i UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE CIENCIAS AGROALIMENTARIAS ESCUELA DE TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS Proyecto Final de Graduación presentado a la Escuela de Tecnología de Alimentos para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería de Alimentos Aprovechamiento de un subproducto de la molienda seca del maíz en productos horneados libres de gluten Elaborado por: WENDY ALEJANDRA NARANJO CHAVES B14662 Ciudad Universitaria Rodrigo Facio San José, Costa Rica Diciembre, 2018 ii DEDICATORIA Este proyecto lo dedico a todos mis seres queridos, especialmente a mis padres por brindarme la valiosa oportunidad del estudio a costa de muchos sacrificios propios, a mi hermano como muestra de que es posible culminar esta etapa universitaria; a pesar, de lo difícil e incierto que se torna el proceso en ciertas ocasiones, a mi esposo para quien mis logros son suyos también y para todos mis amigos y compañeros universitarios con los que aprendí más allá de conocimientos teóricos. iii AGRADECIMIENTOS Te agradezco Padre, porque has sido bueno conmigo en todo momento, desde complacerme en darme la entrada a la carrera que escogí, hasta darme la paciencia, los recursos, la capacidad y la salud para culminar este proyecto. A Ma, por entregar su vida por sus hijos, por tantas muestras de amor y de esfuerzo para vernos cumplir grandes metas. A Pa, por darme lo necesario para estudiar y prepararme con confianza en mí. A Marcos, gracias por permitirme realizar la tesis con tranquilidad y todas las comodidades posibles y más aún, por mostrar siempre orgullo y amor en lo que hago. A mis compañeros universitarios, por compartirme tantas cosas que necesité y enseñarme a disfrutar de este proceso con humor, sin ustedes esta etapa no hubiera sido lo mismo. A Valeria y a Priscilla por compartirme su conocimiento de los pancitos y la harina. A Rebeca, a Naty, a las asistentes de sensorial por ayudarme en los paneles y en los análisis. A mi profesora consejera y directora del proyecto Elba, por recibirme y aconsejarme desde el inicio de mi etapa universitaria, por todo su valioso apoyo y paciencia. Por su profesionalismo y sencillez, cada vez que necesité aclarar dudas o pedir consejo. A las profesoras asesoras, Jacqui y Ana Ruth por confiarme este trabajo, por el tiempo dedicado siempre con amabilidad y por todo el conocimiento compartido. Al personal del laboratorio de Química, Graciela, Eduardo, Randall y Silvia, gracias por el apoyo, el análisis y el cuidado de mis muestras y por supuesto, por enseñarme cada proceso con mucha paciencia. A todo el personal de la Escuela por acompañarme, informarme y darme todo lo que necesité para llevar a cabo este proyecto. Y por supuesto, a Camacho y Alonso por estar siempre dispuestos a ayudarme con los equipos, por el apoyo emocional y por pasar a molestarme de vez en cuando. iv ÍNDICE GENERAL TRIBUNAL EXAMINADOR .............................................................................................................................. I DEDICATORIA .............................................................................................................................................. II AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................................... III ÍNDICE GENERAL ......................................................................................................................................... IV ÍNDICE DE CUADROS ................................................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................................. VIII ÍNDICE DE ANEXOS ..................................................................................................................................... IX ABREVIATURAS ........................................................................................................................................... X RESUMEN ................................................................................................................................................... XI JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................ 1 OBJETIVOS ................................................................................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO ......................................................................................................................................... 5 A. El Gluten .......................................................................................................................................... 5 B. La enfermedad celiaca y otros trastornos relacionados ................................................................ 6 C. El Mercado de los Productos Libres de Gluten (PLG) ...................................................................... 7 D. La fibra dietética (FD) ...................................................................................................................... 8 E. El maíz (Zea mays L. ssp. Mays) .................................................................................................... 10 i. Generalidades ................................................................................................................................ 10 ii. Estructura del grano de maíz ......................................................................................................... 11 iii. Composición Química .................................................................................................................... 13 iv. Procesamiento industrial del maíz ................................................................................................. 16 v. Estabilidad del maíz y sus productos derivados ............................................................................. 20 F. El arroz (Oryza sativa L.) ............................................................................................................... 23 G. La Yuca (Manihot esculenta Crantz) ............................................................................................. 24 H. Productos Horneados: Galletas, Pan y sus Ingredientes .............................................................. 25 I. Tamaño de partícula (TP).............................................................................................................. 25 J. Propiedades tecnológicas ............................................................................................................. 27 K. Color .............................................................................................................................................. 32 L. Textura .......................................................................................................................................... 33 M. Prueba de sensorial de agrado ..................................................................................................... 35 MATERIALES Y MÉTODOS .......................................................................................................................... 37 A. Localización ................................................................................................................................... 37 B. Materias primas ............................................................................................................................ 37 C. Equipos .......................................................................................................................................... 38 D. Pruebas Preliminares .................................................................................................................... 38 E. Pruebas definitivas ........................................................................................................................ 46 i. Descripción general de la metodología experimental ................................................................... 46 v ii. Composición química ..................................................................................................................... 49 iii. Propiedades tecnológicas .............................................................................................................. 50 iv. Elaboración de productos horneados con sustitución de algunas fracciones del subproducto de maíz y análisis de sus características de calidad .......................................................................................... 51 v. Panel sensorial de agrado .............................................................................................................. 52 F. Métodos de análisis ...................................................................................................................... 52 i. Tamaño de partícula (TP)............................................................................................................... 52 ii. Composición química ..................................................................................................................... 54 iii. Propiedades tecnológicas .............................................................................................................. 55 a. Capacidad de Absorción de Aceite (CAA) ....................................................................................... 55 b. Capacidad de retención de Agua (CRA) ......................................................................................... 56 c. Capacidad de Formación de Espuma (CFE) y Estabilidad de la Espuma (EE) ................................. 56 d. Densidad bulk (ρb) .......................................................................................................................... 57 e. pH ................................................................................................................................................... 58 iv. Características de calidad de los productos horneados ................................................................. 58 a. Diámetro, grosor y expansión de galletas ..................................................................................... 58 b. Volumen específico (cm3/g) y altura del pan ................................................................................. 59 c. Color ............................................................................................................................................... 59 d. Propiedades reológicas de galletas y pan de molde ...................................................................... 60 v. Prueba sensorial de agrado ........................................................................................................... 61 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................................................ 62 A. Análisis del tamaño de partícula .................................................................................................. 62 B. Composición química .................................................................................................................... 66 C. Propiedades tecnológicas ............................................................................................................. 70 D. Elección de las fracciones y los porcentajes de sustitución para los productos horneados ........ 77 E. Resultados de la elaboración de galletas sin harina de trigo ...................................................... 82 i. Características de calidad de las galletas horneadas (masa final, diámetro, grosor y expansión) 82 ii. Color ............................................................................................................................................... 84 iii. Textura ........................................................................................................................................... 85 iv. Panel sensorial de agrado .............................................................................................................. 87 F. Elaboración de pan de molde sin harina de trigo ........................................................................ 88 i. Características de calidad (Volumen, altura) ................................................................................. 88 ii. Color ............................................................................................................................................... 89 iii. Textura ........................................................................................................................................... 91 iv. Panel sensorial de agrado .............................................................................................................. 92 CONCLUSIONES ......................................................................................................................................... 95 RECOMENDACIONES ................................................................................................................................. 96 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................. 97 ANEXOS ....................................................................................................................................................118 vi ÍNDICE DE CUADROS CUADRO I. Composición química del maíz en base seca según las diferentes partes del grano ..................... 13 CUADRO II. Propiedades físicas y químicas de almidones de diferentes fuentes. ........................................... 13 CUADRO III. Composición química de diferentes cereales ............................................................................... 15 CUADRO IV. Clasificación general de los productos de la molienda seca del maíz y sus usos ......................... 19 CUADRO V. Definiciones utilizadas en la determinación del perfil de textura de alimentos. .......................... 35 CUADRO VI. Información de los principales equipos utilizados para el análisis de materia prima y la elaboración de productos horneados. .................................................................................................................................. 38 CUADRO VII. Composición química en base húmeda del subproducto de maíz en un ensayo preliminar para la caracterización de dicha materia prima, representa el lote 0 . ........................................................................ 40 CUADRO VIII. Diseño de bloques completos al azar con un factor (fracción) para la composición química de la materia prima. .................................................................................................................................................. 49 CUADRO IX. Diseño de bloques completos al azar con un factor (tipo de harina o fracción) para la determinación de las propiedades tecnológicas. ............................................................................................. 50 CUADRO X. Diseño de bloques completos al azar con dos factores (porcentaje de sustitución y fracción) para la elaboración de productos horneados y la determinación de sus características reológicas y de calidad. ... 51 CUADRO XI. Diseño irrestricto aleatorio con dos factores (porcentaje de sustitución y tipo de fracción) para la determinación del agrado de los productos horneados mediante una prueba de aceptación sensorial. ....... 52 CUADRO XII. Número de tamiz según la serie us estándar, tamaño de apertura y diámetro medio de partícula utilizados para el análisis granulométrico. ....................................................................................................... 53 CUADRO XIII. Condiciones utilizadas para la medición de las propiedades reológicas de los productos horneados con el texturómetro TA. XTplus. ..................................................................................................... 61 CUADRO XIV. Principales fracciones del subproducto de maíz según su tamaño medio de partícula y rendimiento. ..................................................................................................................................................... 64 CUADRO XV. Diámetro promedio (Dp) inicial y final de las fracciones reducidas en molino de martillos, razón de reducción de tamaño y rendimiento ........................................................................................................... 65 CUADRO XVI. Composición química del subproducto de maíz sin fraccionar.................................................. 66 CUADRO XVII. Composición química de diferentes fracciones del subproducto de maíz expresada en base seca .......................................................................................................................................................................... 67 CUADRO XVIII. Composición nutricional de las harinas comerciales de arroz y yuca marca Jinca foods ........ 70 CUADRO XIX. Densidad bulk (g/cm3) y pH de las diferentes fracciones del subproducto de maíz y productos de referencia. .................................................................................................................................................... 76 CUADRO XX. Fracciones elegidas y sus características para realizar pruebas de sustitución en productos horneados. ........................................................................................................................................................ 77 vii CUADRO XXI. Características de productos horneados para definir los porcentajes de sustitución ............... 80 CUADRO XXII. Composición nutricional teórica de productos horneados al sustituirlos con el subproducto de maíz. .................................................................................................................................................................. 81 CUADRO XXIII. Resultados del análisis de varianza de las dimensiones y masa de las galletas horneadas con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz. ............................................... 82 CUADRO XXIV. Características de calidad de galletas horneadas sustituidas con subproducto de maíz ........ 83 CUADRO XXV. Resultados del análisis de varianza de los parámetros de color de galletas con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz.................................................................. 84 CUADRO XXVI. Parámetros de color de las galletas horneados y sustituidas con subproducto de maíz. ....... 85 CUADRO XXVII. Resultados del análisis de varianza del agrado las galletas para tres conglomerados (grupos). .......................................................................................................................................................................... 87 CUADRO XXVIII. Comparación de medias del valor de agrado en una escala del 0 al 10 para tres conglomerados de la evaluación de galletas dulces. .................................................................................................................. 87 CUADRO XXIX. Resultados del análisis de varianza de la altura y el volumen específico de pan de molde con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz. ............................................... 88 CUADRO XXX. Resultados del análisis de varianza de los parámetros de color de pan de molde con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz.................................................................. 90 CUADRO XXXI. Parámetros de color para pan de molde con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz. ................................................................................................................. 90 CUADRO XXXII. Resultados del análisis de varianza de los parámetros de perfil de textura de pan de molde con diferentes porcentajes de sustitución de fracciones de subproducto de maíz. ........................................ 91 CUADRO XXXIII. Parámetros de la prueba de perfil de textura (TPA) de pan de molde con sustitución de subproducto de maíz. ....................................................................................................................................... 92 CUADRO XXXIV. Resultados del análisis de varianza del agrado de pan de molde para tres conglomerados (grupos). ............................................................................................................................................................ 93 CUADRO XXXV. Comparación de medias del valor de agrado en una escala del 0 al 10 para los tres conglomerados en la evaluación de pan de molde. ......................................................................................... 93 viii ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración de las partes anatómicas del grano de maíz .................................................................... 12 Curva de fracción relativa porcentual ................................................................................................ 27 Angulo de tono (°Hue) según las coordenadas de color del sistema CIELch ..................................... 33 Curva de fuerza-desplazamiento típica de una prueba de perfil de textura ..................................... 34 Prueba cualitativa de peroxidasa aplicando peróxido de hidrógeno en el subproducto de maíz.. ... 39 Flujo de proceso de la elaboración de galletas dulces ....................................................................... 41 Galletas crudas en bandeja ................................................................................................................ 42 Flujo de proceso de la elaboración de pan de molde ........................................................................ 44 Pan de molde sin harina de trigo ....................................................................................................... 46 Esquema metodológico de los experimentos que se realizaron en la investigación ...................... 48 Tamices obstruido con partículas finas............................................................................................ 54 Diámetro y grosor medidos en galletas dulces ................................................................................ 59 Figura 13. Escala híbrida utilizada para los paneles sensoriales de agrado. ..................................................... 61 Curvas de distribución de tamaño de cuatro lotes de subproducto de maíz obtenidas por el método de tamices según el análisis diferencial. ........................................................................................................... 62 Ilustración de las principales fracciones del subproducto según los tamaños del cuadro XIV. ....... 64 Curvas de distribución de tamaño de las fracciones de los tamices 18 (1205 µm) y 25 (853 µm) molidas con molino de martillos. ...................................................................................................................... 66 Capacidad de absorción de aceite y capacidad de retención de agua de fracciones del subproducto de maíz y harinas de referencia. ....................................................................................................................... 70 Estructura de la fibra antes y después de la molienda, donde la imagen de la izquierda es tipo panal y la derecha es una estructura plana ................................................................................................................ 71 Características de las masas de pan durante el mezclado ............................................................... 73 Capacidad de formación de espuma de las fracciones del subproducto de maíz y productos de referencia. ......................................................................................................................................................... 74 Estabilidad de la espuma (EE) de las diferentes fracciones del subproducto de maíz y productos de referencia medida en diferentes tiempos ........................................................................................................ 74 Ilustración de las galletas sin harina de trigo sustituidas con subproducto de maíz ....................... 85 Dureza de las galletas elaboradas con sustitución de subproducto de maíz. .................................. 86 Altura y volumen específico de pan de molde sustituido con subproducto de maíz. ..................... 89 Pan de molde sin harina de trigo sustituido con subproducto de maíz. ......................................... 89 ix ÍNDICE DE ANEXOS CUADRO XXXVI. Masas del subproducto de maíz retenidas por tamiz utilizadas para el análisis diferencial y acumulativo de tamaño de partícula. ............................................................................................................. 118 CUADRO XXXVII. Masas del subproducto de maíz retenidas por tamiz utilizadas para el análisis diferencial y acumulativo de tamaño de partícula de las fracciones del tamiz 18 y 25 molidas. ........................................ 119 CUADRO XXXVIII. Información de las harinas comerciales utilizadas ............................................................ 121 CUADRO XXXIX. Resultados de los análisis de varianza de la composición química de las fracciones de subproducto de maíz. ..................................................................................................................................... 121 CUADRO XL. Resultados de los análisis de varianza para las propiedades tecnológicas de las fracciones de subproducto de maíz y las muestras de referencia ........................................................................................ 122 CUADRO XLI. Capacidades de formación de espuma (CFE) y la estabilidad de la espuma (EE) de diferentes productos en diferentes tiempos. .................................................................................................................. 122 CUADRO XLII. Resultados del análisis de varianza los parámetros de calidad de galletas y pan sin harina de trigo sustituidos con fracciones de subproducto de maíz .............................................................................. 123 CUADRO XLIII. Resultados del análisis de varianza de las pruebas de textura de pan y galletas sin harina de trigo sustituidos con fracciones de subproducto de maíz. ............................................................................. 124 CUADRO XLIV. Resultados del análisis de varianza de los parámetros de color de galletas y pan sin harina de trigo sustituidos con fracciones de subproducto de maíz. ............................................................................. 124 Capacidades de formación de espuma observadas de diferentes productos. .............................. 123 x ABREVIATURAS °H: ángulo hue o tono 18R: fracción retenida en tamiz 18 y molida 25R: fracción retenida en tamiz 25 y molida AG: alergia al gluten AGM: alimento de gluten de maíz C*: chroma o saturación C0: tratamiento control 0% sustitución CAA: capacidad de absorción de aceite CFE: capacidad de formación de espuma CRA: capacidad de retención de agua Dp: diámetro medio de partícula EC: enfermedad celíaca EE: estabilidad de la espuma F30: tratamiento 30% sustitución con fracción de 301 µm F50: tratamiento 50% sustitución con fracción de 301 µm FD: fibra dietética G30: tratamiento 30% sustitución con fracción de 530 µm G50: tratamiento 50% sustitución con fracción de 530 µm L: luminosidad MH: molienda húmeda MS: molienda seca PLG: productos libres de gluten SGNG: sensibilidad al gluten no celiaca TP: tamaño de partícula TPA: prueba de perfil de textura xi RESUMEN Naranjo Chaves, Wendy Alejandra. Aprovechamiento de un subproducto de la molienda seca del maíz en productos horneados libres de gluten. Tesis de Licenciatura en Ingeniería de Alimentos. -San José, Costa Rica: W. Naranjo C. 2018 139 pp.: 26 il. – 175 refs. El objetivo del trabajo fue caracterizar un subproducto de la molienda seca del maíz compuesto por diferentes fracciones granulométricas para su aprovechamiento en la formulación de dos productos libres de gluten con valor nutricional mejorado. Al subproducto se le realizó un proceso de estabilización que consistió en un autoclavado (110 °C, presión 50 kPa, por 20 min) y secado con aire caliente (70 °C por 40 min). Luego se analizó el tamaño de partícula, la composición química y las propiedades tecnológicas de cada una de las fracciones del subproducto. A partir de dichos análisis, se encontraron seis fracciones con tamaños de 1205 µm, 853 µm, 603 µm, 427 µm, 301 µm y 213 µm, las cuales no variaron en el contenido de humedad, proteína ni grasa; pero, difirieron en el porcentaje de fibra y almidón. Las fracciones con tamaño superior a los 427 µm presentaron mayor cantidad de fibra y menos almidón. Por otra parte, se determinó que a menor tamaño de partícula disminuyeron la capacidad de absorción de aceite y la retención de agua; mientras, que aumentó la densidad bulk. No se vio efectos importantes en el pH y se determinó que las fracciones no poseen capacidad de formación de espuma. Después del análisis de las fracciones, se escogieron las de 301 µm y 530 µm de diámetro (mezcla de los tamaños 603 µm y 427 µm) para elaborar galletas y pan de molde con 30% y 50% de sustitución en la harina libre de gluten. Dichas sustituciones no afectaron la masa final, el diámetro, el grosor, la expansión ni la dureza de las galletas entre tratamientos; mientras que, disminuyó la luminosidad y aumentó la saturación del color de estas, haciendo que se percibieran como más amarillas. En el pan, a mayor tamaño de partícula y porcentaje de sustitución, disminuyeron la altura, el volumen, la luminosidad y el tono; mientras que aumentó la saturación. La sustitución xii también afectó los parámetros de textura del pan, aumentando la dureza y disminuyendo su elasticidad; no obstante, los valores difirieron en magnitudes pequeñas. Finalmente, los productos se evaluaron mediante una prueba de agrado con un panel sensorial de 112 consumidores. Las galletas con la fracción de 301 µm hasta 50% de sustitución y la fracción de 530 µm con 30% como máximo de sustitución, fueron las más aceptadas de todos los tratamientos y a la vez podrían ser declaradas como “con fuente de fibra”. Los mismos objetivos se lograron en el pan con la sustitución de 50% usando la fracción de 530 µm. Como conclusión general fue posible utilizar el subproducto de maíz en la formulación de productos libres de gluten con buena aceptación por parte de los consumidores. MAÍZ, FIBRA DIETÉTICA, PROPIEDADES TECNOLÓGICAS, TAMAÑO DE PARTÍCULA, LIBRE DE GLUTEN, ESTABILIZACIÓN PhD. Elba Cubero Castillo, directora del proyecto Escuela de Tecnología de Alimentos. 1 JUSTIFICACIÓN La prevalencia de la enfermedad celíaca (EC) ha sido estimada en un 1% de la población mundial; sin embargo, estudios recientes indican que esa cifra ha aumentado a 3%, convirtiéndose en uno de los desórdenes crónicos más comunes de la actualidad (Sapone et al. 2012, Ronda et al. 2017). Además, se han descubierto otros trastornos que se desencadenan como consecuencia de la ingesta de gluten, tal como lo son la alergia al gluten, la sensibilidad al gluten no celíaca, problemas neurológicos, dermatitis atópica, manifestaciones osteomusculares, entre otras (Sapone et al. 2012, Castro y Acosta 2014, Reig-Otero et al. 2017). Dado que el único tratamiento eficaz para los anteriores padecimientos consiste en el seguimiento de una dieta exenta de gluten de por vida (Ataye y Sardarodiyan, 2016, Jnawali et al. 2016), se impulsó el mercado de los productos libres de gluten (PLG); aunado a esto, los nuevos roles de consumo han promovido que cada vez más personas opten por evitar dicho componente aun sin padecer celiaquía (Matos 2013, Estévez y Araya 2016, Reig-Otero et al. 2017). Lo cierto es que una dieta libre de gluten a largo plazo podría ocasionar desequilibrios nutricionales como problemas de crecimiento en niños, deficiencia de hierro y calcio, consumo pobre de fibra y el aumento de la obesidad; ya que, la mayoría de los PLG se producen con harinas y almidones refinados, son pobres en vitaminas, minerales, proteína y fibra, mientras que contienen una cantidad de grasas y/o carbohidratos muy significativa y por consiguiente un contenido energético superior que no es de calidad (PROCOMER 2017b, 2017c). Por otra parte, se reporta que el maíz es el tercer cultivo de mayor producción y rendimiento en el mundo; no obstante, cerca del 63%-85% de sus cosechas se descartan o se destinan a la alimentación animal en forma de subproductos que se generan al producir la harina de maíz. Estos consisten en fracciones de tamaño diverso que abarcan el germen, el salvado y partículas remanentes de almidón (Barbosa-Canovas y Yan 2003, Bolade 2009, Charalampopoulos et al. 2009, Izquierdo y Cirilo 2013, Sánchez 2014, Shobha et al. 2014, Lang et al. 2014, , Fernández-Muñoz et al. 2016, Nawaz et al. 2016). 2 2 Dichas fracciones no se han aprovechado industrialmente debido a su alta tasa de oxidación, tamaño de partícula relativamente grande y considerable contenido de fibra no deseado a nivel sensorial (Granito y Guerra 1997, Torres et al. 2009). Así, desde la aplicación de la Ingeniería de Alimentos se busca aprovechar este subproducto y utilizarlo como materia prima. Por ejemplo, estudios previos reportan que es posible retrasar la oxidación de cereales de grano entero mediante un tratamiento térmico (Becker 2008, Lezama 2015); aunado a esto, el análisis granulométrico y tamizaje permiten separar las fracciones con tamaño de partícula más idóneo para incorporarlas a un producto y mediante la determinación de su composición química y propiedades tecnológicas, se pueden seleccionar los componentes con mayores ventajas a nivel nutricional y tecnológico. Se reporta que dichas fracciones cuentan con un nivel de proteína, fibra y compuestos bioactivos incluso mayor al del endospermo (Hernández et al. 1999a, 1999b, Paliwal et al. 2001, Molinares 2002, ILSI 2006, Weigel et al. 2007, Torres et al. 2009, González y Aramburo 2011, Sánchez 2014). También, existe evidencia de su aptitud para ser adicionadas en diversas formulaciones, permitiendo mejorar el perfil nutricional de distintos productos; aunque, los estudios no son recientes y no se han aplicado en la fabricación de PLG (FAO 1993, Guerra et al. 1998, Hernández et al. 1999, Pacheco y Vivas 2003, Torres et al. 2009). Se debe rescatar su aporte de fibra dietética pues favorece la salud de diferentes maneras. Ayuda a prevenir el cáncer gastrointestinal, disminuye la respuesta a la insulina y controla el perfil de lípidos en la sangre, evitando enfermedades cardiovasculares; además, contribuye a la supresión del apetito, la disminución del vaciado gástrico y la inducción a la saciedad, lo cual combate la obesidad y la diabetes tipo II (Pins et al. 2001, Tosh y Yada 2010, Awika 2011). Debido a que el sector de panadería es donde se evidencia mayor consumo entre la oferta libre de gluten (PROCOMER 2017d) se propuso el estudio de dicha materia prima en productos horneados. Se escogió elaborar prototipos de pan de molde y galletas, con el fin de observar las distintas propiedades reológicas, físicas y sensoriales que proveen dos matrices diferentes y así, generar conocimiento para futuras investigaciones y desarrollo de productos. Finalmente, este trabajo también resulta de interés para el sector agroalimentario debido a que a nivel comercial involucra algunas de las tendencias más sobresalientes del mercado actual, dentro 3 3 de las cuales se destacan la propuesta de un producto de fácil acceso y de consumo inmediato, la revalorización de subproductos para reducir el desperdicio alimentario, la incorporación de fibra con beneficios para la salud y el mejoramiento nutricional de un PLG (Sigmabiotech 2017). 4 OBJETIVOS A. Objetivo General a. Estudiar el efecto de diferentes fracciones de un subproducto de la molienda seca del maíz, en galletas y pan de molde libres de gluten para el mejoramiento de su valor nutricional y calidad mediante la caracterización de sus propiedades tecnológicas, fisicoquímicas, reológicas y sensoriales. B. Objetivos Específicos a. Caracterizar el subproducto de la molienda seca del maíz mediante el análisis de su composición química, tamaño de partícula y propiedades tecnológicas para la elección de aquellas con mayor potencial de aplicación en productos horneados libres de gluten. b. Comparar las características reológicas, físicas y sensoriales de galletas y pan de molde libres de gluten con diferentes sustituciones de fracciones del subproducto de maíz para su relación con las propiedades fisicoquímicas y tecnológicas de dicha materia prima. 5 MARCO TEÓRICO A. El Gluten Según se reporta, el gluten fue descubierto en 1728 cuando Jacopo Bartholomew Beccari, un profesor de Química, lo aisló tras lavar una masa de harina, obteniendo un residuo gelatinoso. En 1823, Osborne y Voorhees desarrollaron un procedimiento para fraccionar los componentes de dicho material y se encontró que consistía en cuatro proteínas (las albúminas, globulinas, prolaminas y las glutelinas) con solubilidades diferenciadas según los siguientes solventes: agua, sal diluida, etanol al 70% y soluciones de ácido-álcali diluidos. Posteriormente, en 1936 se reveló el desdoblamiento del gluten después de la adición de agentes reductores y la existencia de enlaces de disulfuro necesarios para mantener su estructura y funcionalidad (Villanueva 2014). Dichas proteínas se suelen agrupar en dos tipos, las gliadinas (prolaminas) y las gluteninas (glutelinas). Las primeras son solubles en alcoholes, son de cadena simple (monoméricas), interaccionan unas con otras por enlaces no covalentes como puentes de hidrógeno, son pegajosas cuando se hidratan y muestran poca resistencia a la extensión; es decir, permiten la extensibilidad. Las segundas son un grupo heterogéneo soluble en ácidos y álcalis diluidos, son de cadena múltiple (poliméricas) estabilizadas por enlaces disulfuro, gomosas, propensas a la ruptura y presentan resistencia a la extensión y fuerza; por lo cual, permiten la elasticidad. Es así como ambos tipos de proteínas confieren a las masas sus propiedades viscoelásticas, las cuales van a depender de la proporción relativa ellas (Shewry 2002, Molina-Rosell 2013, Villanueva 2014). La importancia del gluten en la panificación radica en que al interaccionar con los polisacáridos de la masa (almidón y pentosanos) se obtiene un producto firme y a la vez flexible, con capacidad de retener agua y aire generando panes y otros productos horneados con una textura y forma adecuadas. Además, es muy utilizado en la industria de alimentos para formar emulsiones, espumas y geles. También sirve como vehículo para aromatizantes, colorantes, especias, aditivos, conservantes, ligantes, entre otros. Se utiliza como espesante en la mayoría de los alimentos procesados (caldos, salsas, carnes procesadas, alimentos enlatados, gelatinas y medicamentos) y muchas veces cumple la función de sustituir proteínas animales en diferentes productos para disminuir los costos de producción (Estévez y Araya 2016). 6 B. La enfermedad celiaca y otros trastornos relacionados La enfermedad celiaca (EC) consiste en una reacción autoinmune generada tras la ingestión de gluten en personas genéticamente predispuestas. En quienes la padecen, las gliadinas y las gluteninas logran traspasar la barrera epitelial del intestino delgado, lo cual causa la activación de las células T en la mucosa gastrointestinal y luego son enfrentadas por los antígenos del organismo, los leucocitarios de histocompatibilidad (HLA) de clase II, conocidos como HLA-DQ2 y HLA-DQ8, localizados en el cromosoma 6p21 (Bevilacqua et al. 2016). Dicha reacción mantenida en el tiempo daña la vellosidad del intestino delgado generando lesiones que disminuyen la superficie disponible para la absorción de nutrientes incluyendo el hierro, ácido fólico, calcio y vitaminas (como la B12 y D), lo cual genera carencias nutricionales y enfermedades derivadas de éstas como la osteopenia y la artritis. Además, a nivel físico se producen síntomas como distensión y dolor abdominal, diarrea y flatulencia (Catassi y Fasano 2008, Castro y Acosta 2014, Reig-Otero et al. 2017). Se considera que el trigo, la cebada y el centeno son los cereales capaces de desarrollar la EC. Esto se explica porque los tres provienen de la misma subfamilia (Pooideae) y tribu (Triticeae) donde la secuencia de sus prolaminas (llamadas gliadina, hordeína y secalina respectivamente) es similar y su composición es considerablemente mayor en ácido glutámico y en prolina en comparación con los demás cereales (Vega et al. 2006, Belitz et al. 2009, Gallagher 2009, Molina-Rosell 2013). Por otro lado, la alergia al gluten (AG) es una reacción alérgica donde los anticuerpos IgE juegan un rol central en su patogénesis. Esta se evidencia por síntomas como asma, erupciones de la piel, dermatitis y choque anafiláctico (Reig, 2015; Catassi y Fasano, 2008). Además, recientemente se ha clasificado otro tipo de reacción, la sensibilidad al gluten no celiaca (SGNC), definiéndose de forma tan general como aquellos casos de reacción al gluten donde se han descartado tanto los mecanismos gastrointestinales autoinmunes, como los alérgicos (Reig-Otero et al. 2017). La distribución geográfica de la EC estuvo principalmente restringida a Europa y otros países como Estados Unidos, Canadá y Australia. Sin embargo, nuevos estudios epidemiológicos han revelado que este desorden es común en muchos países en desarrollo. En consecuencia, la EC es 7 uno de los desórdenes crónicos más comunes en la actualidad y afecta cerca del 3% de la población mundial sin contar los casos relacionados a la AG y a la SGNC (Catassi y Fasano 2008, Sapone et al. 2012, Ronda et al. 2017, Taghdir et al. 2017) C. El Mercado de los Productos Libres de Gluten (PLG) En relación con la EC, AG y la SGNC, el único tratamiento eficaz para controlar estos padecimientos consiste en seguir una dieta libre de gluten (Ataye Salehi y Sardarodiyan 2016, Jnawali et al. 2016). Fue así como nació un mercado de productos procesados respondiendo a las necesidades de dichos pacientes (Molina-Rosell 2013). La definición de alimentos libres o exentos de gluten corresponde a: “Alimentos que están constituidos por, o son elaborados únicamente con, uno o más ingredientes que no contienen trigo (es decir, todas las especies de Triticum, como el trigo duro, la espelta y el trigo “khorasan”, que también se comercializa con diferentes marcas como KAMUT), el centeno, la cebada, la avena o sus variedades híbridas … o que han sido procesados de forma especial para eliminar el gluten, y cuyo contenido de gluten no sobrepasa los 20 mg/kg en total, medido en los alimentos tal como se venden o distribuyen al consumidor” (Codex 2015). En la actualidad los PLG se han popularizado entre la población en general por considerarse más sanos; por ejemplo, se estima que las ventas de PLG en Estados Unidos alcanzaron más de $2,6 billones a finales de 2010; mientras que para el 2017, se proyectaron en $6,6 billones (Matos 2013, Sapone et al. 2012). No obstante, la calidad de dichos alimentos es muy inferior a la de sus homólogos convencionales; ya que, tienden a envejecer rápidamente y su textura es seca y muy boronosa. Aparte, carecen de muchos nutrientes como proteína, fibra y vitaminas: aunque, paradójicamente su precio es mucho mayor (Cúneo y Ortega 2012, Molina-Rosell 2013). Lo cierto es que la elaboración de PLG es un reto; ya que, la ausencia de gluten provoca que las masas carezcan de elasticidad y extensibilidad. A la vez, no retienen suficientes burbujas de aire y su textura tiende a ser desagradable. Es por esto que el uso de aditivos que imiten las características viscoelásticas del gluten es vital (Gallagher 2009, Schober 2009, Cappa et al. 2016). 8 Así, los primeros PLG se elaboraron a partir de combinaciones de almidones puros con algún tipo de hidrocoloide, posteriormente se desarrollaron fórmulas incorporando harinas de cereales libres de gluten (sorgo, maíz, arroz, soya), luego de pseudocereales (amaranto, sorgo, algarrobo, quínoa), leguminosas (garbanzos, frijoles, lentejas, maní), tubérculos (yuca) y sus mezclas; las cuales se conocen como harinas compuestas (Shobha et al. 2015). A nivel de literatura se propone el uso de mezclas complejas de harinas, almidones, emulsificantes e hidrocoloides con proteínas de diferentes fuentes, fibras y enzimas con el fin de obtener panes con mejor calidad tecnológica, sensorial y nutricional (Marco y Rosell 2008a, 2008b, Schober 2009, Hüttner y Arendt 2010, Venugopal 2011, Houben et al. 2012, Matos 2013, Cappa et al. 2016). En Costa Rica se han desarrollado PLG con productos nacionales como el ñampí, tiquizque, yuca y arroz (Quirós 2013, Mora 2013). D. La fibra dietética (FD) En alimentos procesados, la problemática nutricional y de calidad se ha tratado de solventar a través de la incorporación de FD. Tecnológicamente esta confiere textura y capacidad de retención de agua, sirve de espesante y/o emulsionante; lo cual, ayuda a estabilizar algunas propiedades de productos tales como galletas, confitería, bebidas, salsas, postres y yogurt (Raghavendra et al. 2006, Víquez 2007, Saura-Calixto 2011, Mayorga 2013, Molina-Rosell 2013, Armijo 2014). La FD consiste en una mezcla compleja de compuestos indigeribles que se encuentran en las plantas principalmente como material de su pared celular. La American Association of Cereal Chemists (AACC) define la FD como: las partes comestibles de las plantas o carbohidratos análogos que son resistentes a la digestión y absorción en el intestino delgado humano, con fermentación parcial o incompleta en el intestino grueso (AACC 2001, Slavin 2008, Tosh y Yada 2010). La FD se clasifica en soluble e insoluble. La primera incluye los oligosacáridos, pectinas, β- glucanos y gomas de galactomanano y se encarga de regular los niveles de glucosa y colesterol en la sangre. Mientras que en la segunda, se encuentran la celulosa, hemicelulosa y la lignina, las cuales sirven principalmente para el tránsito intestinal (Tosh y Yada 2010). Cabe rescatar que, según los 9 métodos analíticos, se puede hacer referencia a la fibra cruda que excluye una parte de la fibra insoluble; por lo que, normalmente es menor que la FD total (Tosh y Yada 2010). Debido a que la FD en los granos se ubica principalmente en el salvado y en el germen, se recomienda el consumo de cereales enteros (Ragaee et al. 2013). La FD ayuda a prevenir el cáncer gastrointestinal, la cual ejerce su efecto a través de dos mecanismos principales: (1) aumenta el volumen fecal, debido a su capacidad de retención de agua, reduciendo el tiempo de tránsito intestinal y limitando así, la interacción de posibles mutágenos fecales con el epitelio intestinal, lo que reduce la probabilidad de mutación celular y (2) la fermentación de la fibra por la microflora del colon para producir ácidos grasos de cadena corta como el butírico, el propiónico y el acético, los cuales disminuyen el pH intestinal y la solubilidad de los ácidos biliares, lo que conlleva a una concentración mayor de bifidobacterias y disminuye la presencia de E. coli y clostridia, promoviendo la salud intestinal (Pins et al. 2001, Tosh y Yada 2010, Awika 2011) En relación con las enfermedades cardiovasculares, los cereales enteros son digeridos y absorbidos más lentamente, de manera que la respuesta a la insulina es menor y a su vez, se controla el perfil de lípidos en la sangre y se inhibe la biosíntesis de colesterol. Lo anterior, se explica porque la FD actúa como una barrera para las enzimas resultando en una digestión incompleta del almidón. Además, los granos no refinados contienen más cantidad de almidón resistente (tipo 1 que es el almidón físicamente inaccesible) que los refinados, lo cual promueve la saciedad y reduce la energía consumida (Tosh y Yada 2010, Awika 2011). Con respecto a la respuesta glicémica (elevación de la glucosa plasmática tras el consumo de un alimento rico en carbohidratos en comparación con el pan blanco o una solución de glucosa), los alimentos de grano entero tienden a disminuirla gracias a la fibra y a los antioxidantes, la vitamina E y el magnesio que se encuentran en el salvado y el germen. Los anteriores contribuyen a la secreción de colecistoquinina (CCK) en el intestino delgado, una hormona que contribuye a la supresión del apetito, la disminución del vaciamiento gástrico y la inducción a la saciedad, lo que previene la obesidad y la diabetes tipo II. Sin embargo, cualquier procesamiento, como refinamiento, que disminuya el contenido de fibra soluble, da como resultado respuestas incrementadas de glucosa e insulina (Pins et al. 2001, Tosh y Yada 2010). 10 Por las razones anteriores, se recomienda la ingesta de >25 gramos de FD por día para adultos (WHO 2003); empero, es común que esta cifra no se alcance. De hecho, en Costa Rica los estudios indican que todos los grupos de edad tienen un bajo aporte de FD (entre 9 g – 19 g máximo), debido al consumo deficiente de frutas, vegetales y cereales; incluso se reporta que el consumo tradicional de frijoles ha decaído (Ulate 2006, Slavin 2008, Ministerio de Salud 2011, Venugopal 2011, Torres et al. 2015). E. El maíz (Zea mays L. ssp. Mays) i. Generalidades Se reporta que el maíz es tercer cultivo de mayor producción e importancia en el mundo después del trigo y del arroz – otras veces se dice que el segundo – (Bolade et al. 2009, Shobha et al. 2014, Fernández-Muñoz et al. 2016, Nawaz et al. 2016). Es el primer cereal en rendimiento de grano por hectárea, presenta las ventajas de poder ser cultivado en diversidad de ambientes, consumido durante las distintas etapas del desarrollo de la planta y aprovechado en formas más variadas (Lang et al. 2014). En la actualidad, los principales países productores de maíz son Estados Unidos, China, Brasil y Argentina; sin embargo, su importancia como alimento humano es mayor en África y en América Central y del Sur (Lang et al. 2014, Fernández-Muñoz et al. 2016). Se estima que cerca del 40% y 85% del maíz producido en países tropicales y desarrollados respectivamente, es destinado para la alimentación avícola y porcina; ya que, proporciona la tasa más alta de conversión a carne y a huevos comparado con otros granos (Paliwal et al. 2001, OGTR 2008, Serratos 2009, Hernández-Soto et al. 2011, Campos-Granados y Arce-Vega 2016). Para la industria, el maíz es la materia prima de muchos productos como plásticos, siropes, azúcares invertidos, alcohol y biocombustibles. Es la principal fuente de almidón producido en el mundo; además, de que con él se formulan alimentos como palomitas de maíz, polenta, tortillas, cereales para desayuno, meriendas, productos horneados, pastas, pudines, cervezas, entre muchos otros (White 2000, Paliwal et al. 2001, Shi et al. 2016). 11 Es importante destacar que la nixtamalización es un proceso al que se someten los granos de maíz para suavizar el grano, facilitar la remoción del pericarpio y la solubilización del endospermo. Además, provoca el aumento de la biodisponibilidad de la niacina y el contenido de calcio, mejorando así su valor nutricional, a la vez que reduce la presencia de aflatoxinas (Shobha et al. 2014). Entre los beneficios que se encuentran tras el consumo del maíz se menciona que la tiamina ayuda a mantener la memoria; por lo tanto, a prevenir el Alzheimer. El folato, una buena fuente de vitamina B, ayuda a prevenir defectos de nacimiento. También ayuda a disminuir el nivel de homocisteína que tiene el potencial de dañar los vasos sanguíneos y evita la ocurrencia de cáncer de pulmón; ya que, es rico en β-criptoxantina (Krishna y Chandrasekaran 2012). ii. Estructura del grano de maíz La parte comestible de los cereales es llamada coloquialmente grano; al cual, botánicamente se le conoce como cariópside (Riahi y Ramaswamy 2003). En general, los cereales se componen de tres partes esenciales, el salvado (6% - 17%), el endospermo (80% - 85%) y el germen (2% - 14%), las cuales difieren en su composición química (Riahi y Ramaswamy 2003, Palka 2006, Ragaee et al. 2013, Junqueira et al. 2017). El salvado rodea toda la cariópside y se subdivide en diferentes capas llamadas pericarpio, testa y aleurona (Palka 2006, Ragaee et al. 2013). Las células que lo constituyen son básicamente de hemicelulosa (67% - 70%) y celulosa (23%); las cuales representan cerca del 54% de la fibra dietética total del grano. El pericarpio es una pared externa formada por pequeños tubos muy compresionados que se desarrolla desde la pared del ovario y envuelve el endospermo, su grosor depende del genotipo de cada grano y cumple una función protectora para evitar la invasión de hongos y la transferencia de humedad. Debajo de él, se encuentra la testa; la cual, rodea al embrión y se deriva de la pared interna del ovario, esta es permeable al agua; pero, no a las sales disueltas y es importante para la germinación. La aleurona contiene células de paredes gruesas que están libres de almidón, es rica en proteínas, minerales, enzimas y vitaminas; pero, normalmente se remueve durante la molienda del grano (Rajendran 2003, Riahi y Ramaswamy 2003, Junqueira et al. 2017). 12 El endospermo está compuesto de gránulos de almidón incrustados en una matriz proteica. Dichos gránulos se forman en los amiloplastos de las células y constituyen la principal reserva de energía del grano. Varían en tamaño de 5 a 25 μm de diámetro, con un diámetro medio de 11,6 μm y su forma tiende a ser redonda; aunque, conforme se acercan al germen adquieren forma poligonal. La amilopectina tiene una estructura cristalina de tipo racimo, mientras que la amilosa puede estar localizada tanto en regiones cristalinas como amorfas (White 2000, Riahi y Ramaswamy 2003, Palka 2006, Ragaee et al. 2013). Por último, el germen se encuentra en la base del grano y está conformado por el embrión y el escutelo. El primero almacena los nutrientes y hormonas necesarios para la germinación del grano, es rico en lípidos, proteínas, vitaminas del complejo B, vitamina E y minerales, principalmente hierro; el segundo sirve de órgano nutritivo, es rico en tiamina y es la estructura que separa el germen del endospermo (Riahi y Ramaswamy 2003, Palka 2006, Ragaee et al. 2013). Ilustración de las partes anatómicas del grano de maíz Fuente: Tomado de Edel y Rosell 2007 y ILSI 2006. 13 iii. Composición Química En el Cuadro I se muestra una compilación de los datos reportados de los principales macronutrientes según las diferentes partes del grano. Donde se puede notar que el almidón se concentra en el endospermo y es la principal fuente de carbohidratos. Por el contrario, la fibra se ubica en el salvado; mientras que la proteína, la grasa y las cenizas abundan en el germen (Collado y Corke 2003). Cuadro I. Composición química del maíz en base seca según las diferentes partes del grano Macronutriente (g/100 g) Salvado Endospermo Germen Almidón 7,3 87,6 8,3 Cenizas 0,8 0,3 10,5 Fibra cruda 86,7 2,7 8,8 Grasa* 1,0 0,8 33,2 Proteína 3,7 8,0 18,4 *Extracto etéreo Fuente: Elaborado con base en FAO 1993, OGTR 2008, Grande y Orozco 2013, Sánchez 2014. En relación con el almidón, en el Cuadro II se muestran las propiedades físicas y químicas del almidón de maíz y otros cereales para su comparación. Donde se puede notar que el tamaño del gránulo es intermedio, su rango de gelatinización es similar al del arroz y se compone en menor proporción de amilosa, a excepción del maíz alto en este componente. Cuadro II. Propiedades físicas y químicas de almidones de diferentes fuentes. Almidón Tamaño del gránulo (µm) Amilosa (%) Rango de gelatinización (°C) Descripción Rango Media Arroz 3 – 8 5 17 61 – 80 Poligonal Avena – 10 NR 27 56 – 62 Poligonal Cebada 2 – 35 20 22 56 – 62 Redondo, elíptico, lenticular Centeno 2 – 35 NR 23 57 – 70 Elíptico, lenticular Maíz amiloso NR 15 Hasta 80 85 – 87 Redondo Maíz ceroso 5 – 25 15 1 63 – 74 Redondo Maíz regular 5 – 25 15 26 62 – 80 Redondo, poligonal Papa 15 - 100 33 22 56 – 69 Tipo huevo, con hendiduras Sorgo 5 – 25 15 26 68 – 78 Redondo, poligonal Trigo 2 – 35 15 25 53 – 72 Redondo, elíptico Yuca 5 – 35 20 17 52 – 64 Redondo y truncado en el costado NR: no reportado Fuente: Adaptado de Collado y Corke 2003. 14 En cuanto a las proteínas del maíz, existen cuatro clases: globulina, albúmina, prolamina (zeína) y glutelina. Las glutelinas y las zeínas son las más abundantes y se concentran en el endospermo rodeando los gránulos de almidón (Izquierdo y Cirilo 2013); sin embargo, poseen poco valor nutricional debido a que son pobres en lisina y en triptófano. Se dice que el endospermo aporta más a la cantidad total de proteína (74%) porque es el mayor constituyente del grano; no obstante, la calidad de la proteína del germen es superior porque se conforma de albúminas y globulinas, las cuales cuentan con un buen balance de aminoácidos. De hecho, en muchos casos se considera un suplemento proteico natural para el endospermo. Por ejemplo, la calidad de la proteína medida por la eficiencia proteica (PER) de la harina desgrasada de germen fue 16 veces mayor que la harina de endospermo y tuvo mayor valor de digestibilidad (FAO 1993, Hernández et al. 1999a, 1999b, Paliwal et al. 2001, ILSI 2006, OGTR 2008, Torres et al. 2009, González y Aramburo 2011, Eyhérabide 2013, Sánchez 2014). La distribución de los lípidos en el grano tampoco es uniforme, aunque se sitúan principalmente en el germen (15% - 45%). Se categorizan en almidonosos y no almidonosos. Los primeros, como los fosfolípidos y los galactolípidos, están unidos a gránulos de almidón; mientras que, los segundos consisten en acilgliceroles y ácidos grasos libres. Dentro de los ácidos grasos, los que más abundan son los insaturados (85%), principalmente el ácido oleico y el ácido linoleico, entre otros como el palmítico, el esteárico y el linolénico (Becker 2008, OGTR 2008, González y Aramburo 2011, Grande y Orozco 2013, Sánchez 2014). Por otra parte, la fibra se concentra en el salvado e incluye hemicelulosas y celulosa, pentosanos y lignina; además, vitaminas del grupo B y cerca del 50% de los minerales del grano (Palka 2006, Ragaee et al. 2013). Pese a que la fibra es muy beneficiosa para la salud, se reporta que es común que el salvado se elimine de los granos durante su procesamiento porque modifica las características sensoriales y tecnológicas de los productos finales (Hernández et al. 1999a, ILSI 2006, Grande y Orozco 2013, Campos-Granados y Arce-Vega 2016). Cabe mencionar que en el maíz, además de los componentes mayoritarios, se pueden encontrar micronutrientes como vitamina B1 (tiamina), B5, folato, vitamina C, fósforo, manganeso y 15 compuestos bioactivos, como los carotenoides. Estos se localizan especialmente en el endospermo duro del grano y la vitamina E en el germen (Eyhérabide 2013, Sánchez 2014). Por otra parte, también contiene factores antinutricionales, como compuestos fenólicos, flavonoides, taninos, antocianinas y fitoquímicos, los cuales, quelan iones metálicos como el hierro. No obstante, se reporta que también poseen propiedades antioxidantes debido a la presencia de grupos donadores de hidrógeno. Adicionalmente, el maíz contiene rafinosa que no es digerible y produce gases, así como micotoxinas y bacterias productoras de nitritos y dióxido de nitrógeno que podrían causar efectos tóxicos. De allí la importancia de controlar su calidad cuando forma parte de las materias primas (OGTR 2008, Krishna y Chandrasekaran 2012, Nawaz et al. 2016). En el Cuadro III se muestra la composición de los macronutrientes de varios cereales, donde se puede destacar que el maíz se encuentra dentro de los que contienen mayor contenido de fibra dietética, de forma similar a la avena, el centeno, la cebada y el sorgo. Además, es alto en lípidos y posee mayor porcentaje de proteína que el arroz, el cual es de los más utilizados para elaborar productos libres de gluten. Cuadro III. Composición química de diferentes cereales Cereal Carbo- Hidratos (%) Cenizas (%) Fibra dietética (%) Lípidos (%) Humedad (%) Proteína (6,25 x N) (%) Arroz 75,5 – 89,8 1,2 – 1,6 0,2 – 3,9 0,5 – 1,2 11,4 – 15,0 7,5 Avena 57,1 – 62,9 2,3 – 3,6 14,0 5,1 9,8 – 13,0 9,3 – 12,0 Cebada 66,0 2,7 10,0 2,1 10,6 13,0 Centeno 70,2 1,9 15,5 1,8 10,5 13,4 Maíz 70,5 – 72,2 1,2 – 1,8 15,0 1,1 – 9,4 13,8 – 15,0 6,6 – 12,0 Mijo 72,9 – 79,9 2,5 6,2 – 7,2 3,9 – 4,9 9,6 – 11,8 9,9 – 13,8 Sorgo 69,3 – 73,0 2 – 1,7 10,7 3,4 10,6 – 11,0 11,0 – 12,5 Trigo 68,5 – 78,9 1,2 – 3,0 3,2 –12,0 1,5 – 2,5 10,0 – 15,0 9,8 – 19,3 *NR: no reportado Fuente: Elaborado con base en Granito y Guerra 1997, Riahi y Ramaswamy 2003, Palka 2006, Becker 2008, Ferreras 2009, Charalampopoulos et al. 2009, Krishna y Chandrasekaran 2012, Hoyos y Palacios 2015, Joshi et al. 2015, Campos-Granados y Arce-Vega 2016. 16 iv. Procesamiento industrial del maíz El procesamiento que se le aplica al grano de maíz depende del destino que se le dará al producto; pero, se destacan principalmente la molienda húmeda y la molienda seca. También se puede obtener aceite de germen por medio de ambas moliendas y por último, producción de bioetanol. En dichos tratamientos, el maíz es separado en sus tres estructuras anatómicas básicas (salvado, endospermo y germen) mediante el fraccionamiento físico de los granos usando diversas combinaciones de perlas, molienda, tamizado y clasificación con aire (Barbosa-Canovas y Yan 2003, Charalampopoulos et al. 2009, Izquierdo y Cirilo 2013, Sánchez 2014). La molienda de los granos inició con el uso de los metates; pero, pronto evolucionó con la introducción del molinillo de mano (“quern” en inglés), un pequeño triturador de piedra quemado inventado aparentemente en la antigua Roma. Los molinillos de mano consistían en un par de piedras, una estática y otra móvil, con tapa y un agujero. Luego, este principio se aplicó a escala comercial, donde la energía para operar el molino era suministrada por ganado, seres humanos, torres de viento y más a menudo, por el agua. Sin embargo, la harina de maíz entera molida se volvía rancia rápidamente; por lo que, a principios de los años 1900, se crearon los desgerminadores. Estos permitieron la producción de harina baja en grasa con buena estabilidad lo cual impulsó la molienda a gran escala (Serna-Saldivar et al. 2001). a. Molienda húmeda (MH) El objetivo principal de la molienda húmeda (MH) consiste en producir almidón puro, entre otros derivados como: endulzantes, dextrosa, fructosa, glucosa, fibras, etanol y aceite de maíz (Paliwal et al. 2001). La MH permite extraer del germen 45% - 56% de aceite (Becker, 2007). Otro de los productos de la MH, es el llamado alimento gluten de maíz (AGM), término utilizado erróneamente; ya que, el maíz no contiene gluten (Scherf y Köhler 2016). En realidad, el AGM consiste en la materia restante alta en proteína, luego de extraer el almidón, el germen y el salvado durante el proceso de extracción de almidón o del tratamiento enzimático del endospermo. El AGM se debería conocer como alimento de proteína de maíz y se utiliza como 17 alimento para animales debido a su alto contenido de proteína cruda (61% aproximadamente) y poca fibra cruda (cerca de 2,8%) (Weigel et al. 2007, Ji et al. 2012, Hernández-Soto et al. 2011). b. Molienda en seco (MS) La MS tiene como objetivo principal obtener una serie de harinas de distinto grosor, afrecho y germen, para elaborar productos variados y es la más utilizada cuando se desea producir harinas enteras. Además, sirve para recuperar el máximo porcentaje de germen limpio con mayor tamaño de partícula y de él se obtiene aproximadamente 18% de aceite (Serna-Saldivar et al. 2001, ILSI 2006, Becker 2008, Ragaee et al. 2013). El principal producto de la MS es la sémola (large grits); pero, también se obtiene semolina, germen, pericarpio y finos. La sémola se utiliza más que todo para la elaboración de cereales y barras energéticas; mientras que los demás se destinan a la industria cervecera, elaboración de harina o alimento animal, como se detalla en el Cuadro IV (Li et al. 2017). A manera de resumen, la MS incluye las siguientes operaciones; las cuales, también pueden variar de una industria a otra: 1. Limpieza. De forma similar a la MH se puede realizar por combinación con tamizado, aspiración, lavado en agua, separación electrostática, entre otros métodos. 2. Templado. Esta operación es opcional. En ella el maíz se acondiciona a 20% - 23% de humedad y se coloca en un recipiente de 1 a 3 horas con el fin de endurecer el germen y el salvado para facilitar las separaciones posteriores (Serna-Saldivar et al. 2001). 3. Molienda o desgerminación. Esta operación se puede llevar a cabo con muelas, una máquina Beall con rodillos de trituración y cribas, o con máquinas de impacto como el Entoleter o el Turbocrusher. Normalmente, lo primero que se lleva a cabo es el descascarillado para remover la cascarilla del grano. Luego, el impacto hace que el germen se desprenda debido a su elasticidad y a la fragilidad de la parte vítrea del grano (Molinares 2002). Se utilizan molinos de rodillos con estrías, las cuales son cortes de sierra a lo largo del rodillo en forma de espiral. El número de estrías puede variar de 10 a 12 en el primer rodillo hasta 28 a 32 en el cuarto o quinto rodillo. Los rodillos giran en sentidos opuestos y normalmente a velocidades distintas, uno gira dos veces y media más rápido que el otro. Cuando una partícula pasa por el espacio estrecho 18 entre los dos rodillos, se genera una fuerza de compresión y otra de corte a causa de la velocidad diferencial; en otras palabras, el rodillo lento retiene el material mientras está siendo rascado por el rápido. De esta manera, se obtienen distintos productos que se clasifican en: granos de maíz partidos, escamas, sémolas gruesas, sémolas normales, harina de maíz, conos y harina fina de maíz. Los anteriores se diferencian según su tamaño de partícula (FAO 1993, Molinares 2002, Bolade 2009, Barrera et al. 2012). 4. Tamizaje. Tras cada molienda, las distintas fracciones de maíz se clasifican sobre tamices y purificadores, los cuales consisten en tamices inclinados que separan las piezas de germen y salvado de las partículas de endospermo por gravedad, estos pueden acoplarse a corrientes de aire ascendentes para promover la eliminación de partículas ligeras de salvado (Serna-Saldivar et al. 2001, Molinares 2002). De forma similar que en la MH, el germen puede ser aprovechado para la extracción de aceite y la producción de harina desgrasada de germen de maíz. Cabe rescatar que existen algunos procesos de molienda llamados “full-fat” donde el germen no se elimina (OGTR 2008). En el Cuadro IV se muestra una clasificación general de los distintos productos que se obtienen tras la MS con su tamaño de partícula y aplicación respectivos; sin embargo, es importante mencionar que no existe una nomenclatura universal para definir estos productos. Además, no se debe confundir los términos “maize flour” con “corn flour” en el inglés; pues, este último se utiliza en el Reino Unido para hacer referencia al almidón obtenido de la molienda húmeda (Rosentrater y Evers 2018). 19 Cuadro IV. Clasificación general de los productos de la molienda seca del maíz y sus usos Producto Intervalo de tamaño (µm) Porcentaje (%) Uso Copos de sémola o maíz quebrado (flaking grits) 3360 – 5660 12 Producción de cereales de desayuno Sémola gruesa o fractura gruesa (coarse grits) 1410 – 2000 15 Producción de snacks, cereales de desayuno, como carbohidratos fermentables para la industria cervecera Granos cerveceros (brewers grits) 590 – 1680 30 Sémola regular (regular grits) 638 – 1410 23 Vida útil larga, cereales en mezcla Harina gruesa o sémola fina (Coarse meal) 297 – 638 3 Para mezclas de quequitos, donas, panes, aglutinante para carnes, meriendas, formulación de aditivos. Comida fina o semolina (fine meal) 177 – 297 7 Harina (flour) Plato - 194 4 Germen >400 1 Producción de aceite de maíz Desechos y merma NA Aprox. 30 Alimentación animal o desecho NA: no aplica Fuente: Elaborado con base en Serna-Saldivar et al. 2001, Barbosa-Canovas y Yan 2003, Ferreras Charro 2009, Malumba et al. 2015. c. Efectos de la Molienda Entre los efectos negativos más evidentes de la molienda se destaca la disminución de los componentes promotores de la salud presentes en los granos, tales como minerales, vitaminas, fibra, antioxidantes y fitoquímicos; a pesar, de que estos podrían aportar valor agregado como ingredientes tecnológicos a diferentes formulaciones (Krishna y Chandrasekaran 2012, Ragaee et al. 2013). Para contrarrestar los resultados poco favorables de la presencia de salvado en la calidad de algunos productos, se ha diseñado el método Pearling, el cual involucra la aplicación de tecnologías de abrasión y fricción para eliminar eficazmente sólo las capas externas del salvado conservando la aleurona en los granos. Además, este procedimiento, tiene la ventaja de mejorar los rendimientos de la molienda posterior; ya que, influye en la forma en que los granos de cereal se rompen y mejora la calidad y la funcionalidad de la harina (Ragaee et al. 2013). Por otra parte, existen otros efectos menos notorios que suceden a nivel molecular y estructural en los granos, como es la formación de almidón dañado. Este se genera porque los gránulos de almidón son lesionados durante la molienda como consecuencia del calor producido por la fricción 20 y a la energía mecánica aplicada. La intensidad del daño depende principalmente de la fuerza de la molienda y de la dureza del grano. El almidón dañado modifica la capacidad de hidratación; ya que, absorbe el 100% de su peso en agua debido a que presenta enlaces hidrofílicos expuestos en mayor área superficial. También promueve la capacidad de hinchamiento y la formación de geles debido a la destrucción de las fuerzas que evitan que los gránulos se hinchen naturalmente en agua (Barrera et al. 2012, Mandala y Rosell 2015, Dayakar et al. 2016). En productos horneados se sabe que la molienda y la distribución de tamaño de partícula, afectan las características de los productos finales (Bolade et al. 2009, Shi et al. 2016). Además, la molienda promueve la oxidación y la actividad enzimática en el maíz. Lo que sucede es que, en el grano intacto, el aceite está compartimentado y no disponible para las enzimas; pero, dicha operación rompe las células, mezcla el contenido celular y se inicia la degradación autolítica, hidrolítica y oxidativa. En contraparte, a mayor tamaño de partícula, la velocidad de hidrólisis disminuye debido al efecto de difusión de las enzimas a través de las partículas (Mandala y Rosell 2015). v. Estabilidad del maíz y sus productos derivados El grano de maíz se considera un producto estable debido a que contiene entre 10% - 12% de humedad, lo cual controla el deterioro microbiológico, la decoloración y el desarrollo de olores indeseables durante el almacenamiento. Se estima que tiene una vida útil que ronda los cuatro a seis meses (FAO 1993, MAG 2007, Ragaee et al. 2013). Existen reportes que indican que el maíz entero se puede almacenar por dos o más años en graneros mientras que se controle su temperatura y humedad para evitar la contaminación con micotoxinas; sin embargo, el factor de deterioro más evidente consiste en la formación de ácidos grasos libres debido a la peroxidación lipídica del grano (Yin et al. 2017). La oxidación puede ser de naturaleza química o enzimática y se propicia durante la molienda como se mencionó anteriormente. Por esto, es común que el germen, rico en aceite, se elimine de la harina de maíz (Molinares 2002, Krishna y Chandrasekaran 2012). Sin embargo, si las enzimas se 21 inactivan, el aceite no se degrada tan rápidamente. En la actualidad, dicha estabilización se ha logrado con tecnologías como lo es la cocción por extrusión (Becker 2008). Las enzimas responsables de la catálisis de lípidos son la lipoxidasa y la lipasa. La primera cataliza la lipólisis de ácidos grasos libres y monoglicéridos. La segunda, cataliza la hidrólisis de triacilglicéridos a diglicéridos, estos a monoglicéridos y posteriormente a ácidos grasos libres y glicerol. En la avena es común la estabilización de la lipasa por un proceso de aplicación de vapor (Rosentrater y Evers 2018). Curiosamente, existen estudios que señalan que el aceite de maíz es resistente a los efectos oxidantes debido a su bajo nivel de ácido linolénico y a la presencia de antioxidantes naturales como los tocoferoles y tocotrienoles. Estos son llamados cromanoles, se encuentran en las membranas celulares del germen y del salvado y protegen los granos de los radicales libres y del estrés oxidativo. De hecho, se dice que una molécula de tocoferol puede proteger cerca de cien moléculas de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) a bajos niveles de peróxidos; por esta razón, es que son utilizados comúnmente como antioxidantes en algunos productos (Riahi y Ramaswamy 2003, Przybylski 2006, Becker 2008, González y Aramburo 2011). De los aceites comerciales, el aceite de maíz es el que contiene más concentración de cromanoles, seguido del aceite de soja, palma, semilla de algodón, girasol, colza, maní, oliva, entre otros. Sin embargo, dichos cromanoles son sensibles a la irradiación, a la extrusión, al vapor, al autoclavado y al secado en tambor (Lampi et al. 2002). Ragaee et al. (2013), explican que el procesamiento térmico puede ayudar a liberar ácidos fenólicos a través de la descomposición de constituyentes y paredes celulares, seguido de algunas reacciones de polimerización y/u oxidación y la formación de compuestos fenólicos distintos de los endógenos en los granos. Por eso, para minimizar la rancidez oxidativa, es indispensable excluir la luz, controlar la cantidad de producto y utilizar material con barrera contra el oxígeno; aunque, se reporta que cierta transferencia de este gas permite que los olores rancios que se van desarrollando se puedan escapar tan pronto como se forman; por lo cual, es común el uso de empaques sin revestimientos interiores o exteriores y no totalmente herméticos (Min et al. 2009). Como recomendaciones para la conservación de la harina de maíz y sus productos derivados, se destaca el uso de materiales de 22 empaque de polietileno de alta densidad (HDPE) normal o coextruído con copolímero de etileno y acetato de vinilo (EVA), polipropileno (PP), PP laminado y poliéster metalizado de aluminio (Min et al. 2009, Dayakar Rao et al. 2016, Bashir et al. 2017). Por su parte, Shobha et al. (2014), encontraron que las bolsas de LDPE permiten almacenar la harina de maíz en buenas condiciones hasta por tres meses; en comparación las cajas de plástico, en las que duró dos meses. Por otra parte, dentro de los contaminantes más comunes del maíz se pueden mencionar los hongos como Fusarium verticilloides y Fusarium proliferatum, los cuales producen metabolitos secundarios tóxicos llamados fumonisinas. Estas son estables al calor inclusive al someterlas a horneado a 250 °C (Bryla et al. 2017). También se señalan las micotoxinas, metabolitos secundarios del micelio de los hongos, como contaminantes tóxicos de los cereales y las responsables de pérdidas millonarias de dichos productos. Entre ellas se destacan la zearalenona (ZEN), un compuesto estrogénico y la ocratoxina (OTA), clasificado un como posible carcinógeno humano (Grupo 2B) (Luo et al. 2017). vi. Situación del maíz en Costa Rica En Costa Rica se produce únicamente maíz blanco y su rendimiento es bajo en comparación con los países exportadores. La producción se concentra en la región sur del país en los cantones de Pérez Zeledón, Buenos Aires, Palmar Norte y Coto Brus con un aporte del 94% del total (Loría et al. s.f., Mora 2012, IICA et al. 2014, Elizondo 2017). Se siembran aproximadamente 1500 hectáreas con un volumen de producción de 4500 toneladas métricas, mientras que las importaciones de este alimento rondaron las 35 000 toneladas métricas desde el 2014 (Elizondo 2017); es decir, el nivel de producción nacional de dicho grano no es suficiente para hacer frente a su consumo. Lo mismo se evidencia por su bajo índice de suficiencia (39,4%), el cual es el menor de Centroamérica (IICA et al. 2014) y se importa principalmente desde Guatemala (43,6%), Estados Unidos (33,6%) y México (21,6%) (Retana et al. 2014). La industria de maíz produce cerca de trece tipos de harina en diferentes presentaciones y bocadillos o “snacks” (MAG 2007). Los productores se organizan en asociaciones llamadas ASOPROS, quienes acopian y comercializan la mayor parte de la producción de las zonas. En cuanto 23 a las empresas, se encuentran cuatro registradas; a saber, DEMASA S.A., Insta Masa S.A., CCA S.A. y La Maquila Lama S.A. De ellas, las primeras dos prácticamente concentran más del 97% de las importaciones y la comercialización nacional del grano (IICA et al. 2014). En cuanto a su consumo, para el 2011 se estimó en 9 Kg – 11 Kg por persona por año, el menor promedio de Centroamérica, debido a un incremento en el consumo de trigo y de arroz (IICA et al. 2014). Retana et al. (2014), explican que lo anterior se debe a un desestímulo provocado por la crisis de competitividad que existe entre productores nacionales y externos. F. El arroz (Oryza sativa L.) El arroz (Oryza sativa L.) es uno de los alimentos básicos del mundo. Una vez maduro se cosecha como un grano cubierto, en el que la cariópside está encerrada en una cáscara compuesta principalmente de sílice que le brinda protección. Esta se divide en dos hojas modificadas: la palea y la lemma (más grande). De forma similar a la estructura del grano de maíz, se encuentra otra cubierta de tres capas que rodea el endospermo y el germen, la cual se conforma de células aplastadas que varían en grosor (Singh et al. 2014). El endospermo se compone básicamente de almidón en forma de gránulos poligonales y proteínas como la gluteína (80% de la proteína total) y algo de prolamina. Los lípidos en el arroz se localizan en el salvado en forma de esferosomas, entre los que se encuentran ácidos grasos insaturados como el ácido oleico, linoleico y palmítico. En el salvado también existen vitaminas y minerales como fósforo, potasio, magnesio, calcio, sodio, hierro y zinc (Singh et al. 2014). El embrión o germen es muy pequeño y está situado en el lado central de la base del grano (Riahi y Ramaswamy 2003). Se destacan dos tipos principales de arroz, conocidos como japonica e indica. El primero se produce mayormente Japón, es redondo, no se rompe fácilmente y tras la cocción resulta pegajoso y húmedo. El segundo, proviene del sur de Asia de países como India, Tailandia, Vietnam y el sur de China. Su forma es alargada, se rompe fácilmente y cuando se cocina es esponjoso y no se adhiere entre sí (Lang et al. 2014) 24 Durante el procesamiento del arroz, la cáscara se retira de los granos por chorros de aire y se obtiene el arroz integral. Las capas restantes de salvado y germen se separan por la acción de frotamiento con rodillos acanalados quedando libre el endospermo, el cual se pule hasta quedar blanco brillante. El arroz molido contiene de 7,3% a 8,3% de proteína, alrededor de 90% de almidón y muy bajo contenido de lípidos, cenizas y fibra (Lu y Lin 2001, Krishna y Chandrasekaran 2012, Lang et al. 2014, Burešová et al. 2017). Se calcula que el 30% de la harina de arroz se utiliza para producir noodles; aunque en la actualidad, ha tomado auge como la harina preferida para la elaboración de PLG debido a su color blanco, sabor suave, propiedades hipoalergénicas bajas y fácil digestión (Lu y Lin 2001, Matos 2013, Burešová et al. 2017). Aunado a lo anterior, se ha estudiado que reduce la resistencia a la fractura y aumenta la crujencia de productos (Molina-Rosell 2013, Singh et al. 2014). G. La Yuca (Manihot esculenta Crantz ) La yuca es un producto que se obtiene de la raíz de la planta de casava (Manihot esculenta) y es nativa de las regiones tropicales y subtropicales. Se le llama con nombres variados entre ellos: casava, mandioca, tapioca y guacamota. Es la segunda fuente de almidón que se produce en el mundo, después del maíz; por lo que, es de gran importancia para la industria. Además, es la tercer fuente calórica más consumida en los trópicos después del arroz y del maíz hasta llegar a considerarse el “pan de los trópicos” (Morante et al. 2016, Simitchiev et al. 2016). Su origen se remonta a regiones del noreste, suroeste y centro de Brasil y México, a partir de donde se extendió a las regiones tropicales y subtropicales del mundo. Tiene la particularidad de crecer en suelos aun con baja disponibilidad de nutrientes y en condiciones de sequía. Su composición ronda el 64% - 72% de carbohidratos, 0,5% de grasa, 2% de fibra, 1% - 2% de proteínas con un perfil de aminoácidos alto en lisina y treonina; así como minerales (calcio, potasio, hierro y zinc) y vitamina C (15 - 45 mg/ 100 g) (Simitchiev et al. 2016, Milde et al. 2009). 25 H. Productos Horneados: Galletas, Pan y sus Ingredientes Las galletas son elaboradas de harinas débiles y suaves, se caracterizan por tener alto contenido de azúcar y grasa y poca cantidad de agua (Indrani y Rao 2008). En su versión con harina de trigo requieren de bajo contenido de proteínas y gluten (entre 8% y 9%); por lo que, la red que se forma con él no es vital. No obstante, la cantidad de grasa, almidón y azúcar que se adiciona, les proporciona la plasticidad y cohesividad necesaria para manipular la masa (Esra 2007, Molina-Rosell 2013). Existen múltiples tipos de galletas entre las cuales se pueden mencionar las saladas, las dulces, tipo wáfer, con relleno, recubiertas, entre otras (Hernández-Monzón et al. 2014, Alegre y Asmat 2016). Por otro lado, el pan es el producto perecedero resultante de la cocción de una masa obtenida por la mezcla básica de harina, sal y agua, fermentada con levadura. Para prepararlo, la harina debe poseer mayor cantidad de proteínas (superior a un 10%) y la formación de la red de gluten es indispensable para obtener una masa tenaz, resistente, con buena extensibilidad y adecuada retención de gas; o bien, se debe recurrir al uso de aditivos para lograr dichas características (Molina-Rosell 2013). Se puede enumerar una gran variedad de panes dentro de los cuales se encuentra el pan del molde. Este se caracteriza por poseer una corteza blanda y porque se emplean moldes durante su cocción (Mesas y Alegre 2002). La mayoría de los panes libres de gluten se fabrican con un elevado contenido de agua; por lo que, sus masas son muy fluidas y requieren tiempos cortos de amasado y fermentación (Molina-Rosell 2013). I. Tamaño de partícula (TP) El tamaño de partícula (TP) es una de las propiedades esenciales de los productos en polvo porque se utiliza como parámetro de control en operaciones como la molienda, mezclado, hidratación, extrusión, entre otras. Además, permite clasificar una harina madre en distintas fracciones y en los productos que se elaboran con ellos, tiene relación con su apariencia y aceptación (Barbosa-Canovas y Yan 2003). 26 Dependiendo de la forma de la partícula (esférica, cónica, cúbica o irregular) se puede medir más de una dimensión; sin embargo, el diámetro es la más utilizada y se puede determinar haciendo pasar las partículas a través de una malla con aperturas de diferente longitud en un instrumento que se denomina tamiz (Barbosa-Canovas y Yan 2003). El TP se calcula como el promedio de la apertura del tamiz anterior y el adyacente, obteniendo el diámetro medio de partícula (Dp), el cual normalmente se expresa en milímetros o micrómetros. La distribución del TP de una harina depende de varios factores como: el tipo de molino que se utilice (los molinos de martillos producen harinas muy finas, mientras que los de abrasión partículas más gruesas), el tipo de molienda ya sea húmeda o seca (se ha visto que la molienda húmeda produce harina con menor TP), la genética del grano y las condiciones ambientales a las que se encuentre (Lu y Lin 2001, Bolade 2009, Mandala y Rosell 2015). El TP de las harinas no sólo repercute sobre sus propiedades físicas; sino también, sobre las de los alimentos que se elaboren con ellas. Por ejemplo, algunos estudios reportan que a menor TP, aumenta el contenido de proteína y de almidón dañado, lo que conlleva a una mayor absorción de agua. También, el color de los productos horneados se ha llegado a percibir como más blanco a menor TP debido a una mejor reflexión de la luz. A nivel hormonal se reporta una mayor elevación de la insulina tras el consumo de harinas muy refinadas. Finalmente, durante su procesamiento, se obtienen harinas de menor TP cuando la dureza del grano es poca (Barbosa-Canovas y Yan 2003, Mandala y Rosell 2015, Shi et al. 2016). Para representar la distribución del TP existen las tablas, las curvas acumulativas de frecuencias, las curvas de fracción relativa porcentual y las funciones matemáticas según la distribución estadística (que puede ser normal, logarítmica, entre otras) (Barbosa-Canovas y Yan 2003). En la presente investigación se utilizaron las curvas de fracción relativa porque permiten comparar distintas curvas de forma sencilla y determinar la homogeneidad de una muestra. Como se ilustra en la Figura 2, el eje X representa el TP y el eje Y la fracción relativa; por lo que, el área bajo la curva debe ser igual 1. En muestras homogéneas se observará una campana estrecha, típica de una distribución normal; sin embargo, podrían existir otro tipo de curvas o una distribución con más de una campana o con una campana muy extendida indicando que el TP de la muestra es heterogéneo (Barbosa-Canovas y Yan 2003). 27 Curva de fracción relativa porcentual Fuente: Adaptado de Barbosa-Cánovas y Yan, 2003. J. Propiedades tecnológicas Las propiedades tecnológicas, también llamadas capacidades tecnológicas o funcionales, se definen como cualquier propiedad de un alimento o ingrediente que pueda afectar el comportamiento de una matriz alimentaria como su reología o sus cualidades sensoriales. Son el conjunto de respuestas de los materiales frente a fuerzas específicas (Boatella 2004) y son de importancia porque indican el tipo de productos a los cuales se podría incorporar cierta materia prima y permiten predecir los efectos que se generarían tras cambios en las formulaciones de los productos o en los procesos (por ejemplo, en el mezclado, amasado, entre otros) (Armijo 2014, Shobha et al. 2014, Miquilena et al. 2016). Las propiedades tecnológicas dependen más que todo de los componentes complejos como las proteínas, el almidón y la fibra; pero también, de su peso molecular, composición, estructura, carga electrostática, hidrofobicidad, distribución de tamaño-forma y de la presencia de otros componentes como los lípidos (Lu y Lin 2001, Boatella 2004, Lang et al. 2014, Miquilena et al. 2016). Por esto, cabe rescatar que las propiedades tecnológicas son específicas para cada harina; ya que, dependen de las condiciones y tiempo de almacenamiento, del método de molienda y de las operaciones previas a las que sean sometidos los granos (Lu y Lin 2001). Asimismo, muchos de los métodos y términos utilizados para determinarlas se desarrollaron hace algunas décadas y 28 subsecuentemente se han ido modificando o se utilizan indistintamente; por lo cual, existe una gran diversidad de metodologías que conlleva a que la comparación de datos no sea conveniente; por esto, más adelante se describe la definición y terminología aplicada para cada una (Tosh y Yada 2010). i. Capacidad de Absorción de Aceite (CAA) La CAA expresa la cantidad de aceite retenida por 100 g o por gramo de muestra. En la literatura se puede encontrar con diferentes nombres como lo son capacidad de retención/absorción de aceite/grasa (Tosh y Yada 2010). En este trabajo se utilizará el término capacidad de absorción de aceite debido a las fuerzas que la explican y por el tipo de lípido utilizado para su determinación (aceite y no grasa). Se puede explicar por la habilidad de los lípidos para unirse a las macromoléculas por atracción capilar (atrapamiento físico) o por enlaces no covalentes (fuerzas electrostáticas y puentes de hidrógeno). Por lo tanto, la CAA incrementa con la porosidad de las fibras y a mayor cantidad de cadenas no polares en las harinas (Lamus y Barrera-Arellano 2005, Venugopal 2011, Shuang-kui et al. 2014, Kolawole y Akinpelu S 2015, Julianti et al. 2017). Es de importancia porque la grasa actúa como retenedor de sabor y aromas e incrementa la palatabilidad (mejor sensación bucal debido a la fusión de materias grasas) de los alimentos (Tosh y Yada 2010, Miquilena et al. 2016). Una mayor CAA podría extender la vida útil de productos horneados; así como, aumentar el rendimiento de productos mediante la prevención de las pérdidas por cocción. Además, a nivel de salud, podría favorecer la absorción de los ácidos biliares y así, incrementar su excreción reduciendo el colesterol del plasma (Raghavendra et al. 2006, Shobha et al. 2014, Dayakar et al. 2016, Miquilena et al. 2016). ii. Capacidad de hidratación Para definir la capacidad de hidratación de los componentes alimentarios, existen diferentes términos; por lo que, a continuación, se citan los nombres más comunes que se utilizan en la literatura y la definición más apropiada para cada caso. - Adsorción de agua: hace referencia a la atracción de humedad de forma espontánea cuando un alimento se coloca en una atmósfera con un porcentaje de humedad relativa mayor a la 29 que posee (Pinciroli 2010). Implica la acumulación de agua en la superficie o interfase del alimento. Se diferencia de la absorción porque esta es un proceso por el cual las moléculas de agua penetran el alimento (Weber y Borchardt 1979, Muñoz y Grau 2013). - Absorción de agua: es la cantidad máxima de agua que un material puede absorber e implica la cinética del movimiento del agua en ausencia de fuerzas externas o en determinadas condiciones como la gravedad, presión atmosférica, diálisis o centrifugación a baja velocidad (menos de 2000 gravedades). En inglés se puede encontrar como descrita como water holding/binding capacity o water uptake. Para su determinación se utiliza solo la cantidad de agua necesaria para saturar la muestra (AACC 1999, Tosh y Yada 2010) y se calcula como la razón de la cantidad de agua absorbida entre el peso del residuo seco (Raghavendra et al. 2006, Shobha et al. 2014). En esta, el proceso de absorción ocurre como en una esponja; ya que, el agua rellena los intersticios de los polisacáridos y se embebe en ellos (Mayorga 2013). - Retención de agua: es similar a la absorción de agua. Se define como la cantidad de agua que retiene un material bajo condiciones específicas y una fuerza externa como presión o centrifugación, en condiciones controladas de tiempo y temperatura (Tosh y Yada 2010). Se calcula como la razón del agua retenida entre el peso inicial del residuo seco (Mayorga 2013). La capacidad de retención de agua (CRA) es la que se determinará en este trabajo utilizando la metodología con centrifugación debido a que simula la fuerza mecánica durante el proceso de mezclado y amasado en la elaboración de productos horneados (Armijo 2014). Además, el sedimento final no se secó; ya que, se intentó simular el proceso de hidratación de harinas para formar las masas con consistencia apropiada de forma similar al procedimiento utilizado por Flores- Farías et al. (2002). En la literatura también se encuentra definida la capacidad de enlazamiento de agua (water binding capacity), como una medida de la fuerza del enlace en el almidón intergranular. Cuando dicha fuerza es poca, los polímeros están unidos entre sí débilmente; por lo que, se da paso a una mayor unión con el agua. Mientras que, cuando la fuerza es alta, los gránulos están tan acoplados entre sí, que solo una poca cantidad de agua los puede penetrar. Su determinación difiere de la capacidad de retención y de absorción porque incluye un calentamiento de la muestra a 90 °C para 30 hinchar los gránulos de almidón y posteriormente la muestra se centrifuga (Dayakar et al. 2016, Geerts et al. 2017). En general, la hidratación de un alimento se debe a los componentes hidrofílicos presentes en él, como lo son los aminoácidos polares de las proteínas, el almidón y otros como los polisacáridos como la fibra dietética (Miquilena et al. 2016). Además, depende del área superficial, tamaño de partícula, ambiente químico y del procesamiento previo de las harinas (Tosh y Yada 2010). De esta manera, cuando una harina es alta en polisacáridos se espera una alta hidratación (Shobha et al. 2014). Se reporta que la hidratación aumenta conforme disminuye el tamaño de partícula, debido a una mayor área superficial expuesta para el enlace con moléculas de agua; por esta razón, es que el almidón dañado absorbe más agua que el que se encuentra intacto (Dayakar et al. 2016). También a mayor cantidad de proteína aumenta la hidratación (Rodríguez 2014). Su importancia en alimentos es amplia y se indican algunas razones a continuación (Miquilena et al. 2016): - Define las características de cocción. Por ejemplo, en leguminosas a mayor absorción de agua, más fácil es la separación de las células en los cotiledones, lo cual favorece el procesamiento térmico. - En productos cárnicos confiere consistencia, viscosidad y mayor adhesión. - Es deseable en masas; ya que, embeben agua sin absorber las proteínas. - Aumenta la cohesividad de los alimentos listos para consumo. - Mantiene una textura suave en productos como pastas y galletas. iii. Capacidad de formación de espuma (CFE) y Estabilidad de la Espuma (EE) La espuma es una dispersión inmiscible de partículas discretas de aire en un medio continuo. En alimentos, las burbujas de aire son elementos estructurales de espumas sólidas (pan, pasteles y merengue), semisólidas (crema batida, mayonesa) o líquidas (batidos); las cuales, afectan la textura y la firmeza (producto más ligero y suave), el color, el sabor y la sensación bucal de las matrices 31 alimentarias (mayor facilidad de masticación y accesibilidad enzimática al sustrato); además, disminuye la carga calórica de los productos (Venugopal 2011). La CFE y la EE dependen principalmente de la superficie interfacial que se forma por las proteínas y los carbohidratos, la cual mantiene las burbujas de aire en suspensión y disminuye la tasa de coalescencia (Shuang-kui et al. 2014). Miquilena et al. (2016), indican que la configuración de las proteínas afecta la CFE; así que, si esta es globular se puede esperar una baja CFE debido a que no son capaces de reducir la tensión superficial de la interfase aire-agua. Las harinas con alta CFE y buena EE, son recomendadas para la elaboración de productos de repostería y confitería (Miquilena et al. 2016). iv. Densidad bulk (ρb) La densidad se define como la masa que ocupa una sustancia en una unidad de volumen, en el caso de la ρb se incluye el volumen de las partículas y los espacios disponibles entre ellas. Se determina dividiendo el peso neto del producto entre el volumen que ocupa en un recipiente; pero, se debe tomar en cuenta que las harinas y los productos particulados son compresibles, y por esto, la ρb se puede dar con especificaciones adicionales como: - ρb suelta (loose): después de verter el polvo sobre una superficie - ρb remecida (tapped): después de aplicarle vibración o golpeteo ligero al polvo - ρb compactada (compacted): después de aplicarle una fuerza de compresión al polvo (Barbosa- Canovas y Yan 2003). Su determinación es útil para la clasificación, almacenamiento, transporte y mercadeo de productos particulados; ya que, si existen diferencias de densidad se puede utilizar un medio como el agua o aire para separar las diferentes partículas. Aunado a esto, se puede prever que una misma masa de productos diferentes no necesariamente ocupa el mismo volumen en un empaque; por lo que, podría ser necesario hacer ajustes en dichos materiales. La densidad también es tomada en cuenta para la elaboración de productos para bebés quienes requieren de alimentos más ligeros (Shuang-kui et al. 2014, Miquilena et al. 2016, Rosentrater y Evers 2018). 32 v. pH Por definición el pH es el logaritmo negativo de la concentración de iones hidronio. Su determinación es vital para conocer el estado (ácido, neutro o básico) de los grupos tecnológicas de los macronutrientes que constituyen los alimentos y