Um estudo abrangente da proteína do feijão-caupi: propriedades tecnofuncionais, comportamento reológico, capacidade emulsificante e de formação de filme

Abstract

O feijão-caupi (Vigna unguiculata (L.) Walp), uma leguminosa versátil e adaptável, nativa da África, destaca-se pelo seu alto teor de proteínas, variando entre 20 e 30%. Essa característica faz do feijão-caupi uma fonte promissora de proteína vegetal, ainda pouco explorada na indústria alimentícia. Neste estudo, a proteína concentrada do feijão-caupi (CPC) foi extraída por precipitação isoelétrica, caracterizada e avaliada quanto às suas propriedades funcionais e reológicas, sendo aplicada no desenvolvimento de emulsões e filmes comestíveis. Inicialmente, as características e propriedades do CPC tanto em pó quanto em solução foram investigadas. As globulinas foram as proteínas mais abundantes no CPC em pó, que apresentou um perfil proteico com proporção adequada de aminoácidos essenciais. O CPC, predominantemente amorfo, apresentou alta temperatura de desnaturação (131,86 °C) e na estrutura secundária de suas proteínas houve prevalência de folhas-β. Em solução, o pH representou um fator crítico sobre as propriedades tecno-funcionais do CPC, incluindo solubilidade, turbidez, formação de espuma e capacidade emulsificante, as quais melhoram em condições alcalinas. Soluções aquosas de CPC também foram analisadas quanto aos efeitos combinados de pH, concentração e temperatura sobre suas propriedades reológicas. Os resultados indicaram sensibilidade à concentração de proteína e à taxa de cisalhamento, especialmente em concentrações acima de 10%. O pH influenciou significativamente a tensão de cisalhamento e a viscosidade. O pH alcalino induziu alterações estruturais que afetaram as temperaturas de desnaturação e gelificação da proteína. O estudo também explorou a relação entre pH (3-11), concentração de óleo (2-10%) e estabilidade de emulsões, com foco na eficácia do CPC como agente emulsificante natural. O pH e a concentração de óleo impactaram significativamente a distribuição do tamanho das partículas, sendo mais uniforme em pH 9. Emulsões estabilizadas com CPC exibiram comportamento de fluido pseudoplástico, intensificado com maiores concentrações de óleo. Após tratamento térmico, emulsões em pH 7 e 9 sofreram desestabilização, enquanto em pH 11 permaneceram estáveis. Emulsões em pH 9 e 11 mostraram os maiores graus de estabilidade durante 30 dias de armazenamento. A CPC também foi avaliada como potencial matéria-prima para o desenvolvimento de filmes comestíveis. Filmes preparados em diferentes pHs (7, 9 e 11) revelaram que o pH 9 foi favorável a estruturas secundárias mais ordenadas dessas proteínas, microestrutura mais homogênea e redução da permeabilidade ao oxigênio (PO2) no filme em relação aos outros pHs. Solubilidade, resistência à tração e deformação na ruptura não demonstraram dependência estrita do pH da solução formadora de filme. Por fim, a incorporação de emulsão nas soluções formadoras de filme também foi investigada. A presença de emulsão melhorou a resistência à tração e o alongamento na ruptura e afetou significativamente o índice de cristalinidade relativa dos filmes, que aumentou nas formulações com 0.8 e 1% de emulsão. A formulação com 1% de emulsão apresentou a menor PO2 e filmes sem rachaduras nas imagens de microestrutura. Filmes com mais de 0,2% de emulsão apresentaram maior opacidade, enquanto o filme controle foi mais transparente. Os resultados desta tese demonstram que o CPC possui alto potencial para aplicação como ingrediente alimentício na indústria.

Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp), a versatile and adaptable legume native to Africa, stands out for its high protein content, ranging between 20 and 30%. This characteristic makes cowpeas a promising source of plant protein, still underexplored in the food industry. In this study, cowpea protein concentrate (CPC) was extracted by isoelectric precipitation, characterized, and evaluated for its functional and rheological properties, being applied in the development of emulsions and edible films. Initially, the study investigated the characteristics and properties of CPC both in powder and solution forms. Globulins were the most abundant proteins in CPC powder, which showed a protein profile with an adequate proportion of essential amino acids. The predominantly amorphous CPC had a high denaturation temperature (131.86 °C), and the secondary structure of its proteins was dominated by β-sheets. In solution, pH proved to be a critical factor in the techno-functional properties of CPC, including solubility, turbidity, foaming, and emulsifying capacity, which improved under alkaline conditions. Aqueous solutions of CPC were also analyzed for the combined effects of pH, concentration, and temperature on their rheological properties. The results indicated that the rheological properties were sensitivity to protein concentration and shear rate, especially above 10%. The pH significantly influenced shear stress and viscosity. Alkaline pH induced structural changes that affected the protein's denaturation and gelation temperatures. This study also explored the relationship between pH (3-11), oil concentration (2-10%), and emulsion stability, focusing on the effectiveness of CPC as a natural emulsifying agent. pH and oil concentration significantly impacted particle size distribution, which was more uniform at pH 9. Emulsions stabilized with CPC exhibited shear- fluid behavior, intensified with higher oil concentrations. After thermal treatment, emulsions at pH 7 and 9 became unstable, while those at pH 11 remained stable. Emulsions at pH 9 and 11 showed the highest degrees of stability over a 30-day storage period. Additionally, CPC was evaluated as a raw material for developing edible films. Films prepared at different pHs (7, 9, and 11) revealed that pH 9 was favorable to more ordered secondary structures of these proteins, more homogeneous microstructure, and reduced oxygen permeability (PO2) in the film compared to the other pHs. Solubility, tensile strength, and elongation at break did not show a strict dependence on the pH of the film-forming solution. Finally, the incorporation of emulsion into the film matrix was also investigated. The presence of emulsion improved tensile strength and elongation at break and significantly affected the relative crystallinity index of the films, which increased in the formulations with 0.8 and 1% emulsion. The formulation with 1% emulsion showed the lowest PO2 and films without cracks in the microstructure images. Films with more than 0.2% emulsion exhibited higher opacity, while the control film was more transparent. The results of this thesis demonstrate that CPC has high potential for application as a food ingredient in the industry.