Dezembro, 2006	74
		Passo Fundo, RS

Entre os processos empregados industrialmente para produção de farinhas pré-cozidas destaca-se a extrusão termoplástica. O processo de extrusão H.T.S.T. (altas temperaturas, tempos curtos) é uma tecnologia que teve origem na indústria de plásticos e muitos dos modelos e teorias foram desenvolvidos com polímeros (Harper, 1981).

O extrusor de rosca única foi primeiramente aplicado no processamento de alimentos em 1935, para extrusão contínua de pastas alimentícias. Desde então, tem sido aumentado grandemente o uso de extrusão na indústria de alimentos, particularmente naqueles processos que requerem cozimento ou gelatinização em algum estágio, como na preparação de "snacks", cereais, pastas, produtos de confeitaria, alimentos animais, suplementos protéicos e análogos a carne (Rossen & Miller, 1973).

O extrusor de alimentos tem sido descrito como um reator de fluxo contínuo que trabalha a altas temperaturas e pressões em combinação com a força de cisalhamento e, conteúdos de umidade relativamente baixos, capaz de processamento de biopolímeros e misturas de ingredientes (Chen et al.,1991).

De acordo com El-Dash (1981), a extrusão termoplástica de alimentos é definida como o processo contínuo no qual o cisalhamento mecânico é combinado com calor para gelatinizar amido e desnaturar materiais protéicos, como conseqüência eles são plastificados e reestruturados para obtenção de produtos com novas texturas e formas. As funções do extrusor de alimentos incluem, além da gelatinização/cozimento, quebra molecular, mistura, esterilização, dar forma e inflamento/secagem (Rossen & Miller, 1973).

O uso do processo de extrusão apresenta inúmeras vantagens: versatilidade, alta produtividade, baixo custo, produtos com formas variadas, alta qualidade por evitar perdas de nutrientes, produção de novos produtos e principalmente, não produzem efluentes (Harper, 1979). Através de simples passagem pelo aparelho, materiais brutos podem ser convertidos em produtos completamente expandidos ou em produtos semi-acabados, se necessário (Flickinger, 1991). Os resultados dependem do tipo de extrusor usado, do tipo de produto extrusado e dos parâmetros de extrusão considerados (Andersson et al., 1981).

Apesar das muitas vantagens do processo de extrusão, o seu controle é complicado devido a natureza complexa dos alimentos e às inúmeras variáveis envolvidas (Vilela & El-Dash, 1987). As variáveis do processo de extrusão que controlam diretamente os atributos de qualidade do produto são chamadas variáveis independentes ou fatores, já as variáveis dependentes ou respostas, mudam como consequência das variáveis independentes (Huber, 1991). Portanto, certas características do produto final podem ser melhor controladas por uma escolha adequada dos parâmetros de extrusão (Meuser, 1994).

As variáveis independentes compreendem os ingredientes alimentares, umidade da matéria-prima, geometria do parafuso, configuração da matriz, velocidade do parafuso, temperaturas das jaquetas, pré-condicionamento (aquecer com vapor ou umedecer) e taxa de alimentação e as variáveis dependentes incluem viscosidade, taxa de cisalhamento, taxa de fluxo, pressão, energia, tempo de residência, temperatura e características do produto (Harper, 1981).

Entre as características do produto encontramos, conteúdo de umidade final (que afeta a vida de prateleira e estabilidade), expansão (que afeta volume, tamanho e forma), solubilidade (influenciada pela aderência e coesão), absorção (de água, leite, gordura), cor (claridade), sabor (forte, suave, rançoso) (Huber, 1991), densidade (razão da massa pelo volume), textura (sensação na boca, estrutura da célula, é a combinação de propriedades como fraturabilidade, dureza, coesividade, adesividade, elasticidade, gomosidade e mastigabilidade) (Harper, 1981).

Os modelos de extrusores são variados, como também é variado o tipo de produto que eles produzem. Apesar destas diferenças, o processo de extrusão HTST pode ser pensado, como ocorrendo em 3 fases, as quais correspondem as seções ou zonas apropriadas do parafuso do extrusor. O material a ser extrusado entra primeiro na seção de mistura. Nenhum cozimento é iniciado, nesta fase ocorre a mistura do material alimentado, que é comprimido para preencher os espaços que circundam o parafuso e conduzir uniformemente o material. A próxima seção é a de transição. A pressão, taxas de cisalhamento e temperatura aumentam rapidamente nesta seção, no final o material está com 100^oC ou mais. Na última seção em geral as temperaturas geralmente continuam a aumentar. O parafuso comprime e mistura adicionalmente o produto, para assegurar que ele deixará a matriz homogeneamente. A rápida saída para temperatura ambiente e queda da pressão causam evaporação da umidade do extrusado, expandindo o produto. A quantidade de água perdida durante o processo varia, dependendo primariamente da temperatura da última seção e da geometria da matriz. Em geral, aproximadamente 7 a 8% de umidade é perdida (Faubion et al., 1982).

Na figura 1 pode-se observar o desenvolvimento de farinha de trigo na zona de cozimento.

Efeito da extrusão na composição química e na qualidade nutricional

As influências da extrusão na composição química e na qualidade nutricional de alimentos e rações alimentares pode ter efeitos positivos e negativos. Revisões sobre as mudanças químicas que afetam a nutrição durante a extrusão foram publicadas por Cheftel (1986), Camire et al. (1990), Kokini (1993). A Tabela 2 resume estas mudanças.

Amido

O amido é o principal componente de alimentos a base de cereais, que são produzidos por diferentes processos, entre eles a extrusão. Neste processo, os grânulos de amido são gelatinizados e/ou retrogradados e tem grande efeito na qualidade, especialmente na textura.

Os grânulos de amido sofrem gelatinização e fusão, por ação do calor e umidade nas pontes de hidrogênio entre as cadeias polissacarídicas firmemente ligadas na estrutura do grânulo. Sob condições de excesso da água, as pontes de hidrogênio nas regiões amorfas do grânulo, menos ordenadas, são rompidas primeiro, permitindo que a água se associe com grupos hidroxila livres. Isto é notado pela mobilização da cadeia polimérica e pode ser chamado transição vítrea, Tg. A água leva ao entumescimento e à aberturas adicionais da estrutura do grânulo. A fusão da fração cristalina resulta num desaparecimento completo da birrefringência, a qual é irreversível. O colapso final do grânulo é notado pela liberação dos conteúdos gelatinizados dentro do meio de cozimento. A viscosidade do meio aumenta rapidamente até que a maioria dos grânulos esteja desmanchada, resultando em um produto opaco (Camire et al., 1990).

Em resumo, a principal mudança que ocorre no amido durante o processo de extrusão é a ruptura de regiões cristalinas no grânulo, seguida pela perda de integridade e, no caso dos amidos de cereais, a formação de complexos lipídio-amilose (Mitchell & Areas, 1992), que diminuem a digestibilidade e a solubilidade dos amidos cozidos (Galloway et al., 1989).

Os lipídios polares interagem com as cadeias lineares de amilose para inibir o entumescimento e a hidratação do grânulo. Este efeito está relacionado ao comprimento da cadeia hidrocarbonada: cadeias curtas de lipídios polares podem acelerar a taxa de gelatinização, enquanto cadeias médias e longas inibem o entumescimento dos grânulos (Camire et al., 1990). Extrusados completamente gelatinizados podem ter solubilidade de 80 a 90%, o que pode apresentar uma sensação de goma no paladar. O uso de lipídios na extrusão parece ter algum potencial para melhorar a textura dos extrusados à base de amido, por diminuir a solubilidade em água e modificar o perfil de viscosidade (Mercier & Feillet, 1975; Cheftel, 1986).

Os conteúdos de amilose e amilopectina são conhecidos por terem um amplo efeito na expansão do extrusado. Cereais com baixos níveis de amilose tem propriedades de expansão superiores aos ricos em amilose. As proteínas podem influenciar a gelatinização do amido, assim o glúten de trigo aumenta a absorção de água e a gelatinização é maior (Camire et al., 1990).

De acordo com Cheftel (1986), as modificações físico-químicas nos grânulos de amido e constituintes devido a extrusão, levam a mudanças reológicas e texturais e, aumento da digestibilidade e disponibilidade como uma fonte de energia.

Proteínas

De acordo com Mitchell & Areas (1992), durante o processo de extrusão as mudanças estruturais nas proteínas ocorrem na seguinte sequência: desnaturação, associação, ruptura de algumas ou todas associações pelo calor e cisalhamento para formar uma solução concentrada ou fase fundida, possível formação de algumas ligações covalentes a altas temperaturas, formação de ligações não covalentes e pontes dissulfeto sobre resfriamento e, transição de regiões amorfas para o estado vítreo se o conteúdo de umidade for suficientemente baixo.

A melhora na digestibilidade protéica devido a desnaturação é a principal modificação físico-química e a diminuição da disponibilidade de lisina devido a reações de Maillard é a principal mudança química que ocorre devido a extrusão (Cheftel, 1986).

A desnaturação é qualquer mudança na conformação de uma proteína que não envolve quebra de ligações peptídicas. Tipicamente, grupos hidrofóbicos são expostos durante a desnaturação, resultando numa diminuição da solubilidade da proteína em soluções aquosas. A desnaturação expõe novos sítios para o ataque enzimático, melhorando assim a digestibilidade.

A reação química entre açúcar redutor, como glicose, frutose, lactose ou maltose e, um grupo amino livre ou um aminoácido, geralmente do grupo ε-amino de lisina, tem importantes consequências nutricionais e funcionais. Esta reação conhecida como escurecimento não enzimático, é na realidade uma série de reações com uma ampla variedade de compostos resultantes. Durante a extrusão, estas reações são favorecidas pelas condições de alta temperatura e cisalhamento, em combinação com baixa umidade. O amido e açúcares não redutores, como a sacarose podem ser hidrolisados durante a extrusão para formarem açúcares redutores. Isto foi sugerido de ser a causa da perda de lisina nas farinhas extrusadas (Camire et al., 1990).

O efeito do processo de extrusão no valor nutricional das proteínas de farinha de trigo e farinha integral de trigo foi estudada por Björck & Asp (1984), que encontraram pela análise de aminoácidos uma retenção de lisina de 63 a 100%. Sugerem que a perda de lisina sob condições severas de processamento é conseqüência da formação de carboidratos redutores através da hidrólise do amido (ou seja, devido a dextrinização do amido), que podem participar da Reação de Maillard.

De acordo com Andersson et al. (1981) um aumento na taxa de cisalhamento durante a extrusão de uma mistura amido/glúten/farelo levou também a um aumento do gosto de queimado, o que pode corresponder a níveis mais altos de compostos de Maillard e, conseqüentemente menores teores de lisina.

Kokini et al. (1994) desenvolveram diagramas de estado para proteínas de cereais que permitem predizer as fases do material que podem ser esperadas durante o processo de extrusão. Estes diagramas descrevem o conteúdo de umidade e região de temperatura na qual cada componente protéico pode sofrer a reação apropriada, assim em produtos em que a crocância é necessária pode-se conhecer a região vítrea, pode-se saber também os estados físicos da glutenina durante a extrusão e o armazenamento.

Lipídios

Teores elevados de lipídios previnem a expansão dos alimentos extrusados, que contém, na maioria das vezes, menos de 6 a 7% de lipídios logo após a extrusão. Níveis baixos (aproximadamente 5%) promovem uma extrusão constante e melhoram a textura (Cheftel, 1986).

Quando lipídios ou alimentos contendo lipídios são aquecidos na presença de oxigênio, sofrem oxidação devido a degradação dos ácidos graxos. Os radicais livres produzidos nestas reações de oxidação podem reagir com proteínas, vitaminas ou outros constituintes e reduzir a qualidade nutritiva do alimento. Contudo, a destruição de sabor e cor por estas reações são as principais perdas nutricionais que podem ocorrer (Lillard, 1983).

Assim, o valor nutricional dos lipídios poderia ser afetado durante a extrusão, como resultado de oxidação, hidrogenação, isomerização ou polimerização. De acordo com Maga (1978) citado por Cheftel (1986), a extensão de hidrogenação e isomerização cis-trans de ácidos graxos durante a extrusão é muito pequena para ser nutricionalmente significativa. A inativação de lipase e lipoxidase durante a extrusão ajuda a proteger contra a oxidação durante o armazenamento, mas a porosidade dos extrusados é prejudicial com respeito a rancidez. A extrusão reduz a extratabilidade de lipídios, o que pode ser em parte devido a formação de complexos lipídio-amilose (Cheftel, 1986).

Outros constituintes

Os açúcares tendem a ligar a água necessária para a gelatinização do amido. Portanto, o tempo e a temperatura necessários para gelatinizar os amidos em produtos extrusados pode aumentar. O açúcar pode também complexar-se com proteínas, causando reações de escurecimento, contudo as temperaturas de extrusão são normalmente baixas o suficiente e as umidades altas o bastante para que as reações de escurecimento não sejam um problema durante a extrusão. Os açúcares podem também ser usados para controlar a atividade de água em produtos extrusados devido sua natureza hidrofílica (Huber, 1991).

A biodisponibilidade dos minerais é variável e a extensão pela qual a extrusão pode afetar sua biodisponibilidade é ainda incerta. A influência da extrusão na absorção mineral é complexa devido a muitos fatores que afetam a absorção (Camire et al., 1990). As mudanças químicas nos constituintes das fibras são complicadas pelos muitos métodos de análise. Entretanto, a extrusão não muda os níveis significativamente, apenas tem-se notado um leve aumento na fibra solúvel (Björck & Asp, 1984).

Enquanto a fibra possui efeitos nutricionais benéficos, consumo em excesso pode levar a balanço negativo de minerais. Os fitatos são comumente associados com a fibra alimentar e têm sido mostrado que as fibras podem complexar quantidades significativas de minerais sob certas condições de pH (Camire et al., 1990). Foi encontrada uma redução de 13-35% no conteúdo de fitato, após a extrusão de uma mistura de glúten, amido e farelo de trigo (Andersson et al., 1981).

As enzimas dos farelos de sementes (contém lipases, peroxidases e outras enzimas), são inativadas com sucesso pela extrusão, o que é crucial para o uso dos farelos em alimentos. Em geral, aumentando a temperatura de extrusão, diminui a atividade enzimática, mas há diferenças nos padrões de inativação de enzimas termolábeis e termoestáveis (Killeit, 1994).

O mesmo autor verificou em relação às vitaminas que considerável degradação pode ocorrer. A retenção de vitaminas durante a extrusão diminuiu com: aumento da temperatura e da velocidade do parafuso e diminuição da umidade e do diâmetro da matriz. As vitaminas hidro e lipossolúveis são caracterizadas pela variabilidade de seu comportamento frente ao calor, oxigênio e luz (Gueriviere et al., 1985). As vitaminas mais sensíveis ao processo de extrusão são A, E, C, B1 e ácido fólico, enquanto B2, B6, B12, niacina, pantotenato da cálcio e biotina são mais estáveis (Schlude, 1987).

Entre as vitaminas lipossolúveis, a vitamina A ou retinol parece ter sua estabilidade favorecida com o aumento da velocidade do parafuso do extrusor. Notou-se destruição mínima de tocoferol em extrusados de farinha de soja rica em gordura. Os tocoferóis podem também ser adicionados antes da extrusão para proteger materiais sensíveis a oxidação durante o processo (Camire et al., 1990).

As vitaminas hidrossolúveis são sensíveis ao calor e mudança de pH. Porém, conforme Harper (1988) citado por Camire et al. (1990) as perdas destas vitaminas devem ser pequenas porque materiais termolábeis são capazes de resistir as condições de extrusão HTST. As vitaminas B6 e B12, niacina, pantotenato de cálcio e biotina, parecem ser afetadas minimamente pelas condições de extrusão. A vitamina C é facilmente destruída, devendo ser adicionada após a extrusão (Camire et al., 1990).

Os alimentos extrusados são considerados microbiologicamente estáveis devido sua reduzida umidade e sua baixa atividade de água (Likimani et al., 1990). De acordo com Camire et al. (1990), o calor produzido durante a extrusão destrói os microrganismos presentes no material crú. A extrusão é muito efetiva na redução da contagem total em placa especialmente no número de Escherichia coli por 100 g. Testes de sobrevivência de esporos de Bacillus stearothermophilus, que é usado como um indicador da abilidade de um processo térmico para destruir bactéria, comprovaram o efeito esterilizante da extrusão.

A extrusão reduz a alergenicidade dos alimentos por desnaturação das proteínas que causam reações alérgicas (Camire et al., 1990). Também diminui os níveis de alquilresorcinóis, compostos isolados de grãos cereais, que inibem o crescimento em várias espécies animais (Lorenz & Al-Ruqaie, 1992). Nutricionalmente, este processo tem efeito positivo na digestibilidade dos alimentos e na inativação de substâncias indesejáveis e/ou fatores tóxicos. É usado na preparação de alimentos nutricionalmente enriquecidos ou balanceados (Camire et al., 1990).

Efeito da extrusão na qualidade tecnológica

Os componentes dos alimentos são muito importantes para a qualidade tecnológica dos produtos extrusados. As proteínas são importantes para a elasticidade, retenção de gás e estrutura celular, adesividade, extensibilidade, absorção de água, ligação e mesmo expansão. Os amidos são importantes principalmente para adesão, coesão e expansão. Os lipídios são críticos para densidade volumétrica e expansão. A fibra é usada para controle da densidade e da textura em adição ao seu especial valor nutritivo (Shukla, 1998).

Segundo Mercier & Feillet (1975), a temperatura de extrusão e a umidade da matéria-prima, são as mais importantes variáveis do processo que afetam as características do produto. Na extrusão de gritz de milho observaram que à medida que a temperatura de extrusão aumentou, o índice de solubilidade em água (ISA) aumentou. As mudanças no índice de absorção de água (IAA) e na expansão foram similares com valor máximo entre 180 e 200^oC. Com o aumento do conteúdo de umidade da matéria-prima (de 10,5 para 28,5%), aumentou o IAA e diminuiram o ISA (de 35 para 20) e a expansão (de 6,2 para 1,5).

Whalen et al. (1997) observaram que a principal mudança em um material contendo amido durante a extrusão é alguma parte refletida por sua solubilidade e absorção em água. Verificaram uma forte correlação entre os dados de viscosidade medida pelo RVA e o torque, bem como com a expansão de produtos à base de cereais.

Segundo Lewis (1993) a densidade aparente de um produto depende de uma série de fatores como a densidade de seus componentes, a geometria, o tamanho, as propriedades de superfície e o método de medida.

Bhattacharia & Hanna (1985) relataram que amidos com uma mistura de 50% amilose e amilopectina apresentaram as melhores características de expansão. Quando o conteúdo de amilose diminuiu, a densidade volumétrica também diminuiu, indicando que a expansão global aumentou.

Alvarez-Martinez et al. (1988) verificaram na extrusão de sêmola de milho em temperaturas de 150 à 170^oC, uma redução na expansão radial e aumento na axial. Lue et al. (1990) notaram que a adição de fibra, resultou em fraca formação e baixa retenção de bolhas de ar. Conseqüentemente, houve diminuição da expansão radial e um aumento da densidade volumétrica dos produtos.

As mudanças na viscosidade necessitam ser levadas em conta, particularmente quando se utilizam processos que implicam aquecimento, esfriamento e homogeneização, porque a viscosidade pode mudar consideravelmente nestas operações. A medida da viscosidade definida como a resistência em fluir é, importante para o controle de qualidade (Lewis, 1993).

Moore et al. (1990) mostraram que a viscosidade aparente de massa à base de farinha de trigo extrusada não variou significativamente quando a concentração de farelo aumentou de 0 para 16%, mas diminuiu notavelmente quando o conteúdo de sacarose aumentou de 0 para 18%. Wang et al. (1993) determinaram a viscosidade a 37^oC no RVA em suspensões de trigo integral sem extrusar e extrusado, verificando que as primeiras foram menos viscosas do que as últimas.

A resistência à ruptura do extrusado está relacionada a evaporação de água superaquecida na saída da matriz. Quando esta é instantânea, antes da solidificação da estrutura, confere ao produto uma textura porosa e expandida. Quando é lenta, permite uma solidificação da estrutura antes que ocorra um grau adequado de expansão, o que limita a expansão do produto que tem a sua estrutura compactada (Chang, 1989).

Um maior teor de fibra produz um extrusado mais compacto com paredes celulares espessas e células de ar pequenas, conseqüentemente, uma maior força de cisalhamento é observada. Para Jin et al. (1995) a força de cisalhamento dos extrusados pode estar relacionada a sua microestrutura. Geralmente, a espessura da célula da parede parece corresponder bem a textura do produto; células da parede mais espessas produzem maior força de cisalhamento.

Li & Lee (1996) encontraram uma dureza de 5,473 ± 0,407 kg em extrusados de farinha de trigo comercial (branca) com 14% de proteína, produzidos em extrusor de dupla rosca, com 16% de umidade, 185^oC e umidade da farinha após a extrusão 3,87%. Isto pode indicar que os extrusados de farinha integral de trigo germinado são mais duros que estes, provavelmente, em conseqüência das modificações decorridas da germinação.

Extrusão de farinha de trigo

Wang et al. (1993) extrusaram farinha integral de trigo encontrando pequenas reduções na fibra alimentar total (determinada através de método enzimático-gravimétrico n^o 32-07) (American, 1995). A solubilidade protéica diminuiu nas amostras extrusadas, já os teores de amido digerível enzimaticamente e de absorção de água foram mais altos nas amostras extrusadas do que nas sem extrusar. Embora a viscosidade à 95^oC da suspensão de trigo integral (determinada no RVA - Rapid Visco Analyser) tenha sido muito mais baixa nas amostras sem extrusar, o mesmo não aconteceu a 37^oC, onde foi muito mais viscosa.

Ryu & Walker (1995) observaram o efeito das condições de extrusão em extrusor Brabender, de laboratório de rosca única nas propriedades físicas de extrusados de farinha de trigo. Encontraram um aumento significativo na expansão com o aumento do conteúdo de umidade de 18 para 25%. Faubion (1980) citado por Ryu & Walker (1995) sugere que os componentes remanescentes da farinha, lipídios e proteína (glúten), poderiam exercer dois efeitos sobre a expansão de farinha de trigo, competindo com o amido pela água disponível ou interferindo com a capacidade de fusão termoplástica do amido, para expandir ou manter células de ar grandes com paredes finas na saída da matriz do extrusor. Além disso, notaram que a força de quebra diminuiu significativamente com o aumento da temperatura do processo e a densidade volumétrica aumentou quando a temperatura foi elevada de 120 para 130^oC, e então dramaticamente declinou nas temperaturas do processo de 140 a 160^oC. Esta redução pode ter resultado de um aumento na natureza plástica do glúten acima de 140^oC.

Dahlin & Lorenz (1993b) estudaram a digestibilidade protéica “in vitro” de grãos de cereais extrusados. Foi usado um extrusor Brabender de rosca única, com matriz de 4,76 mm de diâmetro e taxa de compressão de 3:1. Os produtos de trigo mais digeríveis, foram produzidos nas seguintes condições de extrusão: 15% de umidade, temperatura de extrusão de 80/100^oC e velocidade do parafuso de 100 rpm. A melhora na digestibilidade “in vitro” do trigo, não foi influenciada pela umidade, houve somente efeito da temperatura de extrusão. Em geral, o aquecimento melhora a digestibilidade das proteínas pela desnaturação, expondo novos sítios para o ataque enzimático.

A digestibilidade de carboidratos “in vitro” de trigo extrusado não respondeu uniformemente aos níveis de umidade e temperatura.Combinações específicas de condições operacionais do extrusor produzem a mais alta digestibilidade.Uma interação significativa entre temperatura e umidade indicou que o aumento mais favorável da digestibilidade para o trigo ocorreu em temperatura do processo de 100/150^oC e conteúdo de umidade de 25% (Dahlin & Lorenz, 1993a).

Kim & Rottier (1980) verificaram a modificação de semolina de Triticum aestivum em extrusor de rosca única. Notaram que a matéria solúvel e a solubilidade dos carboidratos da farinha aumentaram significativamente com o aumento da temperatura e as proteínas hidrossolúveis diminuiram. A mais alta temperatura de extrusão correspondeu a maior capacidade de absorção de água. Sugerem a aplicação das farinhas extrusadas como ligante para produtos cárneos, em croquetes de carne e em bolos com grande quantidade de ovos.

Documentos Online Nº 74 Publicações Online

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