Entendendo a funcionalidade do amido
Janeiro de 1996 — História da capa

Por: Scott Hegenbart
Editor*

*(Abril 1991 – Julho 1996)

Amido de milho é o principal ingrediente de amido usado pelas empresas alimentícias americanas. Mas os amidos de diferentes fontes, e mesmo aqueles extraídos de variedades menos comuns de milho, oferecem uma gama de propriedades funcionais, mesmo antes da modificação. Explorando a funcionalidade única de vários amidos nativos apresenta várias vantagens potenciais.

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Gama expandida de funcionalidade

Muitos amidos têm propriedades que não são tão fáceis de duplicar pela modificação de outro amido. Uma modificação menos extensa significa…

Custo reduzido

Designers continuamente requerem ingredientes de textura para serem mais altamente funcionais, mas as restrições de custo ainda apertam. Em muitos casos, quanto menos processamento um amido recebe, mais rentável ele é. Amidos de milho nativos altamente funcionais derivados de híbridos de milho especialmente desenvolvidos já estão no mercado. Estes podem oferecer maior economia de duas maneiras.

“Você terá um amido que não terá que passar por modificações, o que economiza custos”, diz Ibrahim Abbas, Ph.D., gerente de desenvolvimento de produtos da American Maize-Products Co., Hammond, IN. “Quando estes são modificados, em alguns casos os híbridos são mais reativos aos produtos químicos; portanto, podemos usar menos”. É mais eficiente e pode poupar dinheiro”

Etiquetagem

Embora este não tenha sido o grande problema que se pensava ser, os amidos modificados ainda têm de levar números E na Europa. Um amido nativo mais funcional não carregará o número E e parecerá mais natural para os consumidores europeus – uma preocupação no mercado global em constante expansão.

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Estrutura e funçãoelante

Quimicamente, os amidos são polissacarídeos que consistem em unidades de glicose repetitivas. As moléculas de amido têm uma de duas estruturas moleculares: uma estrutura linear, conhecida como amilose; e uma estrutura ramificada, conhecida como amilopectina. Amilose e amilopectina se associam através da ligação de hidrogênio e se dispõem radialmente em camadas para formar grânulos. Amidos de diferentes fontes variam um do outro das seguintes maneiras – cada uma das quais pode afetar o desempenho:

Tamanho e forma do grânulo

Granulos de amido vêm em uma grande variedade de tamanhos variando de 3 mícrons a mais de 100 mícrons. Com alguns amidos o tamanho do grânulo é polimodal, o que significa que os grânulos podem ser agrupados em mais do que uma faixa de tamanho. O amido de trigo, por exemplo, tem uma distribuição tanto de grânulos grandes como pequenos. A forma do grânulo também pode ser diversa. As formas dos grânulos incluem esferas simétricas, esferas assimétricas, discos simétricos e discos assimétricos. Alguns grânulos exibem sua forma suavemente, enquanto outros são poliedros com superfície facetada.

Amilose:relação amilopectina

Todos os amidos são compostos de proporções variáveis de amilose e amilopectina. Esta proporção varia não só entre os diferentes tipos de amido, mas entre as muitas variedades de plantas dentro de um tipo. Amidos cerosos são aqueles que não têm mais que 10% de amilopectina.

Estrutura das moléculas de amilose e amilopectina

O comprimento das moléculas de amilopectina em um amido – conhecido como seu grau de polimerização – pode variar tremendamente. Na amilopectina, o comprimento e o número de ramos da molécula são igualmente variáveis.

“O comprimento da molécula de amilopectina varia com o tipo e com a cultivar”, diz Daniel Putnam, cientista sênior de aplicações, Grain Processing Corp., Muscatine, IA. “Eu vi 200 a 2.000 como o grau de polimerização dentro de um tipo de amido”

Outras variações também existem para o amido

Não podem ser formadas em uma única categoria porque podem ser únicas para um determinado amido. Em geral, porém, a maioria dessas variações consiste na presença de componentes não-amido no grânulo.

As inúmeras variedades dos vários tipos de amido não poderiam ser cobertas de forma abrangente em um único artigo. Consequentemente, esta característica irá discutir algumas tendências gerais entre os principais tipos de amido utilizados na indústria alimentar.

Corn

Existem quatro classes de amido de milho. O amido de milho comum tem 25% de amilose, enquanto o milho ceroso é quase totalmente composto por amilopectina. Os dois amidos de milho restantes são amidos de milho de alta amilose; um tem 55% a 55% de amilose, enquanto o segundo tem 70% a 75%.

Jay-lin Jane, Ph.D., professor do departamento de ciência alimentar e nutrição humana da Universidade Estadual de Iowa, Ames, tem investigado o tamanho e a forma do grânulo de muitos tipos de amido como parte da sua pesquisa em curso. Através de microscopia eletrônica de varredura, Jane e sua equipe de pesquisa descobriram que o amido de milho comum tem grânulos irregulares em forma de poliedro. Seu tamanho varia entre 5 microns e 20 microns.

Amido de milho ceroso também tem grânulos de forma irregular, semelhante em distribuição de tamanho aos do milho comum. No entanto, as faces individuais não são tão distintas. Os amidos de altaamilose também têm uma forma irregular, mas tendem a ser suaves. Alguns destes têm até a forma de vara. Os amidos de altaamilose têm uma faixa de tamanho mais estreita: 5 a 15 microns, ou mesmo 10 a 15 microns, dependendo da variedade.

Potato

Amido de batata tem cerca de 20% de amilose. Como os de muitos tubérculos, os grânulos de amido de batata são grandes com uma forma oval redonda e lisa. Dos amidos comumente usados para alimentos, o amido de batata é o maior; seus grânulos variam em tamanho de 15 a 75 microns.

Arroz

Amido de arroz comum tem uma razão amilose:amilopectina de cerca de 20:80, enquanto o amido de arroz ceroso tem apenas cerca de 2% de amilose. Ambas as variedades têm tamanhos pequenos de grânulos que variam de 3 a 8 microns. De acordo com Jane, estes são polígonos de forma irregular com o arroz ceroso exibindo alguns grânulos compostos.

Tapioca

Amido de tapioca tem 15% a 18% de amilose. Os grânulos de tapioca são esferas lisas e irregulares com tamanhos que variam de 5 a 25 microns.

Tapioca

Amido de trigo tem um teor de amilose de cerca de 25%. Seus grânulos são relativamente espessos, de 5 a 15 microns, com uma forma lisa e redonda que varia de 22 a 36 microns de diâmetro. O amido de trigo é bimodal na medida em que também possui um grupo de grânulos de amido de tamanho diferente. Neste caso, estes outros grânulos são muito pequenos, com diâmetros de apenas 2 a 3 microns.

Atacando os rivais de amido

Com uma idéia de como os amidos diferem, discutir como estes mesmos amidos se comportam deve divulgar prontamente como os diferentes elementos da estrutura do amido afetam o desempenho, certo? Longe disso. Os químicos do amido concordam universalmente que a estrutura e composição do amido afetam o desempenho. Entretanto, uma correlação direta nem sempre é óbvia, e mudanças em uma única característica não se traduzem necessariamente em diretrizes.

O que se segue é uma revisão do que é atualmente conhecido sobre como a estrutura e a composição afetam o desempenho. Tenha em mente que esta discussão pode gerar mais perguntas do que aquelas a que responde. Mas primeiro, aqui está uma breve revisão do que acontece durante a gelatinização do amido:

Quando o amido é disperso em água e aquecido, a água penetra no grânulo de amido de fora para dentro até que o grânulo esteja totalmente hidratado. Uma vez hidratado, a ligação de hidrogênio entre a amilose e a amilopectina mantém a integridade do grânulo e começa a inchar a partir do hilo (centro). Uma vez gelatinizados, os grânulos inchados podem aumentar a viscosidade da dispersão, e/ou associar para formar géis e filmes.

Tamanho e estrutura do grânulo

De acordo com muitas fontes, o tamanho do grânulo não parece, por si só, ter um forte efeito no desempenho do amido. Acredita-se, no entanto, que seja um fator que contribui para a rapidez com que o amido gelatiniza e sua temperatura de gelatinização. O amido de arroz e o amido de tapioca, por exemplo, ambos têm conteúdo de amilose na mesma faixa, mas os grânulos de amido de tapioca são muito maiores e, como resultado, incham mais facilmente.

“Quanto maior o grânulo, menos ligação molecular temos, então eles incham mais rápido”, diz Paul Smith, presidente, Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ,. “Mas eles também se decompõem mais rápido”

grânulos grandes de amido tendem a construir viscosidade mais alta, mas a viscosidade é delicada porque o tamanho físico do grânulo o torna mais sensível ao cisalhamento. Apesar dessas diferenças, a estrutura mais compacta de uma molécula menor nem sempre significa uma diferença significativa na gelatinização. O amido de trigo, por exemplo, tem uma distribuição bimodal tanto de pequenos como de grandes grânulos. Além do tamanho, esses grânulos têm praticamente a mesma composição de amilose e amilopectina, e assim por diante. Entretanto, as propriedades de gelatinização dos grânulos grandes e pequenos não mostram diferenças significativas de desempenho.

“Um teste mostrou que os grânulos pequenos têm uma temperatura de gelatinização 3° mais alta do que os grandes, mas as temperaturas de início foram semelhantes”, diz Abbas. “Eu diria que no amido de trigo, (o tamanho do grânulo não é um fator importante)”

Ração amilose:amilopectina

Milho ceroso e amidos de milho comum têm ambos o mesmo tamanho de grânulo, mas o milho ceroso irá inchar em maior grau e cada um irá gelatinizar a temperaturas diferentes. Isto se deve em grande parte às suas diferentes amilose: composição amilopectina.

“Moléculas de amilose, devido à sua linearidade, se alinham mais rapidamente e têm uma ligação mais extensa de hidrogênio”, diz Abbas. “Consequentemente, é necessária mais energia para quebrar essas ligações e gelatinizar o amido”

Geralmente, quanto maior a amilose, maior a temperatura de gelatinização. Isto é mais notável nos dois amidos de milho de alta amilose que requerem temperaturas tão altas para a gelatinização que devem ser cozidos sob pressão. A razão amilose:amilopectina também determina o tipo de textura que o amido gelatinizado irá construir.

“Geralmente falando, a amilose lhe dá a força do gel e a amilopectina lhe dá alta viscosidade”, diz Abbas. “Então os amidos de alta amilose lhe darão propriedades gelificantes e os amidos cerosos lhe darão alta viscosidade”

A estrutura linear da amilose também contribui para a força do gel. Em solução, as moléculas de amilose linear podem mais facilmente se alinhar umas com as outras e se associar através da ligação de hidrogênio para formar géis. As moléculas ramificadas de amilopectina não podem se alinhar tão facilmente e, portanto, dar uma ligação mais fraca de hidrogênio e força de gel.

Viscosidade, por outro lado, é puramente uma função do peso molecular. A estrutura ramificada da amilopectina, com todas as suas cadeias anexas, produz uma molécula muito maior do que a amilose. Consequentemente, a amilopectina é melhor na viscosidade de construção do que a amilose.

Então, se um designer de produto quiser propriedades gelificantes, um amido de altaamilopectina (ceroso) deve ser selecionado, enquanto um amido de altaamilopectina (ceroso) seria a escolha se a viscosidade é necessária, certo? Não é bem assim. A força e viscosidade do gel puro muitas vezes são úteis, mas nem sempre são o que os designers de produto precisam. Um amido demasiado elevado em amilose pode tornar um pudim demasiado firme. Um que é muito alto em amilopectina pode construir a viscosidade correta em um batido de dieta, mas pode se apresentar como fibroso e “viscoso” quando consumido. Consequentemente, o rácio amilose:amilopectina determina não só a textura básica, mas também a natureza dessa textura.

Usar amido em produtos extrudidos ilustra o quão delicado pode ser o equilíbrio deste rácio. Assim como a formação de gel, a formação de filme é uma função da associação de moléculas de amilopectina linear. Quanto maior for a amilose, melhores serão as propriedades de formação da película. Em um lanche extrudado, as propriedades de formação da película são desejadas a fim de obter uma textura crocante no produto final. Mas a crocância por si só não faz ou quebra um lanche.

“A natureza fortemente ligada do polímero amilose afeta a crocância”, diz Jim Zallie, diretor de tecnologia de alimentos, National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ.., “Mas é um material de peso molecular mais baixo que não consegue prender o ar que vem da água transformando-se em vapor durante a ventilação.”

Usar um amido com níveis crescentes de amilopectina aumenta a expansão de acordo com a crocância. Como resultado, a proporção amilose:amilopectina deve ser cuidadosamente selecionada. Em alguns casos, as exigências textuais do produto requerem a combinação de amidos de diferentes fontes.

“Algumas pessoas estão usando combinações de diferentes amidos básicos para obter uma textura mais curta ou mais longa”, diz Mike Augustine, gerente, aplicações de ingredientes alimentares, A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “Temos procurado juntar misturas para obter uma textura específica ou qualidade de produto acabado”

Além da textura de construção, os amidos são usados para contribuir com estabilidade aos produtos alimentares. Isto muitas vezes assume a forma de retenção de água. Como mencionado anteriormente, as moléculas de amido gelatinizado tendem a reassociar-se umas com as outras. Esta reassociação força a água a sair da molécula, provocando a recristalização do amido. A tendência de um amido a recristalizar, ou retrógrado, desta forma determina sua adequação para a estabilidade a longo prazo.

“A amilopectina ramificada dá um impedimento estéreo”, diz Putnam. “Isto não permite que as moléculas se reassociem, por isso não tende a retrógrar tão facilmente”

Estrutura molecular de amilose e amilopectina

As moléculas de amilopectina mais longas tendem a fazer a textura de um produto mais tenso, devido à forma como se associam. O peso molecular da amilose também afeta a elasticidade de um gel. Moléculas mais longas tendem a se associar mais fortemente e produzem géis mais fortes e quebradiços, mas há um limite para esse efeito.

“A tapioca e o amido de batata têm ambos amilose, mas produzem uma massa coesiva em vez de um gel como o amido de milho”, diz Peter Trzasko, associado de pesquisa sênior da National Starch and Chemical Co. “A teoria por trás disso é baseada no peso molecular. A batata e a tapioca têm um peso molecular muito superior ao do milho, o que dificulta a associação das moléculas”

Molecular nem sempre fornece uma correlação direta de desempenho. Em 1992, Jane, do estado de Iowa, relatou uma pesquisa sobre o efeito do tamanho molecular da amilose e do comprimento da cadeia do ramo da amilopectina nas propriedades de colagem do amido. Jane descobriu que moléculas de amilopectina com ramos mais longos não só tendem a gelar, mas que a força do gel aumentou com o comprimento do ramo. Entretanto, a viscosidade das amilopectinas de vários comprimentos não se correlacionou tão bem. Na verdade, a melhor viscosidade foi obtida com a amilose de comprimento intermediário, enquanto as maiores e menores moléculas de amilose produziram ambas viscosidades igualmente baixas.

Uma conexão mais clara pode ser feita entre o tamanho molecular e a estabilidade. Uma molécula de amilose mais longa terá, até certo ponto, maior força de gel devido à sua maior capacidade de associação através da ligação de hidrogênio. Este aumento na capacidade de associação aumenta a tendência da molécula a retrogradar. Moléculas menores de amilose apresentam uma associação mais fraca e, portanto, são mais resistentes ao retrógrado. Informações recentes indicam que moléculas de amilopectina com ramos mais longos também são mais suscetíveis a retrogradação. Esta é uma preocupação particular para pesquisadores tentando alongar moléculas de amilopectina através de cruzamentos.

“Quando você insere um gene extensor de amilopectina, você também acaba alongando as cadeias de ramos da amilopectina”, diz Pamela J. White, Ph.D., diretora interina, departamento de ciência alimentar e nutrição humana, Universidade Estadual de Iowa.

Phosphorus

Starches contêm fósforo de alguma forma ou outra. A natureza do fósforo afeta o desempenho do amido. Na maioria dos amidos de cereais, o fósforo é encontrado principalmente como lisofosfolípidos, que tenderão a se complexar com a amilose do amido e a reduzir sua capacidade de ligação à água. Estes complexos também contribuem para a opacidade da pasta de amido.

O fósforo em amidos de tubérculos, como a batata, está na forma de monoésteres de fosfato que ocorrem na molécula de amido como grupos carregados negativamente. A repulsão iônica gerada por esses grupos enfraquece a associação entre as moléculas e aumenta a capacidade de ligação à água, o poder de inchaço e a clareza da pasta.

Desvendando os mistérios

A compreensão da funcionalidade do amido nativo não só torna o trabalho do designer do produto mais eficiente, como também é um elo vital para a expansão da funcionalidade do amido através da modificação. Isto é verdade quer o amido seja modificado através de métodos químicos/enzimáticos, de criação convencional ou biotecnologia.

Como foi dito anteriormente, o estudo das relações estrutura/função do amido gera mais perguntas do que responde. Como resultado, os pesquisadores que trabalham nesta área têm muito para mantê-los ocupados. A Universidade Estadual de Iowa é um local onde o estudo do amido está ocorrendo.

Desde 1987, os pesquisadores da ISU White e Jane têm buscado amidos com propriedades funcionais únicas para usar no desenvolvimento de novos híbridos de milho. Trabalhando com eles está Linda Pollak, Ph.D., uma geneticista do U.S. Dept. of Agriculture-Agriculture Research Service trabalhando com o ISU Dept. of Agronomy.

Usando o acesso de Pollak à biblioteca norte-americana de genótipos mutantes do milho, a equipe tem feito uma triagem dos tipos exóticos de milho para determinar a natureza das variações das propriedades funcionais.

“É difícil e demorado fazer um estudo estrutural direto”, diz White. “Então nossa abordagem tem sido começar com uma triagem rápida do amido, extraindo-o no laboratório com tão pouco quanto um grão”

Esta triagem inicial é feita usando a calorimetria diferencial de varredura (DSC). Uma amostra do amido é colada, depois digitalizada no DSC. Depois de armazenar a amostra colada durante sete dias a 4°C (a temperatura ideal para a retrogradação do amido), a amostra é digitalizada novamente.

“O scan que obtemos numa amostra fresca e armazenada diz-nos se o amido pode ter propriedades funcionais únicas”, diz White. “Uma vez que encontramos algo incomum, verificamos que isso de fato nos dá um DSC diferente em outro momento”.

Outras informações obtidas através desta análise DSC incluem a temperatura de gelatinização e a faixa de gelatinização. Uma baixa temperatura de gelatinização pode proporcionar economia de energia em uma grande operação de fabricação. Uma faixa estreita de gelatinização também tornará a produção mais eficiente ao tornar a gelatinização mais rápida.

“Essas são as coisas chave que começamos a ver”, diz White. “Quando vemos coisas que diferem muito da norma quando medidas por DSC, então fazemos uma análise estrutural para determinar porque elas fazem isso e relacionar a estrutura com a função.”

O primeiro passo para fazer isso requer o cultivo do milho mutante em maiores quantidades para análise posterior. Os testes incluem a determinação da porcentagem de amilose através da titulação potenciométrica de iodo e/ou cromatografia de permeação em gel; a distribuição do peso molecular usando cromatografia de permeação em gel; e o comprimento da cadeia ramificada da amilopectina calculado a partir do valor redutor determinado através da química úmida, ou usando cromatografia de permeação em gel.

Se uma quantidade suficiente de amido estiver disponível, testes funcionais como os de viscosidade e resistência do gel também são conduzidos.

“Outra coisa que costumamos fazer é medir o tamanho do grânulo através de microscopia eletrônica”, diz White. “O amido de grânulo pequeno demonstrou ser bom para uma sensação bucal suave, o que é uma propriedade útil para substitutos de gordura para evitar textura granulosa”

Eventualmente, é feita a ligação entre as propriedades funcionais desejadas e a estrutura do amido. Em seguida, os geneticistas de plantas assumem e tentam reproduzir as qualidades desejadas numa variedade que pode ser cultivada.

Expandir a compreensão da funcionalidade do amido nativo é útil tanto para designers de produtos como para criadores de novos ingredientes de amido. Às vezes, no entanto, parece que cada passo na jornada em direção a esse entendimento só acrescenta distância à estrada. No entanto, esses esforços devem continuar porque – embora a jornada possa nunca terminar – cada passo mais próximo traz novos avanços que ajudam a melhorar os produtos alimentícios.

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