Modelagem, simulação e análise da remoção do fitato na hidratação da soja

Abstract

RESUMO: A soja é uma das culturas mais cultivadas em nível mundial devido ao seu grande potencial nutricional e alto teor de proteína. Na safra 2019/20, o Brasil foi o maior produtor deste grão no mundo, salientando a sua relevância econômica e reforçando a atenção dos cientistas para aprofundar os conhecimentos sobre o seu beneficiamento, pois a presença de fatores antinutricionais, como o fitato, pode se tornar uma barreira para o uso da oleaginosa. Existem técnicas para diminuir os compostos indesejáveis através do seu processamento; neste contexto, este trabalho teve o objetivo de analisar a redução da concentração de fitato durante a hidratação dos grãos de soja e modelar a cinética de sua variação a fim de se compreender os efeitos do transporte de massa e hidrólise da fitase endógena – presente naturalmente no interior grão. A primeira etapa foi a determinação das condições ótimas de hidratação quanto ao pH e a razão água:soja (m:m) em esquema fatorial 3X4, em que os grãos foram hidratados durante 24 h. Após as análises estatísticas e ANOVA, verificou-se que ambos os fatores, bem como a sua interação, são estatisticamente significativos quanto aos seus efeitos na concentração do composto, sendo que a razão água:soja foi responsável por aproximadamente 80% da variação total e, quanto maior a quantidade de água, maior a redução do fitato. Posteriormente, iniciou-se a investigação cinética, considerando-se as condições já otimizadas. Para tanto, os grãos foram hidratados em recipientes fechados na razão de água:soja de 10:1, em pH neutro, durante 24h, nas temperaturas de 15°C, 35°C, 55°C e 75°C; após a secagem em estufa, a quantificação do fitato foi realizada via espectrofotometria e reação com reagente de Wade. A temperatura de 55°C foi a mais eficiente, pois corresponde à temperatura ótima de atividade da fitase, na qual 56,14% do total foi reduzido. Em seguida dois modelos foram estudados: o primeiro consistiu no modelo empírico GMM (modelo generalizado de Michaelis-Menten) e o segundo no modelo fenomenológico desenvolvido, denominado modelo Saizaki & Jorge, que foi baseado no balanço de massa no grão de soja, considerando a difusão e a hidrólise enzimática. Ambos apresentaram bons ajustes e, através do critério de informação de Akaike (AIC), concluiu-se que o modelo Saizaki & Jorge representou melhor as tendências do processo. Ademais, esse modelo propiciou o aprofundamento sobre a contribuição da difusão e da reação bioquímica na remoção do fitato. No início, a transferência de massa desempenhou um papel importante na remoção de fitato; entretanto, após aproximadamente 2 horas, a reação enzimática mostrou influência mais expressiva, uma vez que ocorreu com velocidade mais lenta. A última etapa foi a modelagem fenomenológica da hidratação, fundamentada no balanço de massa de água no grão, e, finalmente, o estudo acoplado do transporte de massa das moléculas de água e da variação da concentração de fitato via difusão e hidrólise enzimática. Analisando estes fenômenos concomitantemente ficou evidente a sua relação, pois para que o fitato seja degradado pela fitase ou removido para o meio de hidratação por difusão, a presença da água é imprescindível. Portanto, a hidratação constitui um método válido para diminuir o conteúdo de fitato e, assim, aumentar o valor nutricional dos grãos, mas condições específicas de temperatura, pH e razão água:soja devem ser levadas em consideração para se obter resultados eficientes

ABSTRACT: Soybean is one of the most grown crops worldwide due to its major nutritional potential and high protein content. In the 2019/20 harvest, Brazil was the largest producer of this grain in the world, emphasizing its economic relevance and reinforcing the attention of scientists to deepen the knowledge about its processing, as the presence of antinutritional factors, such as phytate, may become a barrier to this oilseed use. There are techniques to reduce undesirable compounds through processing. Thus, this study aimed to analyse phytate reduction during soybean hydration and model the kinetics of its variation during this process in order to understand the effects of mass transport and hydrolysis performed by endogenous phytase - naturally found in the grain interior. The first stage was to determine the optimal hydration conditions in terms of pH and the water:soybean ratio (w:w) in a 3X4 factorial design, in which the grains were hydrated for 24 h. After the statistical analysis and the ANOVA, it was concluded that both factors, as well as their interaction, are statistically significant in their effects on the phytate concentration. The water:soybean ratio was responsible for approximately 80% of the total variation, and the greater the amount of water, the greater the reduction of phytate. Subsequently, the kinetic study started with the conditions that had already been optimized. The grains were hydrated in closed containers in a water:soybean ratio of 10:1 at neutral pH for 24 h at temperatures of 15 ° C, 35 ° C, 55 ° C, and 75 ° C; after drying, the phytate quantification was performed via spectrophotometry and reaction with Wade's reagent. The temperature of 55°C was the most efficient, as it matches the optimal phytase activity temperature, in which 56.14% of the total was reduced. Two models were then studied: the first consisted of the empirical model GMM (generalised Michaelis-Menten model) and the second was the phenomenological model named Saizaki & Jorge, based on the mass balance in the soybean, considering diffusion and enzymatic hydrolysis. Both presented good adjustments and, through Akaike's information criterion (AIC), it was concluded that Saizaki & Jorge model better represents the trends of the phenomenon. In addition, it provided a deeper understanding of the contribution of diffusion and the biochemical reaction in the removal of phytate. In the beginning, mass transfer plays an important role in removing phytate; however, after approximately 2 hours, the enzymatic reaction showed a more significant influence, as it occurs at a slower rate. The last step was the phenomenological modelling of hydration, based on the mass balance of water in the soybean, and, finally, the coupled study of the mass transport of water molecules and the variation in phytate concentration through diffusion and enzymatic hydrolysis. Analysing these phenomena concomitantly, their relationship is evident, since in order for phytate to be degraded by phytase or removed to the hydration medium by diffusion, the presence of water is essential. Therefore, hydration is a valid method for decreasing the phytate content and thus increasing the nutritional value of the grains, but specific conditions of temperature, pH, and water:soybean ratio must be evaluated to obtain effective results