Ultrasound assisted hydration of grains with sigmoidal behavior: kinetics of hydration, cooking, germination and nutrient incorporation

This Thesis had as objectives to study the hydration process of grains with sigmoidal behavior, evaluating ultrasound technology to improve it, the possible effects on germination, cooking and a possible incorporation of nutrients. The work was developed in three parts. The first part consisted of d...

Full description

Access type:openAccess
Publication Date:2018
Main Author: Alberto Claudio Miano Pastor
Advisor: Pedro Esteves Duarte Augusto
Referee: Solange Guidolin Canniatti Brazaca, Jorge Andrey Wilhelms Gut, Javier Telis Romero
Document type: Doctoral thesis
Language:eng
Published: Universidade de São Paulo
Program: Ciência e Tecnologia de Alimentos
Portuguese subjects:
English subjects:
Online Access:http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11141/tde-21012019-145147/
Portuguese abstract:This Thesis had as objectives to study the hydration process of grains with sigmoidal behavior, evaluating ultrasound technology to improve it, the possible effects on germination, cooking and a possible incorporation of nutrients. The work was developed in three parts. The first part consisted of describing the hydration kinetics of many grains to have a data bank of hydration kinetics, allowing further selections. Furthermore, this part compared the differences among grains hydration kinetics, associating them with the intrinsic properties of the grains and questioning some inferences previously published in the literature. The second part was related to study the effect of ultrasound on the hydration kinetics of grains with sigmoidal behavior, being studied Andean lupin, mung beans and white kidney beans. Further, the effect of ultrasound in combination with soaking water at high temperatures was studied to demonstrate if they have additive, synergic or antagonist effect. The effect of ultrasound technology was evaluated in the water uptake, extraction of components, germination and cooking kinetics. The third part consisted of studying and describing the incorporation of a nutrient inside the grains, taking advantage of the hydration process. Further, ultrasound was used to improve this incorporation. The main results of this work corroborate that the hydration process is a complex phenomenon, and many intrinsic properties of the grains causes the kinetics differences. In addition, the fact that only legume grains have sigmoidal behavior of hydration was proved. Further, the ultrasound accelerated the hydration process of grains with sigmoidal behavior without affecting the grain starch, improving the extraction of undesirable components, enhancing or hindering the germination (depending on the grain), but without affecting the cooking process. Another result was that the higher the soaking water temperature is, the lower the ultrasound effect on hydration is. Finally, regarding nutrient incorporation, a hydrophilic nutrient (iron) was incorporated in a grain during hydration process demonstrating that it is possible. The iron incorporation had the same behavior as the water uptake, suggesting similar mechanisms and phenomena of mass flow. In addition, the incorporated iron was attached not only to the bean cotyledon, but also mostly in the seed coat. Furthermore, ultrasound technology enhanced this process. The cooking process of the studied grains was improved, and its germination was hindered by the incorporated iron. In conclusion, ultrasound technology can be used for improving the hydration process of grains with sigmoidal behavior, being also practical for nutrient incorporation into grains.
A presente Tese teve como objetivos estudar o processo de hidratação de grãos com comportamento sigmoidal de hidratação, avaliar a tecnologia de ultrassom para a sua melhora, os possíveis efeitos na germinação, cozimento e possível incorporação de nutrientes. O trabalho foi feito em três etapas. A primeira etapa consistiu em realizar uma prospecção de hidratação de diversos grãos, auxiliando na escolha dos futuros grãos a serem estudados. Ainda, comparou-se as cinéticas de hidratação associando-as com as propriedades intrínsecas dos grãos, avaliando diversas inferências publicadas sobre o processo. Na segunda etapa estudou-se o efeito do ultrassom de alta potência no processo de hidratação de três grãos com comportamento sigmoidal: tremoço andino, feijão moyashi e feijão branco. Também foi avaliado o efeito combinado do ultrassom e a temperatura da água de hidratação. O efeito da tecnologia de ultrassom foi avaliado na cinética de absorção de água, extração de compostos, germinação e cozimento. A terceira etapa consistiu em aproveitar o longo tempo do processo de hidratação para incorporar um nutriente hidrossolúvel dentro do grão. O ultrassom foi também usado para acelerar este processo. Os resultados mais importantes da Tese foram que se corroborou que a hidratação de grãos é um processo complexo e que há muita dificuldade em correlacionar as propriedades intrínsecas dos grãos com as características da hidratação. Ainda, foi demonstrado que o comportamento sigmoidal de hidratação é somente encontrado em grãos da família das leguminosas. Também foi demostrado que o ultrassom acelera a hidratação de grãos com comportamento sigmoidal e que esta tecnologia não afeta o amido dos grãos, melhora ou piora a germinação (dependendo do grão), e não afeta o cozimento. Corroborou-se que quanto maior a temperatura da água, menor é o efeito do ultrassom na cinética de hidratação. Finalmente, demonstrou-se que é possível incorporar nutrientes solúveis dentro dos grãos, aproveitando assim o longo tempo de hidratação. Encontrou-se que a incorporação de nutrientes segue mecanismo similar que a entrada de água, e que pode ser acelerado usando ultrassom. Também, foi demonstrado que o ferro foi incorporado no cotilédone e no tegumento (em maior quantidade), e que este composto melhora o cozimento do feijão, porém prejudica a sua germinação. Em conclusão, o ultrassom pode ser usado para melhorar o processo de hidratação de grãos e para a incorporação de algum nutriente.