El objetivo de este estudio fue evaluar las propiedades fisicoquímicas y funcionales de mezclas de almidones de yuca (normal y cerosa), químicamente modificados con grupos succinato y fosfato y su aplicación como material encapsulante. Las condiciones de hidrólisis ácida obtenidas a partir de la optimización, fueron una concentración de HCl de 7.97 % para ambos almidones y un tiempo de 4.56 h para almidón ceroso y de 2.44 h para almidón normal, a partir de los almidones hidrolizados se realizó la modificación química con grupos succinato y fosfato, presentando un grado de sustitución (GS) de 0.019 y 0.035 para el almidón ceroso y un GS de 0.016 y 0.035 para el almidón normal, respectivamente, finalmente se evaluó la capacidad como material encapsulante de los almidones con Lactobacillus pentosus, siendo el almidón de yuca ceroso fosfatado el que presentó mejor porcentaje de inmovilización (99.22 %) y la mezcla 1 del almidón de yuca normal (93.72 %), por lo tanto, se propone que los almidones químicamente modificados, representan una excelente alternativa para emplearse como agentes inmovilizadores por encapsulación, de este microorganismo.
Palabras clave: yuca, almidón, propiedades funcionales, propiedades fisicoquímicas
The main of this study was to evaluate the physicochemical and functional properties of mixtures of chemically modified yucca starches (normal and waxy) with succinate and phosphate groups and their application as an encapsulating material. The acid hydrolysis conditions obtained from the optimization were: HCl concentration of 7.97% for both starches and a time of 4.56 h for waxy starch and 2.44 h for normal starch. The hydrolyzed starches were chemically modified with succinate and phosphate groups, presenting a degree of substitution (DS) of 0.019 and 0.035 for waxy starch and a DS of 0.016 and 0.035 for normal starch, respectively. Finally, the encapsulating capacity of the starches were evaluated with Lactobacillus pentosus finding that the phosphate waxy yucca starch and the mixture 1 of normal yucca starch (93.72%) have the highest percentage of immobilization, 99.22% and 93.72%, respectively. Therefore, it is proposed that chemically modified starches represent an excellent alternative as immobilizing agents by encapsulation of this microorganism.
Keywords: yucca, starch, functional properties, physicochemical properties
El almidón está presente en una gran variedad de productos agrícolas como lo son cereales (maíz, trigo, arroz), leguminosas (frijol, chícharo, haba) y tubérculos (papa), además de semillas, raíces, tallos y hojas (Singh, y col., 2003). Es el mayor polisacárido de almacenamiento de las plantas.
El almidón está compuesto por dos tipos de alfa-glucanos: amilosa y amilopectina, que representan aproximadamente el 98 – 99 % en peso seco del almidón. La relación de los dos polisacáridos, varía de acuerdo a la fuente botánica. Los almidones puros contienen < 0.6 % de proteína, presentan cantidades pequeñas de minerales (<0.4 %) como calcio, magnesio, fósforo, potasio y sodio. Estos dos polímeros y su organización dentro de la estructura granular, confieren propiedades fisicoquímicas y funcionales únicas al almidón (Tester, y col., 2004).
Los almidones nativos de diferentes fuentes botánicas, como maíz, papa, trigo, arroz, han sido ampliamente estudiados en relación a su estructura y propiedades fisicoquímicas. Sin embargo, presentan algunas limitaciones como baja resistencia térmica, descomposición térmica y alta tendencia a retrogradar, por lo que no son adecuados para el uso en alimentos. Por tal razón, las modificaciones estructurales, por métodos físicos, químicos y/o enzimáticos, son muy utilizados para obtener las propiedades deseadas para su utilización (Singh, y col., 2007).
La modificación del almidón, involucra la alteración de las características físicas y químicas del almidón nativo, con el fin de desarrollar características deseables para aplicaciones específicas. Se consigue, generalmente, mediante modificaciones químicas, a través de reacciones de derivatización, tales como eterificación, esterificación, reticulación, descomposición (hidrólisis ácida o enzimática y oxidación del almidón) o tratamientos físicos, utilizando calor o humedad (Singh y col., 2007).
Las reacciones por conversión son acompañadas por la interrupción de la estructura cristalina de los polímeros del almidón y de su reducción a moléculas más pequeñas, dentro de estas, se encuentra la hidrólisis ácida (Hoover, 2001). La hidrólisis ácida, interrumpe la estructura del almidón, resultando en cambios a las propiedades funcionales (Wang y Copeland, 2012).
Otro tipo de modificación química es mediante reacciones de sustitución (estabilización), que tienen el objetivo de prevenir la retrogradación del almidón, las cuales incluyen a los almidones fosfatados y succinatados (Robles, 2014).
Los almidones fosfatados, se obtienen a través de la esterificación de los grupos hidroxilos con agentes fosforilantes, tales como el tripolifosfato de sodio (TPS), meta fosfato de sodio y el oxicloruro de fósforo. De acuerdo con la FDA, para el almidón modificado por TPS, el límite en el grado de sustitución está establecido en 0.04 (Thomas y Atwell, 1999).
Mientras que los ésteres de almidón succinatado, son preparados por la reacción básica de anhídridos de alquenil succínico con el almidón granular, en suspensión acuosa, mediante una reacción de esterificación. La sustitución puede ocurrir en los carbonos 2, 3 y 6 de la unidad de glucosa. El anhídrido más utilizado para esta modificación es el octenilsuccinato (OSA) (García, 2014). La FDA, ha aprobado el tratamiento del almidón, con un máximo de anhídrido n-octenil-succínico del 3% (Code of Federal Regulation, 1991).
El almidón y sus productos, tienen diferentes aplicaciones, tanto en la industria de alimentos, como en la no alimentaria. El consumo de almidón, se destina aproximadamente 75 % al sector industrial y el 25 % al sector de alimentos (Aristizábal y col., 2007). Otra aplicación industrial del almidón, es como material encapsulante. El secado por aspersión, es el método de microencapsulación más usado por la industria de los alimentos, es una técnica económica y flexible. Una de las grandes ventajas de este proceso, además de su simplicidad, es que es apropiado para materiales sensibles al calor, ya que el tiempo de exposición a temperaturas elevadas es muy corto (5 a 30 s) (Martín, y col., 2015).
Se establecieron cuatro etapas en el proceso, la primera de ellas, la caracterización de la materia prima (almidón de yuca ceroso y normal, nativo), la cual se realizó mediante un análisis químico-proximal, incluyendo determinación de fósforo y contenido de amilosa. Además se determinaron: propiedades térmicas, utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC), morfología y tamaño de gránulo, por microscopía electrónica de barrido (SEM) y difractometría de rayos X, en cuanto a propiedades funcionales, se evaluó el índice de solubilidad y absorción en agua (ISA – IAA) y poder de hinchamiento. La segunda etapa fue la hidrólisis ácida y la optimización de la misma, mediante la metodología de superposición de superficies, considerando dos respuestas, menor viscosidad y mayor índice de absorción de agua a temperatura ambiente. La tercera etapa fue la modificación química con grupos succinato y fosfato del almidón, para comprobar la presencia de los grupos químicos, se obtuvo el espectro de infrarojo (IR) y se determinó el grado de sustitución, de igual manera se realizó la caracterización de sus propiedades térmicas y funcionales. Finalmente la cuarta etapa corresponde a la obtención de los encapsulados de Lactobacillus pentosus utilizando los almidones modificados como material encapsulante, en esta etapa se evaluó el porcentaje de inmovilización de la BAL y la morfología de las cápsulas.
Los almidones de yuca con los que se trabajó se consideraron como puros debido al contenido de proteína presente (< 0.6 %), además se cuantificó el contenido de amilosa para corroborar la presencia de un almidón ceroso, encontrando que el almidón ceroso de yuca presentó un 1.69 ± 0.34 % de amilosa, mientras que el almidón normal 18.10 ± 0.40 %. Los almidones hidrolizados mostraron una interrupción en su estructura debido al ataque ocasionado por el ácido, por lo que cambiaron sus propiedades fisicoquímicas y funcionales, se observó una disminución en la viscosidad y mayor índice de absorción de agua, en base a estas dos variables respuesta se optimizó el proceso de hidrólisis ácida empleando el método de superposición de superficie respuesta, encontrando para el almidón de yuca ceroso % HCl=7.97 y t= 4. 56 h, y para el almidón de yuca normal % HCl= 7.97 y t= 2.44 h.
Los almidones de yuca previamente hidrolizados, se modificaron con grupos succinato y fosfato presentando un GS= 0.019 y 0.035 para el almidón ceroso y 0.016 y 0.035 para el almidón normal, respectivamente, cumpliendo con lo establecido por la FDA para el uso de almidones modificados en alimentos (GS= 0.02 y 0.04). Se obtuvo un mayor GS en el almidón ceroso, debido a que durante la hidrólisis, este se expuso más tiempo en contacto con el ácido por lo que el daño ocasionado a la estructura fue mayor, permitiendo que los grupos succinato entraran más fácilmente al almidón.
Los almidones de yuca ceroso y normal químicamente modificados presentaron cambios en sus propiedades fisicoquímicas y funcionales, disminuyendo la temperatura y energía de gelatinización, se aumentó el % ISA, sin embargo se mantuvo el patrón de difracción de rayos X.
Se afectó la morfología granular de ambos almidones al someterlos a las diferentes modificaciones, del almidón nativo al hidrolizado se observaron la formación de ligeras cavidades en la superficie del gránulo, del hidrolizado al succinatado nuevamente se observaron estas cavidades pero ahora más profundas y finalmente del almidón hidrolizado al fosfato se aprecian los gránulos con un mayor ataque debido a las rampas de calentamiento a las que se sometió el almidón durante el proceso de fosfatación.
Se evaluó la capacidad como material encapsulante de los almidones con Lactobacillus pentosus, siendo el almidón de yuca ceroso fosfatado el que presentó mejor porcentaje de inmovilización de BAL (99.22 %) y la mezcla 1 del almidón de yuca normal (93.72 %), por lo tanto, se propone que los almidones químicamente modificados representan una excelente alternativa para emplearse como agentes inmovilizadores de bacterias ácido lácticas.
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[a] Instituto de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Rancho Universitario. Av. Universidad Km.1 Ex Hda. De Aquetzalpa AP 32, Tulancingo, Hidalgo, CP 43600. México
[b] Área Académica de Química, Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería, Ciudad del Conocimiento, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Carretera Pachuca-Tulancingo Km. 4.5. CP 42183, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México.
[c] Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Unidad Querétaro, Instituto Politécnico Nacional, Cerro Blanco 141, Colinas del Cimatario, Santiago de Querétaro, Querétaro, C.P. 76090, México.