Films based on derivates of amaranth for use in foods.

Resumo: O amaranto apresenta-se como uma matéria prima interessante para a elaboração de filmes biodegradáveis por seu conteúdo em amido, proteína e lipídios. O amaranto é uma cultura própria de países andinos, mas nas últimas décadas seu cultivo está sendo desenvolvido por países como Estados Unidos e Japão. Nesse contexto, o Brasil, também começou a desenvolver experimentalmente essa cultura nos solos dos cerrados brasileiros com bons resultados. Diante da necessidade de apresentar alternativas de uso comercial do amaranto, este estudo tem como objetivo estudar a capacidade da farinha de amaranto na formação de filmes biodegradáveis, atendendo também a outra necessidade atual, qual seja, a diminuição do uso de plásticos sintéticos. Para cumprir esse objetivo, em uma primeira etapa realizou-se a caracterização física-química e microestrutural da farinha como um material integral composto de amido, proteína e lipídios. Através de reologia e calorimetria de suspensões de amido e de farinha de amaranto foi estudado o processo de gelatinização, por ser um processo importante na obtenção da solução formadora do filme. Também foi avaliado o efeito do ajuste de pH e da adição de plastificante (glicerol ou sorbitol) na gelatinização da solução filmogênica de amido e de farinha, e nas propriedades reológicas dessas soluções. Foi desenvolvido um planejamento experimental 22 com quatro pontos axiais e três pontos centrais para estudar o efeito da temperatura de processo (Tp) e concentração de plastificante (Cg glicerol, Cs sorbitol) nas propriedades reológicas da solução filmogênica de farinha. Paralelamente, essas soluções filmogênicas foram secas e os filmes foram caracterizados quanto às suas propriedades mecânicas e de solubilidade. Os resultados foram analisados estatisticamente segundo a metodologia de superfície de resposta (RSM) para avaliar os efeitos das variáveis de processo (Tp, Cg ou Cs) sobre as propriedades mecânicas e a solubilidade dos filmes. Utilizando a análise de multi-resposta foram obtidas as condições ótimas para a elaboração de filmes de farinha de amaranto. Estas condições foram: temperatura de processo de 75ºC para os filmes com glicerol e sorbitol e concentração de plastificante de 20 g de glicerol/100 m.s e 29,6 g de sorbitol/100 g de m.s. Os filmes de glicerol elaborados segundo as condições otimizadas foram menos resistentes, menos solúveis, mais higroscópicos e mais permeáveis ao vapor de água e ao oxigênio do que os filmes com sorbitol. Ambos os filmes apresentaram coloração amarelada e relativa opacidade. O efeito o da temperatura e umidade relativa de secagem as propriedades mecânicas, solubilidade, permeabilidade ao vapor de água (PVA) e tempo de secagem dos filmes de glicerol e sorbitol elaborados com as condições otimizados foi estudado através de um planejamento experimental completo 22. A análise estatística dos resultados confirmou que a temperatura e umidade relativa de secagem apresentaram efeito significativo sobre as variáveis de resposta estudadas. Também foram determinadas as cinéticas de secagem e as isotermas de sorção. As cinéticas de secagem mostraram um comportamento típico de materiais poliméricos e as isotermas de sorção evidenciaram uma inversão no comportamento da umidade de equilíbrio em altas temperaturas e altas umidades relativas. Na última etapa deste trabalho foi estudada a contribuição do amido, proteína e lipídios, e suas interações nas propriedades dos filmes de farinha de amaranto das espécies Amaranthus cruentus e Amaranthus caudatus. Assim, foram elaborados filmes de amido, farinha desengordurada (amido-proteína), proteína-lipídio e proteína de amaranto. Os filmes foram caracterizados quanto às suas propriedades mecânicas, de barreira, solubilidade, umidade, ópticas, propriedades térmicas por calorimetria diferencial de Varredura (DSC) e a microestrutura por Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de transmissão (TEM). Também foram estudadas as interações intermoleculares presentes nos filmes por espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR).Abstract: Amaranth can be considered as an interesting raw material for the elaboration of biodegradable films due to its starch, protein and lipid contents. Amaranth is a natural culture of the Andean countries, but in the last few decades has been cultivated in countries like the USA and Japan. Brazil also started experimenting with this culture in scrubland soil, with good results. Faced with the need to present alternatives for the commercial use of amaranth, the objective of the present study was to investigate the capacity of amaranth flour to form biodegradable films, attending another current need, that of reducing the use of synthetic plastics. With this objective in mind, the first stage was a physical-chemical and micro-structural characterisation of the whole flour, composed of starch, protein and lipid. The gelatinisation process was also studied by way of the rheology and calorimetry of amaranth starch and flour suspensions, since this is an important process in obtaining a film-forming solution. The effects of pH adjustment and the addition of a plastifying agent (glycerol or sorbitol) on the gelatinisation of filmogenic starch and flour solutions was also evaluated, as also on the rheological properties of these solutions. A complete 22 experimental design was developed to study the effect of process temperature (Tp) and plastifier concentration (Cg glycerol, Cs sorbitol) on the properties of the flour filmogenic solution. In parallel, these filmogenic solutions were dried and the films characterised for their mechanical and solubility properties. The results were statistically analysed using response surface methodology (RSM) to evaluate the effects of the variables (Tp, Cg and Cs) on the mechanical and solubility properties of the films. Using a multi-response analysis, the optimal conditions for the elaboration of amaranth flour films were determined. These conditions were: a process temperature of 75°C and plastifier concentrations of 20.0g glycerol /100g dm or 29.6g sorbitol/100g dm (dm=dry mass). The films made with glycerol under the optimised conditions were less resistant, less soluble, more hygroscopic and more permeable to water vapour than those made with sorbitol under the optimised conditions. Both films presented a yellowish colour and relative opacity. The effect of drying temperature and relative humidity on the mechanical and solubility properties and on the water vapour permeability and drying time of the films made with glycerol and sorbitol elaborated under the optimised conditions, was studied using a complete 22 experimental design. A statistical analysis of the results confirmed that the drying temperature and relative humidity presented a significant effect on the response variables studied. The drying kinetics and sorption isotherms were also determined. The drying kinetics showed behaviour typical of polymeric materials and the sorption isotherms showed evidence of an inversion of the equilibrium moisture behaviour at high temperature and relative humidity. In the last stage of the study, the contributions of the starch, protein and lipid and their interactions to the properties of films made from flours from the species Amaranthus cruentus and Amaranthus caudatus, were studied. Thus films were elaborated from the starch, defatted flour (starch-protein), protein-lipid and protein of the amaranth species. The films were characterised with respect to their mechanical, barrier, solubility, moisture, optical, and thermal properties using differential scanning calorimetry (DSC), and the microstructure by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The inter-molecular interactions present in the films were also studied by infrared absorption spectroscopy (IRAS)