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Extraction of zein and its application in food preservation/Extracao de zeina e sua aplicacao na conservacao dos alimentos.

REVISAO BIBLIOGRAFICA

INTRODUCAO

A industria do milho tem grande importancia economica devido a ampla distribuicao de seu cultivo a nivel mundial. Apesar da disponibilidade dos graos de milho, suas proteinas caracterizam-se por serem pobres em aminoacidos lisina e triptofano, que sao essenciais a nutricao, sendo 70% da producao destinada a alimentacao animal, porem de baixo consumo humano (PAES, 2006; MIRANDA et al., 2012).

A aplicacao da proteina do milho, referente a zeina, agrega valores pouco conhecidos e explorados a este cereal. Zeina e o nome especifico de uma das proteinas derivadas do endosperma dos graos de milho, classificada do grupo das prolaminas, caracterizadas pelo alto teor de aminoacidos apolares, conferindo estrutura molecular hidrofobica, soluveis em alcool para sua extracao (SHUKLA & CHERYAN, 2001).

A concentracao de zeina pode corresponder a ate 60% do total de proteinas do grao de milho e e caracterizada de acordo com sua similaridade em massa molecular, solubilidade em solventes e estrutura em quatro subclasses: alfa, beta, gama e delta, sendo geralmente a alfa-zeina presente em maior concentracao, podendo tambem haver variacoes na composicao em diferentes genotipos de milho. Dessa forma, elas podem ser quantificadas e visualizadas pelo processo de eletroforese em gel, metodo analitico contendo dodecil sulfato de sodio (SDS-PAGE), que determina os diferentes pesos moleculares atraves das ligacoes das fracoes proteicas em funcao do seu tamanho e forma molecular. A alfazeina caracteriza-se por ser rica em aminoacidos hidrofobicos (alanina, leucina e prolina), a betazeina possui altos teores de aminoacidos sulfurados, a gama-zeina constitui-se de residuos de prolina, e a delta-zeina contem em sua estrutura aminoacidos sulfurados alem de prolina e leucina (LARKINS et al., 1993; OLIVEIRA et al., 2004).

O grao de milho e formado por quatro estruturas fisicas: endosperma, germen, pericarpo (casca) e ponta, estas estruturas diferem em composicao quimica e na disposicao interna do grao (Figura 1). O endosperma representa aproximadamente 83% do peso seco do grao, consiste principalmente de granulos de amido, em media 88%, sendo classificado em dois tipos: farinaceo e vitreo, e concentracao de proteinas de reserva, as zeinas 8%. No endosperma vitreo do grao de milho, encontra-se a maior concentracao de zeina, em comparacao com o endosperma farinaceo. As zeinas estao localizadas no exterior dos granulos de amido, em estruturas circulares, com a regiao central rica em delta e gama zeina, circundada por alfa zeina (PAES, 2006; ANDERSON & LAMSAL, 2011).

As zeinas sao consideradas de alto grau de polimerizacao e propriedades isolantes, destacandose sua aplicacao na elaboracao de filmes para conservacao de alimentos altamente pereciveis e microcapsulas na industria farmaceutica. Filmes sao peliculas formadas a base de polimeros, preparados com adicao de um plastificante, aplicadas sobre o produto alimenticio. Quando proveniente de fonte natural, e biodegradavel em curto periodo de tempo (VILLADIEGO et al., 2005; FORATO et al., 2013). A formacao de novos materiais biodegradaveis substitui o uso de plasticos oriundos de polimeros sinteticos, derivados do petroleo, prejudiciais ao meio ambiente por resistirem a degradacao (TAVARES et al., 2012).

Recentes estudos tecnologicos focalizam em novas alternativas para conservacao dos alimentos no ambito de embalagens e filmes com caracteristicas funcionais, de qualidade e biodegradaveis. Assim, a aplicacao da zeina do milho como materia-prima de fonte natural e renovavel e relevante para o avanco dessas pesquisas (ZOLNERKEVIC, 2010; ANDERSON & LAMSAL, 2011).

Dessa maneira, nesta revisao, serao abordados determinados metodos de extracao de proteina zeina, bem como suas aplicacoes tecnologicas para conservacao dos alimentos.

Formas de extracao de zeina do milho

Diferentes procedimentos para extracao das proteinas dos cereais sao relatados na literatura. A extracao da zeina do milho pode ocorrer por combinacoes quimicas, com adicao ou nao de tratamento enzimatico, sendo que alguns fatores contribuem para eficiencia do processo, como: tipo de solvente, temperatura, pH e tempo de extracao (SHUKLA & CHERYAN, 2001; CAPOBIANGO et al., 2006).

Os estudos para extracao de zeina comecaram a partir da farinha de milho, obtida da moagem seca do grao inteiro, com rendimento de 5 a 6% de extracao de zeina. Osborne, em 1891, foi o primeiro a registrar uma patente nos EUA para extracao de zeina, a partir da moagem umida com formacao de gluten do milho, esse metodo, a partir do gluten, alcancou maior rendimento, de 30 a 40% de zeina (LAWTON, 2002).

O gluten de milho e a fracao separada do germen e amido, constituido principalmente de proteinas (60 a 70% de zeinas), com oleo residual e de alta qualidade para uso industrial, sendo comercialmente produzido para alimentacao animal e para extracao de zeina (FORATO et al., 2013; GERALDI et al., 2012).

A zeina e constituida de 17 aminoacidos, sendo a maior porcentagem destes apolares. ARGOS et al., (1982) propos um modelo estrutural em formato de helice coloidal (uniao dos aminoacidos polares e apolares), referente a estrutura secundaria da proteina zeina. Os aminoacidos apolares estao organizados em estrutura circular, unidos atraves de tres segmentos polares, repetidas em nove helices sequenciais (Up) e antiparalelas (Dn) em superficie plana molecular (Figura 2a), formando um empilhamento dessas helices por interacoes de residuos de glutamina, parte polar nas extremidades da cadeia (Figura 2b).

O metodo quimico para a extracao da zeina a partir do gluten do milho consiste da solubilidade dos aminoacidos apolares de zeina em solucoes aquosas alcoolicas, utilizadas como solventes. A extracao ocorre geralmente por um determinado periodo de tempo, o qual e dependente da eficiencia da interacao do solvente utilizado com a zeina em temperatura entre 50 a 70[degrees]C e pH com variacoes de 6 a 11 para controle da estabilidade em solucoes desejadas. O extrato resultante da dissolucao e filtrado ou centrifugado e adicionado tolueno, hexano ou benzeno para remocao dos lipidios e pigmentos da zeina. A extracao final e o resultado da precipitacao por resfriamento em agua fria ou em temperaturas de -10[degrees]C a -20[degrees]C e secagem a vacuo (SHUKLA & CHERYAN, 2001; LAWTON, 2002).

Diversos solventes podem ser utilizados para a extracao da zeina e sao divididos em tres categorias: primario, secundario e terciario, de acordo com a capacidade de interagir com seus aminoacidos. Solventes primarios solubilizam a zeina em concentracao > 10%. Solventes secundarios solubilizam quando depende de alcool alifatico para proporcionar a interacao com os aminoacidos nao polares e agua, para interagir com os aminoacidos polares. Os terciarios devem ser uma combinacao de alcool alifatico, agua e outro solvente (LAWTON, 2002; ANDERSON & LAMSAL, 2011).

Os procedimentos combinados, envolvendo os tratamentos quimicos e enzimaticos, referem-se a outras formas de extracao de zeina. COOK et al. (1996) desenvolveram um processo de extracao de zeina pelo gluten do milho atraves de um tratamento enzimatico. Este metodo consistiu primeiramente da hidrolisacao do amido residual, o qual facilita a subsequente remocao de off-flavors e a despigmentacao. Para tanto, a amostra e tratada com solucao tampao alcalino para a remocao de acidos graxos e os pigmentos sao extraidos com etanol. A caracteristica final da zeina e desejavel pela cor branca e por ser inodora. A tecnologia de membranas polimericas por ultrafiltracao e nanofiltracao esta sendo empregada para a purificacao de zeina. Contudo, existem fatores que causam a degradacao da membrana e rejeicao da zeina. Dessa forma, cuidados referentes a escolha do material da membrana, pressao aplicada, concentracoes e quantidades de solventes devem ser considerados. Recentemente, o uso da cromatografia revelou-se promissora na purificacao da zeina (> 90%) e separacao de xantofilas (SHUKLA & CHERYAN, 2002; CHERYAN et al., 2012).

Outro procedimento de extracao, por metodo enzimatico, foi relatado por CAPOBIANGO et al. (2006), em fuba de milho, avaliando a eficiencia de extracao pela enzima empregada de uma protease bacteriana de Bacillus liccheniformis. Entretanto, os metodos enzimaticos apresentaram rendimentos inferiores, comparados aos metodos quimicos, provavelmente devido as interacoes com outros constituintes, como lipidios e carboidratos.

Atualmente, a metodologia empregada para extracao de zeina no Brasil e descrita por FORATO et al. (2013). De acordo com estes autores, a zeina obtida a partir do gluten do milho e tratada inicialmente com hexano em extrator Soxlhet por 24 horas para a remocao de gorduras; seguida de agitacao em solucao de cloreto de sodio por 6 horas (para remocao das outras proteinas presentes no grao: albuminas, glutelina e globulinas). Por fim, as zeinas sao obtidas com solvente etanol a 70% por 24 horas e precipitadas em evaporacao, seguida por liofilizacao.

A evolucao dos processos, devido as constantes pesquisas, contribuiu para a diminuicao de custos e melhores controles de extracao referentes a preparacao do milho, diferencas do tipo de moagem e variacoes de temperaturas e pH. A zeina comercial e composta de alfa-zeina e tende a ser de alta qualidade e pureza, podendo ser obtida dos produtos industrializados dos graos de milho ou por moagem umida, com formacao de gluten, mas os rendimentos ainda sao considerados baixos em ambos metodos, inferiores a 50%, havendo a necessidade de continua pesquisa para novos tipos de tratamentos e solventes (LAWTON, 2002; ANDERSON & LAMSAL, 2011b; FORATO et al., 2013; GERALDI et al., 2012). Um metodo de extracao empregado comercialmente e referente a Carter e Reck desde 1970 (Figura 3), usando como solvente 88% de isopropanol (IPA) em solucao aquosa.

Aplicacoes tecnologicas para conservacao dos alimentos

Novas tecnicas de armazenamento e desenvolvimento de embalagens estao sendo pesquisadas para atenuar perdas pos-colheita e o desperdicio de alimentos, os quais geram prejuizo economico de 750 bilhoes de dolares anuais, alem de afetar o meio ambiente com a emissao de gases causadores do efeito estufa (PARISI et al., 2012; FAO, 2013). Avaliando alternativas sustentaveis, revestimentos de polimeros naturais aplicados sobre os alimentos, entre eles proteinas, lipidios e polissacarideos, estao sendo estudados, a fim de ampliar o mercado de embalagens biodegradaveis (DURANGO et al., 2011).

A zeina foi utilizada em grande quantidade como materia-prima para diversos produtos ate o surgimento de polimeros sinteticos, de baixo valor economico, provenientes de fontes nao renovaveis a partir de 1950 (ANDERSON & LAMSAL, 2011).

A variedade e o consumismo de produtos industrializados com polimeros sinteticos nas ultimas decadas aumentaram a quantidade de descarte destes materiais, principalmente no que se refere ao uso de embalagens. Esses polimeros apresentam longo tempo de degradacao, devido a sua alta massa molecular, levando seculos para decomporem-se. A coleta seletiva e os processos de reciclagem tornaram-se alternativas para diminuir o acumulo destes materiais, todavia esses sistemas nao sao acessiveis a toda populacao, a qual carece de incentivo e informacao por parte do governo e de empresas relacionadas a producao dos polimeros sinteticos (REBELLO, 2009; NETO et al., 2011).

A proteina zeina apresenta capacidade de formacao de filmes semelhantes ao plastico, devido ao seu alto grau de polimerizacao e carater hidrofobico, os quais mantem a integridade dos alimentos, pois potencializam barreiras a umidade, transporte de oxigenio, dioxido de carbono e demais compostos volateis (LAWTON, 2002; FORATO et al., 2013). Sua aplicacao estende-se na preparacao controlada de farmacos em microcapsulas, que permitem a liberacao da droga somente ao alcancar o intestino, protegendo da acidez do estomago (GOMEZ-ESTACA et al., 2012).

O desafio dos pesquisadores e encontrar aplicacoes que permitam o consumo em maior proporcao de filmes para embalagens e biomateriais para outros fins, resultando na reducao de seu custo, competicao economica no mercado e substituicao de plasticos de filmes de polimeros sinteticos convencionais, derivados de fontes petroliferas (NETO et al., 2011).

A biodegradacao dos filmes de fontes naturais e realizada em curto periodo de tempo e envolve duas etapas: a despolimerizacao e a degradacao por reacoes catalisadas por enzimas e por micro-organismos em compostos naturais, para dioxido de carbono, agua e outros (VILLADIEGO et al., 2005; ABICOM, 2012).

A elaboracao do filme envolve diversos componentes: agente formador de filme (macromoleculas, polimeros de alto peso molecular), solvente (agua, etanol, agua/etanol, entre outros), plastificante (glicerol e sorbitol), e agente ajustador de pH (como acido acetico e hidroxido de amonia) (BATISTA, 2004).

A utilizacao da zeina como material basico para a finalidade de producao de embalagens biodegradaveis contribui para a diversificacao do mercado na utilizacao da fracao proteica do milho, agregando outro valor economico e social nas industrias moageiras e para os produtores do grao.

O polimero zeina e fragil, havendo a necessidade da adicao de plastificantes para a melhoria das propriedades mecanicas dos filmes. Colaborando com sua potencialidade, a adicao de nanoparticulas aos filmes exibe propriedades superiores, como maior resistencia, maior estabilidade termica e oxidativa, melhor barreira a gases e a agua (TAVARES et al., 2012). A incorporacao de acidos graxos, a exemplo do acido oleico, como plastificante, produz filmes flexiveis, homogeneos, transparentes e de boa aceitacao (XU et al., 2012; FORATO et al., 2013). Resultados desta aplicacao apresentaram diminuicao da perda de massa em macas, devido a menor perda de agua e trocas gasosas (SCRAMIN et al., 2007). Em peras armazenadas por um periodo de 12 dias a temperatura ambiente, a formulacao a base de zeina com baixas concentracoes de acido oleico (0,25%) influenciou positivamente nas propriedades mecanicas como plastificante, obtendo-se o melhor resultado para a conservacao da fruta. Concentracoes maiores de acido oleico ao filme resultam em maior afinidade deste com a agua e reducao na protecao da fruta (SCRAMIN et al., 2011).

BAI et al. (2003) desenvolveram uma formulacao de revestimento brilhoso com zeina aplicado em maca semelhante a goma comercial, resultando em shelf life prolongado em comparacao com amostras nao revestidas e de frutas revestidas com cera de carnauba.

Aumento de shelf life pela inibicao microbiana e controle da perda de peso foram verificados em morangos armazenados durante 21 dias com revestimentos de zeina, gluten de trigo e quitosana. Para os atributos relacionados a conservacao de firmeza e valor nutritivo ao fruto, a zeina apresentou o melhor resultado (REHMAN et al., 2010). Filme de zeina adicionados de agente antimicrobiano e antioxidades conservaram a qualidade de frutas secas de damasco (Prunus Armenica L.) analisadas durante 10 meses (BAYSAL et al., 2010).

Aplicacao de revestimentos de zeina em manga e tomate mostraram efeitos beneficos no retardamento do processo de amadurecimento, atraves da diminuicao da taxa de respiracao e producao de etileno, postergando a mudanca de cor e perda de peso, mantendo a firmeza dos frutos durante o armazenamento (PARK, 1999; HOA et al., 2002; ZAPATA et al., 2008).

No estudo de FORATO et al. (2008), o melhor resultado para a conservacao da noz macadamia foi obtido com solucoes de zeinas adicionado de 20% de propilenoglicol, como plastificante, cuja formulacao reduziu a oxidacao de seus acidos graxos insaturados que ocasionam alteracoes do seu valor nutritivo e dos aspectos sensoriais.

No entanto, o comportamento dos filmes pode ter acao diferenciada para os distintos frutos, de classificacao climaterico ou nao, ou em funcao do tipo de processamento, da temperatura e umidade local de armazenamento (VILLADIEGO et al., 2005; ASSIS et al., 2009).

A adicao de nisina e lisozima em filmes de zeina de milho ou proteina de soja auxiliaram no controle do desenvolvimento de Escherichia coli, Lactobacillus plantarum e Listeria monocytogenes em produtos carneos (HOFFMAN et al., 2001). Os filmes contribuiram tambem para reduzir a oxidacao lipidica e off-flavors em embalagens de costeletas de carne suina pre-cozidas, prolongando o shelf life durante o armazenamento (CUTTER, 2006). Recentemente, o sucesso da inibicao da oxidacao lipidica e a estabilidade de cor foram efetivos atraves da aplicacao de filme de zeina laminada similar ao plastico com compostos fenolicos naturais para embalagem de carne fresca moida (PARK et al., 2012).

A aplicacao da zeina em filmes foi eficiente na reducao de absorcao de oleo em batatas fritas, melhorando a qualidade do produto final, devido as propriedades funcionais da macromolecula zeina ser hidrofobica e de baixa permeabilidade ao vapor de agua (MALLIKARJUNAN et al., 1997). A propriedade de barreira ao oxigenio em filme a base de zeina e proteina de soja resultou em uma embalagem na qual reduziu o ranco oxidativo do azeite de oliva para acompanhar macarrao instantaneo, quando comparado ao produto embalado ao filme de forma convencional (CHO et al., 2010).

Pode-se constatar que existem inumeros estudos realizados com filmes a base de zeina para diferentes alimentos, obtendo-se sucesso na sua conservacao, porem carecem de ampliacao de sua utilizacao a nivel industrial e aceitacao pelos consumidores.

CONCLUSAO

As zeinas possuem alto grau de polimerizacao e capacidade de formacao de filmes para conservacao de alimentos, devido as propriedades de barreira a umidade, dioxido de carbono e ao oxigenio para reduzir o ranco oxidativo, manter a estabilidade de massa e valor nutritivo. A extensa pesquisa em extracao por metodos quimicos ou combinados a partir do gluten do milho propoe maiores rendimentos e a aplicacao tecnologica substitui o uso de plasticos oriundos de polimeros sinteticos por novos materiais biodegradaveis, contribuindo para a diminuicao de perdas pos-colheita, shelf life prolongado dos produtos e a insercao da cultura do milho em novos mercados.

http://dx.doi.org/10.1590/0103-8478cr20131649

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Indira da Silva Papalia (I) Patricia Medianeira Grigoletto Londero (I) *

(I) Universidade Federal de Santa Maria, Avenida Roraima, n[degrees] 1000, Cidade Universitaria, Bairro Camobi, 97105-900, Santa Maria, RS, Brasil. E-mail: patricialondero@yahoo.com.br. * Autor para correspondencia.

Recebido 13.12.13 Aprovado 20.07.14 Devolvido pelo autor 14.10.14 CR-2013-1649.R2
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Title Annotation:tecnologia de alimentos; texto en portugues
Author:Papalia, Indira da Silva; Londero, Patricia Medianeira Grigoletto
Publication:Ciencia Rural
Date:Feb 1, 2015
Words:4773
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