Production and chararacterization of biodegradable films made from pseudocereal canihua (Chenopodium pallidicaule)

Orientadores: Florência Cecília Menegalli, Delia Rita Tapia BlácidoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de AlimentosResumo: O objetivo deste trabalho foi estudar o potencial do grão do canihua (Chenopodium pallidicaule), na produção de filmes biodegradáveis. A partir deste grão foram extraídos a farinha, a farinha desengordurada, o amido e a proteína para produção de filmes. Na primeira etapa do trabalho foi avaliado o efeito da metodologia de extração por moagem úmida em meio alcalino (solução de NaOH) ou meio neutro (água destilada) sobre as propriedades físico-químicas, térmicas, ópticas e microestruturais da farinha de canihua (variedades Cupi e Illpa). Também foi isolado e caracterizado o amido de canihua por moagem úmida alcalina. As farinhas extraídas em meio neutro apresentaram maiores teores de proteínas, fenólicos totais, maior atividade antioxidante e maiores temperaturas e entalpias de gelatinização. Enquanto as farinhas extraídas em meio alcalino apresentaram maiores teores de amilose, amido, lipídios e menores valores de cristalinidade. Os amidos extraídos do grão de canihua das variedades cupi e illpa apresentaram alto grau de pureza, alta luminosidade, semelhante temperatura de gelatinização e baixo teor de amilose. Na segunda etapa do trabalho foram elaborados e caracterizados filmes das farinhas extraídas por moagem em meio alcalino e meio neutro. Dessa forma observou-se que a farinha de canihua da variedade cupi extraída em meio neutro permitiu obter filmes com maiores valores de elongação (73%), maior teor de fenólicos totais, menores valores de transmitância a luz UV e moderada solubilidade (40,3%) quando comparados aos filmes de farinha obtidas em meio alcalino. No entanto, os filmes de farinha da variedade illpa extraídas em meio alcalino apresentaram maiores valores de módulo de Young, menores valores de solubilidade e de absorção de umidade. Seguidamente, os filmes de farinha de canihua da variedade illpa foram otimizados utilizando um planejamento experimental DCCR 22 em função do pH e da concentração de glicerol. A metodologia de superfície de resposta e o uso da função de desejabilidade foram utilizados para determinar os parâmetros ótimos do processo de elaboração dos filmes. Altos valores de concentração de glicerol e pHs alcalinos influenciaram sobre a densidade, umidade, solubilidade, propriedades mecânicas e no parâmetro de cor "b" dos filmes de farinha de canihua. As condições de processo ótimas foram: concentração de glicerol de 18,3 g/100g farinha e pH=9. Nestas condições foram obtidos filmes de farinha de canihua com altos valores de elongação (52,90 ± 1,95%), moderada solubilidade (35,85 ± 0,60%) e 55,5 % de opacidade. Na última etapa do trabalho foram produzidos e caracterizados filmes de farinha desengordurada, filmes de proteína e filmes de amido de canihua para serem comparados com os filmes de farinha. Foi demonstrado que a presença de amido na farinha permite a formação de ligações amilose-amilose, amilose-amilopectina, amilopectina-amilopectina, complexos amilose-lipídio, responsáveis pela baixa solubilidade e permeabilidade ao vapor de água, como também maior resistência mecânica, destes filmes. A presença de proteínas nos filmes de farinha permitiu a formação de ligações amido-proteína, proteína-proteína e proteína-lipídio que permitiu obter filmes com maior elongação, barreira à luz UV, mais opacos e amarelos, porém mais solúveis e permeáveis ao vapor de água, e com menor resistência mecânica. Os filmes de farinha apresentaram uma temperatura de transição vítrea (Tg) em baixas temperaturas (-34,4 °C) relacionada à fração rica em proteínas e outra Tg a maior temperatura (34 °C) relacionada à fração rica em amido. Conclui-se que o grão de canihua tem potencial para ser utilizado como matéria prima para a produção de filmes de farinha com boas propriedades antioxidantes, altos valor de elongação e moderada solubilidadeAbstract: This work aimed to study the use of canihua grain (Chenopodium pallidicaule), in the production of biodegradable films. The first stage of this study consisted in evaluating how the methodology used to extract cañihua flour (cupi or illpa varieties)¿steeping in water or steeping in alkaline pH¿affected the physical-chemical, optical, thermal, and microstructural properties of the material. In addition, canihua starch (cupi or illpa varieties) was isolated by alkaline wet milling, and its physical-chemical properties were characterized. Flours extracted by steeping in water displayed higher protein content, higher antioxidant capacity, higher total phenols, and higher temperatures and enthalpies of gelatinization. Meanwhile, flours extracted by steeping in alkaline pH presented higher contents of amylose, starch, and lipids, but lower values of crystallinity. The two varieties of cañihua starches showed high degree of purity (95%). Cupi and illpa starches presented luminosity of 97.9 and 98.9, gelatinization temperature of 66.2 °C and 62.7 °C, and amylose content of 15.8% and 16.4% respectively. In the second stage of this study, we studied how the methodology used to extract canihua flour impacted the physical-chemical and functional properties of the films. The cupi cañihua flour extracted in neutral medium afforded films with higher elongation (73%), higher content of total phenols, lower values of UV light transmittance, and moderate solubility (40.3%) as compared to flour films extracted by steeping in alkaline pH. However, the illpa cañihua flour extracted by steeping in alkaline pH gave films with higher Young's modulus, lower solubility, and lower moisture absorption. Illpa canihua flour films were then produced and optimized according to a DCCR experimental design to examine how pH and glycerol concentration influenced film properties. The response surface methodology and the desirability function were used to find the optimum formulation of the flour film. Higher glycerol concentration and the use of alkaline pH affected the density, moisture, solubility, mechanical properties, and the color parameter "b" of the canihua flour films. The optimal process conditions were glycerol concentration of 18.3 g/100 g of flour and pH = 9. Films produced under these conditions presented high elongation values (52.90 ± 1.95%), moderate solubility (35.85 ± 0.60%), and opacity of 55.5%. The last stage of this study films of defatted flour, protein films, and canihua starch films were produced for comparison with the canihua flour films. The presence of starch in the flour allowed formation of amylose-amylose, amylose-amylopectin, amylopectin-amylopectin, and amylose-lipid complexes, which accounted for the lower solubility, lower permeability to water vapor, and greater mechanical resistance of the resulting films. The presence of proteins in the flour films favored formation of starch-protein, protein-protein, and protein-lipid bonds, to give more opaque and yellow films with higher elongation, better barrier to UV light, higher solubility, higher permeability to water vapor, and lower mechanical resistance. The canihua flour films underwent two glass transitions: one at -34.4 °C (protein-rich fraction) and another at 34°C (starch-rich fraction). Therefore, the canihua grain has potential application as raw material to produce flour films with good antioxidant properties, high elongation values, and moderate solubilityDoutoradoEngenharia de AlimentosDoutora em Engenharia de Alimentos5980-10-0CAPE