Influência das pentosanas nas propriedades funcionais do glúten e amido de trigo

Abstract

O trabalho apresentado nesta tese pretendeu estudar o efeito das pentosanas hidrossolúveis nas propriedades funcionais do glúten e amido de trigo, ao nível da dinâmica molecular e estrutural, através da aplicação de técnicas de reologia e de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). As amostras de pentosanas hidrossolúveis, glúten e amido foram extraídas a partir de duas variedades portuguesas de trigo, Amazonas e Sorraia, desenvolvidas na estação nacional de melhoramento de plantas (ENMP, Elvas, Portugal), e caracterizadas por possuírem propriedades tecnológicas distintas. No Capítulo I é apresentada uma revisão do conhecimento actual sobre a composição e propriedades das farinhas de trigo e seus principais constituintes, apresentando-se a importância de cada um dos componentes, bem como das interacções entre si, no processo de panificação. Neste capítulo são ainda apresentados, de uma forma resumida, os fundamentos das principais técnicas analíticas utilizadas, nomeadamente a reologia fundamental e a espectroscopia de ressonância magnética nuclear de sólidos. No Capítulo II é apresentada a descrição dos métodos de fraccionamento das farinhas de trigo com vista à obtenção e purificação das fracções de amido, glúten e pentosanas hidrossolúveis, bem como a caracterização físico-química das farinhas e de cada uma das fracções obtidas. As farinhas das duas variedades apresentaram como principais diferenças os teores mais elevados de amido e amido danificado para a farinha Sorraia. Os glútens, bem como as pentosanas hidrossolúveis, apresentaram uma composição físico-química semelhante entre as duas variedades. No Capítulo III apresenta-se o estudo das propriedades reológicas e espectroscópicas das duas variedades de farinhas de trigo, com o objectivo de se determinarem aspectos diferenciadores da funcionalidade, quer ao nível estrutural fundamental quer ao nível molecular. As diferentes propriedades tecnológicas que distinguem as duas variedades de trigo em estudo, nomeadamente o maior grau de dureza, a maior força de glúten e a maior capacidade de absorção de água demonstrada pela farinha Sorraia, reflectiram-se no comportamento reológico observado, apresentando esta farinha um módulo complexo superior. Estas propriedades reflectiram-se igualmente no diferente comportamento reológico observado ao longo do tratamento térmico para as duas variedades. A partir da espectroscopia de RMN de 1H foi possível verificar que as duas variedades de farinha apresentaram uma dinâmica molecular distinta, o que poderá estar na origem da diferente funcionalidade. No Capítulo IV descreve-se o estudo comparativo dos glútens extraídos das duas variedades de farinha procurando-se estabelecer uma relação entre os resultados obtidos por ensaios de reologia fundamental e os resultados obtidos por espectroscopia de RMN, numa tentativa de assim se compreender a origem da diferente funcionalidade dos dois glútens. A principal diferença observada no comportamento viscoelástico dos dois glútens foi o carácter viscoso mais acentuado verificado para o glúten Sorraia. Ao nível da dinâmica molecular foi possível verificar uma maior imobilização dos resíduos ricos em prolina e glutamina no glúten Sorraia, o que poderá estar relacionado com a maior força de glúten apresentada por esta variedade. O aquecimento conduziu a valores do módulo de conservação mais elevados, o que se traduziu num aumento da rigidez ao nível molecular, tal como confirmado pelos tempos de relaxação T1H e T2H de protão. No Capítulo V apresenta-se o estudo do efeito das pentosanas hidrossolúveis (PHS) nas propriedades viscoelásticas e dinâmicas do glúten extraído de cada uma das variedades das farinhas de trigo. A adição de PHS às amostras de glúten exerceu, claramente, uma alteração do comportamento do glúten não só ao nível reológico como ao nível espectroscópico. A presença de PHS provocou um aumento do módulo de conservação e do módulo de perda, numa extensão dependente da quantidade e da origem das PHS. A presença de PHS diminui as alterações irreversíveis que ocorrem no glúten durante aquecimento, evitando ou diminuindo o processo de desnaturação, caracterizado por uma maior imobilização das proteínas. No Capítulo VI apresenta-se primeiramente a comparação das propriedades de gelificação dos amidos obtidos a partir de cada uma das variedades de farinha de trigo. Posteriormente é apresentado o efeito das PHS nas propriedades de gelificação do amido, procurando-se estabelecer uma relação entre as propriedades reológicas fundamentais e o comportamento ao nível da dinâmica molecular. A presença de PHS conduziu a um aumento das temperaturas de gelatinização e ao aumento do carácter viscoso dos géis formados. O aumento do carácter viscoso dos sistemas constituídos por amido e PHS observado ao nível da reologia traduziu-se no aumento da mobilidade observada ao nível do RMN. A manutenção de um sistema hidratado ao longo do tratamento térmico e a diminuição da taxa de retrogradação devido à presença de PHS no amido foi observada quer ao nível da reologia quer ao nível da espectroscopia de RMN. Por fim, no Capítulo VII é apresentado um estudo preliminar de amostras reconstituídas, compostas por amido, glúten e PHS. Primeiramente estudaram-se os sistemas constituídos apenas por glúten e amido. A adição de uma maior quantidade de glúten conduziu a valores do módulo de conservação mais elevados, o que, na dinâmica molecular se traduz na formação de uma matriz mais rígida. A adição de PHS às amostras constituídas por glúten e amido conduziu ao aumento do carácter viscoso dos sistemas. A manifestação do carácter mais viscoso deverá estar relacionado com maior mobilização da amostra ao nível molecular tal como verificado pela espectroscopia de RMN. A presença de PHS mostrou ser bastante importante para a manutenção de um sistema mais hidratado ao longo do tratamento térmico, contribuindo para a diminuição da taxa de retrogradação do amido, e consequente aumento do tempo de vida útil do produto final.

The work presented in this thesis targeted the study of the effect of water soluble pentosans on the functional properties of gluten and wheat starch, concerning molecular and structural dynamics, through the use of rheology and nuclear magnetic ressonance spectroscopy. The samples of water soluble pentosans, gluten and starch were extracted from two Portuguese wheat varieties, Amazonas and Sorraia, grown at the National Plant Breeding Station in Elvas (ENMP, Elvas, Portugal), and characterized by by their distinct technological properties. Chapter I presents a review of the present knowledge on the composition and properties of wheat flours and their main components, and the importance of each of the components, as well as their interactions, in breadmaking. This chapter also presents, in a summarized way, the fundamentals of the main analytical techniques used, namely fundamental rheology and solid state nuclear magnetic ressonance spectroscopy. Chapter II presents the description of the fractioning methods of wheat flours as to the obtention and purification of starch, gluten and water soluble pentosans fractions, as well as the physical and chemical characterization of the flours and of each of the fractions obtained. Sorraia flour presented higher levels of starch and damaged starch as the main differences between the two wheat flour varieties. The gluten samples, as well as the water soluble pentosans, showed a very similar physical and chemical composition in both varieties. Chapter III presents the study of rheological and spectroscopical properties of the two varieties of wheat flour, as to find distinct characteristics of the different functionality at both fundamental structural and molecular levels. The different technological properties which differentiate the two wheat flour varieties under study, namely the higher hardness level, the greater gluten strength and the greater water absorption capacity shown by Sorraia flour, were reflected in the observed rheological behaviour, this flour showing a higher complex modulus. These properties were exhibited in the different rheological behaviour observed between the two wheat flours, during the heat treatment. By means of 1H-NMR spectroscopy it was possible to observe that both flour varieties showed distinct molecular dynamics, which may have given origin to the different functionality. Chapter IV describes a comparative study of gluten samples extracted from both flour varieties, as to establish a link between results obtained by means of fundametal rheological experiments and results obtained through NMR spectroscopy, as to understand the origin the different functionality of the two glutens. The main difference observed in the viscoelastic behaviour between the two gluten samples was the stronger viscous character exhibited by Sorraia gluten. As to the molecular dynamics, it was possible to observe a higher rigidity of proline and glutamine rich residues in Sorraia gluten, which may be related to the higher gluten strength shown by this variety. Heating led to higher values of storage modulus which was reflected by an increase in rigidity at molecular level, as confirmed by the T1H and T2H proton relaxation values. Chapter V covers the study of the effect of water soluble pentosans on the viscoelastic and dynamics properties. The addition of water soluble pentosans to gluten samples clearly produced a change in the behaviour of the gluten, not only at rheological but also at spectroscopical levels. The addition of water soluble pentosans to the gluten samples contributed to the increase of both storage and loss moduli values, in an extension dependent on both the percentage and the origin of the added water soluble pentosans. The presence of the water soluble pentosans decreases irreversible changes which occur in the gluten during heating, avoiding or hindering the process of gluten denaturation, characterized by an increase in protein rigidity. The first part of Chapter VI shows the comparison between the gelatinization properties of starches obtained from each of the wheat flour varieties. Further on, the effect of water soluble pentosans on the gelatinization properties of starch is shown. The presence of water soluble pentosans led to an increase of gelatinization temperatures and to the increase in the viscous character of the gels formed. The increase in the viscous character of the systems made up by starch and water soluble pentosans observed at rheological level was reflected on the increase of mobility observed by means of NMR. The maintenance of a hydrated system during the heating process and the decrease in the rate of starch retrogradation due to the presence of water soluble pentosans in the starch were observed through both rheology and NMR spectroscopy. Finally, Chapter VII presents a preliminary study of reconstituted samples made up by starch, gluten and water soluble pentosans. First, a study of the systems composed just by starch and gluten was carried out. The addition of a larger amount of gluten resulted in higher storage modulus values, which, in molecular dynamics is shown in the building up of a more rigid matrix. The addition of water soluble pentosans to the samples made up by gluten and starch led to the increase in the viscous character of the systems. The display of a more viscous character may have have resulted from an increase in mobility at a molecular level, as seen through NMR spectroscopy. The presence of water soluble pentosans proved to be quite important in the maintenance of a more hydrated system during the heating process, contributing to a decrease in the starch retrogradation rate and, consequently, to an increase in the shelflife time of the final product.