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OBTENCIÓN DE ALMIDÓN RESISTENTE A PARTIR DE FUENTES NO CONVENCIONALES UTILIZANDO MÉTODOS
FÍSICOS
CGPI: 20050025
R E S U M E N El almidón resistente ha sido introducido en años recientes como un
ingrediente funcional importante en la nutrición humana. Se evaluaron las
variables de extrusión en la producción de almidón resistente a partir de
almidón de plátano, se realizó un diseño central compuesto en el que las
variables independientes fueron la temperatura, humedad de alimentación y
velocidad de tornillo, obteniéndose 20 experimentos que fueron analizados por
una metodología de superficie de respuesta. Las variables de respuesta fueron
el contenido de almidón resistente (AR), el índice de solubilidad en agua (ISA) y
el índice de absorción en agua (IAA). El almidón nativo fue caracterizado antes
de ser procesado. Su contenido de amilosa fue de 37.4%, el contenido de AR
fue de 41%, valor que disminuyó drásticamente a 1.9% al gelatinizar la
muestra. El almidón nativo de plátano presentó una temperatura de
gelatinización de 76.6°C con una entalpía de 12.99 J/g. Durante la extrusión el
contenido de AR (6.04%) fue mayor al de la muestra nativa gelatinizada y el
modelo matemático obtenido para AR predice en un 90% los resultados
experimentales. El ISA e IAA no fueron afectados por la velocidad del tornillo
mientras que la humedad y la temperatura tuvieron un efecto cuadrático sobre
estas respuestas. Por microscopía electrónica de barrido se observaron
estructuras cilíndricas en las muestras extrudidas, las cuales fueron
engrosándose a medida que aumentó la concentración de AR. El patrón de
difracción de rayos X de la muestra extrudida mostró un pico amorfo con un
nivel de cristanilidad bajo, lo cual coincidió con los niveles de AR determinados
en esta muestra. Lo anterior indica que la extrusión puede ser utilizada para
obtener, a partir de almidón de plátano, un polvo con AR y que tenga
propiedades funcionales adecuadas.
I N T R O D U C C I Ó N
El almidón es el principal carbohidrato de reserva sintetizado por las
plantas en los frutos es una reserva energética, y su concentración varía con el
estado de madurez. El plátano es un ejemplo de este comportamiento, ya que
en su estado verde o inmaduro, la concentración de almidón puede ser de
hasta 70% (bs) (Bello-Pérez y Paredes-López, 1999).
El almidón está organizado en partículas discretas conocidas como
gránulos, cuya morfología, composición química y estructura supermolecular
(arreglo relativo de las macromoléculas en el estado sólido), son características
de cada especie. Químicamente, el almidón consiste de dos polímeros de
diferente estructura: la amilosa y la amilopectina. La amilosa es un polímero
esencialmente lineal, formado por unidades de D-glucosa unidas por enlaces α-
(1-4). La amilopectina que es el componente ramificado del almidón está
formada por cadenas de residuos α-D-glucopiranósidos unidos principalmente
por enlaces α-(1-4), pero además esta molécula presenta entre un 5 a 6 % de
enlaces α-(1-6) en los puntos de ramificación (MacAllister, 1979). Los
segmentos lineales de las moléculas de amilosa y amilopectina que se
encuentran en forma paralela, se unen a través de puentes de hidrógeno entre
segmentos adyacentes formando una matriz micelar cristalina, la cual es
responsable de la integridad del gránulo.
Hace algunos años, se pensaba que prácticamente todo el almidón que
se consumía era digerido por las enzimas digestivas y absorbido en el intestino
delgado. Hoy día se ha comprobado que aproximadamente entre el 8 y el 10%
del almidón contenido en la dieta resiste el ataque enzimático de las
secreciones intestinales. El almidón cuando no es digerido y absorbido a nivel
del intestino delgado llega al colon donde sirve como sustrato para la
fermentación por bacterias intestinales (Gibson y Roberfroid, 1995). El proceso
anaerobio fermentativo colónico, convierte los sustratos en gases (anhídridro
carbónico, hidrógeno y metano) y ácidos grasos volátiles de cadena corta
(AGCC), principalmente acético, propiónico y butírico, a los que se les atribuye
efectos fisiológicos de repercusión en la salud del individuo (Cummings y
MacFarlane, 1991). Los AGCC juegan un papel importante en la modulación
del crecimiento y diferenciación de las células de la mucosa colónica, y regulan
la absorción y secreción de agua y iones a nivel del epitelio intestinal. El
butirato es el principal combustible para los colonocitos y parece ejercer una
acción antineoplásica en el epitelio colónico. Por su parte el propionato y el
acetato son absorbidos y metabolizados en el hígado a través de diversos
mecanismos que podrían disminuir los niveles de colesterol plasmático y actuar
en forma positiva en enfermedades cardiovasculares (Roedinger, 1982;
Bartram et al 1993; Chen et al 1984; Illman et al 1988). Por esto, lejos de
considerar la perdida de digestibilidad de los almidones como un deterioro del
alimento hay que hacer hincapié en que tanto la velocidad de digestión como la
fermentabilidad colónica, le proporcionan otros atributos benéficos a
considerar, como por ejemplo, control dietético de la diabetes, papel preventivo
en el desarrollo de neoplasias colónicas y regulación de la colesterolemia. Asp
et al (1996) definió al almidón resistente (AR) como la suma del almidón y
productos de degradación del almidón no absorbidos en el intestino delgado de
individuos sanos. Originalmente se consideró que el AR consistía en tres
subcategorías.
La primera categoría (AR1) se basa en la inaccesibilidad física de los
gránulos de almidón. Esta categoría incluye a los gránulos de almidón
atrapados en una matriz alimenticia, lo que impide su completo hinchamiento y
dispersión (Wursch, et al 1986). Los gránulos inaccesibles se encuentran en
granos enteros o parcialmente molidos, legumbres y otros materiales que
contienen almidón, en los cuales el tamaño o composición de las partículas
alimenticias previene o retrasa la acción de las enzimas digestivas.
La segunda categoría (AR2) se refiere a gránulos de almidón nativo. El
grado de resistencia a la digestión de un gránulo de almidón se relaciona con la
estructura y conformación del gránulo (Imberty et al 1991).
La tercera categoría (AR3) refleja la formación de almidón retrogradado
durante el almacenamiento. Ciclos repetidos de enfriamiento y calentamiento
han sido aplicados para incrementar la cantidad de almidón resistente que
puede ser aislado de amilosa de papa y almidón de maíz (Sievert y Pomeranz,
1989; Sievert y Wursch, 1993).
Una cuarta categoría de almidón resistente ha sido adicionada, a
aquellas que originalmente identificaron Englyst et al (1992). Además de los
almidones que se producen naturalmente (AR1, AR2 y AR3), algunos
almidones modificados químicamente resisten la hidrólisis en algún grado
(AR4).
Una de las tendencias actuales, es la preparación de alimentos con un
alto contenido de AR, pues como ya se sabe proporciona diversos efectos
benéficos a la salud de quien lo consume. Los efectos benéficos del AR son
comparados con los de la fibra dietética, teniendo la ventaja de que al ser
adicionado a preparaciones alimenticias no modifica sus características
sensoriales. En años recientes el AR ha sido introducido como un ingrediente
funcional importante para la nutrición humanal y ha llegado a ser producido a
escala comercial (Iyengar et al., 1991). Actualmente “National Starch” en
Estados Unidos de Norteamérica, se ha encargado de elaborar y comercializar
un producto conocido como Novelose®, el cual es un polvo con un alto
contenido de AR, que se obtiene mediante un tratamiento de calentamiento-
enfriamiento en autoclave a partir de almidón de maíz rico en amilosa. Una de
las tendencias actuales es la búsqueda de fuentes alternativas para obtener
almidones con mejores características fisicoquímicas y funcionales.
Recientemente ha habido un sustancial progreso en la obtención de almidones
de estas fuentes así como en el estudio de sus propiedades fisicoquímicas y
funcionales (Hoover, 2001).
Durante la extrusión tanto la energía mecánica como térmica
transferidas al almidón provocan el rompimiento de las valencias primarias y
secundarias de los enlaces y puentes de hidrógeno entre cadenas adyacentes
de amilosa o amilopectina. La reducción de los puentes de hidrógeno con un
subsecuente aumento de los grupos hidroxilo libres afectan más a la
amilopectina que a la amilosa (Klinger et al., 1986) y ésta última queda libre
para formar complejos con otras moléculas en el extrusor. Unlu y Faller (1998)
encontraron que la adición de almidón de maíz con alto contenido de amilosa y
ácido cítrico aumentan la producción de AR en productos extrudidos, ellos
indican que la hidrólisis ácida, resulta en la reducción de las moléculas de
amilosa y amilopectina, esto facilita la auto-reasociación de estas moléculas, y
la formación de AR. Adamu y Yu Jin (2001) estudiaron el efecto de la adición
de ácido cítrico, lactato de sodio y ácido tartárico diacetal en la producción de
AR durante la extrusión de mezclas de almidón de maíz y goma guar, se
encontró que la adición de ácido cítrico tiene el efecto más pronunciado en la
formación de AR. El promedio de AR producido en muestras sin goma guar,
está alrededor de 6.75% y de 13.95% para muestras con goma guar. Rave y
Sievert, (1992) investigaron la formación de AR durante la extrusión de harina
de trigo en presencia de glicerol, aunque las harinas extrudidas mostraron
formación de complejos amilosa-lípido al ser analizadas por calorimetría
diferencial de barrido, la formación de AR no se afectó con la presencia de
estos complejos.
La extrusión se ha vuelto un proceso importante en la fabricación de
alimentos. Es capaz de efectuar un número de operaciones, incluyendo
cocción, formación, texturización y deshidratación de materiales alimenticios,
particularmente aquellos como granos, leguminosas y semillas. Estas
operaciones se llevan a cabo en una pieza de equipo compacto, el cual
desperdicia poca energía y necesita únicamente una pequeña cantidad de
espacio. El proceso fundamental de extrusión consiste en un aparato
generador de presión, el cual causa que el producto se mueva como un líquido
en un flujo laminar a través de una resistencia. Estos dos componentes, flujo y
resistencia, determinan el proceso de extrusión y el tipo de producto que se
genera. La presión y el flujo pueden ser causados por diferentes mecanismos,
incluyendo pistones y rodillos. Aunque éstos son utilizados en muchos casos, el
uso de tornillos es más importante. Los tornillos no sólo movilizan el producto
hacia adelante, generando presión, sino que también mezclan el producto,
ayudando a la generación y transferencia de calor, y a la texturización y
homogeneización.
El producto contenido en el canal de un tornillo rotatorio es sometido a
corte, esto significa que se adhiere a dos superficies diferentes (tornillo y barril)
que se mueven respecto a cada uno. La velocidad del producto en el canal
varía de cero (en el barril) a un máximo en la superficie del tornillo. En este
gradiente de velocidad, las capas del producto se deslizan unas sobre otras. A
esto se le llama corte, un factor muy importante en extrusión de tornillo. La
razón de corte es proporcional a la velocidad y diámetro del tornillo e
inversamente proporcional a la profundidad del canal. El corte hace que un
producto se estire, acelera la gelatinización de almidones, alinea moléculas de
cadena larga y puede depolimerizarlas (Harper, 1989).
Las transformaciones que sufre el almidón dentro de un extrusor por
efecto de las altas presiones (arriba de 103 psi), fuerza mecánica de cizalla y
calentamiento, se pueden analizar a nivel molecular, cristalino y granular
(Colona y Mercier, 1989). Se ha documentado que durante la extrusión ocurre
una fragmentación del gránulo de almidón (Wen et al., 1990). La fragmentación
ha sido evidenciada por la destrucción completa o parcial de la estructura
cristalina observada por el patrón de difracción de rayos X (Charbonnier et al.,
1973; Chinnaswamy et al., 1989). La fragmentación es provocada por una
limitada desramificación de la amilopectina, que produce una significativa
disminución en el tamaño molecular, sin que ocurran cambios apreciables en el
porcentaje de enlaces α (1-6). En la amilosa la fragmentación es producida por
un desdoblamiento al azar de las cadenas. (Colona et al., 1984).
La extensión de la fragmentación del almidón depende de las
condiciones de operación del extrusor tales como la velocidad del tornillo,
temperatura y contenido de humedad (Davidson et al., 1984). La fragmentación
disminuye con un aumento en la temperatura y en el contenido de humedad así
como con una disminución de la velocidad del tornillo.
En el presente estudio se utilizó un extrusor de tornillo simple para
promover la formación de AR utilizando como materia prima el almidón de
plátano macho, además se determinó por difracción de rayos x la cristalinidad
de muestras obtenidas y se estudiaron por microscopio electrónica de barrido.
El objetivo principal fue evaluar las variables de humedad de la muestra,
velocidad de tornillo y temperatura, en la producción de almidón resistente
durante la extrusión de almidón de plátano.
M A T E R I A L E S Y M É T O D O S
Obtención del Almidón de Plátano Macho (Musa paradisiaca L)
Para el aislamiento del almidón de Plátano macho (Musa paradisiaca L)
se utilizó el método ácido propuesto por Flores-Gorosquera et al., (2004): Se
utilizaron frutos en estado verde. Se eliminó la cáscara, la pulpa se mezcló con
una solución de ácido cítrico al 0.3% en una proporción 0.6:1 y se molió en una
licuadora industrial a velocidad máxima, por 2 min. Los frutos molidos se
cribaron en una tamizadora eléctrica con mallas No 40 (0.425 mm f), 100 (0.15
mm f), 200 (0.075 mm f), 270 (0.053 mm f) y 325 (0.045 mm f). El sobrenadante
se separó en una centrífuga de discos. El precipitado obtenido se resuspendió
en agua y se realizó tres veces más el proceso completo de cribado y
centrifugación, al termino de lo cual se procedió a secar la muestra en un
secador por aspersión.
Caracterización del Almidón Nativo de Plátano
Análisis químico proximal
Se determinó el contenido de humedad por el método 14.004, proteína
por el método 2.057 y lípidos por el método 7.056 (AOAC, 1980); cenizas por el
método 32.10 (AACC, 1984) y Fibra dietaria por el método 32-05 (AACC,
2000).
Amilosa aparente y amilosa total
La proporción de amilosa y amilopectina dentro de la organización física
del gránulo le confieren propiedades fisicoquímicas y funcionales
características a los diferentes almidones, además se ha observado que el
contenido de amilosa influye en la formación de AR durante el procesamiento
con tratamientos térmicos (Sievert y Pomeranz, 1989). Se estimó el contenido
de amilosa en el almidón de plátano nativo por el método propuesto por Hoover
y Ratnayake (2002), este método se basa en la afinidad que tiene la amilosa
para formar complejos con yodo. El complejo coloreado que se forma se puede
cuantificar colorimétricamente. El contenido de amilosa total se determina por
el mismo procedimiento de amilosa aparente; pero antes se hace un
desgrasado de la muestra con una mezcla n-propanol – agua (3:1 v/v) durante
7 horas, para corregir la sobreestimación del contenido de amilosa aparente,
por la formación de complejos amilosa-lípidos.
Se pesaron 20 mg de almidón (bs), se disolvieron en 80 ml de
dimetilsulfoxido al 90% (m/v) en viales con tapa. El contenido de los viales se
agitó vigorosamente durante 20 min y luego se calentó en una baño de agua
con agitación intermitente durante 15 min a 85°C. Los viales se enfriaron a
temperatura ambiente, y el contenido se diluyó con agua a 25 ml en un matraz
volumétrico. Se mezcló un ml de la solución anterior con 5 ml de solución I2/KI
(I2 0.025M y KI 0.0065M) y luego se ajustó a un volumen final de 50 ml en un
matraz volumétrico. Las muestras se dejaron reposar 15 minutos a temperatura
ambiente y se leyó la absorbancia a 600 nm. Para la preparación del testigo se
siguió el mismo procedimiento pero sin incluir el almidón. Se obtuvo una curva
patrón de amilosa de papa en un intervalo de concentraciones de 0.5 a 5 µg/ml
y se realizó un análisis de regresión lineal para calcular el contenido de amilosa
en la muestra.
Contenido de almidón total
Este método propuesto por Goñi et al. (1997) fue ideado para la
cuantificación del almidón en muestras vegetales, primero se disuelve el
almidón en un medio alcalino para a continuación hidrolizar completamente con
amiloglucosidasa los enlaces glucosídicos α-(1-4) y α-(1-6) de las cadenas de
amilosa y amilopectina, el producto de esta reacción de hidrólisis es glucosa
libre, la cual se cuantifica espectrofotométricamente mediante el empleo de un
kit enzimático que contiene Glucosa-oxidasa y Peroxidasa (GOD-POD).
Se pesaron 50 mg de muestra y se agregaron 3 ml de agua y 3 ml de
KOH 4M, agitando vigorosamente durante 30 min a temperatura ambiente. Se
añadieron 5.5 ml de HCl 2M y 3 ml de regulador de acetato de sodio 0.4M, pH
4.75, conteniendo CaCl2 20 mM, se añadieron 60 µl de Amiloglucosidasa
(Boehringer-Mannheim No 102857) y se incubó durante 45 min en baño con
agitación a 60°C. Se centrífugó 15 min a 3000 x g, se realizó por lo menos un
lavado con 10 ml de agua destilada y se repitió la centrifugación, recolectando
todo el sobrenadante en un matraz aforado de volumen adecuado (25-1000 ml)
y se cuantificó el contenido de glucosa liberada en el sobrenadante mediante el
método enzimático-colorimétrico GOD-POD con un kit Sera-Pak-Glucosa
(Bayer 6676). Se elaboró curva patrón de glucosa con un intervalo de
concentraciones de 0.2 a 1 mg/ml y se realizó un análisis de regresión lineal
para calcular los µg de glucosa liberados, este valor se multiplicó por el factor
de 0.9, para estimar el contenido de almidón total.
Entalpía y temperatura de transición por calorimetría diferencial de
barrido
Las técnicas calorimétricas se han utilizado ampliamente para entender
la estructura y las transiciones de fase en el almidón tanto puro como en
sistemas alimenticios. La observación de estos procesos por calorimetría
diferencial de barrido (CDB) depende de los parámetros que gobiernan la
transición de fase de los estados metaestables, característicos de las regiones
amorfas que son: el tipo de estructura molecular, el contenido de humedad y la
velocidad de calentamiento (Biliaderis, 1992). La temperatura y entalpía de
transición fueron determinadas en un Calorimetro Diferencial de Barrido (DSC,
TA Instruments, modelo 2010, New Castle, USA), previamente calibrado con
Indio, utilizando la metodología propuesta por Paredes-López, et al. (1994). Se
pesaron 2 mg de muestra (bs) en una charola de aluminio y se agregaron 7 µL
de agua desionizada. Se selló la charola cuidadosamente y se mantuvo
durante 1h a temperatura ambiente para permitir la estabilización de la
muestra. Utilizando una charola vacía como referencia, la muestra se sometió a
un programa de calentamiento en un intervalo de temperatura de 20 a 180°C a
una velocidad de calentamiento de 10 °C/min. Los resultados se analizaron con
el software TA Instruments OS/2 versión 2.1.
Obtención de Almidón Resistente Mediante Cocción por Extrusión
Se utilizó un extrusor de laboratorio Marca Beutelspacher SB (México,
D.F), de un solo tornillo de 19 mm y relación L/D = 24, con tres zonas de
calentamiento. Para evaluar la producción de almidón resistente en el extrusor
se utilizó un diseño central compuesto rotacional (κ=3, α=1.682 y N=20), con 6
repeticiones en el punto central, donde la temperatura del barril, la humedad de
la muestra y la velocidad de alimentación fueron las variables independientes.
Se realizaron pruebas presuntivas con almidón de maíz, para encontrar las
condiciones límite del diseño experimental, las cuales se muestran en el
Cuadro 1.
Cuadro 1. Condiciones límite para el diseño experimental del proceso de extrusión de almidón de plátano
Variable Independiente Intervalo
Temperatura 90 – 150° C
Humedad 15 – 40 %
Velocidad del tornillo 50 – 90 rpm
El Cuadro 2 muestra la matriz para los valores codificados y los valores
reales del diseño experimental.
Cuadro 2. Matriz del diseño experimental del proceso de extrusión de almidón de plátano
Valores codificados Valores reales
Experimento X1 X2 X3 Temperatura
(°C)
Humedad
(%)
Velocidad del
tornillo (rpm)
1 -1 -1 -1 102 20 58
2 1 -1 -1 138 20 58
3 -1 1 -1 102 35 58
4 1 1 -1 138 35 58
5 -1 -1 1 102 20 82
6 1 -1 1 138 20 82
7 -1 1 1 102 35 82
8 1 1 1 138 35 82
9 -α 0 0 90 27.5 70
10 α 0 0 150 27.5 70
11 0 -α 0 120 15 70
12 0 α 0 120 40 70
13 0 0 -α 120 27.5 50
14 0 0 α 120 27.5 90
15 0 0 0 120 27.5 70
16 0 0 0 120 27.5 70
17 0 0 0 120 27.5 70
18 0 0 0 120 27.5 70
19 0 0 0 120 27.5 70
20 0 0 0 120 27.5 70
Se pesaron muestras de 200g de almidón de plátano, la humedad se
ajustó de acuerdo al diseño experimental, asperjando la cantidad necesaria de
agua directamente sobre el almidón, para lograr una mejor homogenización de
la humedad en la muestra, éstas se almacenaron en bolsas de polietileno con
sello hermético, durante toda la noche a 10°C. Posteriormente se hicieron
pasar por el extrusor en las condiciones que el diseño lo indicaba. La
temperatura de la primera zona de calentamiento del extrusor se mantuvo
constante en todos los experimentos y fue de 50°C; y la temperatura de la
segunda zona de calentamiento y la del dado del extrusor fueron ajustadas de
acuerdo al diseño experimental. Al salir del extrusor las muestras se dejaron
enfriar a temperatura ambiente durante 2h y posteriormente se secaron en una
estufa a 50°C, durante 24 h. Las muestras secas se molieron en un molino de
aspas (Tecator, modelo 1093 Cyclotec) y se pasaron por malla No 50;
posteriormente se almacenaron en frascos de vidrio a temperatura ambiente
hasta su análisis. Las variables de respuesta analizadas fueron el contenido de
AR por el método de Goñi et al. (1996), el índice de solubilidad en agua (ISA) y
el índice de absorción de agua (IAA) determinados por el Método modificado de
Schoch, (1964). Se realizó la determinación de estas dos propiedades
funcionales ya que pueden ser usadas para estimar la conveniencia de utilizar
productos de AR en suspensiones o soluciones dentro de preparaciones
alimenticias.
Análisis de resultados y validación de los modelos empíricos
Los resultados fueron analizados por una metodología de superficie de
respuesta el paquete estadístico Design Expert Ver. 5.0. Para la validación de
los modelos empíricos se realizaron experimentos en las condiciones de
operación que el modelo indicaba como óptimas para la producción de AR y se
corroboró en el laboratorio el contenido de AR, IAA e ISA. Estos experimentos
se realizaron por quintuplicado.
Almidón Resistente Total
Este método fue desarrollado por Goñi et al. (1996) para determinar el
contenido de almidón indigestible en muestras vegetales tal y como se ingieren.
Para ello se realiza una hidrólisis proteica con pepsina, seguida de la hidrólisis
del almidón digerible con α-amilasa, las condiciones de la hidrólisis tratan de
emular el ambiente estomacal. Una vez eliminados los productos de la
hidrólisis tras centrifugación, en el residuo permanece la fracción de almidón
indigestible, ésta es dispersada en medio alcalino e hidrolizada en su totalidad
con Amiloglucosidasa, la glucosa liberada es cuantificada por el método
colorimétrico-enzimático de GOD-POD.
Se pesaron 100 mg de muestra y se digirieron con 20 mg de Pepsina
(Merck 7190, 2000 FIT-U/g) en regulador KCl-HCl 0.2M, pH 1.5, durante 60
min en baño con agitación a 40°C,. Enseguida se realizó una hidrólisis con 40
mg de α-amilasa pancreática (Sigma A-3176) en regulador Tris-Maleato 0.1M,
pH 6.9, conteniendo CaCl2, durante 16 horas en baño con agitación constante
a 37°C. Se centrifugó a 3000 x g durante 15 min, recolectando el precipitado, el
cual fue resuspendido en 3 ml de agua; tras agitación se agregaron 3 ml de
KOH 4M agitando vigorosamente durante 30 min a temperatura ambiente. Se
agregaron 80 µl de Amiloglucosidasa (Boehringer-Mannheim No 102857) en
regulador de acetato de sodio 0.4M, pH 4.75, y se incubó durante 45 min en
baño con agitación a 60°C. Se centrifugó 15 min a 3000 x g, se realizó por lo
menos un lavado con 10 ml de agua destilada y se repitió la centrifugación,
recolectando todo el sobrenadante en un matraz aforado de volumen adecuado
(25-1000 ml) y se cuantificó el contenido de glucosa liberada en el
sobrenadante mediante el método enzimático-colorimétrico GOD-POD
(Glucosa-oxidasa, Peroxidasa) con un kit Sera-Pak-Glucosa (Bayer 6676). Se
realizó un análisis de regresión lineal para elaborar una curva patrón de
glucosa y empleando ésta se calcularon los µg de glucosa liberados y se
multiplicaron por el factor de 0.9, para calcular el contenido de almidón
resistente.
Índice de Solubilidad en Agua e Índice de Absorción de Agua
Se sabe que los gránulos de almidón nativo son insolubles en agua fría,
sin embargo la abundancia de grupos hidroxilo en su molécula motiva la
tendencia de este polisacárido a absorber agua. Debido a la insolubilidad de los
gránulos solo pueden absorber una cantidad relativamente baja que va
acompañada de un determinado hinchamiento y un aumento en su tamaño que
puede ser reversible. Durante el procesamiento térmico de los almidones en
presencia de agua, los puentes de hidrógeno intermoleculares de las zonas
amorfas se rompen y los gránulos se hinchan por una absorción progresiva e
irreversible de agua durante el proceso de gelatinización, caracterizado por un
aumento en su tamaño y la pérdida de birrefringencia debido a la ruptura del
arreglo radial de las fracciones de amilosa y amilopectina.
El índice de solubilidad en agua y el índice de absorción de agua se
determinaros por el método propuesto por Schoch (1964). En un tubo de
centrífuga de 50 ml previamente puesto a peso constante, se prepararon 40 ml
de una suspensión de almidón al 1% (p/v, bs) . La suspensión se agitó durante
30 min a temperatura ambiente, se centrifugó a 2500 x g durante 15 min, y se
decantó el sobrenadante. Se pesaron los gránulos hinchados. Se tomaron 10
ml del sobrenadante y se colocaron en una charola de aluminio previamente
puesta a peso constante, y se secaron a 120°C durante 4 h, la muestra se
enfrió en desecador y se pesó. El índice de solubilidad en agua se calculó
multiplicando el peso del almidón soluble x 400 y dividiendo entre el peso de la
muestra; y el índice de absorción de agua fue calculado como el peso del
sedimento entre el peso de la muestra multiplicado x 100 menos el % de
solubilidad.
Microscopía electrónica de barrido
Para el estudio de microscopia electrónica de barrido (MEB) las
muestras no conductoras se recubren con una delgada capa de oro o carbono
(metalización) para hacerlas conductoras. La imagen se obtiene rastreando la
superficie de la muestra con un haz electrónico ultrafino. Las señales
generadas se recolectan, amplifican y captan en un tubo de rayos catódicos.
Las muestras de almidón se espolvorearon sobre una cinta conductora
de cobre de doble adhesión, la cual se fijó previamente en un soporte de
aluminio del microscopio electrónico de barrido JEOL (Japan Electronic Optical
Limited, JSM-5800LV, Tokio, Japón), y luego fueron cubiertas con una capa de
oro de 40 a 50 nm de espesor en un ionizador de metales JOEL. Las muestras
se observaron en el microscopio electrónico de barrido a un voltaje de 8 KV y
se tomaron fotografías con aumento de 500 X y 3000 X.
Difracción de rayos X
El fenómeno de difracción ocurre cuando ondas de rayos X
interaccionan con un cuerpo cristalino con estructuras atómicas repetidas, en
las que la distancia de los espacios interatómicos son aproximadamente
iguales a los de la longitud de onda. Siendo los almidones cuerpos cristalinos,
tienen la capacidad de difractar los rayos X, permitiendo así obtener
información de su estructura. En 1928 Katz, usando un difractor de rayos-X
demostró que el pan se endurecía, debido a la recristalización del almidón
durante su almacenamiento (Citado por Hizukuri, 1961).
Las muestras se colocaron sobre el portamuestra del difractómetro de
rayos-X (Philips PW 1710, Netherlands), equipado con una fuente de cobre
operado a 50 kV y 30 mA, produciendo una radiación de CuKα con una
longitud de onda (λ) = 1.543 Å. Los datos fueron colectados en un intervalo de
2θ entre 2-60° cada 0.02°, con una velocidad de barrido de 60s/°. El
difractometro estaba equipado con 18 ranuras de divergencia y una ranura de
recepción de 0.01mm.
R E S U L T A D O S
Obtención y Caracterización del Almidón de Plátano
Se procesaron en total 100 kg de plátano macho (Musa paradisiaca L),
en estado verde, de los cuales se obtuvieron 11 kg de almidón nativo.
Composición química del almidón nativo
El resultado del análisis químico proximal se muestra en el Cuadro 3.
Cuadro 3. Análisis químico proximal de almidón de plátano (Musa paradisiaca L)
1 Base seca, 2
N x 6.25, 3 Los resultados son el promedio de
Componente %
Humedad3 4.89 ± 0.529
Lípidos 1,3 2.31 ± 0.273
Proteína 1,2,3 1.69 ± 0.120
Cenizas1,3 0.45 ± 0.070
Fibra1,3 3.00 ± 0.119
tres repeticiones ± desviación estándar.
El contenido de lípidos en el almidón de plátano puede considerarse alto
(2.31%), cuando se compara con el contenido reportado para almidones de
cereales (entre 1-2 %) (Baldwin, 2001); el contenido de lípidos tiene
importantes implicaciones tecnológicas y nutricias, debido a que la formación
de complejos amilosa-lípido producen AR (Asp, 1992); sin embargo al observar
los resultados del contenido de amilosa total y aparente (Cuadro 5) vemos que
ambos valores son muy similares (no hay diferencia estadística significativa α≤
0.05), lo que nos indica que no hay formación de este tipo de complejos. El
contenido de la fracción lipídica en la muestra puede deberse a la
concentración de compuestos liposolubles como pigmentos del tipo de los
carotenoides que pueden estar presentes.
El nivel de proteína en el almidón de plátano es mayor que los que se
han reportado para otras fuentes no convencionales de almidón como el ñame,
cúrcuma y mango (Alves et al., 1999; Leonel et al., 2003; Agustiniano-Osornio
et al., 2005); las proteínas presentes en el almidón son principalmente: a)
proteínas de almacenamiento ó b) enzimas degradativas o biosintéticas
(Baldwin, 2001; Vandeputte y Delcour, 2004). Por lo que el estudio de estas
proteínas que se encuentran en el almidón podría ayudar a dilucidar algunos
aspectos bioquímicos de la biosíntesis del almidón.
El contenido de cenizas en el almidón de plátano (0.45%) puede ser
atribuido a los niveles de potasio y magnesio presentes en la fruta. En
almidones de fuentes no convencionales han sido reportadas cantidades
similares de cenizas (Alves et al., 1999; Leonel et al., 2003; Agustiniano-
Osornio et al., 2005).
La fibra dietética total del almidón de plátano fue de 3.0%, cabe señalar
que las frutas son una importante fuente de fibra y que los almidones obtenidos
a partir de ellas, pueden tener grandes cantidades de este componente
(Jimenez-Escrig et al., 2001), el cual no se eliminan totalmente en el proceso
de aislamiento. No existen estudios que reporten este parámetro en almidones
aislados, lo cual podría ser importante en almidones obtenidos a partir de
frutos.
El contenido de almidón total fue determinado para conocer la pureza del
material crudo utilizado para los procesos de extrusión y cocción en autoclave,
obteniéndose un valor de 92.5% (Cuadro 4), lo cual coincide con la suma de los
otros componentes cuantificados (lípidos, proteínas, cenizas y fibra). Estos
resultados muestran que con el proceso de aislamiento utilizado se obtuvo un
material con alta pureza.
El contenido de amilosa aparente y total en el almidón de plátano fue de
37.0 y 37.4% respectivamente (Cuadro 4), como se había comentado
anteriormente, no existe entre ellos diferencia estadística significativa (α≤ 0.05),
lo que nos indica que no hay formación de complejos amilosa-lípido. El valor de
amilosa encontrado en el presente estudio es superior a los valores reportados
para almidones normales de maíz (27-30 %) (Tester et al., 2004; Yoshimoto et
al., 2002). Se han reportado en la literatura diferentes contenidos de amilosa
para almidón de plátano, los valores fluctúan entre 9 y 40% dependiendo de la
variedad (Zhang et al., 2005; Da Mota et al., 2000). El contenido de amilosa es
importante para la producción de AR, ya que los almidones con un alto
contenido de amilosa tienen mayor capacidad de retrogradación y por lo tanto
mayor formación de AR (Fox y Cameron, 1997). Sievert y Pomeranz (1989)
investigaron la formación de AR en diferentes muestras de almidón de maíz,
garbanzo, trigo y papa, encontrando una correlación positiva entre el contenido
de amilosa y la producción de AR. Unlu y Faller (1998) prepararon AR
mediante extrusión con diferentes almidones y encontraron que el almidón de
maíz alto en amilosa, aumentó la producción de AR en los productos
extrudidos.
El contenido de AR fue determinado en el almidón nativo de dos
maneras, la primera de ellas fue tomando la muestra en polvo sin gelatinizar y
la segunda con un tratamiento previo de gelatinización, el cual consistió en
calentar una suspensión de almidón nativo durante 10 minutos en baño maría
(Cuadro 4). Resulta notable observar como el contenido de AR en el almidón
nativo disminuyó drásticamente de 41% a 1.9% debido al tratamiento previo de
gelatinización. La diferencia entre estos valores se debe a que en la muestra
sin gelatinizar se cuantificaron los contenidos de AR tipo I y AR tipo II, mientras
que en la muestra gelatinizada solo se cuantificó la fracción correspondiente al
AR tipo II. Esto es indicativo de la baja estabilidad térmica del AR presente en
el almidón nativo de plátano, ya que diversos autores han reportado que el
almidón de plátano es una buena fuente de AR tipo II; sin embargo, aunado a
la baja estabilidad térmica, se sabe que éste tiene una pobre degradación a
ácidos grasos de cadena corta por la microflora intestinal (Englyst y Cummings,
1986; Faisant, et al., 1995).
Cuadro 4. Composición del almidón de plátano (Musa paradisiaca L)
Componente %
Almidón 92.5 ± 0.69
Amilosa Aparente1 37.0 ± 0.990a
Amilosa Total1 37.4 ± 0.650a
Almidón Resistente de la muestra sin gelatinizar1
41.0 ± 0.441
Almidón Resistente de la muestra gelatinizada1
1.9 ± 0.22
Los resultados están dados en base seca y son el resultado de 4 determinaciones ± error estándar. 1Porcentaje en el almidón.
Temperatura y entalpía de gelatinización
La figura 1 muestra el termograma obtenido por CDB para el almidón de
plátano nativo, donde se observa un pico endotérmico, el cual corresponde a la
disociación de las moléculas de amilosa y amilopectina dentro del gránulo de
almidón y la lixiviación de la amilosa a la fase continua (Fujita et al., 1992; Liu
et al., 1991).
El análisis de los resultados muestra que el almidón de plátano tiene una
temperatura de gelatinización de 76.63 ± 0.08 °C y una entalpía (∆H) de 12.99
± 0.63 J/g. Estos valores son importantes en los tratamientos térmicos
posteriores a los que se sometió el almidón de plátano.
En la literatura se han reportado diferentes valores de temperatura de
gelatinización para almidón de plátano de diferentes variedades, los valores
oscilan entre 67 y 77°C, con valores de ∆H de 13 a 17 J/g (Da Mota et al.,
2000; Kayisu et al., 1981; Waliszewski et al., 2003; Ling et al., 1982; Lii et al.,
1982; Núñez-Santiago et al., 2004). Bello-Pérez y Romero-Manilla (2000)
reportan una temperatura de gelatinización para almidón de plátano macho de
77.3°C y ∆H de 14 J/g.
Fluj
o de
Cal
or (m
W)
Tg
Figura 1. Termogramapor calorim
∆H=12.99J/g
=76.6 °C
Temperatura (°C)
de almidón de plátano nativo obtenido etría diferencial de barrido
Obtención de Almidón Resistente Mediante Cocción por Extrusión
En el Cuadro 5 se muestran los resultados de la concentración de AR
obtenido en cada uno de los experimentos del diseño y los valores predichos
por el modelo. El modelo de regresión de superficie de respuesta ajustado a los
resultados experimentales de AR, muestran una buena correlación (r = 0.917).
La ecuación de regresión para almidón resistente a cualquier temperatura (T),
humedad del almidón en la alimentación (H) y velocidad de tornillo (V) es la
siguiente:
22 003.0001.0062.0426.0202.0164.1 VTHVTAR −+−+−=
Se puede observar que no existen interacciones entre ninguna de las
variable independientes. En las Figuras 2, 3 y 4 se muestra la superficie de
respuesta del efecto de la temperatura, velocidad del tornillo y la humedad de
alimentación, en la producción de AR. En éstas se puede observar que la
temperatura tiene un efecto directamente proporcional con la producción de
AR, mientras que en la humedad el efecto es inversamente proporcional, es
decir, a menor humedad mayor contenido de AR. Para la velocidad del tornillo
se observa que hay un punto máximo a velocidades intermedias
(aproximadamente 65 rpm) disminuyendo hacia los extremos.
Cuadro 5. Valores reales y calculados para almidón resistente (AR)
Experimento T (°C)
H (%)
V (rpm)
AR*
(% bs) Valores predichos
por el modelo AR (%bs)
1 102 20 58 3.4 ± 0.029 3.6
2 138 20 58 5.5 ± 0.171 5.1
3 102 35 58 2.6 ± 0.035 2.7
4 138 35 58 4.6 ± 0.179 4.1
5 102 20 82 2.2 ± 0.198 3.0
6 138 20 82 4.2 ± 0.226 4.4
7 102 35 82 2.4 ± 0.198 2.1
8 138 35 82 2.8 ± 0.426 3.5
9 90 27.5 70 3.8 ± 0.056 3.4
10 150 27.5 70 5.7 ± 0.140 5.8
11 120 15 70 4.9 ± 0.142 4.5
12 120 40 70 2.8 ± 0.201 2.9
13 120 27.5 50 2.5 ± 0.222 2.9
14 120 27.5 90 2.6 ± 0.223 1.9
15 120 27.5 70 3.5 ± 0.256 3.7
16 120 27.5 70 3.5 ± 0.057 3.7
17 120 27.5 70 3.4 ± 0.038 3.7
18 120 27.5 70 3.7 ± 0.099 3.7
19 120 27.5 70 3.9 ± 0.364 3.7
20 120 27.5 70 3.9 ± 0.157 3.7
*Promedio de tres determinaciones ± error estándar. T= temperatura, H=humedad del almidón en la alimentación, V=velocidad del tornillo.
Figura 2. Efecto de la temperatura y la humedad en la formación de almidón resistente (AR) durante la extrusión de
almidón de plátano (Velocidad del tornillo = 65.7 rpm)
Figura 3. Efecto de la temperatura y la velocidad del tornillo en la formación de almidón resistente (AR) durante la extrusión de
almidón de plátano (Humedad de alimentación = 15%)
Figura 4. Efecto de la velocidad del tornillo y la humedad en la formación de almidón resistente (AR) durante la extrusión de
almidón de plátano (Temperatura = 150°C)
El modelo empírico obtenido en este estudio predice una producción
máxima de almidón resistente de 6.61% a una temperatura de 150°C, 15% de
humedad y una velocidad del tornillo de 65.7 rpm. Al realizar la validación del
modelo en estas condiciones se obtuvo una concentración de almidón
resistente de 6.042% ± 0.40, valor que corresponde a un 8.6% por debajo de
valor máximo predicho por el modelo.
El proceso de extrusión incrementó el contenido de AR, dando un valor
máximo de 6.042%, comparado con el almidón nativo que no fue sometido al
proceso de extrusión, pero que fue gelatinizado antes de la determinación, el
cual presenta un valor de 1.92% (Cuadro 4). El incremento del AR por el
proceso de extrusión puede explicarse por el hecho de que, en el extrusor se
produce una despolimerización del almidón y las cadenas lineales muestran
una alta tendencia a formar estructuras que presentan baja digestibilidad
enzimática (Lehmann et al., 2002; Lehmann et al., 2003).
A pesar de que el almidón nativo de plátano (sin gelatinización) presentó
un alto valor de AR (41%, Cuadro 4), no se hizo una comparación con éste, ya
que el almidón no puede ser consumido sin ningún tratamiento térmico previo.
La mayoría de alimentos, son sometidos a un proceso de cocción antes de
consumirse, en la cual el tipo de almidón resistente (AR tipo I) que tiene el
almidón nativo, es degradado.
Adamu y Yu Jin (2001) en un estudio realizado con almidón de maíz
extrudido en un extrusor de doble tornillo a 150°C, 180 rpm y 18% de humedad
obtuvieron contenidos de almidón resistente de 4.65%.
Tosi et al. (2001) realizaron estudios durante la extrusión de harinas de
maíz y amaranto, para maíz a diferentes contenido de humedad y
temperaturas, observando que el contenido de AR fue mayor a bajas
temperaturas; para contenidos de humedad entre 12 y 18% el efecto de la
humedad en la formación de AR no fue significativo, pero a contenidos de
humedad de 20%, la cantidad de AR se incrementó significativamente. Sin
embargo, para harinas de amaranto, las variables estudiadas (temperatura,
humedad y velocidad del tornillo) no tuvieron efecto en la formación de AR
durante el proceso de extrusión.
Agustiniano-Osornio et al., (2005) realizaron un estudio con almidón de
mango extrudido en un extrusor de un solo tornillo y observaron que la
humedad no tuvo efecto significativo sobre el contenido de AR, encontrando
un punto máximo de formación de AR a temperaturas altas y velocidades de
tornillo bajas, con la optimización del proceso se produjo un contenido de AR
de 12.75 %.
Lo anteriormente mencionado puede indicar que la fuente de almidón
(incluyendo el contenido de amilosa, el patrón de difracción de rayos X, tamaño
del gránulo, temperatura de gelatinización, etc.) es importante en la formación
de AR durante el proceso de extrusión.
Propiedades funcionales de almidón de plátano extrudido: índice de
absorción y solubilidad en agua
Cuando los almidones extrudidos se dispersan en un exceso de agua
sus principales propiedades funcionales son la absorción de agua y la
solubilidad. El Índice de Absorción de Agua (IAA) y el Índice de Solubilidad en
Agua (ISA) pueden ser usados para estimar la conveniencia de usar productos
de almidón extrudido en suspensiones o soluciones. Las aplicaciones en
situaciones con restricción de agua se basan en estas dos propiedades
funcionales y a menudo involucran la capacidad de enlazamiento. Una porción
de almidón gelatinizado por extrusión logra una fuerza de enlazamiento entre
las partículas y estas partículas grandes son resistentes a la desintegración
durante la cocción. Los almidones nativos no absorben agua a temperatura
ambiente y su viscosidad es cercana a cero, mientras que los almidones
extrudidos absorben rápidamente agua formando pastas a temperatura
ambiente (Colonna et al., 1989). Los productos de AR son usados como
ingredientes en diferentes formulaciones alimenticias, por esto es importante
que éstos puedan dispersarse en disolventes, principalmente en agua.
Para las diferentes condiciones de extrusión probadas en este estudio,
los valores de IAA variaron en un intervalo entre 1.9 y 11.7% (Cuadro 6). El
modelo de regresión de superficie de respuesta ajustado a los datos
experimentales mostró un buen coeficiente de correlación (r=0.942). La
ecuación de regresión para el IAA a cualquier temperatura (T), humedad de
alimentación (H) y velocidad de tornillo (V), es la siguiente:
22
THHTHTIAA 01.003.0005.093.095.04.58 +−−++−=La Figura 5 muestra la superficie de respuesta del efecto de la
temperatura y la humedad en el IAA. Se observó que en las condiciones
ensayadas, la velocidad del tornillo no tuvo efecto sobre el IAA, que la
temperatura y la humedad tuvo un efecto cuadrático presentando un valor
mínimo de IAA a temperaturas elevadas (150°C) y humedades bajas (15%).
Estas condiciones coincidieron con las encontradas para obtener una máxima
producción de AR. El valor máximo de IAA se obtuvo en condiciones de
humedad y temperaturas intermedias (115-125°C y 30-35% de humedad), esto
puede deberse a que bajo estas condiciones se provocó la fusión de los
cristales de la amilopectina, produciendo dextrinización y por consecuencia
bajos valores del IAA. El IAA se correlaciona con la degradación de las
moléculas de almidón, ya que sólo los gránulos dañados absorben agua a
temperatura ambiente y se hinchan provocando un incremento en la
viscosidad. Después de alcanzar un punto máximo, el IAA disminuye cuando
ocurre dextrinización del almidón (Colonna et al., 1989).
Los experimentos para la validación de los modelos se realizaron a
150°C, 15% de humedad y una velocidad de 65.7 rpm; en estas condiciones el
modelo predice un valor de 1.3% de IAA, al realizar la determinación en el
laboratorio el valor obtenido fue de 1.34 ± 0.11, de esta manera se corroboró
que el modelo predice con alta correlación los valores evaluados en el
laboratorio.
Cuadro 6. Índice de absorción en agua (IAA) de almidón de plátano extrudido a diferentes condiciones de operación
Experimento T (°C)
H (%)
V (rpm) IAA* (%)
Valores predichos por el modelo
IAA (%)
1 102 20 58 8.0 ±0.215 7.7 2 138 20 58 3.7 ±0.648 2.9 3 102 35 58 8.0 ±0.294 8.6 4 138 35 58 7.0 ±0.542 8.8 5 102 20 82 7.2 ±0.141 7.7 6 138 20 82 3.4 ±0.233 2.9 7 102 35 82 8.5 ±0.116 8.6 8 138 35 82 11.6 ± 0.509 8.8 9 90 27.5 70 8.4 ±0.271 7.7
10 150 27.5 70 2.7 ±0.060 3.9 11 120 15 70 1.9 ±0.119 2.5 12 120 40 70 8.3 ±0.951 8.3 13 120 27.5 50 11.7 ± 0.430 10.6 14 120 27.5 90 9.0 ±1.233 10.6 15 120 27.5 70 10.5 ± 0.105 10.6 16 120 27.5 70 10.1 ± 2.134 10.6 17 120 27.5 70 10.4 ± 0.853 10.6 18 120 27.5 70 11.1 ± 0.565 10.6 19 120 27.5 70 11.0 ± 1.733 10.6 20 120 27.5 70 10.3 ± 1.002 10.6
*Promedio de tres determinaciones ± error estándar. T= temperatura, H=humedad del almidón en la alimentación, V=velocidad del tornillo.
IAA %) (
Figura 5. Efecto de la humedad y la temperatura en el índice de absorción de agua (IAA) durante la extrusión de almidón de
plátano
El Cuadro 7 muestra los valores de ISA para las diferentes condiciones
de extrusión probadas, así como los valores predichos por el modelo empírico;
los valores variaron entre un intervalo de 21.6 a 95.8%. El modelo de regresión
de superficie de respuesta ajustado a los datos experimentales mostró un buen
coeficiente de correlación (r=0.92). La ecuación de regresión para el ISA a
cualquier temperatura (T), humedad de alimentación (H) y velocidad de tornillo
(V), es la siguiente:
22 165.0016.02.79.491.343 HTHTISA −−++−=
Al igual que el IAA, el ISA se vio afectado por el efecto cuadrático de la
humedad y la temperatura pero la velocidad del tornillo no tuvo efecto sobre
esta variable.
En las Figura 6 se muestra el efecto de la temperatura y la humedad en
el ISA. Los niveles más altos de solubilidad se obtienen a temperaturas altas y
humedades bajas (150°C y 15% de humedad). El ISA se relaciona con la
cantidad de moléculas solubles, lo cual se asocia a un aumento de la
dextrinización, la solubilidad en agua de los extrudidos se incrementa con la
expansión, este fenómeno puede reducirse con la formación de complejos de
amilosa con ácidos grasos o monoacilglicéridos que simultáneamente retardan
la retrogradación del material extrudido. El ISA se incrementa con la severidad
de los tratamientos térmicos en el extrusor y algunos autores mencionan que
se incrementa cuando el contenido de humedad disminuye (Colonna et al.,
1989).
En las condiciones evaluadas para la validación de los modelos
empíricos (150°C, 15% de humedad y 65.7 rpm), el modelo para ISA predice
un valor de 93.34%, y al realizar la determinación en el laboratorio se obtuvo un
ISA de 88.3% ± 1.71, éste corresponde a un 5.5% menos del valor máximo
predicho por el modelo.
Cabe destacar que en las condiciones ensayadas para la validación de
los modelos se obtuvieron valores altos de ISA (88.3%) y valores bajos de IAA
(1.3%), de acuerdo a estos resultados, se puede inferir que en estas
condiciones se produce una alta degradación molecular del almidón, al mismo
tiempo se obtuvo la mayor cantidad de AR producida durante el experimento
(6.042%); por lo que se puede concluir que en el extrusor es importante una
degradación extensiva de las moléculas del almidón para que haya producción
de AR.
De esta manera se produjeron almidones extrudidos con un contenido
de AR superior al del almidón nativo gelatinizado por ebullición, además las
propiedades funcionales del almidón extrudido permiten que éste pueda ser
fácilmente adicionado a diferentes alimentos.
Cuadro 7. Índice de solubilidad en agua (ISA) de almidón de plátano extrudido a diferentes condiciones de operación
Experimento T °C)
H (%)
V (rpm) ISA* (%)
Valores predichos por el modelo
ISA (%)
1 102 20 58 62.8 ± 0.490 63.6 2 138 20 58 90.7 ± 0.286 98.3 3 102 35 58 21.6 ± 0.096 35.5 4 138 35 58 81.2 ± 1.935 70.2 5 102 20 82 43.8 ± 0.772 63.6 6 138 20 82 90.8± 0.627 98.3 7 102 35 82 33.0 ± 1.332 35.5 8 138 35 82 72.1 ± 0.148 70.2 9 90 27.5 70 55.2 ± 1.842 37.8
10 150 27.5 70 92.4 ± 1.224 95.7 11 120 15 70 95.8 ± 1.885 79.1 12 120 40 70 29.7 ± 0.730 32.3 13 120 27.5 50 78.3 ± 1.244 81.5 14 120 27.5 90 81.5 ± 1.623 81.5 15 120 27.5 70 82.3 ± 4.258 81.5 16 120 27.5 70 80.6 ± 2.886 81.5 17 120 27.5 70 84.6 ± 2.168 81.5 18 120 27.5 70 88.9 ± 2.602 81.5 19 120 27.5 70 83.9 ± 1.172 81.5 20 120 27.5 70 82.8 ± 1.090 81.5
*Promedio de tres determinaciones ± error estándar. T= temperatura, H=humedad del almidón en la alimentación, V=velocidad del tornillo.
ISA (%)
Figura 6. Efecto de la temperatura y la humedad en el índice de solubilidad en agua (ISA) durante la extrusión de almidón de
plátano
Patrón de difracción de rayos X
Los almidones nativos materiales semi-cristalinos, el grado y tipo de
cristalinidad presente depende principalmente de las características
estructurales de la amilopectina; sin embargo, la amilosa retrogradada también
produce un tipo de estructura cristalina única. Se han distinguido tres tipos de
estructuras cristalinas en los gránulos de almidón (-A, -B y -C). La mayoría de
los almidones de cereales dan un patrón de tipo-A; los almidones de
tubérculos, amilomaíz y el almidón retrogradado producen patrones de tipo –B;
en general los almidones de leguminosas y algunos almidones de tubérculos
tropicales presentan el patrón tipo C, el cual representa una mezcla de
cristalinidad del tipo -A y -B dentro del gránulo (Spence y Jane, 1999). Sang-
Ho y Jay-Lin (2002), reportaron que los almidones que tuvieron patrones de
difracción tipo -A presentaron un alto grado de ramificación en la amilopectina y
longitud de cadenas cortas, comparado con los patrones de difracción tipo -B
que presentan mayor longitud de cadena, mientras que los patrones tipo -C
presentan una mezcla de longitud de cadenas cortas y largas.
La Figura 7 muestra el patrón de difracción de rayos X para los
almidones de plátano nativo, extrudido y con tratamiento en autoclave. El
almidón de plátano nativo presentó un patrón de difracción tipo –C, que es una
mezcla polimórfica del patrón tipo -A y tipo -B. Algunos de los picos observados
en el almidón de plátano nativo fueron similares a aquellos que se observan en
almidones de cereales (tipo -A); sin embargo, existen algunas diferencias que
indican la presencia de cristales del tipo –B: el pico a 2θ = 17° fue muchomás
prominente que el pico a 2θ = 18° y el pico 2θ = 23° fue más ancho.
Todas estas diferencias indican que el almidón de plátano nativo es una
mezcla del tipo –A y el -B (Gidley, 1987).
Chang et al. (1991), Jane et al. (1997), Waliszewski et al. (2003) y
Millan-Testa et al. (2005) reportaron patrones de difracción tipo –C para
almidones de plátano; sin embargo, en otros estudios se han reportado también
patrones de tipo –B (Faisant et al., 1995; Lii et al., 1982; Teixeira et al., 1998).
Bello-Pérez et al. (2000) reportaron patrones de tipo –A para almidones de
plátano macho y criollo. Zhang et al. (2005) concluyen a este respecto que en
la literatura el tipo de cristalinidad del almidón de plátano no es claro, que
puede tener cristalinidad de tipo –A ó –B, ó una mezcla de ambas,
dependiendo de la variedad, condiciones de medioambientales de crecimiento
del cultivo y/o el método de aislamiento. Millan-Testa et al. (2005) reportó un
porcentaje de cristalinidad de 34.83 % para almidón de plátano.
El almidón tratado en el autoclave presentó algunos picos de
cristalinidad distintos a los del almidón nativo, y otros que fueron similares
como los de 2θ=15º y 2θ=23º, comenzando el desarrollo de picos debidos a la
reorganización de cadenas por el fenómeno de retrogradación. El pico
observado en un valor de ángulo de Bragg de 2θ = 5.4° indica la presencia de
cristalinidad tipo -B. Este patrón de difracción de rayos X concuerda con el
contenido de AR presente en la muestra, debido a que los picos de cristalinidad
mostrados se deben al fenómeno de retrogradación y consecuentemente a la
formación de AR.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
2θ (°)
Inte
nsid
ad R
elat
iva
Nativo
Extrudido
Figura 7. Difractograma de almidón de plátano nativo,
extrudido, y sometido a tratamiento en autoclave
El patrón de difracción de rayos X de la muestra extrudida muestra un
pico amorfo, donde los niveles de cristalinidad son bajos. Este patrón de debe a
una gran desorganización de las moléculas de almidón por el efecto del
tratamiento térmico durante el proceso de extrusión. Paredes-López et al.
(1994) encontraron patrones similares en amilopectina desorganizada por
tratamiento térmico durante su separación de la amilosa en gránulos de
almidón de amaranto. Este patrón de difracción de rayos X concuerda con el
bajo contenido de AR determinado en esta muestra, donde se observó una
reorganización despreciable.
Microscopia electrónica de barrido
Los gránulos del almidón de plátano nativo mostraron formas elípticas
con un promedio de tamaño de gránulo de 15 µm (Figura 8a). En general, los
gránulos de almidón de diferentes variedades de plátano han sido reportados
en la literatura con formas ovaladas alongadas, con un diámetro máximo que
oscila entre 6 a 80 µm, siendo los diámetros más comunes entre 20 a 60 µm
(Eggleston et al., 1992; Jane et al., 1997; Lii et al., 1982; Ling et al., 1982;
Kayisu et al., 1981; Zhang y Whistler, 2002).
Se obtuvieron fotomicrografías de los almidones extrudidos a diferentes
condiciones de humedad, temperatura y velocidad del tornillo. Cuando el
contenido de AR se incrementó en los extrudidos (Figura 8 b-f), se pudo
observar la formación de gruesas estructuras cilíndricas. Estas estructuras
pueden atribuirse a la alineación de las moléculas del almidón debida a la
fuerza de cizalla producida en el extrusor.
Figura 8. Fotomicrografías de almidón de plátano nativo y extrudido a diferentes condiciones de temperatura, humedad y
velocidad del tornillo, a) gránulo de almidón nativo; b)
IMPACTO
El presente trabajo generó información en cuanto a la transformación por
medios físicos de almidones de fuentes no convencionales para la obtención de
AR, específicamente de almidón de plátano de una variedad originaria del
continente americano; así mismo al demostrarse que durante la extrusión la
producción de AR es dependiente de las condiciones de operación (velocidad
del tornillo, humedad del producto alimentado y temperatura) se abre un campo
de estudio hasta ahora no explorado, ya que pueden seguirse ensayando
condiciones distintas en diferentes extrusores para alcanzar mayores
contenidos de AR.
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