the lower frequencies have shown higher extraction. In the test with increased yield obtained a protein concentrate with a protein content of 83.36% (DB), when used pH 10, 30 min of ultrasound, 100% power range (30 °C), representing a yield of 4,74% extraction. Therefore, the UAE can be used as an alternative method for extracting rice bran protein, reducing the extraction time and consuming less power. UAE is a promising and advanced technique for extracting substances from food interest, offering potential for the development of new products. The RBPC presented in the crystalline form with values L* 60.42 ± 2.15, a* -1.31 ± 0.53 and b*20.29 ± 1.39 for instrumental measurement of color. It was observed a lower solubility at pH 2, 3, 4 and 5, but greater solubility in the pH range 6 to 10. The water and oil absorption capacity was 1.04 ± 0.07 g.g-1 and 11.75% ± 0.67 g.g-1, respectively, higher to reference Bovine Serum Albumin (BSA). The greater amount of foam was formed in pH 4 and 8 (41.17% ± 2.30, 48.47% ± 1.15) and lower at pH 6 (9.96% ± 0.00), but the stability of the formed foam was low at all pHs and in both cases, and BSA showed higher foaming characteristics. RBPC showed good emulsifying capacity at pH 2, 4, 6 and 8 (56.20% ± 5.39, 66.19% ± 6.57, 67.86% ± 0.19, 72.92% ± 2.95) comparable to BSA, but less stable emulsions at pH 2 (32.50% ± 3.54). In temperature of 30 °C and 8 °C, the RBPC showed low gelling capacity with a fragile gel and little consistent. The amino acid profile of the RBPC presented good amounts of glutamic acid, glycine, histidine, arginine, threonine, valine, methionine, isoleucine, leucine, phenylalanine and lysine, essential for protein synthesis. The sensory performance of the RBPC was evaluated in formulations of sweetened cashew juice containing 0.1%; 0.3% and 0.5% RBPC and ordered according to the preference of 60 untrained panelists. It was observed that there was no significant difference between the samples (p > 0.05). Due to this result, an acceptance test was applied to 64 untrained panelists using a formula of sweetened cashew juice added with 0.5% of RBPC and the control formula (without RBPC). It was found that there was a significant difference (p < 0.05) between samples in attributes as taste, color, smell and overall impression. Tasters liked moderately the control formula, but were indifferent to the formula with 0.5% RBPC because the sensory characteristics of the rice were accentuated. The RBPC presented excellent functional properties that make it a promising ingredient for the food industry. === 5000