Obtenção de ingredientes proteicos do coproduto de feijão preto (Phaseolus vulgaris L.) por tecnologias emergentes

Abstract

O aumento da população mundial e as mudanças nos padrões alimentares têm impulsionado a procura por fontes alternativas de proteínas vegetais, visando minimizar o impacto ambiental e reduzir os custos de produção. Nesse contexto, o feijão emerge como uma das principais pulses consumidas mundialmente, destacando-se por sua qualidade nutricional. Embora o Brasil seja um dos países que mais produz e consome o feijão preto, o processo de beneficiamento gera uma parcela de grãos quebrados que resultam em um coproduto de baixo valor comercial. No entanto, este coproduto do feijão preto (CoFP) possui um importante aporte proteico (~25%), incentivando a exploração de novas pesquisas que visem sua valorização para um melhor aproveitamento. Para potencializar a aplicação das proteínas, é fundamental assegurar a qualidade nutricional e propriedades tecno-funcionais adequadas, as quais são diretamente influenciadas pela estrutura proteica, composição química, perfil de aminoácidos e presença de fatores antinutricionais (FANs). Tecnologias emergentes, como a extração assistida por ultrassom (UAE), extração assistida por micro-ondas (MAE) e extração por líquido pressurizado (PLE) oferecem potencial para aprimorar a funcionalidade das proteínas do feijão por meio de técnicas sustentáveis. Esta tese teve como objetivo avaliar a influência dessas tecnologias e do método convencional de extração por agitação e aquecimento (HSE), usando água e água-alcalina (pH 9,0) como solventes, na recuperação de proteínas do coproduto do feijão. Inicialmente, avaliou-se a composição física e química de duas frações proteicas do CoFP (farinhas - FP e concentrados - PC), obtidas pelo método convencional e pelas tecnologias emergentes. A avaliação da estrutura secundária indicou que as diferentes tecnologias ocasionaram mudanças conformacionais nas PC-CoFP (com prevalência de estruturas B e random coil), que impactaram na funcionalidade das proteínas. As técnicas de PLE e UAE promoveram maior desdobramento estrutural das proteínas, refletindo na maior digestibilidade da proteína in vitro (IVPD ~70%), índice da eficiência proteica (PERpredito ~3,0) e capacidade de absorção de óleo (~4,5 g/g). As PC recuperadas com UAE e HSE (água) demonstraram maior capacidade de retenção de água (~2 g/g), enquanto o uso de PLE (alcalina), resultou em PC com maior teor de sulfidrilas livres (20,5 µmol/g), hidrofobicidade superficial (414,5), além de elevada capacidade de formação de espuma (125,5%) e de emulsão (8,4 m²/g). Por outro lado, as PC-HSE (alcalina) apresentaram funcionalidade inferior, menor IVPD e elevado teor de FANs. Apesar do triptofano e dos aminoácidos sulfurados (SAA) serem limitantes no feijão, apenas as PC-PLE (água) apresentaram teor de SAA muito próximos à recomendação da FAO/WHO (1991), destacando-se também pelos maiores teores de aminoácidos totais e menores quantidades de FANs. Por fim, o emprego de ferramentas métricas verdes apontou a tecnologia de PLE como a mais eco-friendly entre os métodos de extração avaliados, tendo em vista a menor emissão de CO2 por quilo de proteína, menor consumo energético, número reduzido de etapas de processamento e minimização dos resíduos gerados. Os resultados obtidos nesta tese evidenciam o potencial das tecnologias emergentes para viabilizar a obtenção de ingredientes proteicos de alta qualidade, a partir da valorização de um coproduto industrial, alinhando-se às demandas contemporâneas por uma produção alimentar mais sustentável e com elevado valor nutricional.

Abstract: The world population increase and shift in dietary patterns have prompted the demand for alternative sources of plant-based proteins, aiming to minimize environmental impact and reduce production costs. In this context, beans emerge as one of the most widely consumed pulses worldwide, distinguished by their nutritional quality with Brazil as one of the leading producers and consumers of black beans. Processing beans generates a portion of broken grains that result in a coproduct with low commercial value, named broken black bean (BBB) that contains a significant protein content (~25%), encouraging further research to enhance its value for better utilization. To optimize the application of these proteins, it is essential to ensure adequate nutritional quality and techno-functional properties, which are directly influenced by protein structure, chemical composition, amino acid profile, and the presence of antinutritional factors (ANFs). Eco-friendly and emerging technologies, such as ultrasound-assisted extraction (UAE), microwave-assisted extraction (MAE), and pressurized liquid extraction (PLE), offer the potential to enhance the functionality of bean proteins through sustainable techniques. This thesis aimed to evaluate the influence of these technologies and the conventional method by heating-stirring extraction (HSE), using water and alkaline water (pH 9.0) as solvents, on the protein recovery from the bean coproduct. The physical and chemical composition of two protein fractions from BBB (flours - FP and concentrates - PC) obtained by the conventional method and emerging technologies were initially evaluated. The evaluation of the secondary structure indicated that the different technologies caused conformational changes in BBBPC (with a prevalence of B structures and random coil), which impacted the protein functionality. PLE and UAE techniques promoted greater structural unfolding of the proteins, resulting in higher in vitro protein digestibility (IVPD ~70%), predicted protein efficiency ratio (PERpredicted ~3.0), and oil absorption capacity (~4.5 g/g). PCs recovered with UAE and HSE (water) showed higher water retention capacity (~2 g/g). At the same time, the use of PLE (alkaline) resulted in PCs with higher free sulfhydryl content (20.5 µmol/g), surface hydrophobicity (414.5), as well as enhanced foaming (125.5%) and emulsifying capacity (8.4 m²/g). On the other hand, PCs obtained through HSE (alkaline) showed inferior functionality, lower IVPD, and higher levels of ANFs. Although tryptophan and sulfur amino acids (SAA) are limiting in beans, only PCs obtained through PLE (water) showed SAA content close to the FAO recommendation, also standing out for higher total amino acid content and lower levels of ANFs. Finally, green metric tools indicated PLE technology as the most eco-sustainable among the evaluated extraction methods, considering the lower CO2 emission per kilogram of protein, reduced energy consumption, fewer processing steps, and minimized waste generation. The results obtained in this thesis highlight the potential of emerging technologies to enable the production of high-quality protein ingredients from an industrial coproduct, aligning with contemporary demands for more sustainable food production with high nutritional value.