DOI: http://dx.doi.org/10.18684/BSAA(13)76-85

¹ Universidad La Gran Colombia Seccional Armenia, Facultad de Ingeniería, programa de Ingeniería Agroindustrial. Ingeniera Agroindustrial. Armenia, Colombia.

² Universidad La Gran Colombia Seccional Armenia, Facultad de Ingeniería, programa de Ingeniería Agroindustrial. Magister en Diseño y Gestión de Procesos. Armenia, Colombia.

³ Universidad La Gran Colombia Seccional Armenia, Facultad de Ingeniería, programa de Ingeniería Agroindustrial. Magister en Ingeniería de Alimentos. Armenia, Colombia.

Correspondencia: laurasofiatv@gmail.com

Recibido para evaluación: 30 de abril de 2015 . Aprobado para publicación: 1 de Julio de 2015

RESUMEN

Los subproductos de las cadenas agroindustriales constituyen alrededor del 90% de la parte del cultivo, por lo cual, establecer alternativas de aprovechamiento puede ser importantes para los productores. En este trabajo se evaluó el efecto del tratamiento enzimático sobre almidón obtenido de pulpa y cáscara de plátano (Musa paradisiaca spp.) y se estableció el efecto de la temperatura de secado en almidón hidrolizado sobre propiedades químicas, físicas y reológicas. Se cuantificó la actividad de agua, el contenido de humedad y el contenido de dextrosa equivalente, azúcares reductores presentes en la maltodextrina por cromatografía líquida de alta eficacia; además se determinaron parámetros de color y reológicos. La hidrólisis enzimática presentó efecto significativo sobre la cantidad de dextrosa equivalente, permitió la obtención de maltotriosa, maltosa y glucosa, compuestos propios de maltodextrina, además, tuvo efecto sobre los parámetros reológicos, evidenciándose el cambio de la estructura del almidón. La temperatura de 130°C fue la que tuvo mayor efecto sobre las variables de actividad de agua, contenido de humedad y cambio de color. Lo anterior demuestra que es posible la obtención de maltodextrinas a partir de pulpa y cáscara de plátano por vía enzimática y secado por atomización a temperatura de 130°C.

PALABRAS CLAVE: Almidón, Almidones modificados, Dextrosa equivalente, Enzimas, Reología.

ABSTRACT

The subproducts of agribusiness chains constitute about 90% of the portion of the crop, therefore, establish alternative uses may represent alternatives for producers. The aim of this study was evaluated the effect of enzymatic treatment on starch obtained from pulp and banana peel (Musa paradisiaca spp.) and establish the effect of drying temperature on starch hydrolyzate on chemical, physical and rheological properties. Water activity, moisture content and the dextrose equivalent content was quantified, reducing sugars present in the maltodextrin were determined by High-performance liquid chromatography; besides color and rheological parameters were determined. Enzymatic hydrolysis showed a significant effect on the amount of dextrose equivalent, allowed obtaining maltotriose, maltose and glucose, typical compounds maltodextrin also had an effect on the rheological parameters, showing the change of the starch structure. The temperature of 130°C was the one that had the greatest impact on the variables of water activity, moisture content and color. This shows that it is possible to obtain maltodextrins from pulp and banana peel enzymatically and spray drying temperature of 130°C.

KEY WORDS: Starch, Modified starch, Dextrose equivalent, Enzymes, Reology.

RESUMO

Os derivados de cadeias agroindustriais constituem cerca de 90% da parte da colheita, portanto, estabelecer usos alternativos podem representar alternativas para os produtores. O objetivo deste trabaio, foi avaliar el efeito do tratamento enzimático de amido obtido a partir de casca e de polpa de banana (Musa paradisiaca spp.), estabelecer o efeito da temperatura de secagem no amido hidrolisado sobre as propriedades reológicas, químicas e físicas. foi quantificadas la actividade da água, o teor de humidade e o teor de equivalente de dextrose; açúcares redutores presentes nas maltodextrinas foram determinados por cromatografia líquida de alto desempenho; parâmetros de cor foi determinados e os parâmetros reológicos. A hidrólise enzimática mostrou um efeito significativo sobre a quantidade de equivalente em dextrose, permitiu a obtenção de maltotriose, maltose e glicose, compostos típicos maltodextrina também teve um efeito sobre os parâmetros reológicos, que mostra a mudança da estrutura de amido. A temperatura de 130°C foi a que teve o maior impacto sobre as variáveis da atividade de água, teor de umidade e cor,. Isto mostra que é possível obter a partir de casca de maltodextrinas polpa de banana e enzimaticamente e spray temperatura de secagem de 130°C.

PALAVRAS-CHAVE: Amido, Amidos modificados, Equivalente dextrose, Enzimas, Reologia.

INTRODUCCIÓN

El plátano (Musa spp.) es una de las frutas más importantes en países desarrollados de Asia, Latinoamérica y África [1,2]. En Colombia, este cultivo representa uno de los principales renglones agropecuarios con un área sembrada de 378.884 ha y una producción de 3.072.974 ton, adicionalmente, el plátano es el cultivo de mayor importancia económica para el Quindío, con una producción de 221.929 ton y una participación departamental (plátano y tubérculos) del 97,04% representando el 7,22% de la producción nacional [3]. La cáscara representa del 35% al 40% del fruto, generando residuos que se podrían aprovechar para la fabricación de diferentes productos de valor agregado entre los que se encuentra la extracción de almidón [4] para su aplicabilidad en la industria alimentaria [5,6,7].

El almidón es un biopolímero de gran importancia compuesto por amilosa y amilopectina [8,9,10,11], es la mayor fuente de nutrición para animales y humanos y es una importante materia prima para la industria [12], es un material abundante, renovable, biodegradable y de bajo costo, extraído de diversas fuentes naturales [13] como tubérculos, cereales, legumbres y frutos inmaduros [14,15] que al hidrolizarse puede generar productos de mayor valor comercial.

Aparicio-Saguilán et al. (2014) reportan el creciente interés por la obtención de almidón a partir de fuentes no convencionales debido a que pueden presentar propiedades fisicoquímicas y funcionales diferentes a las que presentan los almidones convencionales, como los aislados de maíz, arroz, trigo y papa [16]. El plátano se ha estudiado como una fuente alterna para la obtención de almidón y se ha resaltado su potencial debido a sus propiedades físicas, químicas y funcionales, a su digestibilidad, modificación química y usos industriales [16].

Utrilla-Coello et al (2014) reportan la evaluación de las propiedades fisicoquímicas, estructurales y funcionales de almidones aislados de diversas variedades de plátano y sus características de digestibilidad [17]. Por su parte, Bello-Pérez et al (2002) y Aparicio-Saguilán et al (2014) obtuvieron almidones modificados mediante la hidrólisis de almidones de plátano, por métodos enzimáticos y ácidos [16,18]. Por sus características y propiedades, este tipo de almidón puede ser utilizado para el desarrollo de nuevos productos, especialmente como nuevos ingredientes con características nutracéuticas [14].

Una alternativa de desarrollo de nuevos productos puede darse con la obtención de maltodextrina, que es un polisacárido no dulce, que consiste de unidades Dglucosa enlazadas principalmente por enlaces α(1-4) con valor de dextrosa equivalente inferior a 20 y puede ser obtenida por hidrólisis enzimática [19,20]. Entre las enzimas empleadas para la hidrólisis de almidones se encuentra la enzima α-amilasa (α 1,4-D- Glucan Glucano-hidrolasa) la cual permite la transformación de almidón a maltosa, glucosa y dextrinas.

La maltodextrina se utiliza en la industria alimentaria y farmacéutica porque permite la unión de sabor y grasa, la reducción de la permeabilidad del oxígeno a la pared de la matriz y la viscosidad aparente de un fluido [21, 22].

Por lo anterior, el objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto del tratamiento enzimático sobre almidón obtenido a partir de pulpa y cáscara de plátano (Musa paradisiaca spp.) variedad Dominico Hartón y determinar el efecto de la temperatura de secado en almidón hidrolizado sobre propiedades físicas, químicas y reológicas.

MÉTODO

Se utilizó plátano variedad Dominico-Hartón (Musa AAB Simmonds) de segunda calidad y en estado de madurez verde, según NTC 1190 [23], del cultivo ubicado en el Km 7 vía Armenia - La Tebaida (Quindío), con coordenadas 4°29'0,00''N, 75°44'45,91''O y 1209 m.s.n.m.

Extracción de almidones

Se extrajo almidón de pulpa y cáscara de plátano a nivel de laboratorio siguiendo metodología reportada por Torres et al. [24]. El secado del almidón se realizó en una estufa de circulación forzada (Binder, USA) a 40°C por 24 horas y la pulverizaci&ocute;n se hizo en un molino de cuchillas (Samurai, Colombia). Los productos fueron almacenados en bolsas de poliestireno de alta densidad a 24°C ± 3 y un 60% de humedad relativa.

Hidrólisis enzimática de almidones

Se obtuvo maltodextrina de almidones de pulpa y cáscara de plátano a través de hidrólisis enzimática siguiendo la metodología reportada por Bello Pérez et al (2002) con algunas modificaciones [25]. La hidrólisis se realizó con la enzima α-amilasa de origen fúngico (Fungamyl 800 L, Dinamarca). Se prepararon soluciones de ambos almidones en agua (20% p/v) y se ajustó su pH a 6,5. En un baño térmico (Memmert, Alemania) se calentaron las soluciones hasta 72°C, temperatura a la que se adicionó la enzima en concentración de 0,02% v/v. El proceso se realizó con agitación manual durante 15 minutos. La enzima fue inactivada con choque térmico a 4°C ± 2 por 5 minutos.

El secado se realizó en un secador por atomización (Instrument YC-015 Pilotech, Beijing China) a temperaturas de 110, 120 y 130°C.

Análisis químicos

Se determinó la actividad de agua (aw), el contenido de humedad (CH) y los azúcares reductores expresados como dextrosa equivalente (DE). Se midió la aw por el método del punto de rocío en un medidor de actividad de agua Aqualab Lite (Decagon, USA), y el CH fue determinado a través del método gravimétrico siguiendo la norma AOAC 934.06 usando una estufa de circulación forzada (Binder, USA) y balanza analítica (Mettler Toledo, Suiza). Los azúcares reductores se determinaron por el método de DNS (ácido 3-amino-5-dinitrosalicílico), según metodología modificada de Amid et al. [26].

Cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC)

Para los análisis cromatográficos se utilizó un cromatógrafo líquido de alta eficacia (Hitachi Elite Lachrom, Japón) con una fase móvil de ácido sulfúrico 5mM y un flujo de inyección 0,4 µL/min, una columna Hi-Plex H Ligand Exchange (30 cm x 6,5 mm) (Agilent, Estados Unidos), tamaño de partícula de 8 µm, acondicionada en un equipo con detector IR (L- 2490), temperatura de la columna de 65°C alcanzada en un horno (L-2300).

Análisis de color

El color fue determinado mediante un colorímetro (CM-600d, Konica Minolta Optics Inc., Japón). Se obtuvieron coordenadas de color CIE L*a*b* empleando como referencia el iluminante D65 con observador de 10°. El rango de los parámetros de color fue L*= 0 (negro) hasta 100 (blanco), a*= -60 (verde) hasta +60 (rojo), y b*= -60 (azul) hasta +60 (amarillo).

Análisis reológico

Se determinó a partir de suspensiones de 25 mL de maltodextrina al 8% (p/v) en base seca, sometidas a barridos de temperatura y agitación, siguiendo metodología reportada por Torres et al. [24]. El análisis reológico se realizó en un reómetro rotacional (TA Instrument, AR1500ex, USA), con el software Reolgy Advantage Data Analysis®, con el cual se obtuvieron los viscoamilogramas que representan las curvas de empastamiento.

Diseño experimental y análisis estadístico

Se aplicó un diseño factorial completamente aleatorizado, donde los factores evaluados fueron tratamiento enzimático y temperatura de secado (T1=110°C; T2=120°C; T3=130°C). Se tuvieron como controles los almidones sin hidrolizar. Los ensayos se corrieron por triplicado.

Los resultados se analizaron a través de análisis de varianza con un nivel de significancia del 95%, empleando el software estadístico Statgraphics centurion xv versión 15.1.02 ®.

RESULTADOS

Análisis químico

En cuanto al análisis químico de las maltodextrinas, en la Figura 1, se presentan los resultados de la aw y CH en función del tratamiento. El incremento en la temperatura generó mayor disminución de la aw (p<0,05). En maltodextrina de pulpa, la aw osciló entre 0,313±0,002 y 0,454±0,002, mientras que el almidón tiene una aw de 0,529±0,002; siendo los tratamientos 1 y 3 los que presentaron una menor aw, La maltodextrina de cáscara de plátano presentó aw entre 0,361±0,003 y 0,438±0,003, el almidón de cáscara tuvo una aw de 0,525±0,003.

Con respecto al contenido de humedad se encontraron diferencias estadísticamente significativas (p<0,05). La maltodextrina obtenida de pulpa y cáscara de plátano presentaron valores de CH que oscilan entre 6,954±0,576 y 9,171±0,576 para pulpa y 7,610±0,648 y 9,353±0,648 para cáscara, mientras que los almidones de pulpa y cáscara presentaron un CH de 11,713±0,576 y 12,681±0,648, respectivamente. El menor contenido de humedad fue generado a temperatura de secado de 130°C. La aw y el CH de materiales alimenticios son parámetros importantes que permiten predecir los cambios en sus propiedades físicas, químicas y microbiológicas que pueden ocurrir durante su almacenamiento y transformación [27,28].

Para productos secados por aspersión, la aw es un índice importante, ya que puede afectar en gran medida la vida útil del polvo producido [29,30]. Productos con valores de aw menores a 0,6 pueden ser considerados estables desde el punto de vista microbiológico y con valores entre 0,2 y 0,4 permiten asegurar que son estables frente a pardeamiento y reacciones hidrolíticas, oxidación lipídica, auto-oxidación, y actividad enzimática y enzimáticas [30,31]. Lo anterior sugiere que la maltodextrina de pulpa y cáscara de plátano son productos estables desde el punto de vista bioquímico, enzimático y microbiológico.

Formas sin relleno corresponden a actividad de agua

En la Figura 2 se presentan los resultados de DE, se obtuvieron valores para maltodextrina de cáscara de 14% ± 0,004 para todos los tratamientos, mientras que el almidón no presentó niveles de dextrosa equivalente.

Para maltodextrina de pulpa, se obtuvieron valores de DE entre 5,75%±0,001 y 12,0%±0,001, siendo la maltodextrina secada a 130°C la que tuvo el mayor porcentaje, por su parte, el almidón no presentó DE. Los resultados obtenidos presentaron diferencias estadísticamente significativas (p<0,05) Los valores obtenidos fueron similares a los reportados por Bello-Pérez (2002), que oscilaron entre de 7-11 para maltodextrina producidas a partir de la hidrólisis enzimática de almidón de plátano.

Los resultados obtenidos sugieren que hubo modificación del almidón por efecto de la hidrólisis enzimática, obteniéndose maltodextrina, dado que éstas últimas se caracterizan por tener un DE menor al 20% [32]. La dextrosa equivalente es el principal parámetro para definir el uso de la maltodextrina [32]; los valores de DE obtenidos en este trabajo a temperatura de 130°C podrían sugerir su posible potencial como coadyudante de secado por aspersión de frutas y verduras, según lo planteado por Matsuura et al. (2015), quienes reportan el uso de maltodextrina que contienen de 10 a 15 DE para dicho fin [32].

Cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC)

En el Cuadro 1 se presentan los azúcares encontrados en los almidones modificados enzimáticamente. En los cromatogramas se encontró principalmente maltotriosa, maltosa y glucosa.

Se encontraron grandes áreas de maltrotriosa en todos los tratamientos y diferencias significativas (p<0,05). Para maltodextrina de pulpa se presentó un aumento del área de maltotriosa desde 162,9 hasta el 222,1%, siendo la maltodextrina secada a 120°C (T2) la que presentó una mayor área de maltotriosa. Comportamiento contrario se presentó para maltodextrina de cáscara, debido a que para los tratamientos T2 y T3 (muestras secadas a 120 y 130°C) se observó un descenso del 6,3 y 8,7% del área de este compuesto, respectivamente, mientras que para la muestra secada a menor temperatura (T1) se presentó un aumento del 0,5%. Para la maltosa, también se presentaron diferencias estadísticamente significativas entre almidón y maltodextrina (p-valor=0). Se obtuvo una reducción del área de maltosa para maltodextrina de pulpa en un rango entre 29,9% y 86,7%. De otra parte, para maltodextrina de pulpa, las áreas de la maltosa aumentaron tras el proceso de hidrólisis, variando con respecto al control entre 14,6 y 83,8%. Para ambos tipos de maltodextrina, el mayor cambio de área se evidenció para las muestras secadas a 120°C. Con respecto a las áreas de glucosa, los resultados obtenidos muestran diferencias altamente significativas entre las muestras con y sin tratamiento enzimático (Valor p=0). Se observa la reducción del área de glucosa para todas las muestras. Los tratamientos que permitieron la mayor variación del compuesto fueron T3 para la maltodextrina de cáscara y T2 para la de pulpa, con una disminución de 76,9 y 98,6%, respectivamente. Los altos valores de maltotriosa, seguido de la maltosa se deben a que durante la hidrólisis, la enzima α-amilasa corta la cadena de los polímeros amilosa y amilopectina en cadenas de tamaño regular, que dan como resultado maltotriosa, maltosa y dextrinas. La poca presencia de glucosa es debida a que para su producción es necesaria una fase de sacarificación donde interviene la enzima amiloglucosidasa [33].

Análisis de color

Los valores de luminosidad, croma, ángulo de tono y cambio de color se presentan en el Cuadro 2. En la Figura 3, se muestran los cambios encontrados para estos parámetros.

Se observa que la luminosidad de la maltodextrina de pulpa y cáscara de plátano aumentaron con respecto a los controles, lo que muestra que el secado por aspersión aspersión bajo las temperaturas evaluadas favorece la obtención de productos más claros que los almidones.

Aunque no hay diferencias estadísticamente significativas entre los cambios de luminosidad, se muestra un mayor cambio para el tratamiento 3 (ΔL*= 14,3%). En maltodextrina de cáscara, se muestra un mayor cambio de luminosidad para el tratamiento 1 (ΔL*= 48,7%). Los valores de croma indican que el color en las muestras de almidón hidrolizado es menos intenso que en el no hidrolizado (control) y por tanto más puro. No se evidencian diferencias estadísticamente significativas entre los tratamientos. Los cambios de esta variable en maltodextrina de pulpa oscilaron entre -33,25 y -39,32% mientras que para maltodextrina de cáscara los cambios presentados estuvieron entre -28,04 y -29,65%. Los mayores cambios de croma se encontraron en el tratamiento 3, lo que indica que a una mayor temperatura de secado (130°C) se obtiene un color menos intenso que los almidones.

Con respecto al ángulo de tono, se muestra un incremento por efecto del tratamiento enzimático y está ubicado en el primer cuadrante según CIELAB, indicando coloraciones entre rojo y amarillo, inclinándose más hacia este último. Los cambios en este parámetro variaron entre 2,94 y 5,58% y 6,81 y 9,13%, en pulpa y cáscara respectivamente.

En referencia al cambio de color, se observan diferencias estadísticamente significativas entre los tratamientos (valor p=0), encontrándose un menor cambio en maltodextrina de pulpa (5,6 y 7,2%), comparado con cáscara (8,8 y 14,0%). Se reporta un cambio de color de maltodextrina de plátano promedio de 5,8 [25], variación similar a la obtenida para las maltodextrinas de pulpa. El tratamiento que reflejó un mayor cambio de color en maltodextrina de cáscara fue el de 110°C, mientras que en maltodextrina de pulpa fue el de 130°C. La alteración del color se debe a la modificación de las características de la superficie del producto por efecto del secado [34].

Los tratamientos 1 y 3 permitieron obtener los mejores resultados para los parámetros de color determinados. Aunque algunas investigaciones reportan un cambio negativo en el color de productos secados con aire caliente debido a las altas temperaturas a las que se someten durante el proceso de secado [35], la maltodextrina de pulpa y cáscara de plátano presentaron un cambio de color favorable en comparación al color de los almidones, obteniéndose muestras más claras, de menor intensidad y agradables a la vista, ello posiblemente a que el secado por aspersión aunque maneja altas temperaturas, son cortos los tiempos de contacto de los productos con el aire caliente. Estos parámetros de color son muy importantes para evaluar la posible aplicación de estos tipos de maltodextrina en alimentos [25].

Análisis reológico

Los parámetros obtenidos para la prueba reológica en los tratamientos evaluados se presentan en el Cuadro 3.

Se observa que para los almidones de cáscara y pulpa de plátano la temperatura de gelatinización es de 65 y 74°C, respectivamente. Temperaturas de gelatinización similares a la de almidón de cáscara se han reportado para los almidón de maíz con valores entre 66 y 73 °C en función de la concentración de sacarosa [13]. Los valores de temperatura de gelatinización más altos representan una mayor estabilidad interna del gránulo de almidón, generalmente asociada a un mayor contenido de amilosa. La viscosidad final muestra un incremento relacionado con el enfriamiento de los almidones y se asocia con el fenómeno de retrogradación y con el contenido de amilosa [36].

En la Figura 4, se muestran los viscoamilogramas típicos obtenidos para almidones de cáscara y pulpa de plátano (A y C, respectivamente) y para maltodextrinas de cáscara y pulpa de plátano (B y D, respectivamente).

Se observa un aumento de la viscosidad de los almidones en la etapa de calentamiento, este incremento es debido al hinchamiento que sufren los gránulos de almidón al estar sometidos a una temperatura de calentamiento, según se reporta en la literatura, los puentes de hidrógeno más débiles en el área amorfa se rompen y el gránulo se hincha progresivamente a medida que se hidrata [36]. Por su parte, no se evidencia en los viscoamilogramas para ninguna de las maltodextrinas un comportamiento similar a los almidones; debido a que no hay incremento de la viscosidad durante la etapa de calentamiento, por efecto del cambio de estructura en los almidones generado por la hidrólisis enzimática.

CONCLUSIONES

El tratamiento enzimático con α-amilasa generó efecto significativo sobre las propiedades químicas y reológicas de almidón obtenido a partir de pulpa y cáscara de plátano. La aplicación de este tratamiento podría generar una alternativa de uso para subproductos de pulpa y cáscara de plátano.

El proceso de secado convectivo no es adecuado para la obtención de maltodextrina de pulpa y cáscara de plátano. El incremento en la temperatura de secado por atomización generó disminución del contenido de humedad y actividad de agua, generando productos estables en almacenamiento.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento al programa de semilleros de investigación de Colciencias por la financiación de este proyecto.

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