Chemical, biochemical and physical-chemical characterization of castor seed pulp for utilization as biodegradable material and as animal feed

Atualmente, há um grande incentivo governamental para a produção de biodiesel a partir de óleo de mamona. O aumento na fabricação desse óleo irá aumentar a produção de torta de mamona, que tem grande potencial de emprego na tecnologia de material biodegradável e utilização na alimentação animal, se destoxificada. Os objetivos desta tese foram a caracterização química da torta de mamona, a extração de suas proteínas para desenvolvimento de material biodegradável, e a caracterização do resíduo sólido do processo de extração, visando seu uso na alimentação animal. A extração das proteínas da torta de mamona foi feita por solubilização em meio alcalino. Inicialmente, diversos parâmetros (velocidade de agitação, concentração da torta na solução extratora e temperatura de extração) foram testados no intuito de aumentar o rendimento de extração das proteínas, utilizando-se NaOH (pH = 9). Em seguida, diversos experimentos foram realizados para se avaliar os efeitos do pH (8-12) e/ou do tipo de agente alcalino (NaOH, KOH e Ca(OH)2) na extração das proteínas da torta de mamona, sempre à temperatura de 50°C, velocidade de agitação de 400rpm, e concentração da torta na solução extratora de 20%. Os extratos proteicos obtidos foram liofilizados (EPL), e os resíduos foram desidratados em estufa (40°C/24 horas). Análises para determinação da composição bromatológica, minerais, amido, compostos fenólicos totais, ácidos graxos, aminoácidos, fibra dietética, da microestrutura, atividade alergênica, eletroforese dimensional e identificação de ricina foram feitas na matéria prima, nas proteínas extraídas e nos resíduos. A composição de aminoácidos foi analisada no extrato proteico liofilizado (EPL) e nos resíduos somente nas amostras preparadas com NaOH. A composição bromatológica das matérias primas (semente, torta e farelo) mostrou elevados teores de óleo (43,6%) e fibras (29,5%) para as sementes; bem como altos teores de proteína (36-40%) e fibras (29-30%) para a torta e o farelo de mamona. A semente de mamona apresentou valores de minerais considerados razoáveis para oleaginosas, e a torta de mamona apresentou alta proporção de K; Ca e P, importantes para alimentação animal. Verificou-se alto teor de ácido ricinoléico (79-90%) nas matérias primas avaliadas. A torta de mamona apresentou altos teores de ácido glutâmico (15%), arginina (11%) e triptofano (9%), sendo que os teores dos outros aminoácidos variaram entre 2 e 7%. Os resultados da caracterização química dos EPL e dos resíduos foram dependentes principalmente do pH de extração das proteínas. Observou-se aumento da concentração de proteína (64-68%) e de cinzas (13-19%), nos EPL, em função do aumento do pH (10 - 12), independente do tipo de agente alcalinizante. Os resíduos obtidos da extração dos EPL apresentaram teores de proteína, cinzas e fibras variando entre 20 e 34%, 12 e 17% e 39 e 42%, respectivamente. Em relação ao perfil de minerais dos EPL, verificou-se aumento nas concentrações de Na e Mn com o aumento do pH para ambos agentes alcalinizantes. O perfil de minerais dos resíduos mostrou aumento significativo nos teores de Na e K com aumento do pH de extração, ajustado com NaOH e KOH, respectivamente. O teor de ácido ricinoléico foi menor no resíduo, e maior no EPL, obtidos em pH 12 ajustado com NaOH. A composição de aminoácidos dos resíduos sofreu efeito do pH apenas para o pH 12. Os aminoácidos presentes em maior concentração nos EPL e nos resíduos foram ácido glutâmico, triptofano e arginina. Os EPL e os resíduos obtidos da extração das proteínas apresentaram menor poder alergênico avaliado pelo teste de desgranulação de mastócitos obtidos do lavado peritoneal de ratos. O perfil eletroforético dos EPL e dos resíduos mostrou maior proporção de proteínas com massa molecular entre 29-36kDa, seguidos por proteínas de massa molecular ao redor de 20kDa e menor proporção de proteínas de massa molecular entre 45-66kDa. Não foi observada a presença da ricina nos resíduos obtidos em pH 12. Os resultados de todos os experimentos de extração das proteínas da torta de mamona permitiram escolher os melhores parâmetros de extração: temperatura = 50°C, velocidade de agitação = 400rpm, concentração da torta na solução extratora = 20%, pH = 12 e agente alcalinizante = NaOH. Em conclusão, o processo de extração de proteínas por solubilização alcalina permitiu a produção de concentrado proteico com características interessantes para a produção de material biodegradável (agricultura e biofilmes), e de resíduos ainda com alto teor de proteínas e de fibras, isento de ricina, podendo, portanto ser utilizado na alimentação animal.Presently, there is large government incentive for biodiesel production from castor seed oil. The increase of this oil fabrication will raise the production of castor seed pulp, which has great potential for utilization for biodegradable material technology and for animal feed, if detoxified. The objectives of this research were the chemical characterization of the castor seed pulp, the extraction of the proteins for biodegradable material developing, and the characterization of the solid residue of the extraction process, aiming its use for animal feed. The protein extraction from the castor seed pulp was made through solubilization in alkaline medium. Initially, several parameters (stirring speed, pulp concentration in the extraction solution and extraction temperature) were tested aiming the optimization of the protein extraction yield, using NaOH (pH 9). Subsequently, several experiments were realized to evaluate the effects of pH (8-12) and/or of the type of alkaline agent (NaOH, KOH and CaOH) on the castor seed pulp protein extraction, always at 50 °C, 400rpm stirring speed, and 20 % pulp concentration in the extraction solution. The obtained protein extracts were lyophilized (EPL), and the residues were dehydrated in stove (40 °C/24 h). The raw material, the extracted proteins and the residues were analyzed for bromatologic composition, minerals, starch, total phenolic compounds, fatty acids, amino acids, dietetic fiber, microstructure, allergenic activity, dimensional electrophoresis and ricin identification. The amino acids composition was analyzed on the lyophilized extract (EPL) and in the residues of the samples prepared with NaOH. The bromatologic composition of the raw materials (seed, pulp and meal) showed high content of oil (43.6 %) and fiber (29.5 %) for the seeds; as well as high amounts of protein (36-40 %) and fiber (29-30 %) for the pulp and the castor seed meal. The castor seed had average mineral values for oil seeds, and the castor seed pulp showed high percentage of K, Ca and P, valuable for animal feed. The evaluated raw materials had high percentage of ricinoleic acid (79-90 %). The castor seed pulp showed high percentage of glutamic acid (15 %), arginine (11 %) and triptophane (9 %). The percentage of the other amino acids varied between 2 and 7 %. The results of the chemical characterization of the EPL and of the residues were mainly dependent on the pH during protein extraction. It was observed an increase of the protein concentration (64-68 %) and of the ash (13-19 %), within the EPL, due to the pH raise (10 - 12), independently of the type of alkaline agent. The residues of the EPL extraction showed protein, ash and fiber content varying between 20 and 34%, 12 and 17% e 39 and 42%, respectively. Concerning the mineral profile of the EPL, an increase of Na and of Mn was observed with the increase of pH for both alkaline agents. The mineral profile of the residues showed a significant increase of the Na and the K content with the increase of the pH of the extraction solution, adjusted with NaOH and KOH, respectively. The ricinoleic acid content was lower in the residue, and higher in the EPL, obtained at pH 12 using NaOH. The amino acid composition of the residues was affected by the pH only at pH 12. The higher content of amino acid in the EPL and in the residues was of glutamic acid, triptophane and arginine. The EPL and the residues of the protein extraction showed low allergenic capacity evaluated by the mastocyte degranulation test obtained from the peritoneal wash of rats. The electrophoresis profile of the EPL and of the residues showed higher content of proteins with molecular weight varying between 29-36 kDa, followed by proteins with molecular weight around 20 kDa and lower proportion of proteins with molecular weight between 45 and 66 kDa. Ricin was not observed in the residues obtain at pH 12. The results of all the experiments of protein extraction of the castor seed pulp allowed to select the best extraction parameters: temperature = 50 °C, stirring speed = 400rpm, castor seed pulp concentration in the extraction solution = 20 %, pH = 12 and alkaline agent = NaOH. In conclusion, through the alkaline protein extraction process it was possible to achieve a protein concentrate with interesting properties for biodegradable material production (agriculture and biofilms), and of ricinless residues which still have high content of proteins and fiber that can be used for animal feed