tesis - IPN - Instituto Politécnico Nacional

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tesis - IPN - Instituto Politécnico Nacional
CENTRO DE INVESTIGAGIÓN EN CIENCIA APLICADA
Y TECNOLOGÍA AVANZADA - UNIDAD ALTAMIRA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESTUDIO COMPARATIVO DE CAMBIOS ESTRUCTURALES Y
F UNCIONALES EN ALMIDONES DE MAÍZ NIXTAMALIZADO
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
D O C T O R
EN C I E N CIAS
EN
TECNOLOGÍA
AVANZADA
P
R
E
S
E
N
T A :
MARGARITA MONDRAGÓN CHAPARRO
DIRECTOR DE TESIS: DR. JUAN LUIS PEÑA CHAPA
ALTAMIRA, TAMPS.
JUNIO DEL 2004
______________________________________________________________________ i
RESUMEN
El proceso de nixtamalización introduce importantes transformaciones fisicoquímicas
en el almidón del maíz, discutidas hasta ahora en función de los efectos producidos por las
interacciones de los iones calcio con el
almidón. Sin embargo, las condiciones de
nixtamalización empleadas en el método tradicional son propicias para la formación de
complejos amilosa-lípido, cuya presencia también puede afectar a estas transformaciones y
cambiar las propiedades funcionales del almidón de maíz nixtamalizado. Sobre esta
consideración, se abordó el estudio de los cambios estructurales y funcionales en
almidones de maíz nixtamalizado. Se determinó la relación entre las variables del proceso
de nixtamalización y las propiedades funcionales del almidón de una variedad de maíz
blanco dentado, considerando un análisis estadístico.
Las propiedades evaluadas son:
gelatinización, capacidad de hinchamiento, solubilidad y cambios en viscosidad. Se
evaluaron así mismo, los cambios en la estructura cristalina del almidón utilizando la
técnica de difracción de rayos-X y los cambios en la estructura de los geles de estos
almidones nixtamalizados mediante reología dinámica. La comparación de las propiedades
funcionales de muestras sin cal y con cal indicó que durante la nixtamalización no
solamente las interacciones de los iones calcio con el almidón afectan el comportamiento
de dichas propiedades sino que también este comportamiento puede ser explicado por la
presencia de complejos amilosa-lípido formados durante la cocción y reorganizados durante
el reposo. Los estudios de difracción corroboraron esta hipótesis, ya que los difractogramas
de los almidones nixtamalizados mostraron la presencia de estructuras cristalinas tipo V,
típica de los complejos amilosa-lípido, además de la estructura tipo A, típicas de los
cereales. Estos estudios también indicaron que
fácilmente lixiviados durante la solubilización
los complejos amilosa-lípido pueden ser
y que las interacciones de los iones calcio
con el almidón pueden modificar la formación las estructuras tipo V de estos complejos. El
comportamiento del módulo de almacenamiento y del módulo de pérdida determinados por
reometría dinámica , así como los cambios en el enlazamiento del almidón con el yodo,
sustentan la hipótesis de que la formación y reorganización de los complejos amilosa-lípido
es afectada por las interacciones de los iones calcio con el almidón.
______________________________________________________________________ ii
ABSTRACT
The nixtamalization process introduces important physicochemical transformations in
corn starch, these transformations has been discussed until now considering the effect of the
interactions of the calcium ions with starch. However, nixtamalization conditions used in
the traditional method are favorable for the formation of amylose-lipid complexes, which
can also affect the physicochemical transformations and change the functional properties of
nixtamalized corn starch. Considering this, the study of the structural and functional
changes of nixtamalized corn starch was undertaken.
The process variables used for the
nixtamalization of white dent corn were related to the functional properties of the starch,
using statistical analysis. The evaluated properties were: gelatinization, swelling power,
solubility and viscosity changes. Also, structural changes in crystalline structure were
determined using X-ray diffraction and structural changes in gels were determined using
dynamic rheometry. Comparison of functional properties of samples with and without lime
indicated that during nixtamalization not only the interactions of calcium ions with starch
affected their behavior but also that it can be explained by the presence of the amylose-lipid
complexes formed during cooking and reorganized during steeping. X-ray diffraction
studies corroborated this hypothesis, diffraction patterns of nixtamalized starch showed the
presence of type
V crystalline structures, typical from amylose-lipid complexes, besides
the type A crystalline structure, typical from cereals. These studies also indicated that
amilose-lipid complexes could be easily leached out and that calcium ions interactions with
starch could modify the formation of the type V structure of these complexes. The behavior
of the storage and loss moduli evaluated by dynamic rheometry, and also the changes in
starch-I2 absorbance, support the hypothesis that formation and the structural reorganization
of amylose-lipid complexes is affected by the calcium ion interactions with starch.
______________________________________________________________________ iii
PREFACIO
Este estudio se realizó en el Centro de Investigación Avanzada y Tecnología AplicadaUnidad Altamira del Instituto Politécnico Nacional bajo la dirección del Dr. Juan Luis Peña
Chapa, entre Agosto de 1999 y Diciembre del 2003. Se contó con la infraestructura y el
apoyo técnico y académico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del Instituto
Politécnico Nacional, del Centro de Posgrado del Instituto Tecnológico de Ciudad Madero
y de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán para la realización
de esta investigación. Parte de los resultados de esta tesis han sido publicados en dos
artículos científicos en las revistas Carbohydrate Polymers y Starch.
Margarita Mondragón Chaparro
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
del Instituto Politécnico Nacional
______________________________________________________________________ iv
CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN
i
ABSTRACT
ii
PREFACIO
iii
CONTENIDO
iv
AGRADECIMIENTOS
vii
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
ix
xi
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.
1
CAPÍTULO 2. ANTECEDENTES GENERALES.
3
2.1 El grano de maíz.
3
2.2 El almidón.
6
2.3 Bibliografía.
10
CAPÍTULO 3. PROCESO DE NIXTAMALIZACIÓN.
12
3.1 Antecedentes.
12
3.1.1 La nixtamalización tradicional.
12
3.1.2 La industria nacional de la tortilla.
13
3.1.3 Modificaciones en el grano por la nixtamalización.
15
3.1.4 Métodos alternativos de nixtamalización.
17
3.1.5 Objetivos y justificación.
17
3.2 Desarrollo experimental
18
3.3 Resultados y Discusión
18
3.4 Conclusiones
19
3.5 Bibliografía
19
______________________________________________________________________ v
CAPÍTULO 4. PROPIEDADES FUNCIONALES
22
4.1 Antecedentes
22
4.1.1 Propiedades funcionales
22
4.1.2 Capacidad de hinchamiento, solubilidad y gelatinización
23
4.1.3 Cambios en viscosidad
26
4.1.4 Cambios reportados durante la nixtamalización
29
4.1.5 Objetivos y justificación
33
4.2 Desarrollo experimental
34
4.3 Resultados y Discusión
35
4.3.1 Propiedades térmicas
35
4.3.2 Capacidad de hinchamiento y solubilidad
38
4.3.3 Cambios en viscosidad
41
4.4. Conclusiones
46
4.5 Bibliografía
47
CAPÍTULO 5. ESTRUCTURA - DIFRACCIÓN DE RAYOS-X
51
5.1 Antecedentes
51
5.1.1 Cristales A y B ( hélices dobles) y V (hélice simple)
51
5.1.2 La amilosa o fracción móvil
54
5.1.3 Grado de cristalinidad
55
5.1.4 Cambios reportados durante la nixtamalización
57
5.1.5 Objetivos y justificación
58
5.2 Desarrollo experimental
58
5.3 Resultados y Discusión
59
5.3.1 Estructuras cristalinas en el almidón nixtamalizado
59
5.3.2 Efecto del tratamiento alcalino en la estructura cristalina tipo V
62
5.3.3 Cambios en la absorbancia del almidón-I2
67
5.4 Conclusiones
68
5.5 Bibliografía
69
______________________________________________________________________ vi
CAPÍTULO 6. ESTRUCTURA - REOLOGÍA DINÁMICA
72
6.1 Antecedentes
72
6.1.1 Gelación y retrogradación
72
6.1.2 Interacciones amilosa lípidos
73
6.1.3 Caracterización de redes de almidón
74
6.1.4 Cambios reportados durante la nixtamalización
77
6.1.5 Objetivos y justificación
78
6.2 Desarrollo experimental
78
6.3 Resultados y Discusión
79
6.4 Conclusiones
86
6.5 Bibliografía
87
CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES GENERALES
89
ANEXO. PUBLICACIONES
93
______________________________________________________________________ vii
AGRADECIMIENTOS
Al INSTITUTO
POLITÉCNICO NACIONAL que mediante la Coordinación
General de Posgrado e Investigación (CGPI) apoyó económicamente los proyectos
““Difusión del Agua y del Ca en el Endospermo de Maíz Nixtamalizado” (No. de registro
20000960), “Caracterización Reológica de Maíz Nixtamalizado” (No. de registro
20010278) y “Cinética del Calcio y el Agua en el Grano de Maíz Nixtamalizado” (No. de
registro 20020255).
Al CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS (CEPROBI-IPN)
que mediante la intervención del Dr. Luis Arturo Bello Pérez, permitió la realización de
parte de este trabajo de investigación en sus instalaciones.
Al INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. MADERO que mediante la intervención
de la Dra. Ana Ma. Mendoza Martínez, permitió el acceso a sus laboratorios para la
realización de parte de este estudio.
A la UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN que mediante la intervención
del Dr. David Betancur Ancona, facilitó la realización de parte de este trabajo en sus
instalaciones.
Al Dr. Juan Luis Peña Chapa por sus atinados consejos en el desarrollo de este
trabajo de investigación.
Al Dr. Luis Arturo Bello Pére z por su invaluable orientación y por compartir
generosamente su experiencia y conocimientos.
Al Dr. Felipe de Jesús Carrillo Romo por brindarme el apoyo y la confianza que
hicieron posible la terminación de esta tesis doctoral.
.
A Erick Baquéiro, Edith Agama, Román Castro, Patricia Quintana , William
Cauich, Oswaldo Gómez, Lourdes Pinelo, Rebeca Silva, Aarón Melo, Guillermo
Sandoval, Ricardo Alamilla, José Luis Rivera, Celia Calderón, Ricardo Godoy,
Pamela Nelson, Esperanza, Rosa Ma., Victor, Josafat y Demetria mi más profundo
agradecimiento por su ayuda y colaboración.
Luis Daniel y Samara- para ustedes-
______________________________________________________________________ viii
De manera muy especial, agradezco a los integrantes del jurado revisor por sus
comentarios y sugerencias al escrito de este trabajo.
Dr. Felipe de Jesús Carrillo Romo
Dr. Juan Luis Peña Chapa
Dr. Martín G. Zapata Torres
Dr. Luis Vidal Ponce Cabrera
Dra. Ana Ma. Mendoza Martínez
Dra. Juana Eloína Mancilla Tolama
______________________________________________________________________ ix
LISTA DE FIGURAS
FIGURA
TÍTULO
2.1
Componentes fundamentales del grano de maíz.
2.2
Segmento de una hélice de amilos (A) Representación esquemática
PÁGINA
4
de un complejo de inclusión amilosa- lípido.
6
2.3
Modelo “racimoso” de la amilopectina.
7
2.4
Representación esquemática de los diferentes niveles estructurales
de los gránulos de almidón y la participación de la amilosa y la
amilopectina.
4.1
9
Curva típica de un almidón de cereal (50% sólidos) demostrando
las distintas transiciones térmicas y los dominios estructurales en
donde se presentan estas transiciones.
4.2
Representación esquemática de los cambios granulares con relación
a la viscosidad en un viscoamilógrafo.
4.3
43
Viscoamilogramas de muestras cocidas por 60 min sin reposo, en
función del contenido de cal (%, p/v).
4.6
42
Viscoamilogramas de muestras cocidas por 30 min con reposo, en
función del contenido de cal (%, p/v).
4.5
28
Viscoamilogramas de muestras cocidas por 30 min sin reposo, en
función del contenido de cal.
4.4
26
43
Viscoamilogramas de muestras cocidas por 60 min, en función del
contenido de cal (%, p/v).
44
5.1
Difractogramas de almidones tipo A, B y Vh.
52
5.2
Empaquetamiento cristalino de hélices dobles en estructura tipo A
y tipo B. Proyección de la estructura en el plano (a,b).
5.3
53
Difractogramas de las muestras cocidas por 30 min sin reposo A) y
su correspondiente parte cristalina B), en función del contenido de
cal (%, p/v)
60
______________________________________________________________________ x
5.4
Difractogramas de las muestras cocidas por 30 min con reposo A) y
su
correspondiente
parte
cristalina
B),
en
función
de
la
concentración de cal (%, p/v).
5.5
61
Difractogramas de las fraciones solubles cocidas por 30 min sin
reposo A) y su correspondiente parte cristalina B), en función de la
concentración de cal.
5.6
63
Difractogramas de las fracciones solubles de las muestras cocidas
por 30 min con reposo A) y su correspondiente parte cristalina B),
en función de la concentración de cal (%, p/v).
5.7
64
Difractogramas de las fracciones insolubles de las muestras cocidas
por 30 min sin reposo A) y su correspondiente parte cristalina B),
en función de la concentración de cal (%, p/v).
5.8
65
Difractogramas de las fracciones insolubles de las muestras cocidas
por 30 min con reposo A) y su correspondiente parte cristalina B),
en función de la concentración de cal (%, p/v).
5.9
Efecto del calcio en la absorción del yodo en muestras
nixtamalizadas.
6.1
66
68
Módulo de almacenamiento (G’) de las harinas nixtamalizadas: por
30 minutos sin reposo (30 SR) y con reposo (30 CR); por 60
minutos sin reposo (60 SR) y con reposo (60 CR) en función de la
concentración de cal (%, p/v).
6.2
79
Módulo de pérdida (G’’) de las harinas nixtamalizadas: por 30
minutos sin reposo (30 SR) y con reposo (30 CR); por 60 minutos
sin reposo (60 SR) y con reposo (60 CR) en función de la
concentración de cal (%, p/v).
6.3
Contenido de amilosa (%) en harinas nixtamalizadas por 30 min a)
y 60 mon B) en función del contenido de cal (%).
6.4
80
83
Tan δ de las las harinas nixtamalizadas: por 30 minutos sin reposo
(30 SR) y con reposo (30 CR); por 60 minutos sin reposo (60 SR) y
con reposo (60 CR) en función de la concentración de cal (%, p/v).
85
______________________________________________________________________ xi
LISTA DE TABLAS
TABLA
TÍTULO
PÁGINA
3.1
Características físicas del grano utilizado.
19
3.2
Composición fisicoquímica del endospermo del maíz Chalco.
19
4.1
Efecto de la concentración de cal, del tiempo de cocción y del
reposo
en
las
características
térmicas
de
las
harinas
nixtamalizadas, evaluadas por DSC.
4.2
Resumen del análisis de varianza de las
36
características evaluadas
por DSC.
4.3
37
Efecto de la concentración de cal, del tiempo de cocción y del
reposo en la capacidad de hinchamiento y la solubilidad de las
harinas nixtamalizadas.
4.4
5.1
39
Resumen del análisis de varianza de la capacidad de hinchamiento
y la solubilidad.
40
Cristalinidad relativa de las harinas nixtamalizadas por 30 min.
62
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
En esta tesis se analiza el comportamiento del almidón de maíz durante el proceso de
nixtamalización tradicional utilizado para hacer tortillas. El almidón es el componente
mayoritario del grano de maíz y reviste gran importancia en la elaboración de tortillas ya
que se considera el responsable, en gran medida, de las propiedades reológicas y de textura
que definen la calidad final de las mismas. Actualmente se consumen en México unos 600
millones de tortillas de maíz al día; este cereal representa el 30% de la producción agrícola
total y absorbe la mitad de la superficie cosechada del país. Desde luego, no todo el
consumo de maíz es por la vía de las tortillas, pero sí la mayor parte. Casi todas las formas
de consumo del maíz implican un proceso previo de precocido llamado nixtamalización.
Este proceso consiste básicamente en cocer el maíz en agua con cal, dejarlo reposar,
posteriormente eliminar el agua de cocción y lavarlo.
El objetivo del trabajo es determinar la relación entre las variables del proceso de
nixtamalización y los cambios en algunas de las propiedades funcionales del almidón;
así
como con los cambios estructurales que se presentan, evaluados por la técnica de difracción
de rayos-X y por reología dinámica. Las propiedades funcionales evaluadas son capacidad
de hinchamiento, solubilidad, gelatinización y cambios en viscosidad. Las variables de
nixtamalización consideradas son la concentración de cal utilizada durante la cocción, el
tiempo de cocción y el tiempo de reposo. Se discuten las relaciones encontradas y se
proponen dos importantes transformaciones que ocurren en el almidón debido a las
condiciones a que esta expuesto durante el tratamiento alcalino utilizado en la
nixtamalización.
_____________________________________________________________Introducción, 2
En el capítulo 2 se da una descripción general de los componentes principales del grano
de maíz y de la composición química primaria del almidón.
En el capítulo 3 se presenta una revisión bibliográfica sobre el proceso de
nixtamalización y la industria nacional de la tortilla
y sobre las transformaciones que
sufren los distintos componentes del maíz durante la nixtamalización (excluyendo los
cambios en el almidón, los cuales se discuten en los siguientes capítulos). Así mismo, se
describen los materiales y el método utilizado para preparar las harinas nixtamalizadas y se
presentan los resultados de su caracterización fisicoquímica.
En el capítulo 4 se presentan los antecedentes sobre las propiedades funcionales del
almidón y una revisión de la literatura sobre el efecto de la nixtamalización en estas
propiedades. También, se explican los objetivos y el alcance de esta parte del presente
estudio. A continuación, se describe el comportamiento de las propiedades funcionales de
las harinas preparadas y las técnicas empleadas para su evaluación. Se proponen dos
diferentes transformaciones en el almidón durante el proceso de nixtamalización.
En el capítulo 5 se presentan los antecedentes sobre la estructura cristalina del almidón
y los reportes encontrados en la literatura sobre cambios estructurales evaluados por la
técnica de difracción de rayos-X, en el nixtamal, la masa y las tortillas. Se describen y
analizan los cambios encontrados en el tipo de polimorfismo de las harinas preparadas,
como resultado de los cambios en las condiciones de nixtamalización y se corrobora y
amplía el estudio de una de las transformaciones propuestas para el almidón.
En el capítulo 6 se presentan los antecedentes sobre reología dinámica en almidones y
se incluye también, una revisión sobre este tipo de estudios en maíz nixtamalizado. Se
aborda el estudio de los cambios estructurales del almidón de las harinas relacionándolos
con los módulos obtenidos en el reómetro oscilatorio. El comportamiento de los módulos se
explica en función de los cambios en arreglos moleculares del almidón debido
principalmente a las dos transformaciones propuestas.
En el capítulo 7 se presentan las conclusiones generales de este estudio. Por último, los
dos artículos aceptados basados en este estudio se incluyen en el Anexo.
CAPÍTULO 2
ANTECEDENTES GENERALES
2.1 EL GRANO DEL MAÍZ
El maíz es una planta gramínea -género que se caracteriza por producir un fruto
cubierto- de alta productividad, que pertenece a la clase de las Angiospermas; una semilla
puede producir de 600 a 1000 granos, mientras que otros cereales como el trigo sólo
producen de 50 a 100 granos. El grano llamado botánicamente cariópside, es
monocotiledóneo; y se subdivide en tres partes fundamentales [1]: pericarpio, endospermo y
germen (Fig. 2.1).
+ El pericarpio
El pericarpio encierra la semilla y esta compuesto de varias capas de células.
Básicamente esta estructura se divide en epicarpio, mesocarpio y endocarpio. Este último
tejido a su vez se subdivide en células intermedias, cruzadas y tubulares. Las funciones
primordiales del pericarpio son proteger al grano contra agentes bióticos externos, como
son los insectos y los microorganismos, impedir la pérdida de humedad y conducir y
distribuir el agua y otros nutrientes durante la germinación. El pericarpio constituye el 57% del peso del grano y está caracterizado por un alto contenido de fibras: hemicelulosa
(67%) y celulosa (23%).
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 4
Fig. 2.1 Componentes fundamentales del grano del maíz [2].
+ El endospermo
El endospermo constituye el 82-84 % del peso en seco del grano y su componente
mayoritario es el almidón, 86-89%; está conformado por células en las cuales se encuentran
los gránulos de almidón
de 5 a 30µm embebidos en una matriz continua de cuerpos
proteicos. El endospermo es de dos tipos: vítreo y harinoso. El endospermo harinoso rodea
al germen y es opaco, debido posiblemente, a las bolsas de aire que rodean los gránulos de
almidón y la matriz proteica es delgada a su alrededor; mientras que en el endospermo
vítreo la matriz proteica es mas gruesa. Los cuerpos proteicos constituyen el 8% del
endospermo, son redondos y están compuestos casi enteramente de zeina. La capa externa
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 5
del endospermo, la aleurona, es una capa simple de células de una apariencia
completamente diferente. Esta capa, que cubre al endospermo y al germen, es interrumpida
solamente en la cofia del grano. Las células aleuronales contienen proteínas y minerales,
que son de alta calidad pero no disponibles nutritivamente a las enzimas digestivas, a
menos que sean abiertas durante la molienda.
+ El germen
El germen esta compuesto del axis embrionario y el escutelum. El escutelum, que
funciona como un órgano nutritivo para el embrión, constituye el 10-12% del peso en seco
del grano. El germen almacena nutrientes y hormonas, que son movilizadas por enzimas
elaboradas durante las etapas iniciales de germinación. El escutelum presenta células tipo
parenquima que contienen
un núcleo, citoplasma y objetos que contienen aceite líquido.
Estos objetos de color claro, son organelos específicos conocidos como “cuerpos de aceite”
o ferosomas y constituyen el 33% del germen. De este porcentaje el 43.5% corresponde al
ácido linoleico, el 36.6% al ácido oleico, el 15.95% al ácido palmítico y el % restante a los
ácidos esteárico, linolénico, araquídico y mirístico. Las paredes del escutelum son gruesas
y contienen numerosos orificios y espacios intercelulares que
facilitan el movimiento de
material entre las células.
Los constituyentes minoritarios del grano están irregularmente repartidos en las
diferentes partes del mismo [3]. Las proteínas están localizadas en mayor proporción en el
germen y en la capa
aleuronal, al igual que los lípidos en el germen. El contenido de
proteína en el grano de maíz se ni tegra por las fracciones: albúmina, globulina, glutelina y
prolamina. La prolamina más importante es la zeína, que representa alrededor del 40% de la
proteína total. Esta fracción posee niveles muy bajos de los aminoácidos lisina y triptófano,
lo que hace que la proteína del maíz sea de mala calidad. Las sales minerales en especial el
calcio, el fósforo y el potasio, así como numerosas vitaminas, se encuentran
preferentemente, en las zonas externas del endospermo.
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 6
2.2 EL ALMIDÓN
2.2.1 Estructura química: constituyente moleculares y macromoleculares
El almidón es un sistema polimérico heterogéneo, cuya estructura molecular se describe
generalmente en términos de sus atributos químicos primarios: a) configuración de cadena,
b) ramificaciones, y c) distribución de pesos moleculares. Los polímeros de almidón son
ciertamente heterogéneos en todos estos aspectos; ya que constituyen una mezcla de dos
componentes distintos: la amilosa
y la amilopectina, ambos son compuestos de glucosa
pero, difieren en tamaño y forma [4].
La amilosa es un polímero lineal, formado por unidades D-glucopiranosas unidas entre
sí por enlaces glucosídicos (1→ 4)-α, pero se ha establecido que algunas moléculas están
ligeramente ramificadas ( de 9 a 20 ramificaciones por molécula). Las ramificaciones se
unen por enlaces glucosídicos (1→ 6)-α y presentan largos de cadena de 4 a más de 100
unidades de glucosa. El peso molecular promedio de la amilosa es de 105 – 106 Da [5 y 6].
Los enlaces glucosídicos en la configuración α , confieren a la amilosa una estructura
helicoidad, en la que cada vuelta de la hélice consta de seis unidades de glucosa. Los
grupos hidroxilo se posicionan en el exterior de la hélice, mientras que el interior contiene
predominantemente átomos de hidrógeno y es por tanto lipofílico, lo cual permite a la
amilosa formar clatratos o complejos de inclusión con los ácidos grasos libres, con las
cadenas de los ácidos grasos de los glicéridos, con algunos alcoholes y con el yodo [7]
(Fig.2.2).
(A)
(B)
Fig.2.2 Segmento de una hélice de amilosa (A). Representación esquemática de un
complejo de inclusión amilosa-lípido (B).
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 7
Las cadenas de los ácidos grasos o lípidos yacen dentro de las hélices de amilosa y se
estabilizan por fuerzas de van der Waals con los hidrógenos C(5) de la amilosa, sin
embargo, las cabezas polares de los lípidos quedan fuera de las cavidades de las hélices [8].
Una consecuencia de la formación de las hélices es que las películas y fibras de amilosa son
más elásticas que las fibras de celulosa, las cuales presentan una configuración β y forman
estructuras laminares. La configuración α y la geometría helicoidal también contribuyen a
la digestibilidad,
ya que los enlaces α son susceptibles a las enzimas de amilasa mientras
que los enlaces β no lo son, por lo cual la celulosa no es digerible para la mayoría de los
animales.
La amilopectina
es el componente altamente ramificado del almidón y su peso
molecular varía entre 107 y109 Da; esta formado por cadenas constituidas de 20 a 25
unidades de α-D-glucopiranosa unidas por enlaces (1→ 4), que a su vez están unidas entre
sí por enlaces (1→ 6). Estos enlaces constituyen solamente el 4 o 5% del total de los
enlaces de la amilopectina [5 y 6]. El modelo más ampliamente aceptado para la estructura
de la amipolectina es el modelo de “racimos”[9]. En él, se considera que la amilopectina
esta
compuesta de cadenas
ensambladas en una estructura “racimosa” con partes
compactas de cadenas orientadas y de puntos de ramificación que no están distribuidos de
manera aleatoria en esta macromolécula (Fig.2.3).
Fig.2.3 Modelo “racimoso” de la amilopectina.
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 8
Las cadenas constituyentes orientadas existen como hélices dobles que embonan
paralelamente mientras que los segmentos lineales presentan la misma conformación
helicoidal que la encontrada en las moléculas de amilosa. La organización básica de las
cadenas se describe en términos de cadenas A, B y C [5 y 6]: las cadenas exteriores (A)
están enlazadas por el grupo reductor a una cadena interna (B); tales cadenas a su vez están
definidas como cadenas que soportan otras cadenas consideradas como ramificaciones. Las
cadenas simples (C) de las moléculas, por otra parte,
tienen
igualmente otras cadenas
como ramificaciones pero también el único residuo terminal reductor. Los segmentos
lineales de la amilopectina tienen la misma conformación α-helicoidal de la amilosa.
Esta información macromolecular es vital para desarrollar un claro entendimiento de la
composición del almidón y su estructura primaria. Sin embargo, se ha reconocido que la
funcionalidad del almidón se deriva de muchas propiedades fisicoquímicas además de
aquellas que son de naturaleza puramente química, como es el caso de la mayoría de los
sistemas poliméricos. Estas propiedades incluyen:
•
el comportamiento en solución de los polímeros (usualmente definido en términos
de su tamaño y conformación),
•
estados termodinámicos ( soluble, amorfo, cristalino),
•
e interacciones con otras especies químicas, incluyendo asociaciones inter e intramoleculares.
Todas estas propiedades están determinadas por el ambiente local del polímero (en una
solución acuosa: PH, fuerza iónica, etc.) y la historia de su procesamiento.
2.2.2. Estructura del gránulo.
La amilosa y la amilopectina no existen libremente en la naturaleza, sino como
componentes
del
almidón.
El
almidón
es
biosintetizado
en
forma
de
gránulos
semicristalinos con varios tipos polimórficos y grados de cristalinidad. El gránulo de
almidón, está organizado en forma de anillos que van creciendo radialmente alrededor de
un centro llamado hilum durante la biosíntesis [10 y 11]. Se considera que el gránulo consiste
de gruesas capas alternantes de material amorfo y semicristalino; es la orientación regular
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 9
de las regiones amorfas y semicristalinas las que dan al gránulo su característica
birrefringencia, conocida como la cruz de malta.
En las regiones semicristalinas, las moléculas de amilopectina se alinean en arreglos
racimosos a lo largo de un eje imaginario que se extiende desde el hilum del gránulo hasta
el exterior del mismo. Este arreglo estructural está caracterizado por regiones de cadenas de
glucosa ordenadas paralelamente y densamente empaquetadas, alternadas con
regiones
menos ordenadas compuestas predominantemente de los puntos donde nacen las
ramificaciones. Por tanto, se puede considerar que una unidad de un racimo de
amilopectina
esta comprendida por una región amorfa que contiene la mayoría de las
ramificaciones que están muy espaciadas (lamella amorfa) además de contener a las
moléculas de amilosa y una región cristalina muy estrecha (~5 nm) que contiene los
cadenas de glucosa en arreglos paralelos (lamella cristalina), el tamaño de cada racimo es
de 9 nm [5] ( Fig. 2.4).
Fig.2.4 Representación esquemática de los diferentes niveles estructurales de los gránulos
de almidón y la participación de la amilosa y la amilopectina.
La cristalinidad ocurre dentro de los arreglos ordenados de la amilopectina y se genera
por el entrecruzamiento de cadenas
forman
lineales con mas de 10 unidades de glucosa, que
hélices dobles. La cristalización o formación de hélices dobles puede ocurrir entre
_____________________________________________________________ Antecedentes Generales, 10
ramificaciones adyacentes
en el mismo racimo de ramificaciones
de la amilopectina o
entre racimos adyacentes en tres dimensiones. Para todos los almidones el número de
hélices dobles granulares es mayor que el calculado para el contenido de material presente,
lo que sugiere diferencias en la composición de dobles hélices del material.
2.2.3 Componentes minoritarios.
En los gránulos de almidón se encuentran presentes pequeñas cantidades de proteínas,
lípidos y agua siendo mínima la presencia de minerales y agua. El contenido de humedad
se equilibra, generalmente, alrededor del 12% [7].
Solamente los cereales de los almidones contienen una cantidad significativa de lípidos
endógenos en los gránulos. Estos grupos internos son principalmente ácidos grasos libres y
fosfolípidos, que varían en proporción dependiendo del tipo de cereal. En el maíz un 5162% corresponde a los primeros y un 24-46% a los segundos [10]. El contenido de lípidos
en los almidones de cereales varía con el contenido de amilosa. Los maíces no-cerosos
contienen cerca de un 0.6-1.2 del total en lípidos, mientras que los maíces cerosos
contienen solamente cerca de un 0.2%. Como ya se menciono, los ácidos grasos libres
pueden formar complejos con la amilosa. Sus interacciones contribuyen, generalmente,
a
bajar la viscosidad de las pastas de almidones y a que sus geles sean más opacos.
La presencia de proteínas se ha correlacionado con la dureza del endospermo y se ha
teorizado que las proteínas dentro del gránulo están unidas covalentemente a la estructura
de la amilosa-amilopectina, mientras que las proteínas superficiales se encuentran asociadas
débilmente al exterior de los gránulos.
2.3 BIBLIOGRAFÍA
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[11] Walstra, P. (2002). Chap.6 Polymers. In Physical Chemistry of Foods. Marcel Dekker.
New York.
CAPÍTULO 3
PROCESO DE NIXTAMALIZACIÓN
En este capítulo se hace una revisión del proceso de nixtamalización y de la industria
nacional de la tortilla así como del efecto del proceso en los principales componentes del
grano, sin incluir al almidón. Se indica el proceso de nixtamalización utilizado para
preparar las harinas de endospermo de maíz nixtamalizado y se presentan también, los
resultados de caracterización tanto del grano del maíz utilizado en este trabajo como el de
la harina de endospermo del maíz crudo.
3.1 ANTECEDENTES
3.1.1. La nixtamalización tradicional.
El proceso de nixtamalización, realizado tradicionalmente en México, implica la
adición de una porción de maíz entero a dos porciones de una solución de cal
aproximadamente al 1%. La mezcla se calienta a 800C durante un lapso de 20 a 45 minutos
y luego se deja reposar toda la noche. Al día siguiente se decanta el líquido de cocción y el
maíz denominado ahora nixtamal, se lava dos o tres veces con agua para eliminar las
cubiertas seminales, la cal sobrante y las impurezas del grano. Las pérdidas de materia seca
ascienden al 15%, pero pueden variar entre el 8.9 y el 21.3% [1].
En principio el nixtamal se molía en metate para producir la masa después, se inventó el
molino casero manual y con posterioridad surgen los molinos motorizados, que siguen
siendo dos piedras redondas que muelen por fricción. Por último han proliferado las
fábricas de harina de maíz nixtamalizado, que a partir del mismo proceso básico, muelen en
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 13
gran escala el nixtamal en molinos de martillo u otros, y lo deshidratan para producir
harina, cuyo manejo y conservación se facilitan mucho más que los de la masa en los
molinos de nixtamal tradicionales. De hecho la masa es un producto altamente perecedero.
Para preparar la tortilla se toman unos 50 g de masa, se aplanan y se ponen a cocer en
una plancha caliente.
3.1.2. La industria nacional de la tortilla.
La industria productora de tortillas puede ser dividida en tres grupos[1]:
a) La que hace la transformación de maíz a masa
utilizando
los
molinos
motorizados que constan de las mismas piedras volcánicas que usaban los
aztecas manualmente o sea los molinos de nixtamal.
b) Sustitutiva de la anterior es la que transforma el maíz en harina o sea las fábricas
de harina de maíz
c) La industria dedicada a la transformación final, o sea, las tortillerías, que a su
vez pueden tener como materia prima la masa o la harina o lo más usual, una
mezcla de ambas. También hay molinos de nixtamal integrados a tortillerías.
Para 1987 se estimó el número de los molinos de nixtamal en mas de 12 mil
establecimientos, otros casi 10 mil molinos integrados a tortillerías y cerca de 16 mil
tortillerías independientes, en tanto que el número de modernas fábricas de harina de maíz
asciende a 21 en todo México.
+ Los molinos de nixtamal.
En grandes tinas de hasta una tonelada de capacidad se vacían varios costales de maíz
previamente cribado y se le agrega cal a razón de un tanto por cada cien tantos de maíz; se
cubre esa mezcla en la tina con agua a 900C y se deja reposar de cinco a seis horas, al
principio de las cuales se voltea el maíz hasta seis veces con una larga paleta de madera.
Después, se elimina con agua toda la cal excedente y se deja enfriar el nixtamal quedando
listo para introducirse en la tolva del molino que da acceso a las dos piedras volcánicas
cilíndricas mencionadas –una fija y otra movida por el motor- que al girar una contra la
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 14
otra, muy pegadas, muelen el nixtamal que pasa entre ambas. Cabe señalar, respecto a su
distribución geográfica, que cerca del 16% de los molinos de nixtamal están en el Distrito
Federal, el 10% en Jalisco y otro 10% en el Estado de México, resaltando por otra parte,
que en tanto que el 73% de esos negocios se encuentra en 15 entidades del centro del país,
en las 11 entidades del norte y noreste opera el 18% y en las entidades restantes del sur y
sureste el 9%. Estas cifras reflejan no sólo la concentración poblacional en el Altiplano,
sino también el importante consumo de tortillas de trigo en el norte y noreste del país.
+ Las fábricas de harina de maíz
La rápida descomposición de la masa a pocas horas de haberla producido, llevó en 1950
a desarrollar la harina nixtamalizada de maíz. Su elaboración se efectúa en grandes y
modernas fábricas que, aunque a una escala de producción mucho mayor que la de los
molinos tradicionales, usan un proceso básicamente similar: el nixtamal también se prepara
en tinas, aunque éstas son de muchas toneladas de capacidad y con un mecanismo continuo
de agua; asimismo, el nixtamal reposa y después se muele, sólo que en este caso con
molinos metálicos de impacto u otros.
El consumo de harina ha ostentado una tendencia claramente ascendente y así tenemos
que en la década de los setentas frente a los sesentas, aumentó dicho consumo un 142% y
en los últimos 10 años se incrementó otro 82%. Es probable que las siguientes ventajas
hayan contribuido a esta tendencia:
•
Los controles de calidad y las condiciones higiénicas en las fábricas de harina
contrastan con las francamente insalubres en la mayoría de los molinos de nixtamal.
•
El maíz pierde un 4% de su peso en vitaminas, proteínas y almidones cuando se
procesa como harina; el maíz rinde más tortillas por la vía de la harina que por la
del clásico nixtamal: un kilogramo de maíz produce 1.524 kilos de tortillas si se
elaboran vía masa de harina y 1.313 kilos de tortillas si se elaboran vía masa de
nixtamal tradicional. Este mayor rendimiento se debe principalmente a que el
moderno procedimiento tiene menores mermas que los antiguos procedimientos de
molienda, pues en las tinas de los molinos tradicionales se descarga el agua por la
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 15
coladera y el líquido lleva partículas de maíz de aquellos granos cuya cutícula no
solo se ablandó, sino que se abrió, lo cual es frecuente.
•
A escala industrial existe además otra ventaja, que es la alta productividad de las
fábricas: pueden procesar más de 20 toneladas de maíz por hora frente a la cantidad
muchas veces menor que procesan los molinos al día.
La única desventaja, relativa, de la harina pudiera ser que la famosa “correa” (término
empleado por los tortilleros para designar una flexibilidad suficiente en las tortillas al
doblarse sin quebrarse) es menor en las tortillas hechas con masa de harina que en las
tortillas de masa de nixtamal tradicional, pues el proceso de nixtamalización que en los
viejos molinos es de seis horas o más, en las fábricas modernas –por su operación en gran
escala- se reduce a dos o tres horas y además a que la molienda fabril con molinos de
impacto produce partículas de maíz menores que la molienda con piedras volcánicas.
La harina de la tortilla es un polvo fino, seco, blanco o amarillento con un contenido de
humedad menor al 10 % y tiene una vida de anaquel de alrededor de 6 meses. Esta harina
cuando está mezclada con agua da una pasta conveniente para la preparación de tortillas, de
tamales, de atoles y de otros alimentos.
3.1.3 Modificaciones en el grano por la nixtamalización.
(En los componentes diferentes al almidón)
El proceso de nixtamalización introduce cambios significativos en el grano de maíz y
en los productos resultantes: nixtamal, masa y harina. El efecto más obvio es la pérdida de
pericarpio durante la cocción y el remojo. La cal mantiene el pH alcalino necesario para
hidrolizar la hemicelulosa del pericarpio convirtiéndola en gomas solubles [2, 3, 4] que
tienen un fuerte efecto en las características reológicas y mecánicas de la masa y las
tortillas [5]. Por otra parte, durante el cocimiento alcalino la capa aleuronal es parcialmente
destruida [6], facilitando la separación del pericarpio del resto del grano.
Las alteraciones estructurales provocadas en el pericarpio y la degradación parcial de
las paredes celulares de la periferia del endospermo permiten una mayor incorporación de
agua y calcio al interior del grano, incrementándose alrededor de 24 veces el contenido de
este último [7]. La velocidad de incorporación del calcio es menor que la del agua y es
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 16
afectada por la concentración de cal utilizada, por la temperatura de cocción y por el tiempo
de remojo [2, 8 y 9]. Se trató de establecer una relación entre la concentración de calcio y la
especie de maíz, sin embargo el coeficiente de variación fue alto (29.1%) y el resultado se
atribuyó a la variabilidad inherente de los granos de las diferentes especies [10]. El calcio se
incorpora principalmente en el pericarpio y en el germen y en mucho menor cantidad en el
endospermo [2]; se ha reportado que el calcio se encuentra presente en el germen y en el
endospermo en forma de sales de ácidos grasos y en el pericarpio como sales de ácidos
poliurónicos y/o enlazados por grupos fenólicos derivados de la degradación de la
lignina[11]. En estudios sobre el pericarpio, se ha encontrado que su composición química
es diferente en la parte externa o interna, dependiendo de las condiciones de
nixtamalización [12] y que el comportamiento de su fracción amorfa y cristalina está
relacionado con procesos de disolución [13].
La cocción alcalina provoca la saponificación parcial de los acil-lípidos -que se
encuentran en su mayoría en el germen del grano- y la desnaturalización parcial de la
matriz proteica que se encuentra alrededor de los gránulos de almidón [14]. La mayor parte
del germen permanece unida al endospermo y contribuye grandemente a la calidad
alimenticia del producto [15]; lo mismo que los cambios estructurales sufridos por las
proteínas, ya que se ha reportado un aumento en la relación de los aminoácidos isoleucinaleucina por la pérdida de la isoleucina durante la nixtamalización [16].
Durante la nixtamalización se incrementa tanto la biodisponibilidad del calcio, como la
de la niacina, una de las vitaminas B más importante y cuya deficiencia puede producir la
enfermedad conocida como Pelagra. Desafortunadamente, las tortilla obtenidas con el
nixtamal, no son un alimento perfecto ya que aunque son una excelente fuente de calorías
por su alto contenido de almidón, carecen de proteínas de buena calidad y de niveles
adecuados de hierro, zinc y vitaminas, A, D, E y B12 [17].
También la nixtamalización es responsable de la disminución de micotoxinas como
fumonisinos (producidas por varias especies de hongos Fusarium) y de la reducción
significativa de los contenidos de aflatoxinas, (agentes tóxicos y hepatocarcinogénicos,
producidos por los hongos Aspergillus parasiticus y A. Flavus [18].
Los cambios que se encontraron reportados para el almidón del maíz debido a la
nixtamalización, se tratarán en los capítulos siguientes.
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 17
3.1.4 Métodos alternativos de nixtamalización.
El método tradicional para hacer las tortillas requiere de mucho tiempo (cerca de 14 a
15 horas). En cambio, con la harina de maíz para tortilla se obtiene un producto confiable,
estable y nutritivo de una manera cómoda y a menor trabajo y consumo de energía. A
escala industrial, la molienda y la deshidratación son factores preponderantes en los costos.
El maíz nixtamalizado contiene cerca de 56 por ciento de humedad, que se debe disminuir a
un 10-12 por ciento en la harina. Cualquier método que disminuya el tiempo y costos y con
el cual se produzcan tortillas de calidad aceptable, es considerado ventajoso [19] sin
embargo los esfuerzos al respecto no han sido satisfactorios. En los métodos de cocción
continua y de extrusión usualmente el maíz se sobre-cuece y produce masa de mala calidad.
También se han propuesto numerosos métodos para producir masa fresca utilizando maíz
molido y cal y acortando los tiempos del proceso, pero los resultados tampoco han sido
particularmente exitosos [14].
3.1.5 Objetivos y justificación
Se ha mencionado ya que los productos de maíz nixtamalizado con mejor calidad
siguen obteniéndose por el método tradicional de nixtamalización. Sin embargo, aún hacen
falta estudios que permitan establecer relaciones específicas entre las variables del proceso
utilizadas durante la nixtamalización tradicional y los cambios en las propiedades
fisicoquímicas de los componentes del grano, especialmente del almidón por ser su
componente mayoritario. Un mayor entendimiento de estos puntos permitiría desarrollar
nuevas tecnologías de nixtamalización -más rápidas y eficientes- para preparar tortillas
con propiedades organolépticas y texturales semejantes a las obtenidas por el método
tradicional. Por lo que el método seleccionado para preparar las harinas utilizadas en este
trabajo de doctorado es el de nixtamalización tradicional. Estudios preliminares
demostraron que durante el proceso de extracción de almidón en maíz nixtamalizado, era
posible que se estuviera eliminando el almidón mas afectado durante la nixtamalización; ya
que el almidón esta contenido principalmente en el endospermo, esté se separó
manualmente de los granos nixtamalizados y se prepararon harinas con ellos para evaluar
posteriormente los cambios en propiedades funcionales y estructura.
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 18
3.2 DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.2.1 Caracterización de materiales.
Las nixtamalizaciones se hicieron con hidróxido de calcio o cal hidratada, Ca(OH)2,
(Sigma, Monterrey, N.L). Se utilizó una variedad de grano comercial dentado duro de la
variedad Chalco. Se caracterizó el peso de 1000 granos y la densidad de acuerdo a la
Norma Oficial Mexicana NMX-FF-034-1995-SCFI [20]. Se separó el endospermo de
algunos granos y se determinó su porcentaje de humedad, cenizas, proteína y grasa cruda de
acuerdo a los métodos aprobados por la AOAC (1983) [21] y el contenido de almidón total
de acuerdo al método de Goñi et al [22]. Se extrajo el almidón del maíz de acuerdo al
método de Bryant y Hamaker [23] para evaluar el contenido amilosa aparente y amilosa
total de acuerdo al método de Morrison y Laignelet [24] y de Tovar et al [25],
respectivamente.
3.2.2 Nixtamalización
Se nixtamalizó de acuerdo al proceso tradicional utilizando dos diferentes tiempos de
cocción 30 y 60 min, en base a la siguiente metodología: se prepararon 300 ml de
soluciones de agua con cal (0, 0,2, 0,3, 0.6, 0.8. 1.0 %, en base al volumen del agua), se
llevaron a ebullición, se agregaron 100 gr de maíz y se cocieron a los tiempos
seleccionados.
Después de la cocción las muestras se dejaron reposar a temperatura
ambiente por 16 hrs, se les drenó el agua de cocción (nejayote) y se enjuagaron tres veces
con agua destilada. Las muestras se secaron a 500C por 36 hrs en una estufa con aire
circulante. Se preparó otro conjunto de muestras, pero en este caso no se permitió el reposo.
A las muestras secas se les retiró el germen y el pericarpio y se molieron en un molino de
café (Moulimex) para obtener las harinas de endospermo nixtamalizado y se conservaron
en refrigeración hasta ser utilizadas en las diferentes pruebas propuestas en este trabajo.
3.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las características físicas del grano se muestran en la Tabla 3.1.
________________________________________________Proceso de Nixtamalización, 19
Tabla 3.1 Características físicas del grano utilizado
_______________________________________________________
Tipo de grano
Densidad
Peso de 1000a
__________________ (kg/ hl)_______ _
Granos (gr)_______
Dentado
75.1
448.6
_______________________________________________________
a
Valor promedio de tres repeticiones.
La composición del endospermo de este maíz se presenta en la Tabla 3.2.
Tabla 3.2 Composición fisicoquímica del endospermo del maíz Chalco
__________________________________________________________
Humedad ( %)
10.69 ± 0.07
Cenizas ( %)
0.69 ± 0.02
Proteína ( %)
7.2 ± 0.1
(Nitrógeno x 6.25)
Grasa Cruda ( %)
2.57 ± 0.14
Almidón total (%)
72.11 ± 3.0
Amilosa Aparente (%)
23.40 ± 0.28
Amilosa Total (%)
29.46 ± 0.17
_____________________________________________________________
3.4. CONCLUSIONES
Se caracterizaron las principales características del grano utilizado y se obtuvieron
diferentes harinas de endospermo variando los parámetros de nixtamalización.
3.5 BIBLIOGRAFÍA.
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CAPÍTULO 4
PROPIEDADES FUNCIONALES
En este capítulo se presenta la evaluación de las propiedades funcionales de las harinas
de endospermo de maíz nixtamalizado. Los cambios en la gelatinización se determinaron
en función de la
temperatura ni icial de transición (Ti), la temperatura pico de transición
(Tp ), el intervalo de gelatinización (R) y la entalpía de gelatinización (∆H) de las
transiciones térmicas presentadas en estudios de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC,
por sus siglas en inglés). También se presentan los resultados de
capacidad de hinchamiento y la solubilidad. Generalmente
la evaluación de la
se determinan de manera
conjunta las curvas de viscosidad y estas dos últimas propiedades cuando se estudian las
propiedades funcionales de los almidones [1]; por lo que se incluyen de igual manera, los
cambios presentados en las curvas de viscosidad evaluadas en el Viscoamilógrafo
Brabender.
4.1 ANTECEDENTES.
4.1.1 Propiedades funcionales.
Las propiedades funcionales de los almidones nativos de las diferentes especies
vegetales son aquellas de interés técnico y económico directo para la industria alimenticia y
la no-alimenticia. El desempeño y la utilidad del almidón en la elaboración de alimentos y
otras aplicaciones industriales dependen de sus características funcionales, las cuales a su
vez derivan de las propiedades fisicoquímicas básicas de los gránulos de almidón como lo
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 23
son el peso molecular promedio de la amilosa y la amilopectina, el tamaño y forma del
gránulo y la organización molecular [2].
Las propiedades funcionales más importantes a considerar son: solubilidad, capacidad
de hinchamiento, gelatinización, retrogradación, sinéresis y cambios en viscosidad
y
comportamiento reológico de sus pastas y geles [3].
4.1.2 Capacidad de hinchamiento, solubilidad y gelatinización.
Los gránulos de almidón son física y químicamente inertes y poco digeribles por el
organismo humano. Para cambiarlos en un producto funcional, generalmente, el almidón se
calienta en exceso de agua para pasar eventualmente de una forma semicristalina y
relativamente indigerible a una forma amorfa fácilmente digerible [3]. Inicialmente los
gránulos se hinchan de manera reversible y la propiedad de birrefringencia no se pierde,
sin embargo, cuando se alcanza una cierta temperatura el hinchamiento llega a ser
irreversible,
la
birrefringencia
se
pierde
y
la
estructura
del
gránulo
se
altera
significativamente [4]. A este conjunto de eventos se le conoce como gelatinización la cual
ocurren a una temperatura denominada temperatura de gelatinización, la cual en realidad es
un intervalo de temperaturas [5].
En el proceso de gelatinización, se pueden distinguir cuatro etapas [6]. Estas se
presentan cuando una suspensión acuosa de almidón se calienta con agitación:
1ª. Los gránulos
se
hinchan por la absorción de agua, primeramente en las
regiones amorfas, incrementando su volumen de un 30 a un 40%. Algunas
moléculas de amilosa son lixiviadas de los gránulos.
2ª. Se presentan transiciones moleculares irreversibles asociadas con la fusión de los
cristalitos. Estas transiciones involucran la disociación de las dobles hélices (la
mayoría de las cuales están en las regiones cristalinas) y la expansión de los
gránulos conforme aumenta la hidratación de los polímeros de glucosa. La
temperatura inicial de transición (Ti, típicamente ~ 450 C) presentada en estudios
por DSC refleja el inicio de este proceso, la cual es seguida por una temperatura pico
(Tp , típicamente ~ 600 C) yuna temperatura final (Tf, típicamente 750 C).Después de
Tf, todas las dobles hélices de la amilopectina se han disociado, aunque la estructura
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 24
de los gránulos hinchados se retendrá hasta que se aplique mas calor y temperatura.
El intervalo de temperaturas Tf – Ti ( = R) representa el periodo de gelatinización y
la entalpía de gelatinización (∆H) se calcula en base a este intervalo. La
temperatura de gelatinización
depende del contenido de agua.
calientan mezclas de agua-almidón
60%), se observan
presumiblemente,
a
bajos
contenidos
de
Si
agua
se
(35-
dos temperaturas de fusión. La explicación es que,
parte de
los cristalitos están en posición de absorber
suficiente agua como para fundir a temperaturas más bajas, mientras que poco agua
remanente queda disponible para la fusión de los cristalitos restantes. Debe
resaltarse que la difusión del agua en los sistemas concentrados de almidones puede
ser muy pequeña. La fusión ocurre en un rango más amplio de temperatura a
bajos contenidos de agua, indicando que los cristalitos son menos perfectos. El
calentamiento en combinación con el contenido de agua puede alterar los cristalitos
antes de que ellos fundan. A contenidos de agua mayores al 60% se presenta
solamente una temperatura de fusión. La fusión no
implica necesariamente que
toda la estructura supermolecular desaparece,
persiste
un
considerable
enredamiento de las cadenas de amilopectina, y posiblemente persista parte de la
estructura de las hélices mas largas.
3ª. A temperaturas más altas (~ 95 0 C) el hinchamiento
se
vuelve
excesivo.
Virtualmente toda la amilosa es lixiviada de los gránulos. Esto es prácticamente una
separación de
gránulos
fase entre la amilosa y la amilopectina. Se observan aún
altamente
hinchados de
forma
irregular,
pero
no
deben
considerarse como que tienen una pared o membrana: la amilopectina se
mantiene unida
por
enlaces covalentes
hinchamiento causa un gran incremento
especialmente
a altas
hinchamiento
varía
concentraciones
mucho
entre
los
y
en
de
por
la
enredamientos. El
viscosidad
almidón.
diferentes
El
tipos
aparente,
grado
de
de
almidón.
Cuando la mayoría de los gránulos ha pasado por este proceso, se considera
que el almidón ha formado una pasta. En una gran cantidad de casos
capacidad
de
es esta
formar pastas viscosas lo que imparte al almidón su
funcionalidad como un ingrediente en formulaciones de alimentos.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 25
4ª. A temperaturas aún más altas, los
fragmentos, especialmente
bajo
gránulos
agitación
se romperán
vigorosa.
Esto
en
pequeños
puede
ser
tanto por un desenredamiento como por rompimiento de las moléculas de
amilopectina.
Esto
causa
nuevamente. Durante el proceso
que
la
viscosidad
aparente
disminuya
de liberación de moléculas poliméricas,
las pastas a menudo desarrollan una textura hulosa cohesiva.
Cuando las pastas resultantes se enfrían, la claridad disminuye y la viscosidad tiende a
elevarse
y en el caso de almidones de cereal tales como el maíz y el trigo, las pastas
forman un gel si la concentración es suficientemente alta.
Desde una perspectiva mecánica, el calentamiento del almidón en agua causa el
rompimiento de los puentes hidrógeno entre las cadenas de polímeros, debilitando al
gránulo. Se cree que el hinchamiento inicial se lleva a cabo en las regiones amorfas donde
los enlaces de hidrógeno son menos numerosos y el polímero es más susceptible de ser
disuelto. Conforme la estructura comienza a debilitarse, los gránulos embeben agua y se
hinchan. Dado que no todos los gránulos gelatinizan simultáneamente, pueden existir
diferentes grados de hinchamiento y de desorganización estructural. El grado de
hinchamiento y desintegración del gránulo al igual que la lixiviación de la amilosa,
dependen del tipo y concentración del almidón, temperatura, presencia de otros solutos y la
cizalla o agitación aplicada durante el calentamiento.
La técnica mas utilizada durante la última década para el estudio de la gelatinización de
almidones es la calorimetría diferencial de barrido (DSC, por sus siglas en inglés) [3]. En
los equipos de DSC disponibles actualmente, se monitorea la diferencia de flujo de calor
que se suministra a la muestra y a una referencia para mantener condiciones isotérmicas; la
muestra y la referencia se colocan en hornos con sistemas de calentamiento que trabajan
individualmente. Si ocurre una transición exotérmica, la temperatura de la muestra tenderá
a adelantarse a la de referencia, en este caso el flujo de calor del DSC hacia la muestra
disminuye para mantener la misma temperatura. Si ocurre una transición endotérmica,
suministra más calor a la muestra para mantener la temperatura.
En la Fig. 4.1 se muestra una curva típica obtenida por DSC de un almidón de cereal
con un contenido de agua de 50%. Las transiciones endotérmicas a baja temperatura M1 y
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 26
M2 (térmicamente irreversibles)
reflejan la fusión de los cristalitos de amilopectina, como
ya se menciono en párrafos anteriores. Mientras las transiciones a mayor temperatura M3 y
M4 (térmicamente reversibles) se han atribuido a procesos de orden-desorden
de los
complejos amilosa lípido con diferentes grados de organización helicoidal [7].
Fig. 4.1 Curva típica de un almidón de cereal (50% sólidos) demostrando las distintas
transiciones térmicas y los dominios estructurales en donde se presentan estas transiciones.
4.1.3 Cambios en viscosidad. [8-10]
Generalmente, los gránulos de almidón se cocinan en mucha agua y se utilizan como
fluidos calientes o fríos o como geles,
tanto en la industria textil como en la del papel y la
de alimentos. Se acostumbra referirse a las suspensiones de almidón en agua que son
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 27
fluidas, como pastas de almidón, y este término se utiliza para designar aún aquellas que
están muy diluidas y no presentan empastamiento o espesamiento aparente.
La prueba industrial más importante que se utiliza para caracterizar almidones es la de
viscosidad en pastas. Es reconocido que para obtener una medida de la viscosidad real de
una pasta caliente, esta debe determinarse a concentraciones muy bajas. A concentraciones
altas las pastas se desvían del comportamiento Newtoniano de un fluido viscoso. Aunque
para propósitos industriales se trabaja con pastas a concentraciones altas que presentan un
comportamiento viscoso anómalo, dentro de la industria
aparente” se le refiere
del almidón a esta “viscosidad
simplemente como viscosidad y permite una predicción adecuada
del desempeño industrial del producto.
Existen cinco métodos básicos prácticos para determinar la viscosidad de un fluido o
suspensión: a)medición de flujo a través de tubos; b) medición de la velocidad de descenso
en un cuerpo sólido a través del líquido; c) con viscosímetros rotacionales ; d) con
viscosimetría vibracional y e) mediante la utilización de técnicas empíricas.
Es importante reconocer que numerosos alimentos son tan complejos que en muchos
casos no es posible medir sus propiedades reológicas fundamentales. Solamente equipos de
prueba empíricos son capaces de proporcionar un medio para caracterizar estos alimentos.
Las técnicas
alimentos.
empíricas son un factor valioso y de práctica común en la industria de los
Uno de las técnicas empíricas más utilizadas
para determinar los cambios en
viscosidad en materiales cuya base es el almidón se miden comúnmente con instrumentos
llamados viscoamilógrafos (C.W. Brabender, Inc., South Hackensack, NJ) y analizadores
de viscosidad rápidos (RVA) (Newport Scientific Pty. Ltd, Warriewood, NSW, Australia).
Estos viscosímetros trabajan con programas
enfriamiento
que controlan el mezclado, calentamiento y
lo que genera perfiles altamente reproducibles de gelatinización y
empastamiento. La mayoría de los almidones comerciales salen al mercado sobre la base de
especificaciones de los viscosímetros. Y los resultados obtenidos con estas técnicas han
probado ser útiles para evaluar la calidad del almidón y su comportamiento como agente
espesante en muchos sistemas de alimentos. Estos resultados se reportan en unidades
arbitrarias de medición: unidades Brabender (BU) y unidades Visco rápidas (RVU) para el
viscoamilógrafo y el RVA respectivamente.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 28
Los viscoamilógrafos consisten de un recipiente que gira, generando una velocidad de
corte constante, y un elemento suspendido. El torque se mide en el elemento superior
durante la rotación del recipiente y se registra en una gráfica- denominada termogramacomo una señal de viscosidad (expresada arbitrariamente como unidades Brabender, BU)
contra tiempo. Una prueba completa en el viscoamilógrafo consiste generalmente de cuatro
etapas térmicas distintas mientras el recipiente gira a velocidad constante, estas etapas son:
calentamiento, retención a temperatura constante, enfriamiento y nuevamente retención a
temperatura constante. En cierta medida, el perfil de viscosidad puede considerarse como
los cambios granulares durante la gelatinización, estos cambios se muestran de manera
esquemática en la Fig. 4.2.
Fig. 4.2 Representación esquemática de los cambios granulares con relación a la viscosidad
medida en un viscoamilógrafo.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 29
La figura anterior puede entenderse de la siguiente manera [3]: durante la fase de
calentamiento se registra un incremento en viscosidad conforme los gránulos empiezan a
hincharse en este punto, los polímeros de bajo peso molecular, particularmente las
moléculas de amilosa, empiezan a lixiviar de los gránulos. La viscosidad pico es obtenida
durante la formación de las pastas cuando hay una mayoría de gránulos hinchados intactos
y cuando aún no ocurre la alineación de los polímeros solubilizados dentro del campo de
corte del instrumento. Durante la etapa de retención (a 90-950 C) los gránulos empiezan a
romperse, continúa la solubilización de los polímeros y se presenta el alineamiento
molecular. En este punto, se registra una caída en la viscosidad. Durante la fase de
enfriamiento, la amilosa y la amilopectina solubilizadas empiezan a reasociarse, y se
registra otro aumento en viscosidad. En general, aquellos almidones que pueden
gelatinizarse y formar pasta con rapidez en el viscoamilógrafo, entre mas amilosa
contengan más dramático es su aumento en viscosidad. Dependiendo del tipo de almidón,
del nivel de sólidos, del pH y del régimen de calentamiento se pueden generar varios
perfiles de viscosidad.
4.1. 4 Cambios reportados durante la nixtamalización.
Durante la nixtamalización y la molienda se modifica la estructura y propiedades del
almidón de maíz [11 y 12]. Los gránulos de almidón sufren una gelatinización parcial
durante la cocción la cual es acompañada por un limitado hinchamiento y solubilidad.
Estudios de microscopia [13 y 14] han demostrado diferencias en la estructura de las distintas
partes del endospermo que indican que el almidón que se encuentra en la parte cercana a la
aleurona es el más afectado por la nixtamalización, así como el endospermo harinoso pero
en menor proporción. Durante el reposo tanto el hinchamiento como la solubilidad se
incrementan; al molerse este maíz ya nixtamalizado, ocurre una mayor gelatinización y
además se permite la liberación y dispersión de los gránulos hinchados [15]. La masa
obtenida tras la molienda puede ser considerada como una red donde los polímeros de
almidón solubilizado (fase continua) soportan a los componentes dispersos (gránulos
crudos e hinchados, lípidos suspendidos y fragmentos de germen). Un aspecto crítico en la
calidad de la tortilla es la textura de la masa la cual es modificada por diversos factores
tales como la variedad del maíz, el tipo de endospermo, las condiciones de molienda y
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 30
también en gran medida por la homogeneidad y grado de hidratación de los granos así
como del grado de gelatinización del almidón [16]. Además de estos factores, se ha
conjeturado que la presencia de las gomas solubles del pericarpio y la saponificación de los
lípidos del germen contribuyen a obtener masas de buena calidad [17]. Las dos condiciones
de procesado que más influyen en la consistencia de la masa son el tiempo de cocción y el
grado de molienda, una masa muy cocida y con un alto grado de molienda llevara a tener
una mayor cantidad de almidón gelatinizado, el cual producirá masas pegajosas y sin
consistencia que no serán adecuadas para la producción de tortillas [18].
Se han presentando estudios que indican que el calcio se incorpora en el endospermo [19
y 20]
y se han sugerido dos posibles mecanismos de enlace del almidón con el calcio. 1) Se
ha reportado que la combinación de hidróxidos de metales alcalinos con almidón lleva a la
formación de “álkali starchates” (en inglés) [21 y 22] de acuerdo a la reacción:
St – H + Metal-OH D St – Metal + H2 O
(1)
(Se empleará St para designar al almidón, como contracción de su nombre en inglés
“starch”). De esta manera se podría considerar que estos enlaces con metales alcalinos,
incluido el calcio,
forman
“puentes de entrecruzamiento” entre moléculas de almidón a
través de interacciones iónicas y los iones H+ se consumen por los grupos hidroxilo
presentes en un medio alcalino. Esta reacción explicaría porque baja el pH cuando se
agrega almidón a una solución con hidróxido.
También se ha propuesto que el enlace podría ocurrir 2) al debilitarse los puentes de
hidrógeno de las moléculas de agua [23] -que están enlazadas naturalmente a las moléculas
de almidón- debido a la presencia del catión calcio. Se podrían formar también “puentes de
entrecruzamiento” por los cationes calcio con el siguiente esquema:
H
St – O
Ca
O
H
H
O
O – St
(2)
H
Otros autores también han discutido la influencia de los iones sobre la estructura del
agua (sea para romper o aumentar la red de enlaces hidrógeno de las moléculas de agua,
dependiendo de la densidad de carga y del tamaño del ión) y la interacción electrostática
entre los iones y las cadenas de almidón [24].
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 31
Estas reacciones del almidón con el calcio se mencionan –en la literatura [24,25]- como
rutas de entrecruzamiento entre moléculas de almidón debido al tratamiento del almidón en
una suspensión acuosa con hidróxido de calcio. En trabajos con maíz nixtamalizado se
reporta un ligero decremento en el nivel de gelatinización debido al cocimiento alcalino [13,
26 y 27]
comparado con el de maíz cocido con agua solamente, que podría explicarse
considerando las reacciones anteriores ya que este tipo de comportamiento lo presentan los
almidones entrecruzados. Se ha sugerido que la concentración de cal afecta el grado de
entrecruzamiento [23 y 25], sin embargo los reportes parecen ser contradictorios. En el
trabajo con harinas de maíz desgrasadas [25] se propone a que a bajas concentraciones de
hidróxido de calcio (< 0.2%) el Ca penetra en el gránulo y provoca la destrucción de zonas
cristalinas. Al incrementarse la concentración, las interacciones se dan principalmente en la
superficie de los gránulos incrementando su rigidez lo cual lleva a una disminución en la
capacidad de absorción de agua y del grado de gelatinización.
La disminución que
observaron en la solubilidad les llevó a sugerir que a altas concentraciones también podrían
presentarse entrecruzamientos intermoleculares con los cationes. Sin embargo en el trabajo
con tortillas [23] se reporta que la cristalinidad aumenta a bajas concentraciones de
hidróxido de calcio (~< 0.4%) y se propone que a estas concentraciones los cationes
inducen entrecruzamientos en el almidón lo que previenen el hinchamiento y colapso de la
estructura. A concentraciones mayores coinciden en la propuesta de los otros autores
respecto a la posibilidad de que en este caso las interacciones se den principalmente en la
superficie del gránulo.
El efecto de la concentración de calcio también es mencionado por Oosten [21], quien
propone que a bajas concentraciones los cationes
penetran en el gránulo generando un
potencial de Donnan por el reemplazo de iones hidógeno por cationes de calcio, que tiende
a repeler los iones hidrógeno retrasando la gelatinización; al incrementarse la concentración
de cationes en el interior de gránulo esté potencial disminuye y se reduce el poder de
exclusión de los aniones los cuales actúan como agentes gelatinizantes. En general se
considera que hace falta más investigación para elucidar las interacciones específicas entre
los iones y el almidón y poder predecir sus efectos sobre la gelatinización.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 32
Algunos autores mencionan el término formación de “complejos de almidón con
calcio” durante la nixtamalización [28 y 29]. Este término de “complejos de almidón” no es
muy claro ya que se usa para designar el enlace de una molécula huésped tanto en los
espacios intergranulares del almidón como entre la matriz del mismo almidón así como
también para el envolvimiento de la molécula en el interior de una hélice de amilosa [22].
Por lo que los complejos de almidón pueden consistir de mezclas físicas parcialmente o de
verdaderos complejos de inclusión formado por interacciones dipolares, enlaces de
hidrógeno con la molécula huésped y/o interacciones del tipo clatrato dentro de las
moléculas de almidón, como es el caso de los complejos de amilosa formados con la
amilosa y el yodo y los ácidos grasos. Estos autores sin embargo no describen los
complejos a los cuales se refieren, por lo que pudiera inferirse que solo utilizan este termino
para referir que se presentan interacciones entre almidón y calcio pero sin especificar cuales
podrían ser.
Se ha conferido un papel relevante a los cambios estructurales del almidón del maíz, en
la modificación de las propiedades reológicas del nixtamal, la masa y las tortillas. Algunos
autores han postulado que la interacción del calcio con el almidón podría ser responsable
de los cambios estructurales que afectan el comportamiento viscoso de las harinas de maíz
obtenidas del cocimiento del grano en agua con cal [25]. Estos autores trabajaron con
harinas de maíz crudo molido que posteriormente sometieron a cocción con agua y cal y
propusieron dos diferentes mecanismos de interacción en función de la concentración de cal
utilizada: a bajas concentraciones de cal (~< 0.4 %) el volumen del grano se incrementa
debido al reemplazo de protones con cationes, lo que lleva a disminuciones en la
temperatura de la viscosidad pico; mientras que a concentraciones mas altas de cal los iones
calcio estabilizan los gránulos, como ya se mencionó anteriormente, y la viscosidad pico
determinada con el viscoamilógrafo Brabender tiende a ser eliminada. Gomez et al [12],
han indicado que los gránulos de almidón se encuentran densamente empacados en las
células del endospermo en pastas de maíz crudo y nixtamalizado y por tanto estas no
muestran un claro pico en sus viscoamilogramas, en contraste con el de la masa que si
presentó una marcada viscosidad pico. Aunque un comportamiento similar en la viscosidad
ha sido reportado por Campas-Baypoli et al [30], Robles et al [27] y Tonella et al [31]en maíz
nixtamalizado
en
laboratorio,
en
el
trabajo
de
Campas–Baypoli et al [30] los
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 33
viscoamilogramas de las masas no mostraron la viscosidad pico encontrada por Gomez et
al[12], y sus resultados fueron atribuidos a un incremento en los enlaces dentro de los
gránulos de almidón. Del Valle et al [32] han señalado que esta literatura sobre el
comportamiento de la viscosidad
tratado del nixtamal y la masa es contradictoria. Los
resultados de su investigación muestran una ausencia de viscosidad pico en los
viscoamilogramas del nixtamal y se sugiere que el comportamiento de la viscosidad es
modificado por los entrecruzamientos formado por el calcio con las cadenas de almidón y
que el grado de entrecruzamiento depende de la concentración de cal y del tiempo de
cocción. Mediciones de difusividad térmica, IR, constante dieléctrica y conductividad
eléctrica de tortillas de maíz parecen confirmar la formación de puentes calcio [23]. Como
ya se mencionó con anterioridad en este último trabajo se proponen dos distintos
mecanismos para la interacción de los iones calcio con el almidón: hasta concentraciones
de 0.2%, los iones promueven la formación de entrecruzamientos con el almidón, a
concentraciones más altas los iones calcio se anclan en la superficie de los gránulos de
almidón.
Muchos de estos cambios tienen marcada influencia en las propiedades de los productos
intermedios y finales, como son: cohesión, rolabilidad, elasticidad, color, olor y sabor de las
tortillas. En particular, no es posible preparar tortillas a partir de maíz sin nixtamalizar con
iguales propiedades mecánicas y sensoriales que aquellas preparadas de maíz nixtamalizado
[33].
4.1.5 Objetivos y justificación.
Aunque hay diversos estudios sobre el comportamiento de las propiedades funcionales
del almidón durante la
nixtamalización, la revisión bibliográfica indica que aún hace falta
investigación para saber como son afectadas estas propiedades por cada una de las variables
del
proceso de
nixtamalización -concentración de cal, tiempo de cocción y tiempo de
reposo-. En particular solo se encontró reportado un trabajo sobre el comportamiento de la
viscosidad tomando en cuenta la variación de estos tres parámetros. Por lo que el objetivo
de esta parte del estudio es determinar el efecto que este conjunto de variables tiene sobre
el comportamiento de las propiedades funcionales de los almidones de maíz nixtamalizado.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 34
4.2 DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.2.1 Calorimetría Diferencial de Barrido.
El análisis térmico se realizó de acuerdo a Paredes-López y Hernández-López [34], en
un calorímetro diferencial de barrido, TA Instruments 2010 (New Castle, DE) previamente
calibrado con Indio. Se pesaron directamente 2mg (en base seca) de harina en
portamuestras de aluminio, se agregaron 20µl de agua destilada para obtener suspensiones
con 65-75% de contenido de humedad, se sellaron los portamuestras y se permitió un
reposo de 1hr para equilibrar las muestras. La velocidad de calentamiento utilizada fue de
100 C/min, en un rango de 30 a 1000 C, bajo una atmósfera inerte de nitrógeno. Se utilizó un
portamuestra vacío como referencia en todas las mediciones.
4.2.2 Determinación de solubilidad y capacidad de hinchamiento.
Se calentaron 0.25 gr de harina y 5 ml de agua desionizada durante 15 min, en tubos de
centrífuga previamente pesados[25]. El calentamiento se efectúo a
80 y 900 C, con
agitación. Al terminar el calentamiento, las suspensiones se dejaron enfriar al medio
ambiente y después se centrifugaron los tubos (1000 x g 15 min). Se decantó el
sobrenadante y se pesaron los tubos, la ganancia en peso se utilizó para calcular el poder de
hinchamiento. El almidón soluble se calculó en los sobrenadantes por el método de fenolácido sulfúrico de Dubois et al [35]. En un tubo se colocó 1ml de sobrenadante, a cada tubo
se le añadió
1ml de fenol al 5% y 5ml de ácido sulfúrico concentrado –lentamente y
directo al centro de la muestra. Esta solución se dejó reposar por 10 min y se agitó, se
permitieron otros 10 min de reposo antes de leer a 490 nm en un espectrofotómetro DU-640
(Beckman Instruments, Inc. Fullerton, CA, USA).
4.2.3 Mediciones con viscoamilógrafo Brabender
Se determinó la viscosidad de pastas de endospermo al 7% de almidón en un
viscoamilógrafo Brabender (Modelo 801020) con calentamiento automático (1.50 C/min) y
sistema de agitación (75 rpm). Se pusieron 7.3 gr de harina con 92.7 gr de agua destilada
en la vasija del viscoamilógrafo y se calentó esta suspensión hasta 900 C, se mantuvo esta
temperatura por 10 min y después se enfrió a 500 C.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 35
4.2.4 Análisis estadístico
Los experimentos de nixtamalización se ajustaron a un diseño factorial 2 x 6 en dos
bloques al azar. Los factores y niveles evaluados fueron: tiempo (30 y 60 min),
concentración de cal (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 % , en base al volumen del agua, p/v) y como
factor de bloqueo (FB) se considero si el proceso se realizaba con o sin reposo. El análisis
de varianza se realizó en los datos obtenidos por DSC y en los determinados para capacidad
de hinchamiento y solubilidad. Las diferencias de medias se determinaron por el método de
Duncan utilizando una significancia del 95% con el paquete estadístico Statgraphics plus v.
4.1.
4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.3.1 Propiedades térmicas
En la Tabla 4.1 se muestran los resultados de las de las características térmicas
evaluadas por DSC. El análisis de varianza indicó que el tiempo de cocción fue el único
factor que afectó significantemente a todas las características; mientras que el reposo tuvo
un efecto significativo solamente en la temperatura pico de transición (Tp ), Tabla 4.2. La
temperatura inicial (Ti) y la temperatura pico (Tp ) de gelatinización tienden a incrementarse
con el tiempo de cocción; mientras que el intervalo de gelatinización ( R ) y la entalpía de
gelatinización (∆H) presentan un comportamiento contrario, Tabla 4.1. Es evidente que a
mayores tiempos de cocción se tendrá más almidón gelatinizado y por tanto los valores de
entalpía serán más bajos. Ya que los gránulos más débiles gelatinizan primero, también son
de esperarse valores mas altos de temperatura inicial y pico en muestras cocidas por más
tiempo [36].
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 36
Tabla 4. 1. Efecto de la concentración de cal, del tiempo de cocción y del reposo en las
características térmicas de las harinas nixtamalizadas, evaluadas por DSC.
Reposo
Sin
Temperatura
Temperatura
Intervalo de
∆H
Tiempo
Cal
inicial
pico
Gelatinización
de cocción
(%, w/v)
(°C )
(°C )
(°C )
(J/g)
30 min
0
70.9 c,d,e,f,g,h
76.2 d,e,f,g,h
14.35 c,d,e,f,g
5.8 c,d,e,f,g
0.2
68.15 h
76.15 d,e,f,g,h
17.25 a,b,c
6.55 a,b,c,d,e
0.4
69.45 g,h
75.6 h
18.1 a
7.25 a,b,c
0.6
69.45 g,h
75.8 g,h
17.35 a,b,c
7.45 a,b,c
0.8
69.8 f,g,h
75.7 g,h
14.7 b,c,d,e,f,g
7.05 a,b,c
1.0
69.05 h
75.95 f,g,h
17.5 a,b,c
7.6 a,b
0
70.95 c,d,e,f,g,h
78.4 a,b,c,d,e,f
14.55 c,d,e,f,g
4.9 e,f,g,h
0.2
73.55 a,b,c,d
78.6 a,b,c,d,e
14.4 c,d,e,f,g
4h
0.4
74.95 a,b
79.05 a,b,c
15.25
4.05 h
reposo
60 min
a.b,c,d,e,f,g
0.6
73.15
a.b,c,d,e,f
78.7
a,b,c,d
15.45
4.95 d,e,f,g,h
a.b,c,d,e,f,g
Con
30 min
reposo
60 min
0.8
73.35 a.b,c,d,e,f
78.1 b,c,d,e,f,g,h
12.65 f,g
3.55 h
1.0
72.85 a.b,c,d,e,f,g
78.2 b,c,d,e,f,g
12.65 g
4h
0
70.2 e,f,g,h
76.45 d,e,f,g,h
15.4 a.b,c,d,e,f,g 6.2 b,c,d,e,f,
0.2
70.15 e,f,g,h
76.5 c,d,e,f,g,h
14.7 b,c,d,e,f,g
6.2 b,c,d,e,f
0.4
69.75 f,g,h
76.04 e,f,g,h
17.05 a,b,c,d
6.4 a,b,c,d,e
0.6
70.6 d,e,f,g,h
77.3 b,c,d,e,f,g,h
16.65 a,b,c,d,e
8a
0.8
70.1 e,f,g,h
76.8 b,c,d,e,f,g,h
16.45 a,b,c,d,e
6.6 a,b,c,d
1.0
69.75 f,g,h
76.8 b,c,d,e,f,g,h
17.99 a,b
7.3 a,b,c
0
73.85 a,b,c,d
78.62 a,b,c,d
13.7 e,f,g
4.45 g,h
0.2
74.45 a,b,c
79.3 a,b
13.85 d,e,f,g
4h
0.4
71.55 b,c,d,e,f,g,h 77.55 b,c,d,e,f,g,h 15.1 a.b,c,d,e,f,g 6.15 b,c,d,e,f
0.6
73.15 a.b,c,d,e,f
79.25 a,b
0.8
74.2 a,b,c,d
80.95 a
15.95 a.b,c,d,e,f
4.7 f,g,h
14.85
4.05 h
a.b,c,d,e,f,g
1.0
a-h
75.35 a
80.95 a
15.3 a.b,c,d,e,f,g
Letras diferentes en la misma columna indican diferencias estadísticas (P<0.05)
4.05 h
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 37
Tabla 4.2. Resumen del análisis de varianza de las características evaluadas por DSC.
_________________________________________________________________________
Cuadrados medios
Fuente de Variación
Df
Ti
Tp
R
∆H
_________________________________________________________________________
FB (Reposo)
1
2.34
4.21*
0.32
0.03
A:Concentración de cal
5
0.11
0.45
2.81
B:Tiempo de cocción
1
80.66*
43.68*
23.58*
0.73
36.38*
Interacciones:AB
5
1.21
0.19
1.07
0.65
_________________________________________________________________________
FB= factor de bloqueo
Ti = temperatura inicial de gelatinización
Tp = temperatura pico de gelatinización
R= intervalo de gelatinización (Tf – Ti )
Tf= temperatura final de gelatinización
∆H= entalpía de gelatinización
* Significativo al 0.05% (P <0.05)
El reposo también causó que Tp se incrementara, Tabla 4.1. Cuando una suspensión de
almidón se mantiene a temperaturas por debajo de la de gelatinización, se promueve la
reorganización de las cadenas poliméricas hacia una configuración más estable, este
fenómeno se conoce
como “recocido” (annealing en inglés) y en el caso de que el
almidón este gelatinizado,
fenómenos
pueden
estas condiciones
incrementar
la
promueven su recristalización; ambos
temperatura de gelatinización [37]. Ya que la
temperatura pico de las muestras nixtamalizadas aumentó con el reposo, se asumió que
durante este largo periodo de tiempo se presenta la recristalización y la reorganización de
cadenas por recocido en el almidón, como lo han sugerido Gomez et al [12] y Robles et al
[27].
Al comparar el intervalo de gelatinización de las muestras nixtamalizadas con el
intervalo del almidón del maíz sin nixtamalizar, también se encontró para este último un
valor mas alto (220 C), lo que apoya la hipótesis de que la nixtamalización y tal vez el
método de secado utilizado para secar las muestras, producen un efecto combinado de
recocido y recristalización, reduciendo con esto la distancia entre Ti y Tf. Sekine et al [38]
han reportado un incremento en la temperatura de gelatinización y una reducción en el
intervalo de temperatura de gelatinización en muestras de almidón reposadas a 500 C por
20 hrs.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 38
En general, el intervalo de temperaturas de gelatinización
se incrementó en las
muestras tratadas con cal comparado con el valor de las muestras tratadas sin cal. Este
efecto pudiera deberse a las interacciones de las cadenas del almidón con los iones calcio,
lo que produciría estructuras que se desorganizan en un intervalo mas amplio de
temperatura [24]. Bryant y Hamaker
[25]
han propuesto que la estructura cristalina del
almidón de maíz tratado con cal es modificada por el reemplazo de protones con cationes,
lo que podría a llevar a tener una gama más amplia de ordenamientos cristalinos (como ya
se menciono con anterioridad se presenta la gelatinización en un intervalo de temperaturas
porque van fundiendo cristales con diferentes grados ordenamiento). Por otro lado, el valor
de la entalpía de gelatinización en muestras cocidas con cal por 30 min también aumentó en
comparación con el de las muestras cocidas sin cal. Aunque se ha reportado que la
formación de complejos amilosa-lípidos es una reacción exotérmica que tiende a bajar los
valores de entalpía de gelatinización de los almidones [3],
las investigaciones de otros
autores han señalado que esto sucede cuando la amilosa se encuentra en solución y que
durante la nixtamalización, el almidón de maíz está contenido en las células del
endospermo y las condiciones de humedad a la que está sometida la amilosa son muy
diferentes, por lo que en este caso la organización molecular desarrollada por los complejos
amilosa-lípido le confiere estabilidad a la estructura granular del almidón, aumentando con
esto la entalpía de gelatinización [39]. Por lo que el incremento en entalpía encontrado en
estas muestras podría atribuirse a estas diferencias en la organización de complejos
amilosa-lípido durante la cocción alcalina; sin embargo, hay que señalar que los “puentes”
formados por la interacción de los iones calcio con el almidón durante la nixtamalización,
también podrían llevar a una mayor estabilidad de la estructura del almidón con el
consecuente aumento en entalpía de gelatinización.
4.3.2 Capacidad de hinchamiento y solubilidad.
Los resultados de las evaluaciones de capacidad de hinchamiento y solubilidad de los
almidones de las harinas obtenidas a las diferentes condiciones de nixtamalización se
muestran en la Tabla 4.3.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 39
Tabla 4.3. Efecto de la concentración de cal, del tiempo de cocción y del reposo en la
capacidad de hinchamiento y la solubilidad de las harinas nixtamalizadas.
Reposo
Sin
Solubilidad
Solubilidad
Cal
hinchamiento
hinchamiento
a 80°C
a 900 C
de cocción
(%)
a 80°C (%)
a 90°C (%)
(%)
(%)
30 min
0
9.16 a,b,c
9.9 a,b,c,d,e
6.41 a,b
13.37 a,b
0.2
9.5 a,b,c
10.21 a,b,c,d,e
7.64 a
15.29 a
0.4
9.93 a,b,c
10.62 a,b,c,d
5.68 a,b
12.87 a,b
0.6
10.35 a,b,c
10.71 a,b,c,d
7.12 a,b
11.93 a,b,c
0.8
10.57 a,b
10.85 a,b,c,d
5.87 a,b
11.45 a,b,c
1.0
11.01 a
11.59 a
7.57 a
12.1 a,b,c
0
8.44 b,c
9.3 c,d,e,f
5.57 a,b
9.77 a,b,c
0.2
8.17 c
8.17 f
6.28 a,b
11.09 a,b,c
0.4
8.33 b, c
8.62 e,f
5.74 a,b
9.97 a,b,c
0.6
8.87 a,b,c
9.21 d,e,f
5.71 a,b
12.99 a,b
0.8
8.44 b,c
9.38 c,d,e,f
5.25 a,b
13.66 a,b
1.0
9.48 a,b,c
9.79 b,c,d,e,f
5.62 a,b
9.23 b,c
0
9.08 a,b,c
10.67 a,b,c,d
5.22 a,b
9.76 a,b,c
0.2
9.34 a,b,c
10.95 a,b,c
6.69 a,b
7.83 b,c
0.4
10.18 a,b,c
10.51 a,b,c,d
6.09 a,b
6.09 c
0.6
9.66 a,b,c
11.51 a,b
6.71 a,b
11.69 a,b,c
0.8
10.21 a,b,c
10.26 a,b,c,d,e
6.55 a,b
11.06 a,b,c
1.0
8.37 b,c
10.78 a,b,c,d
5.62 a,b
9.15 b,c
0
8.81 a,b,c
8.55 e,f
4.14 b
8.09 b,c
0.2
9.58 a,b,c
9.67 c,d,e,f
4.14 b
9.14 b,c
0.4
8.95 a,b,c
10.04 a,b,c,d,e
6.63 a,b
9.75 a,b,c
0.6
8.82 a,b,c
9.82 b,c,d,e,f
7.22 a,b
11.65 a,b,c
0.8
9.61a,b,c
9.9 a,b,c,d,e
7.6 a
11.92 a,b,c
1.0
8.62 b,c
9.93 a,b,c,d,e
7.28 a,b
11.09 a,b,c
60 min
30 min
reposo
60 min
a-c
Capacidad de
Tiempo
reposo
Con
Capacidad de
Letras diferentes en la misma columna indican diferencias estadísticas (P<0.05)
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 40
El análisis de varianza, se indica que el tiempo de cocción tiene un efecto significativo
en la capacidad de hinchamiento del almidón y no afecta la solubilidad; mientras que el
reposo tiene un efecto significativo solamente en la solubilidad evaluada a 900 C. La
concentración de cal tampoco demostró tener efectos significativos en estas propiedades,
Tabla 4.4.
Tabla 4. 4. Resumen del análisis de varianza de la capacidad de hinchamiento y la
solubilidad.
_________________________________________________________________________
Cuadrados Medios
Factor de variación
Df
C.h a 800 C
C.h a 900 C
Sol. a 800 C
Sol. a 900 C
_________________________________________________________________________
FB(Reposo)
1
0.04
0.74
0 .01
29.26*
A:Concentración de cal 5
B: Tiempo de coción
1
0.31
0.47
0.90
3.85
5.26*
10.90*
1.49
0.74
Interacción: AB
5
0.55
0.71
0.72
2.25
_________________________________________________________________________
FB= factor de bloqueo
C.h= capacidad de hinchamiento
Sol = solubilidad
Significativo al 0.05 % (P <0.05)
Se ha demostrado que hay una interrelación entre la solubilidad y la capacidad de
hinchamiento [40], sin embargo en las muestras nixtamalizadas el comportamiento de la
solubilidad y el de la capacidad de hinchamiento es diferente: la capacidad de hinchamiento
disminuyó con el tiempo de cocción
y por otro lado, la solubilidad también tendió a
disminuir pero con el reposo (Tabla 4.3). La reducción en la solubilidad ha sido reportada
pero solamente para chips de tortilla, no para nixtamal [12]. Estos autores atribuyeron este
efecto a la contracción estructural y a las interacciones amilosa-lípidos. Ya que los lípidos
pueden formar complejos con la amilosa durante la gelatinización de almidones que los
contengan en su estado nativo [7], es posible que estos complejos sean formados durante la
cocción alcalina utilizada en la nixtamalización, como ya se ha mencionado, y que durante
el reposo se reorganizen de manera más ordenada, como también se ha reportado para
almidones bajo condiciones hidrotérmicas similares [7]. Se supuso que estas estructuras de
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 41
complejos más ordenadas interfieren con el proceso de solubilización, ya que hay
investigaciones que señalan que estos complejos pueden interferir con la lixiviación de la
amilosa y también inhibir el hinchamiento de los gránulos de almidón [41].
Este efecto no resultó significativo cuando la solubilidad de las muestras se evaluó a
800 C, posiblemente porque esta temperatura esta muy cercana a la temperatura pico de
gelatinización
y por tanto el proceso de lixiviación de las moléculas solubilizadas aún no
es muy marcado.
El hecho de que las muestras sin cal presenten también una menor solubilidad cuando
se reposan
parece apoyar la hipótesis de formación y reordenamiento de complejos
amilosa-lípidos durante la cocción y reposo respectivamente a que se somete el almidón de
maíz por un tratamiento hidrotérmico como el de la nixtamalización. En estas muestras no
están presentes los iones calcio y por tanto no es posible que se presente el fenómeno
propuesto de entrecruzamiento de las cadenas poliméricas del almidón por los iones calcio
durante la nixtamalización [25, 27 y 31], el cual se sabe interfiere también con la solubilidad
y capacidad de hinchamiento del almidón.
La reducción en la capacidad de hinchamiento con el tiempo de cocción (Tabla 4.3),
podría atribuirse simplemente a una mayor cantidad de almidón gelatinizado que
presentaría una menor capacidad de hinchamiento. Sin embargo, este aumento
cantidad de almidón gelatinizado también aumenta la
complejos amilosa-lípidos,
Se supuso por tanto
posibilidad de
en la
formación de los
lo cual traería como consecuencia un menor hinchamiento [7].
que los
cambios en capacidad de hinchamiento estas harinas de
endospermo con el tiempo de cocción, pudieran deberse tanto a la mayor cantidad de
almidón gelatinizado como a la presencia de los complejos amilosa-lípidos.
4.3.3 Cambios en viscosidad.
Las Figs 4.3-6 muestran los perfiles de viscosidad de las muestras de endospermo de
maíz nixtamalizado a los dos diferentes tiempos de cocción, con y sin reposo. Los valores
alcanzados por la viscosidad y su razón de cambio son mayores en las muestras cocidas por
30 min (Figs. 4.3 y 4.4) que en las cocidas por 60 min (Figs. 4.5 y 4.6) debido a que el
menor tiempo de cocción ha permitido que la integridad de la mayor parte de los gránulos
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 42
de almidón se haya mantenido y que estos puedan hincharse durante el tratamiento de calor
y agitación al que se someten durante estas pruebas. El cambio en el volumen de los
gránulos hinchados y su capacidad de deformación determinarían, entonces, el rápido
incremento en viscosidad en estas muestras en contraste con las muestras cocidas por 60
min donde más gránulos de almidón ya están gelatinizados y no pueden hincharse más.
En la Fig. 4.3 se observa la presencia de un ligero pico para la muestra cruda durante la
etapa de retención, mientras que las muestras cocidas con y sin cal por 30 min presentan un
incremento continuo en la viscosidad durante el ciclo de retención y tienden a mantener la
misma viscosidad durante el ciclo de enfriamiento. Este último tipo de curvas son muy
similares a
las de un almidón entrecruzado, lo que pareciera concordar con la hipótesis
propuesta de entrecruzamientos del almidón por calcio [24, 25 y 32].
Figura 4.3 Viscoamilogramas de muestras cocidas por 30 min sin reposo, en función del
contenido de cal (%, p/v).
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 43
Figura 4.4 Viscoamilogramas de muestras cocidas por 30 min con reposo, en función del
contenido de cal (%, p/v).
Figura 4.5 Viscoamilogramas de muestras cocidas por 60 min sin reposo, en función del
contenido de cal (%, p/v).
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 44
Fig. 4.6. Viscoamilogramas de muestras cocidas por 60 min con reposo, en función del
contenido de cal (%, p/v).
Sin embargo la muestra cocida sin cal también sigue el mismo comportamiento, la
tendencia a mantener la misma viscosidad durante el ciclo de enfriamiento se presenta
generalmente en almidones altamente entrecruzados [32], por lo que se propone que debe
considerase el efecto de los complejos amilosa-lípidos en el comportamiento de la
viscosidad; como ya se mencionó con anterioridad estos complejos pueden ser formados
durante la cocción en un medio acuoso aún sin cal. Se ha reportado que esta tendencia a
mantener la viscosidad durante el enfriamiento, y que es representativa de un nohinchamiento, se presenta en almidones que contienen lípidos y es atribuida a la presencia
de complejos amilosa-lípidos [42]. Por lo que se infiere que el comportamiento de la
muestra sin cal se debe a la presencia de estos complejos, que también influirían en el
comportamiento de las muestras tratadas con cal pero en este caso en un efecto combinado
con los entrecruzamientos de almidón con calcio.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 45
La viscosidad de las muestras cocidas con cal por 30 min y reposadas tiende a disminuir
ligeramente (Fig. 4.4).
Se sabe que en almidones de maíz con lípidos, en general, la
viscosidad tiende a disminuir cuando se le compara con la de un almidón desgrasado [43],
sin embargo el entrecruzamiento inducido por el calcio en muestras nixtamalizadas con cal
permitiría la formación de una estructura más resistente a la deformación y rompimiento y
la tendencia en la reducción de la viscosidad se vería minimizada en contraposición de la
muestra cocida sin cal, en la cual
al no presentarse este entrecruzamiento la viscosidad
tendería a disminuir fuertemente por efecto de los complejos. Variaciones importantes en la
viscosidad en función del porcentaje de cal utilizado en la cocción no son aparentes a este
tiempo de cocción.
Los perfiles de los viscoamilogramas de las muestras cocidas por 60 min (Figs. 4.5 y
4.6) son parecidos a los de un almidón moderadamente entrecruzado [32]. Esto es de
esperarse en un almidón más gelatinizado donde la posibilidad de formación de
entrecruzamiento con calcio aumentaría debido a la movilidad de las cadenas poliméricas
que ya no están empaquetadas. Por otro lado también el número de complejos amilosalípido se promueve durante la gelatinización [7] por lo que es de esperarse también un
mayor número de complejos en estas muestras con más almidón gelatinizado. El
incremento en la viscosidad de las muestras con reposo (Fig. 4.6) podría deberse
a la
reorganización estructural que se presenta durante el reposo, por recristalización y recocido
[12],
en estas muestras cocidas por mas tiempo y con mayor cantidad de almidón
gelatinizado y que sería mucho más marcado que en las muestras cocidas por menor
tiempo.
Los cambios en las curvas de viscosidad podrían por tanto atribuirse al efecto
combinado de la presencia de complejos amilosa-lípidos y a la formación de
entrecruzamientos del almidón con el calcio.
La viscosidad tiende a incrementarse al aumentar el contenido de cal en la solución de
cocción en muestras sin reposo cocidas tanto por 30 min como por 60 min (Figs. 4.3 y 4.5).
Al llegar a 0.6-0.8% de cal, la viscosidad tiende a disminuir al aumentarse la concentración
de cal a 1.0%. Se ha atribuido el aumento de viscosidad
de almidones tratados con
Ca(OH)2 y NaOH [25 y 44], a la interacción de los iones calcio con las moléculas del
almidón lo cual incrementarían su rigidez
manteniendo su estructura por periodos más
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 46
largos de tiempo antes de que su estructura se rompa. El comportamiento de estas muestras
a altas concentraciones de cal pareciera indicar que el potencial de Donan, formado por la
presencia de estos iones
finalmente decrece y los iones que eran repelidos por éste
penetran al gránulo e inician el rompimiento de los enlaces hidrógeno entre las moléculas
de almidón [21], con lo cual la viscosidad disminuye.
En las muestras con reposo la
viscosidad no sigue un patrón definido con el contenido de cal en el agua de cocción (Figs.
4.4 y 4.6), sin embargo,
reposadas
presentan
si se observo que a mayores tiempos de cocción las muestras
viscosidades
marcadamente
diferentes
dependiendo
de
concentración de cal, lo cual no ocurre en muestras cocidas a menores tiempos.
la
Los
cambios estructurales que se ha reportado ocurren durante el reposo –recristalización y
recocido-
podrían llevar a la modificación del entrecruzamiento y de los complejos
amilosa-lípido, que se presupone se han formado durante la cocción; por lo que encontrar
un patrón de comportamiento en un sistema tan complejo podría ser difícil en un este tipo
de prueba de viscosidad que se considera destructiva sobre la estructura del almidón.
4.4. CONCLUSIONES
El tiempo de cocción tiene un efecto significativo en los parámetros determinados por
calorimetría diferencial de barrido. Tiempos de cocción más largos llevaron a obtener
almidones con mayores temperaturas pico y de inicio y con menores entalpías de
gelatinización debido al incremento en la cantidad de almidón gelatinizado. Con el reposo
se incrementó la temperatura pico probablemente por el efecto combinado de un proceso de
“recocido” y de recristalización. La posible formación de complejos amilosa-lípido y de
entrecruzamientos formados con las moléculas de almidón y el calcio producen una
disminución en la capacidad de hinchamiento y en la solubilidad de las muestras
nixtamalizadas. Sin embargo, fue necesario el reposo para observar este efecto en el
comportamiento de la solubilidad, probablemente debido a la presencia de complejos con
estructuras más grandes y ordenadas formadas durante la etapa de reposo de la
nixtamalización. El efecto de la cal en los parámetros mencionados anteriormente, no fue
aparente excepto por un ligero incremento en el intervalo de temperatura de gelatinización
que fue atribuido a cambios en la organización estructural causada por los iones calcio.
__________________________________________________Propiedades Funcionales, 47
El comportamiento de la viscosidad de estas harinas de endospermo nixtamalizado, es
similar al de un almidón entrecruzado: ligeramente en muestras con menor tiempo de
cocción y moderadamente en muestras cocidas por más tiempo. Sin embargo este
comportamiento puede ser
afectado tanto por los complejos amilosa-lípidos formados
durante la cocción del grano en agua sola o con cal –los cuales tienden a eliminar el
hinchamiento durante el enfriamiento de una pasta-.
Los cambios estructurales que se ha reportado ocurren durante el reposo
–recristalización y recocido- podrían llevar a la modificación tanto de los entrecruzamiento
de las moléculas de almidón por los iones calcio como de los complejos amilosa-lípido, que
se presupone se han formado durante la cocción.
Los resultados obtenidos en esta parte del trabajo de tesis se publicaron en el artículo
"Effect
of
of
Corn
Cooking Time, Steeping and Lime Concentration on
During
Nixtamalization"
M. Mondragón,
Starch
Gelatinization
L.A. Bello-Pérez,
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D. Betancur-Ancona , and J.L. Peña. Starch, 2004, 56, 248-253.
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CAPÍTULO 5
ESTRUCTURA - DIFRACCIÓN DE RAYOS-X
Entre las propiedades que determinan el comportamiento funcional de los almidones,
como el de otros polímeros, se encuentra su estructura macromolecular. Esta se describe
generalmente en términos de los atributos químicos primarios (configuración de cadena,
ramificaciones y distribución
de pesos moleculares). Sin embargo, el almidón es único
entre los carbohidratos que ocurren en la naturaleza porque se presenta en partículas
discretas denominadas gránulos, cuya apariencia depende de la fuente botánica.
Es
reconocida la gran importancia que también tiene la organización física de estos gránulos
en la funcionalidad de los almidones y por tanto en el comportamiento de los productos
alimenticios con formulaciones ricas en almidón [1]. En la última década se han utilizado
diversas técnicas para determinar la organización física de los gránulos de almidón. Estas
técnicas incluyen
birrefringencia óptica, difracción de rayos-X, calorimetría diferencial de
barrido (DSC) y microscopia electrónica. En este capítulo se presentan los resultados de la
evaluación de la organización estructural de las harinas nixtamalizadas mediante estudios
de difracción de rayos-X.
5.1 ANTECEDENTES
5.1.1 Cristales A y B ( hélices dobles) y V (monohélices).
En el capitulo dos se ha mencionado que el almidón es biosintetizado en forma de
gránulos semicristalinos. Los almidones de gránulos nativos contienen entre un 15 y un
45% de material cristalino y producen patrones de difracción de rayos-X que corresponden
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 52
a dos tipos limitantes de polimorfismo (A o B) o a una forma intermedia (C) [2]. Y en
almidones gelatinizados es típico encontrar el patrón V (Fig. 5.1).
Ángulo de difracción 2 θ
Fig. 5.1 Difractogramas de almidones tipo A, B y V.
Los modelos propuestos para los polimorfismos cristalinos están basados en
diseños
estructurales similares siendo las variaciones derivadas de las diferencias en contenido de
agua y en la configuración de empaquetamiento de las dobles hélices. Las hélices dobles se
asocian en pares que están anidadas conjuntamente y que se estabilizan por puentes de
hidrógeno y enlaces de van der Waals para dar
estructuras cristalinas tipo A o B. Se
presupone que las hélices paralelas se presentan en trenzado doble, con giro a la izquieda o
la derecha, empacadas paralela o anti-paralelamente en la celda unitaria. La forma con giro
a la izquierda es energéticamente preferida a la de giro a la derecha, pero se ha demostrado
con simulaciones por computadora de curvas de dispersión de rayos-X de geles de amilosa,
que las dos formas no difractan de manera diferente. El arreglo en antiparalelo es
fuertemente debatido puesto que parece incompatible con el modelo en racimos de la
amilopectina
y con el camino de su biosíntesis [3]. Los modelos mas recientes para las
estructuras A y B están basados en dobles hélices de cadenas de 6 unidades con giro a la
izquierda. En la estructura A estas dobles hélices están empacadas en una celda unitaria
monoclínica (a=2.14, b= 1.172 , c = 1.069 nm, γ= 123.50 ) con ocho moléculas de agua por
celda unitaria.
En la estructura tipo B, las dobles hélices están empacadas en una celda
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 53
unitaria hexagonal (a=b=1.85 nm, c= 1.04 nm) con 36 moléculas de agua por celda unitaria
[4]
(Fig.5.2).
Fig.5.2 Empaquetamiento cristalino de hélices dobles en estructura tipo A y tipo B.
Proyección de la estructura en el plano (a,b).
Otra estructura cristalográfica distinta es la forma V, que se presenta cuando la amilosa
forma los clatratos o compuestos de inclusión mencionados con anterioridad, en donde las
moléculas “huésped” residen en el interior de las hélices, las cuales poseen también 6
residuos de glucosa por vuelta, empacadas en una celda ortorómbica. La estabilidad de la
hélice se verifica, entre otras posibles formas, por la formación de puentes hidrógeno entre
los O-2 y O-3 de glucosas vecinas en la cadena, así como entre los O-2 y O-6 de residuos
de vueltas consecutivas [5]. Muchas moléculas forman con la amilosa complejos de
inclusión. Entre ellos se encuentra el yodo, ácidos grasos, esteres de hidroxi-ácidos,
monoglicéridos, fenoles, halogenuros de arilo, n-butanol, t-butanol y ciclohehano. El
diámetro de la hélice se acomoda entonces al tamaño de la molécula incluida y oscila entre
13.7 y 16.2 Å. Puesto que el interior de la hélice es hidrófobo, las moléculas que se
incluyen en él deben ser también fundamentalmente lipófilas. Estudios por
NMR
han
revelado que el estado preferido para la fase amorfa en los gránulos de almidón es la
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 54
conformación del tipo-V. Por lo que de acuerdo a esta predisposición conformacional, la
formación de estructuras tipo-V se facilitaría
cuando los almidones de cereales que
contienen lípidos son sometidos a tratamientos hidrotérmicos a temperaturas por arriba de
la temperatura de gelatinización, cuando son extruidos, cuando son sometido por periodos
largos a altas temperaturas (90-1300 C) y bajo contenido de humedad (18-45%) o en geles
recién obtenidos. También se ha reportado que las cadena lineales exteriores de la
amilopectina forman complejos.
Los almidones de cereales naturales no exhiben un patrón tipo-V en el análisis de
difracción de rayos-X [6]. Sin embargo, hay evidencia circunstancial de que lípidos
granulares internos (fosfolípidos y ácidos grasos libres) están asociados de alguna manera
con los residuos de glucosa in situ. Por lo que la ausencia de un patrón tipo-V bien definido
puede deberse a las bajas concentraciones de lípido en la región donde se depositan los
almidones de estos cereales.
5.1.2. La amilosa o fracción móvil.
El arreglo de la amilosa y la amilopectina dentro de los gránulos de almidón no es
completamente entendido, aunque se asume que la amilosa existe en el gránulo como una
entidad separada de la amilopectina y que por lo tanto
puede lixiviar del gránulo. Sin
embargo la ubicación precisa de la amilosa dentro del gránulo no es fácil de establecer.
Como resultado de una serie de estudios de entrecruzamiento, se considera que las
moléculas
de
amilosa
se
presentan
como
moléculas
individuales,
inter-dispersas
aleatoriamente entre las moléculas de amilopectina y en estrecha proximidad la una con la
otra, tanto en las regiones amorfas como en las cristalinas. La localización de la amilosa
respecto a la región cristalina o amorfa depende en gran medida del tamaño. Las moléculas
largas de amilosa son capaces de participar en las hélices dobles con la amilopectina,
mientras que las pequeñas son capaces de lixiviar de los gránulos [2].
A pesar de su papel limitado en la formación de cristales, la amilosa puede influir en los
arreglos de hélices dobles en las celdas unitarias interfiriendo con la densidad de
empaquetamiento de las cadenas de amilopectina. El mecanismo no es del todo entendido
pero se asume que es el resultado ya sea de la formación entre amilosa y cadenas de
amilopectina o de la interrupción inducida por la amilosa dentro de las capas amorfas.
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 55
5.1.3. Grado de cristalinidad.
Se han utilizado diferentes técnicas para determinar la cristalinidad del almidón nativo
pero el valor obtenido depende de la técnica utilizada [3]. Reportes de cristalinidad basados
en el contenido total de hélices dobles en los almidones nativos –al cual se le denomina
organización estructural de orden corto y que fue medido por resonancia magnética nuclear,
13
C-NMR- es considerablemente mayor que la cristalinidad determinada por difracción de
rayos-X –que detecta la organización estructural de orden largo conformada por hélices
dobles lo suficientemente ordenadas para producir un patrón de difracción. Bajo
condiciones de gelatinización en exceso de agua, se ha encontrado que la entalpía de
gelatinización refleja principalmente pérdida de orden molecular de orden corto; que como
ya se mencionó, se ha determinado generalmente por NMR [7]. En el caso del almidón de
maíz normal la cristalinidad reportada por NMR fue de 42-43 %, contra la de 38-43 %
reportada por difracción de rayos-X; y en el caso del maíz con alto contenido de amilosa los
reportes fueron de 38% contra 25%. Dada la resistencia de los almidones
con alto
contenido de amilosa a la gelatinización, el contenido total de hélices dobles podría merecer
atención en lugar de considerar solamente la cristalinidad en la evaluación del
comportamiento de los almidones. Otros estudios han demostrado que el contenido de
hélices dobles podría ayudar a explicar varios comportamientos observados en almidones,
como por ejemplo: resultados de difracción por rayos-X en almidón de arroz con
tratamiento térmico indicaron un material amorfo sin embargo, estudios de calorimetría
diferencia de barrido, DSC, en este almidón mostraron un pico muy definido de fusión a los
750 C [7].
La mayoría de los estudios de cristalinidad se han hecho por difracción rayos-X. Sin
embargo, los resultados de cristalinidad obtenidos por esta técnica deben interpretarse con
cautela, tanto por el pequeño tamaño de los cristales como por la variación que se presenta
por la hidratación que presente el almidón. Las dos principales técnicas para determinación
de cristalinidad por difracción de rayos-X, se basan en una comparación interna
y una
externa [3]. En la primera, las áreas que corresponden a la contribución de la difracción del
amorfo y del cristalino se evalúan de acuerdo a Hermans y Weidinger. En el segundo, los
difractogramas se comparan con los de un material 100% cristalino y otro 100% amorfo.
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 56
Tales técnicas son útiles para determinar cristalinidades relativas y para comparar
almidones durante un proceso. Los valores varían entre un 15 y un 40% dependiendo no
solamente del origen y de la hidratación del almidón sino de la técnica utilizada [3]. En
cualquier caso, la cristalinidad tiene que ser determinada bajo una hidratación bien definida
dada su fuerte dependencia con ésta.
La estabilidad de las hélices dobles es relevante en la determinación de la cristalinidad,
tanto si se encuentran empaquetadas en paralelo como si se encuentran aisladas ya que en
procesos en los que el almidón presente gelatinización o retrogradación, se considera que
las hélices se desenredan en el primer caso y tienden a enredarse
nuevamente en el
segundo.
La presencia de agentes que puedan formar complejos con la amilosa también afecta la
cristalinidad de los almidones que sean sometidos a tratamientos hidrotérmicos, pues podría
presentarse
la estructura cristalina tipo-V que interrumpiría las conformaciones formadas
por las hélices dobles.
La técnica de difracción de rayos-X es utilizada para medir la cristalinidad y para
determinar cambios en las estructuras semicristalinas que presentan los almidones nativos.
Los rayos-X son radiación electromagnética con una longitud de onda entre 0.5 –2.5 Å que
pueden ser generados cuando electrones de alta energía golpean un blanco metálico (hierro,
cobre o molibdeno). Los cristales, con su empaquetamiento regular repetitivo de átomos o
moléculas, pueden comportarse como una red de difracción tridimensional cuando incide
sobre ellos esta radiación, ya que la longitud de onda de los rayos-X es del mismo orden de
magnitud
que
el
espaciado
interatómico
[8].
Los
rayos-X
serán
difractados
constructivamente por los electrones de los átomos que se encuentren en planos donde se
cumpla con la ecuación de Bragg [9].
Existen diferentes métodos para realizar las practicas de difracción de rayos-X, que en
general se pueden dividir en dos grandes grupos:
los de Cámara de Difracción y el
Difractómetro de rayos-X. Dentro del primer grupo los rayos difractados se recogen en una
película colocada en una cámara. En estos se encuentra incluidos a) el método de Laue, en
el cual se varía la longitud de onda de la radiación incidente y el ángulo de Bragg se fija, b)
el método de rotación de cristal, en el cual la longitud de onda de la radiación permanece
fija y se varía el ángulo de Bragg durante las mediciones y c) el método de polvos que se
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 57
maneja de manera similar al anterior pero en este caso el cristal es reducido a un polvo muy
fino. El método mas utilizado actualmente para la determinación de estructuras y otras
aplicaciones es el difractómetro de rayos-X. En este método los fotones de los que están
compuestos los rayos difractados se convierten a pulsos eléctricos que son contados por
circuitos electrónicos,
de esta manera el detector puede leer la intensidad de los rayos
difractados; el hecho de que el detector gire, permite la medición a diferentes ángulos.
5.1.4 Cambios reportados durante la nixtamalización.
Se ha reportado que la cristalinidad del almidón de maíz disminuye durante el
cocimiento alcalino, sin embargo durante el reposo la cristalinidad tiende a recuperase por
un proceso de recristalización además de ocurrir también un reordenamiento (por recocido)
del almidón no gelatinizado; sin embargo, durante la cocción de la tortilla se pierde la
mayoría de la cristalinidad [11]. El seguimiento de la evolución de la cristalinidad en
tortillas
preparadas
con
diferentes
concentraciones
de
cal
indicó
que
a
bajas
concentraciones de cal ( < 0.2 %) la cristalinidad aumentaba, comparada con las muestras
sin cal, y que se presentaba una pérdida de cristalinidad al irse aumentando la
concentración de cal, efecto que se atribuyó a la asociación del calcio con las moléculas de
almidón [12].
Los cambios en cristalinidad en harinas de maíz obtenidas a diferentes
tiempos de remojo, mostraron un comportamiento complejo y se sugirió que la
retrogradación del almidón en las tortillas cocidas ocurre porque las áreas cristalinas
remanentes del almidón actúan como un núcleo para las asociaciones del almidón [13]. Así
mismo, en estudios con harinas nixtamalizadas y con almidón cocido en solución con cal se
ha postulado un efecto de disrupción en la estructura cristalina del almidón a bajas
concentraciones de cal [14].
Se ha reportado que la cristalinidad aumenta en maíz extruido con cal, sugiriéndose la
formación de complejos-amilosa lípidos [15].
También la presencia de complejos de
amilosa con lípidos unidos a su vez con calcio ha sido sugerida durante la nixtamalización
[16].
Sin embargo, Toro Vazquez
y Gómez Aldapa [17] han reportado que la extracción de
lípidos libres no afecta los patrones de difracción de los almidones aislados de maíz
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 58
nixtamalizado industrialmente, y concluyen que los complejos amilosa-lípido no se
desarrollan durante la nixtamalización.
5.1.4 Objetivos y justificación.
Considerando los pocos y contradictorios datos sobre la formación de complejos
amilosa-lípido en el maíz nixtamalizado y apoyados en el conocimiento de que las
condiciones de nixtamalización pueden promover la formación de dichos complejos se
pretende obtener información para determinar como cambia la estructura cristalina durante
el proceso de nixtamalización, evaluando directamente muestras de endospermo de maíz
nixtamalizado. Los
complejos amilosa-lípidos formados contribuirían a obtener patrones
característicos de dos polimorfismos, A y V, en las muestras nixtamalizadas.
5.2 DESARROLLO EXPERIMENTAL
5.2.1 Mediciones por difracción de rayos-X
Los estudios de difracción de rayos-X se hicieron en muestras de harina hidratadas
obtenidas del maíz nixtamalizado por 30 y 60 min con 0.0, 0.2 y 1% de cal. La hidratación
de las muestras se realizó un desecador de vacío, a 200 C por 36 hrs y una humedad relativa
de 95%. Esta última condición se obtuvo colocando en el desecador una solución saturada
de BaCl2 . Los patrones de difracción se determinaron en un difractómetro Bruker AXS D8
(Madison, WI) operado a 40 kV, 35 mA y utilizando radiación Cu-Kα (λ=0.154 nm). Los
difractogramas de obtuvieron de 3 a 300 (2θ) con un paso de ángulo de 0.050 . Todos los
difractogramas se normalizaron utilizando el área total bajo la curva del rango de ángulos
de Bragg medido. La cristalinidad relativa se determinó por el método de Wakelin et al [18],
el endospermo del maíz crudo se utilizó como el estándar cristalino. El estándar amorfo de
obtuvo de acuerdo a Bogracheva et al [19]. Una suspensión acuosa al 5% de almidón de
maíz se calentó lentamente a 1000 C con agitación, se dejó a estas condiciones por 1 hr,
después de lo cual se transfirió a un baño de aceite a 1000 C. Se elevó la temperatura del
baño a 1500 C, y al llegar a esta temperatura se enfrió nuevamente a 1000 C. Se sacó la
muestra, se enfrió con agua fría circulante y se liofilizó. El patrón de difracción del almidón
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 59
amorfo se ajustó al patrón de las muestras nixtamalizadas de acuerdo a Murthy y Minor
[20], y se sustrajo para obtener el patrón de la parte cristalina del almidón.
Para evaluar el efecto del tratamiento alcalino en la formación de los complejos-amilosa
lípido, se prepararon soluciones diluidas (5% w/v) de las harinas nixtamalizadas por 30 min
tanto con reposo como sin reposo. Estas soluciones se calentaron a 900 C por 30 min, al
termino de este tiempo las muestras se enfriaron rápidamente a 200 C. Las fracciones
soluble e insoluble se separaron por centrifugación (1,000 x g, 10 min), y se liofilizaron.
Los patrones de difracciones se obtuvieron bajo las mismas condiciones que para las
harinas nixtamalizadas.
5.2.2 Análisis de absorbancia almidón-I2 .
La formación de complejos amilosa lípidos también se estudio midiendo la absorbancia
almidón-I2 de acuerdo a Ghiasi et al [21] con algunas modificaciones. Se prepararon
nuevamente soluciones diluidas (5% w/v) de las harinas nixtamalizadas por 30 min con
0.0, 0.2 y 1.0% de cal, tanto con reposo como sin reposo. Se calentaron por 30 min a 950 C,
posteriormente se enfriaron rápidamente en un baño de hielo, se centrifugaron (1,000 x g) y
se separaron las fracciones solubles. Se agregó un mililitro de una solución diluida de I2 -KI
(2mg/ml I2 + 20 mg/ml KI) a 4 ml de la fracción soluble, después de 20 min se leyeron las
absorbancias a 600nm.
5.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.3.1 Estructuras cristalinas en el almidón nixtamalizado.
Los difractogramas de las muestras nixtamalizadas resultaron ser muy parecidos y solo
se presentan los correspondientes a las muestras cocidas por 30 min. Los difractogramas en
la Fig.5.3A corresponden a las muestras sin reposo y a la muestra cruda. Las reflexiones
del difractograma del endospermo crudo (en los ángulos de Bragg 15.00 , 17.00 , 18.10 y 230
2θ) son característicos de una estructura tipo A típica en cereales, Zobel [22]. Los patrones
de la parte cristalina correspondiente a las muestras cocidas con cal (Fig.5.3B) muestran
una reflexión pequeña a 12.90 y una más grande a 19.80 que corresponden a un
polimorfismo V. El patrón de la muestra cocida sin cal también presenta reflexiones en los
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 60
mismos ángulos. Estudios con
13
C CP/MAS-NMR [23] , han probado la presencia de
complejos amilosa lípido en gránulos nativos de almidón de maíz, pero evidencia de la
coexistencia de los poliforfismos A y V por estudios de difracción de rayos-X solo se ha
encontrado en almidones que contienen mas del 30% de amilosa [22].
Fig. 5.3 Difractogramas de las muestras cocidas por 30 min sin reposo A) y su
correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal (%, p/v).
Sin embargo se sabe que durante la gelatinización de almidones que contienen lípidos,
la amilosa forma complejos cristalinos
condiciones de nixtamalización
helicoidales tipo V [5]. Considerando que bajo las
el almidón del maíz es parcialmente gelatinizado [11], se
presupone que los picos presentes en los difractogramas de las muestras cocidas
corresponden a los complejos formados debido a las interacciones almidón-lípidos durante
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 61
el cocimiento. Las reflexiones correspondientes al polimorfismo V son de mayor intensidad
en las muestras cocidas por 60 min, lo que indicaría que en estas muestras con mayor
cantidad de almidón gelatinizado se ha formado una mayor cantidad de complejos.
Los patrones de difracción de las muestras con reposo y su correspondiente parte
cristalina (Figs. 5.4A y B) son muy similares a los de las muestras sin reposo. Solamente un
pequeño porcentaje del almidón es gelatinizado durante el cocimiento como lo demuestran
los resultados de calorimetría diferencial de barrido.
Fig. 5.4 Difractogramas de las muestras cocidas por 30 min con reposo A) y su
correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal (%, p/v).
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 62
La diferencia entre la entalpía de gelatinización de la muestra cruda (7.8 J/g) y las de las
muestra cocidas por 30 min (con un promedio de 6.6 J/g)
no es muy grande y la
recristalización que ocurre durante el reposo en la nixtamalización [11] no es notorio en
estos patrones de difracción ni en los de las muestras cocidas por 60 min, aún cuando el
promedio de las entalpías de gelatinización de estas muestras fue de 4.3 J/g demostrando un
mayor grado de gelatinización.
La cristalinidad relativa de las muestras nixtamalizadas se muestra en la tabla 5.1. La
cristalinidad de las muestras sin reposo tiende a incrementarse con el contenido de cal. Para
las muestras con reposo, la cristalinidad se incrementa en la concentración 0.2% sin
embargo, tiende a disminuir a valores similares a los de la muestra sin cal, en las
concentraciones mas altas de cal. Rodríguez et al [12] reportaron un comportamiento similar
en el comportamiento de la cristalinidad de tortillas, como ya se mencionó anteriormente,
que fue atribuiodo al entrecruzamiento que lleva a redes más rígidas a concentraciones ce
cal bajas. El comportamiento de las muestras sin reposo parece indicar que durante la
cocción solamente se forman pequeñas cantidades de entrecruzamientos a bajas
concentraciones de cal y por tanto la rigidez del gránulo no se incrementa.
Tabla 5.1
Cristalinidad relativa de las harinas nixtamalizadas por 30 min
________________________________________________________
Cristalinidad relativa (%)
Concentración de cal (%)
sin reposo
_______ con reposo
0.0
89.4
89.6
0.2
89. 3
97.4
___1.0
97.4
88.2___
5.3.2 Efecto del tratamiento alcalino en la estructura cristalina tipo V.
Los patrones de difracción de la fracción soluble de los almidones de maíz
nixtamalizado con 0.0, 0.2 y 1% de cal por 30 min sin y con reposo (Figs. 5.5A y 5.6A)
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 63
presentan un pico en el ángulo de Bragg 19.80 y un hombro en 12.90 2θ, que se asocian con
el polimorfismo V. Los difractogramas de la parte cristalina de estas muestras corroboran la
presencia de el pico característico del polimorfismo V en 12.90 (Fig. 5.5B y 5.6B).
Fig. 5.5 Difractogramas de las fracciones solubles de las muestras cocidas por 30 min sin
reposo A) y su correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal
(%, p/v).
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 64
Fig. 5.6 Difractogramas de las fracciones solubles de las muestras cocidas por 30 min con
reposo A) y su correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal
(%, p/v).
La amilosa acomplejada con lípidos no es lixiviada fácilmente de los gránulos cuando
se calienta con agua [24]. Sin embargo, otros investigadores [21] reportaron la lixiviación de
complejos amilosa-surfactante en la solución acuosa a temperaturas mayores que
850 C.También, Colonna et al [25] han reportado transformaciones de los complejos
amilosa-lípidos en formas extractables durante el tratamiento térmico de almidones de
cereales. Estos reportes podrían ayudar a explicar las reflexiones tipo V en los
difractogramas de la fracción soluble de los almidones. Considerando que las muestras se
secaron a 500 C por 36 h antes de molerlas, y que la fracción soluble se obtuvo calentado las
suspensiones de las harinas a 1000 C, puede asumirse que algunos complejos de amilosa
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 65
pudieron haberse liberado durante el proceso de lixiviación. La retrogradación de la
amilosa lixiviada también ocurre durante el proceso de enfriamiento de la fracción soluble.
Gidley [26] ha postulado que la asociación de la amilosa incluye la agregación en dobles
hélices para formar estructuras tipo B. La reflexión en 170 2θ que se muestra en los
difractogramas de la fracción soluble indican la existencia del polimorfismo tipo B que
correspondería a la amilosa asociada.
Los difractogramas de las fracciones insolubles de las muestras cocidas con 0.0, 0.2 y
0.1% de cal por 30 min sin y con reposo, se muestran en las Figs. 5.7A y 5.8A.
Fig. 5.7 Difractogramas de las fracciones insolubles de las muestras cocidas por 30 min sin
reposo A) y su correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal
(%, p/v).
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 66
Fig. 5.8 Difractogramas de las fracciones insolubles de las muestras cocidas por 30 min con
reposo A) y su correspondiente parte cristalina B), en función de la concentración de cal
(%, p/v).
La pequeña reflexión en el ángulo de Bragg 19.80 2θ, indica que posiblemente se
formen estructuras tipo V en estas fracciones. Ya que el registro es débil, se puede asumir
que los cristales V son muy pequeños y que el ordenamiento es relativamente bajo. Esta
sugerencia es apoyada por la reflexión ancha que se observa a la izquierda de 200 2θ, en los
patrones de la parte cristalina de las fracciones insolubles (Figs. 5.7B y 5.8B) que presentan
la semblanza de un pico en 12.90 2θ. Como se mencionó anteriormente, los difractogramas
de la parte cristalina de estas muestras cocidas con y sin reposo también presentan
reflexiones tipo V (Fig. 5.3B y 5.4B), lo mismo que los patrones correspondientes a sus
fracciones solubles (Fig. 5.5B y 5.6B). Como ya se mencionó en la discusión anterior,
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 67
cuando el almidón se cuece en agua con cal, el calcio puede formar entrecruzamientos entre
las cadenas de almidón [12 y 14] reduciendo la solubilidad de la amilosa y la amilopectina
[27].
Por lo que es posible, que una pequeña cantidad de los complejos formados
permanezca en el sedimento insoluble. La mayoría de los complejos amilosa-lípidos es
lixiviado de los gránulos de almidón cuando las harinas de estas muestras preparadas es
calentada en agua, lo que lleva a señales de difracción del tipo V más fuertes en la fracción
soluble.
5.3.3 Cambios en la absorbancia del almidón-I2 .
La amilosa puede formar complejos helicoidales, no solamente con los lípidos, sino
también con algunos alcoholes y el yodo [28]. Los complejos de amilosa con yodo producen
un color azul; su intensidad puede utilizarse para determinar el nivel de amilosa en la
fracción soluble de las soluciones de almidón [29]. Los resultados de absorbancia de las
muestras sin reposo, con o sin cal, son muy similares (Fig. 5.9). Sin embargo, cuando la
muestra cocida sin cal es reposada se observa un cambio significativo; el nivel de amilosa
lixiviada en los solubles que puede acomplejarse con el yodo es fuertemente incrementado
comparado con el de las muestras con reposo en solución alcalina. Los entrecruzamientos
con cal formados durante el reposo alcalino podrían disminuir la lixiviación de las cadenas
de almidón que acomplejarían con los iones yodo. Los complejos amilosa-lípido también
afectan la solubilización del almidón ( su presencia en muestras con reposo fue demostrada
por sus patrones de difracción, Fig. 5.4) por lo tanto, el comportamiento de la absorbancia
podría ser atribuido a ambos fenómenos. Ya que el entrecruzamiento puede afectar a su vez
la cantidad de cadenas de almidón listas para acomplejar con los lípidos, se postula que la
formación de estos complejos puede ser afectada por las interacciones Ca-almidón. El
examen visual de los patrones de difracción de la fracción soluble de estas muestras
nixtamalizadas con y sin reposo (Figs.5.5 y 5.6) revelan pequeñas diferencias en la
intensidad de los picos en los ángulos 12.90 y 19.80 2θ que pueden tomarse como
indicadores de que los cristales amilosa-lípido han sido modificados. Las diferencias en
cristalinidad relativa (Tabla 5.1) parecen apoyar esta sugerencia. El análisis por difracción
de rayos-X en almidones que mostraban conjuntamente los polimorfismos B y V, sugirió
que el entrecruzamiento afecta el desarrollo de las estructuras cristalinas [30].
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 68
Fig. 5.9 Efecto del calcio en la absorción del yodo en muestras nixtamalizadas.
El cambio en la solubilidad de la amilosa o en el contenido de complejos amilosalípidos afectará las propiedades de la masa y las tortillas, ya que es sabido que los
complejos amilosa-lípidos induce cambios en la viscosidad de los cereales, en la solubiliad
del almidón, en la capacidad de absorción del agua, en la susceptibilidad enzimática y en
las propiedades reológicas y mecánicas [31 y 32] y también que la amilosa lixiviada
contribuye al incremento de la viscosidad aún cuando el hinchamiento de los gránulos no se
modifique [33].
5.4 CONCLUSIONES.
Durante la nixtamalización se desarrollan complejos amilosa-lípido en el almidón del maíz.
Estos complejos de amilosa tipo V pueden ser lixiviados durante la solubilización del
__________________________________________Estructura-Difracción de Rayos-X, 69
almidón. Las reflexiones débiles en los patrones de difracción de la fracción insoluble de
las harinas nixtamalizadas sugiere que las estructuras V también están presentes en los
residuos insolubles. Los resultados de absorbancia parecen confirmar la formación de
entrecruzamientos Ca-almidón durante el tratamiento alcalino. Aparentemente, el reposo
alcalino también afecta la formación de complejos amilosa-lípido, sin
embargo se
necesitan investigaciones posteriores para confirmar esta hipótesis.
Con estos resultados se publicó el artículo “Effect of nixtamalization on
the
modification of the crystal structure of maize starch” M. Mondragón, L.A. Bello-Pérez, E.
Agama, A. Melo, D. Betancur-Ancona,
and J.L. Peña. Carboh. Polymers, 2004, 55,
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CAPÍTULO 6
ESTRUCTURA - REOLOGÍA DINÁMICA
Con las técnicas de caracterización mencionadas en el capítulo anterior solamente se
puede medir organización estructural en gránulos que presentan cristalinidad,
no pueden
discriminar entre las diferentes formas físicas que forma el almidón una vez que ha perdido
su cristalinidad. Solamente las técnicas de determinación de propiedades reológicas de
pastas de almidón
parecen ser capaces de tal discriminación [1]
y dentro de estas
sobresalen las mediciones dinámicas de reología ya que también son capaces de separar las
respuestas elástica y viscosa que presentan los almidones en estado fundido [2], con lo cual
se puede predecir la textura y las propiedades de flujo durante el procesado de los
productos basados en almidones. En este capítulo se analizan y discuten los resultados de
caracterización obtenidos mediante la utilización de métodos dinámicos de reología. Se
determina también el contenido de amilosa aparente como un parámetro indicativo de la
porción de amilosa que esta acomplejada con lípidos [3] y que por tanto representa una
forma estructural que puede ser encontrada en las pastas de almidón.
6.1 ANTECEDENTES
6.1.1. Gelación y retrogradación.
Al enfriarse una pasta de almidón gelatinizado, esta adquirirá la consistencia de una
pasta suave o gel, dependiendo de la concentración. A concentraciones por arriba de la
considerada crítica (> 6 % p/p) , se forma una red tridimensional en donde los gránulos
hinchados (partículas deformables) se encuentran embebidos en una matriz continua de
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 73
moléculas entrelazadas de amilosa. Este complejo compósito polimérico se comporta como
un gel viscoelástico en el que las asociaciones moleculares, que involucran principalmente
enlaces hidrógenos entre cadenas, son mas bien entrecruzamientos físicos que covalentes.
Asumiendo este sistema bifásico, el comportamiento reológico dependerá de las
características tanto de la fase dispersa (gránulos hinchados de amilopectina) como de la
fase continua, así como de sus interacciones con el agua. La gelación del almidón es una
cualidad determinante en alimentos procesados como el pan, las sopas y productos
extruidos.
Los geles de almidón están en estado meta-estables de no-equilibrio y por tanto,
presentan transformaciones estructurales durante el almacenamiento, tienden a reasociarse.
Se empiezan a formar cristales y esto es acompañado por un gradual incremento en rigidez
y por una separación de fases entre el polímero y el solvente (sinéresis). Se considera que
este proceso, colectivamente descrito como retrogradación, tiene una marcada influencia en
la textura, aceptabilidad y digestibilidad de alimentos que contienen almidones [4].
La retrogradación se puede separar en dos procesos: i) la gelación de la moléculas de
amilosa lixiviadas durante la gelatinización
y ii) la recristalización de la amilopectina.
La
gelación es especialmente evidente en almidones que contienen amilosa. Durante el
enfriamiento las moléculas de amilosa
rápidamente se reorganizan fuera del gránulo, ya
que hay menos energía disponible para mantener separadas las moléculas solubilizadas. Su
reorganización les lleva a formar estructuras tipo V en complejos amilosa-lípido y a zonas
de hélices dobles que presentan un patrón de difracción tipo B; estas estructuras actúan
como centros de nucleación que posteriormente van creciendo. Se considera que la
recristalización de la amilopectina se debe principalmente a la asociación de sus cadenas
exteriores y se lleva a cabo de manera mucho mas lenta que la retrogradación de la amilosa,
por lo que se le considera predominante en el proceso de endurecimiento del pan y la
tortilla, por ejemplo, que ocurren aún después de que el producto ya esta frío. Cuando un
producto se retrograda, se nota una creciente rigidez y una pérdida de frescura del producto.
6.1.2. Interacciones amilosa-lípidos.
Los lípidos polares afectan a las pastas de almidón y a los alimentos basados en
almidón en más de una manera [4]: i) producen variaciones en la gelatinización y formación
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 74
de pastas, ii) modifican el comportamiento reológico de las pastas, iii) e inhiben la
recristalización de las moléculas de almidón durante la retrogradación retrasándola. Aunque
el mecanismo exacto de estos efectos no es claro, el se atribuye generalmente a la
formación de complejos de inclusión con las moléculas de almidón (principalmente
amilosa). Aunque los cambios específicos observados dependen de la estructura del lípido
y del tipo de almidón empleado, se pueden
generalizar que los lípidos polares en los
almidones nativos inhiben la gelatinización, la formación de pastas y la retrogradación.
Los lípidos polares pueden acomplejar hasta un 86% de las moléculas de amilosa,
mientras que la amilopectina solamente puede enlazar un 15 % de lípidos por peso unitario.
La habilidad de los lípidos para formar complejos con la amilosa y la amilopectina está
asociada con el largo de la cadena de los lípidos, su grado de instauración y la naturaleza de
sus grupos hidrofílicos.
6.1.3. Caracterización de redes de almidón.
Los geles viscoelásticos de almidón exhiben una respuesta reológica que refleja
características tanto de sólido como de líquido. Se caracterizan por la presencia de una red
tridimensional incompleta que se destruye por aplicación de un esfuerzo y sólo se recupera
parcialmente cuando el esfuerzo es removido. Mientras más completa y resistente a la
ruptura es la estructura, más pronunciada es su elasticidad, y mientras más fácil se rompa su
estructura, mayor es su comportamiento viscoso. Las mediciones de viscoelasticidad
pueden por tanto proveer información del proceso de formación de estructura en almidones
que han perdido la mayoría o totalidad de su cristalinidad [5].
Las zonas de entrecruzamientos físicos de las redes tridimensionales de
los
componentes del almidón, pueden variar en su estabilidad dependiendo del estado
conformacional de las cadenas
poliméricas
y de la cantidad de asociaciones entre
segmentos ordenados de cadena que pueden llevar a niveles mas altos de organización
estructural (agregados). Los factores que afectan las asociaciones
moléculas de los polisacáridos son:
•
la regularidad estructural de las cadenas
•
la calidad del solvente y
de cadenas entre las
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 75
•
la presencia de co-solutos específicos (esto es: iones, azúcares y otros
biopolímeros).
En estos sistemas entrecruzados físicamente, la densidad y el tiempo de vida de las
zonas de enlace gobernarán las propiedades mecánicas de la red y su respuesta a un
esfuerzo aplicado. Sus propiedades viscoelásticas son no lineales, es decir, muestran un
comportamiento no-newtoniano al someterse a cierto esfuerzo, o bien no siguen la ley de
Hooke al someterse a una deformación constante.
Las pruebas dinámicas se han convertido en el método más común de estudio del
comportamiento viscoelástico de un gran número de materiales, incluyendo los alimentos,
debido a que aportan resultados rápidos con mínimos cambios físicos y químicos además
de que también son capaces de separar las respuestas elástica y viscosa que presentan los
almidones, como ya se menciono con anterioridad. Estas pruebas tienen gran variedad de
aplicaciones, por ejemplo: en la evaluación de la fuerza de geles, monitoreo de la
gelatinización del almidón, observación de la coagulación o desnaturalización proteínica,
evaluación de la formación o fusión de cuajada de quesos, y la correlación de las
propiedades reológicas con evaluación sensorial, así como la estabilidad de productos en el
almacenamiento.
En las pruebas dinámicas, las muestras se someten a un movimiento que varía
armónicamente con el tiempo (movimiento oscilatorio), utilizando geometrías específicas,
sólo se pueden aplicar deformaciones (o esfuerzos) considerados bajos para no exceder el
intervalo de viscoelasticidad lineal que hace la recuperación completa imposible.
Ordinariamente se aplica a la muestra una deformación (o esfuerzo) sinusoidal según el
tipo de reómetro utilizado, ocasionando que cierto esfuerzo (o deformación) sea transmitido
a través de ésta y cuya magnitud va a depender de la naturaleza viscoelástica del material.
En materiales muy viscosos, gran parte del esfuerzo se disipa como pérdidas por fricción,
mientras que en los muy elásticos, la transmisión del esfuerzo es acentuada.
Cuando un material es deformado sinusoidalmente a una frecuencia dada ω (rad.s-1 ), la
deformación que sufre con el tiempo (t) puede expresarse como:
γ(t) = γ0 sen (ω t)
(6.1)
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 76
donde γ0 es la amplitud la deformación. La velocidad de deformación de la muestra está
dada por la primera derivada de γ, es decir γ’:
γ’(t) = γ0 ωcos (ω t)
(6.2)
El esfuerzo de corte (σ), también será sinusoidal y tendrá un valor máximo, σ0 . Para un
material elástico lineal, el esfuerzo estará exactamente en fase con la deformación, γ,
mientras que para un líquido puramente viscoso, σ estará exactamente 900 fuera de fase
respecto a γ. Si el material es viscoelástico, el ángulo de desfasamiento (δ) varía entre 0 y
900 , por lo que el esfuerzo de corte con el tiempo, t, se expresaría como:
σ(t) = σ0 sen (ωt + δ)
o
σ(t)= σ0 (sen(ωt)cosδ + senδcos (ωt)
(6.3)
Para materiales viscoelásticos lineales, σ0 es proporcional a γ0 , y la ecuación (3) se
puede separar de acuerdo a :
σ(t)= γ0 [ G’ sen(ωt) + G’’cos (ωt) ]
donde: G’ = (σ0 /γ0) cosδ
(6.5)
G’’= (σ0 /γ0) senδ
(6.6)
(6.4)
G’ es el módulo de almacenamiento y se considera una medida de la energía almacenada y
recuperada por el material en un ciclo. Con respecto a bases moleculares, la magnitud de
G’ depende de los re-arreglos que pueden llevarse a cabo dentro del periodo de oscilación y
se toma como un indicador del carácter elástico o sólido de este material.
G’’ es el módulo de pérdida y se define como el esfuerzo desfasado 900 respecto a la
deformación, dividida por la deformación, en una prueba de deformación sinusoidal. Es una
medida de la energía disipada como calor por el material en un ciclo y es un indicador del
componente viscoso del material. Este comportamiento es generalmente exhibido por redes
entrecruzadas con enlaces no-permanentes que resultan del entrelazamiento de cadenas y
que sufren mayores niveles de arreglo molecular durante la deformación.
Interacciones fuertes entre cadenas ( o sea que presentan tiempos de relajación largos)
contribuyen a G’, mientras enlaces débiles que se relajan rápidamente contribuyen
solamente a G’’. Los enlaces con tiempos de relajación en una escala de tiempo semejante a
las mediciones contribuirán tanto a G’ como a G’’.
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 77
Otra función usada para describir el comportamiento viscoelástico de materiales es la
tangente del ángulo de desfasamiento, denominado tan delta o tan δ, que es también una
función de la frecuencia y que indica la relación entre la porción viscosa y elástica de la
muestra :
tan (δ) = G’’ / G’
Para
(6.7)
entender mejor los parámetros viscoelásticos definidos anteriormente, es
conveniente imaginarse un comportamiento ideal. Si una muestra es un material elástico
ideal (sólido de Hooke), el esfuerzo y la deformación están en fase y δ = 0. por
consecuencia, G’’ = 0 porque no hay una disipación viscosa de energía. En este caso, G’ es
una constante e igual al módulo de rigidez (G).
Si una muestra se comporta como una sustancia viscosa ideal (material newtoniano
ideal), el esfuerzo y la deformación estarán desfasados 900 y δ = π/2; por consecuencia,
G’= 0, porque el material no almacena energía.
La formación
o rompimientos de estructura en sistemas macromoleculares, que sean
resultado de cambios conformacionales, transiciones de estados o interacciones con otros
componentes, se puede detectar
monitoreando la respuesta reológica de la muestra bajo
pequeñas deformaciones.
6.1.4 Cambios reportados durante la nixtamalización.
Es sabido que el proceso de nixtamalización utilizado en la elaboración de tortillas de
maíz, causa cambios importantes en los componentes del grano de maíz que afectan las
propiedades reológicas y mecánicas de la masa y las tortillas [6-8]. El uso de métodos
empíricos en maíz nixtamalizado para determinar cambios en viscosidad ha sido discutido
con anterioridad en el capítulo 4, sin embargo no se encontraron estudios de maíz
nixtamalizado, masa o tortillas donde se contemplaran pruebas dinámicas de reología para
la evaluación de las propiedades reológicas empleara esta técnica de evaluación.
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 78
6.1.5 Objetivos y justificación.
Puesto que hay una carencia de estudios sobre el comportamiento viscoelástico
evaluado por el método dinámico de deformación pequeña, se pretende determinar con este
método los cambios estructurales del almidón durante la nixtamalización con especial
énfasis en encontrar la relación del comportamiento de los módulos
y de tan δ con la
formación de entrecruzamientos propuesto por otros autores, así como de los complejos
amilosa lípidos encontrados y reportados en los capítulos anteriores.
6.2 DESARROLLO EXPERIMENTAL
6.2.1 Mediciones reológicas.
Las pruebas dinámico oscilatorias de amplitud pequeña se realizaron en un reómetro
Carry-Med CSL2 500, (TA Instruments, Surrey, England) utilizando una geometría de
placas paralelas (2cm de diámetro). Primero se determino la región viscoelástica lineal con
un barrido de esfuerzo de 1 a 150 Pa a 250 C y 1 Hz. Posteriormente, se hicieron las
mediciones con un barrido de frecuencia de 2 a 10 Hz. Los parámetros reológicos
dinámicos que se determinados fueron el módulo de almacenamiento (G’), el módulo de
pérdida (G’’) y tan δ. Las mediciones se hicieron por duplicado para cada muestra. Los
errores relativos son del orden de ± 8 %.
6.2.1 Determinación del contenido de amilosa.
El contenido de amilosa aparente se midió de acuerdo al método reportado por
Morrison y Laighnelet [9]. Muestras de harina (100mg) se disolvieron en 10 ml de una
solución de urea-dimetilsulfóxido (1:9, v/v), se calentaron con agitación durante una hora a
1000 C y se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Se transfirieron 0.05 ml de esta solución
y 1ml de una solución de I2 /KI a un matraz volumétrico de 50-mL, se aforo con agua y 15
min después se leyó la absorbancia a 635 nm. El contenido de amilosa se calculó basándose
en el “valor azul” (BV).
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 79
6.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para todas las muestras, el módulo de almacenamiento (G’) fue mucho más grande que
el módulo de pérdida (G’’)(Figs. 6.1 y 6.2 ). Se sabe que para los geles de almidón G’ es
mayor que G’’ [10], tal comportamiento es indicativo del carácter elástico cuando los
materiales forman geles y no pastas que presentan un carácter
fluido[5]. En general, los
módulos G’ de las harinas de endospermo tendieron a incrementarse con la frecuencia (ω)
mientras que los módulos G’’ no parecieron ser modificados por cambios en la frecuencia
(Figs. 6.1 y 6.2.).
6000
30 SR
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
5500
5000
G ' (Pa)
4500
30 CR
5500
5000
4500
4000
4000
Cal ( % )
3500
3500
3000
3000
2500
2500
2000
2000
1500
1500
2
4
6
8
6000
G ' (Pa)
6000
10
60 SR
2
6
8
10
6000
5500
5500
5000
5000
4500
4500
4000
4000
3500
3500
3000
3000
2500
2500
2000
2000
1500
4
60 CR
1500
2
4
6
Frecuencia (Hz)
8
10
2
4
6
8
10
Frecuencia (Hz)
Fig. 6.1 Módulo de almacenamiento (G’) de las harinas nixtamalizadas: por 30 minutos sin
reposo (30 SR) y con reposo (30CR); por 60 minutos sin reposo (60 SR) y con reposo (60
CR) en función de la concentración de cal (%, p/v).
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 80
Se encuentran en la literatura estudios de propiedades reológicas de almidón de maíz
donde se reporta que G’’ presenta una mayor dependencia con la frecuencia que G’ [11 y
12].
Sin embargo, las muestras de estas harinas nixtamalizadas mostraron una mayor
dependencia de su módulo de almacenamiento (G’) con la frecuencia: aumentaron
conforme aumentó la frecuencia mientras que los módulos de pérdida (G’’) casi no
mostraron variación en cada muestra en el intervalo de barrido de frecuencia indicando que
los enlaces que le confieren el carácter elástico a estos geles se relajan con la frecuencia..
1300
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1200
1100
G '' (Pa)
1000
30 SR
Cal ( % )
30 CR
1200
1100
1000
900
900
800
800
700
700
600
600
500
500
400
400
2
4
6
8
10
60 SR
1300
G '' (Pa)
1300
2
6
8
1300
1200
1200
1100
1100
1000
1000
900
900
800
800
700
700
600
600
500
4
10
60 CR
500
400
400
2
4
6
Frecuencia (Hz)
8
10
2
4
6
8
10
Frecuencia (Hz)
Fig. 6.2 Módulo de pérdida (G’’) de las harinas nixtamalizadas: por 30 minutos sin reposo
(30 SR) y con reposo (30CR); por 60 minutos sin reposo (60 SR) y con reposo (60 CR) en
función de la concentración de cal (%, p/v).
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 81
En muestras sin reposo, tanto el módulo de almacenamiento (G’) como el de pérdida
(G’’) tienden a ser menores en las muestras cocidas con cal que en las muestras cocidas sin
cal (Fig. 6.1 y 6.2) lo cual es indicativo de un debilitamiento de la estructura del almidón
durante el cocimiento alcalino, como ya se discutió con anterioridad [6, 7 y 13].
En las Figs. 6.1 y 6.2 también se observa que en las muestras con reposo los módulos
de las muestras sin cal decrecen ligeramente o casi no varían. Se ha mencionado en el
capítulo 5, que durante el reposo se presenta el recocido y la recristalización de las cadenas
poliméricas del almidón, lo cual llevaría a tener estructuras más organizadas y por tanto
los valores de G’ de sus geles deberían ser mayores sin embargo, esto no es así. Se ha
reportado que en general, los complejos amilosa-lípidos interfieren con la formación de los
geles de almidón, resultando redes con estructuras menos organizadas [10], que presentarían
valores más bajos de G’. También se mencionó ya, que las condiciones de reposo pueden
promover la formación y organización cristalina de estos complejos, por lo que la
disminución en el módulo de las muestras cocidas sin cal y reposadas pudiera atribuirse a la
presencia de estos complejos; los resultados de difracción de rayos-X de las fracciones
solubles e insolubles de estas muestras ayudan a sustentar esta hipótesis. Mientras que en
las muestras con cal y reposadas, los módulos alcanzan valores mayores que los de sus
respetivas muestras sin reposo;
también se observa que,
en general,
los módulos son
mayores a los de la muestra sin cal excepto a tiempos largos de cocción (60 min ) y altas
concentraciones de cal (> 0.6%).
La resistencia a la deformación que presenta el gel
formado por la asociación de los componentes polímericos del almidón,
depende
fuertemente del grado de asociación molecular [5]; este incremento en los módulos sugiere,
por tanto, un aumento en los entrecruzamientos formados por el calcio con las moléculas
de almidón durante el reposo, y que pudieron haberse mantenido durante el proceso de
gelatinización
y enfriamiento utilizado para obtener los geles o que pudieron volverse a
formar con el almidón solubilizado y los iones calcio presentes en estas harinas cocidas con
cal y que
reforzarían la estructura del gel formado, con el consecuente aumento en el
módulo elástico (G’).
Este aumento en el módulo depende de la concentración de cal
utilizada como se ve las Figs, 6.1 y 6.2. En general, se observa que a altas concentraciones
de cal la estructura de los geles tiende a debilitarse posiblemente por la interferencia de los
iones calcio con formación de la red sin embargo este
resultados
también podrían ser
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 82
indicativos de modificaciones en la formación de complejos amilosa-lípidos (que actuarían
como lugares de interferencia en la formación de la red) y que llevarían a
disminuir el
valor del módulo elástico; este efecto de los lípidos sobre los almidones ha sido reportado
con anterioridad [10]. Es de notarse que las condiciones extremas de nixtamalización
pueden revertir el comportamiento del módulo elástico (G’), como lo indican los valores de
las muestras cocidas por largos tiempos con una altas concentración de cal. Del Valle et al
[14]
han reportado que el entrecruzamiento no es afectado por el tiempo de reposo, sin
embargo esta conclusión esta basada en
resultados obtenidos en un viscoamilógrafo
Brabender donde es sabido que el esfuerzo utilizado durante las pruebas produce daños en
la estructura del almidón [15], lo cual podría ser la fuente de discrepancia con estos
resultados obtenidos por reología dinámica. Los resultados de los módulos de estas harinas
nixtamalizadas, indican que posiblemente el contenido de cal en el agua de cocción afecta
tanto las interacciones Ca-almidón como la formación de los complejos ya que hay
diferencias en los módulos dependiendo de la concentración de cal utilizada, aunque estos
no siguen un patrón definido.
Puesto que el módulo de pérdida (G’’) también aumenta, se podría considerar que los
cambios en el almidón solubilizado -discutidos en los capítulos anteriores- están afectando
el comportamiento de este módulo, el cual está relacionado con el componente viscoso. Se
ha reportado que la fracción soluble afecta en el comportamiento viscoso de las pastas de
almidón, pues aún cuando ha cesado el hinchamiento de los gránulos, sigue modificándose
la viscosidad durante el cocimiento en función del contenido de almidón soluble, que es
función de la amilosa solubilizada principalmente [16]. Como ya se discutió en los capítulos
4 y 5, el material solubilizado a su vez, está relacionado con los complejos amilosa-lípidos
que a través del reposo pueden transformarse en extraíbles durante el proceso de
lixiviación. Por tanto, se propone la hipótesis de que la modificación en el contenido y
estructura de los complejos amilosa-lípidos modifica el comportamiento del módulo de
pérdida (G’’) el cual también puede ser modificado por cambios en el entrecruzamiento del
almidón.
Se determinó el contenido de amilosa, que como ya se mencionó es la fracción que
solubiliza, para tratar de relacionarlo con los resultados del módulo de pérdida (G’’) que
representa al componente viscoso. Los resultados se muestran en la Figura 6.3. Las
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 83
muestras cocidas por 30 min en soluciones con cal y sin reposo presentan contenidos de
amilosa mayores a los de la muestra sin cal, mientras que las muestras con reposo presentan
valores menores a concentraciones bajas de cal y valores mayores a concentraciones altas.
Sin embargo, para las muestras cocidas por 60 min y sin reposo los contenidos de amilosa
de las muestras con cal resultaron menores a los de las muestras sin cal, excepto a 0.8 %
1%; en general las muestras con reposo también presentan valores iguales o menores a la
muestra sin cal.
Contenido de amilosa (%)
17.0
A
16.5
16.0
15.5
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
sin reposo
con reposo
12.5
12.0
Contenido de amilosa (%)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
17.0
B
16.5
16.0
15.5
15.0
14.5
14.0
13.5
13.0
12.5
12.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Cal (%, p/v)
Fig. 6.3 Contenido de amilosa (%) en harinas nixtamalizadas por 30 min A) y 60 min B) en
función del contenido de cal (%).
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 84
No se encontró relación entre el contenido de amilosa, y el módulo de pérdida. Se hace
la observación que el DMSO utilizado para disolver las harinas para esta prueba, también
disuelve los complejos amilosa-lípidos por lo que estos resultados de contenido de amilosa
no permiten saber si había diferencias en el contenido de complejos amilosa-lípido en estas
harinas nixtamalizadas a diferentes condiciones. Otros autores [13, 14 y 17] han postulado
que durante la nixtamalización, el calcio forma puentes de entrecruzamiento entre las
moléculas de almidón, los cuales también podrían afectar la cantidad de amilosa que puede
liberarse para formar complejos de inclusión con el yodo y modificar las lecturas de
absorbancia. Sin embargo, como ya se mencionó la variación en el contenido de complejos
amilosa-lípidos también afecta el comportamiento del contenido de amilosa soluble; por lo
que el comportamiento de esta variable debe considerarse como la resultante del efecto
combinado de ambos fenómenos.
Ya que tan δ es considerado un mejor indicador del carácter elástico del material, se
discuten también los resultados obtenidos en la evaluación de este parámetro. tan δ
disminuye conforme aumenta la frecuencia en todas las condiciones evaluadas (Fig. 6.4),
esto es contrario al comportamiento reportado por Ahmad y Williams [12] en almidón de
maíz. El hecho de que los módulos de almacenamiento (G’) se incrementen con la
frecuencia y que los módulos de pérdida (G’’) permanezcan casi con el mismo valor sobre
el intervalo de frecuencia medido, condujo a estos resultados que no concuerdan con lo
reportado. Como ya se discutió con anterioridad, este incremento en G’ puede ser atribuido
tanto a cambios en los entrecruzamientos de las moléculas de almidón con el calcio como
por cambios en el número de lugares de nucleación debido a la presencia de complejos
amilosa-lípidos que pudieron haberse formado durante la nixtamalización y que no son
destruidos durante el proceso de gelatinización y enfriamiento que se utilizó para obtener
los geles.
El comportamiento de tan δ es diferente dependiendo del tiempo de cocción y del
reposo. Cuando el maíz se cuece por 30 min con cal pero no se permite el reposo, entonces
tan δ tiende a tener los mismos valores o valores menores que la muestra sin cal, mientras
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 85
que para muestras cocidas por 60 min tan δ alcanza valores mayores a los de la muestra sin
cal. Para las muestras con reposo el comportamiento se revierte.
0.4
0.4
Cal ( % )
30 CR
30 SR
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.3
0.2
0.2
ta n δ
0.3
2
4
6
8
10
0.4
2
4
6
8
10
0.4
60 SR
60 CR
0.3
0.2
0.2
ta n δ
0.3
2
4
6
8
10
Frecuencia (Hz)
2
4
6
8
10
Frecuencia (Hz)
Fig. 6.4 tan δ de las harinas nixtamalizadas: por 30 minutos sin reposo (30 SR) y con
reposo (30CR); por 60 minutos sin reposo (60 SR) y con reposo (60 CR) en función de la
concentración de cal (%, p/v).
Estos comportamientos no variaron con la concentración de cal, pero el valor final que
presentó tan
δ si es función del contenido de cal utilizado. Aunque se discutió con
anterioridad el efecto sobre G’ y G’’individualmente, estos resultados indican que los
cambios en la estructura y por tanto en el comportamiento final que presentan los geles de
las harinas, y a su vez en el de las tortillas obtenidas de ella,
deben ser considerados en
función de este parámetro que es el que mostraría el predominio ya sea del carácter elástico
o viscoso de las harinas ya que tan δ =G’’/G’.
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 86
Okechukwu y Rao [10] han reportado que la formación de complejos de inclusión
amilosa-lípidos afectan el comportamiento de tan δ dependiendo del tipo de almidón y de
compuesto graso: los lípidos pueden contribuir tanto a aumentar tanδ como a disminuirla;
como se discutió anteriormente, el tratamiento alcalino podría afectar no solamente la
formación de complejos amilosa lípidos sino también la formación de entrecruzamientos, se
sugiere por tanto que el comportamiento de tan δ es determinado por el efecto de ambos
factores.
6.4 CONCLUSIONES.
Durante la cocción alcalina se debilita la estructura del almidón, como lo indican los
valores más bajos de los módulos en muestras con cal que en muestras sin cal. Durante el
reposo, el módulo de almacenamiento (G’) aumenta en las muestras con cal, lo cual puede
atribuirse a un incremento en el entrecruzamiento de las moléculas de almidón por el
calcio. Por otro lado, la disminución en el módulo de las muestras reposadas sin cal puede
atribuirse a formación complejos amilosa-lípido durante esta etapa de la nixtamalización.
Ya que tanto el entrecruzamiento como la formación de complejos amilosa-lípido dependen
principalmente de la amilosa solubilizada, se propone que el comportamiento del módulo es
afectado tanto por el entrecruzamiento de los iones calcio con las moléculas de almidón
como
por
formación
complejos
amilosa-lípidos Estos resultados sustentan la hipótesis
propuesta en el capítulo anterior, de que
la organización estructural de los complejos es
afectada por la presencia de los iones calcio que entrecruzan a las moléculas de almidón. El
comportamiento en su correspondiente módulo de pérdida (G’’) sería indicativo, a su vez,
de cambios en el almidón solubilizado debido a cambios estructurales producidos tanto por
las interacciones del calcio con el almidón como por la presencia de complejos amilosalípido. Los cambios en el contenido de amilosa corroboran que se presentan cambios en la
solubilidad del almidón pero estos cambios no mostraron una relación directa con los
cambios en los módulos. El predominio del carácter elástico de los geles de almidón de
maíz nixtamalizado, representado por el comportamiento de tan δ, depende mas del tiempo
de cocción y del reposo que de la concentración de cal.
_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 87
6.5 BIBLIOGRAFÍA
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Starch: Properties and Potential. Ed. By. T. Galliard.(pp. 55-78). John Wiley & Sons,
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grinding conditions on starch in masa. Starch, 42, 475.
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system: starch and pectin. In Polysaccharide association structures in food. Ed. by
R.H. Walter. Marcel Dekker, Inc., New York.
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crosslinked waxy corn starch-κ-carrageenan pastes and gels. Carbohydrate Polymers,
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_____________________________________________Estructura-Reología Dinámica, 88
[12] Ahmad, F. B., & Williams, P.A. (1998). Rheological properties of sago starch.
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cross-links in lime treated (“nixtamalized”) corn. . Food Proccesing
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retrogradation. Food Chem, 71, 9-36.
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soluble corn starch in pastes and gels. Starch, 52, 76-80.
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postcooking steeping time. Cereal Chem., 79, 162-166.
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES GENERALES
Las condiciones de nixtamalización son propicias para la formación de complejos
amilosa-lípidos. La presencia de estos complejos es determinante en alimentos con base
almidón ya que producen variaciones en la gelatinización, capacidad de hinhamiento,
solubilidad y propiedades reológicas de pasta y geles. Son numerosos los estudios donde
se reporta que durante nixtamalización el almidón gelatiniza parcialmente y se sabe que los
almidones que contienen lípidos granulares internos, como es el caso del maíz, forman
estos complejos durante la gelatinización. También se ha reportado que la estructura de
estos complejos es modificada por tratamientos hidrotérmicos
en condiciones similares a
las que se dan durante el reposo empleado en la nixtamalización.
Los estudios de difracción de rayos-X realizados en este trabajo de investigación,
corroboraron que durante la nixtamalización se desarrollan complejos amilosa-lípido en el
almidón del maíz durante la cocción; también se observó que es posible, que durante el
reposo la estructura de los complejos se modifique. En este estudio se encontró que estos
complejos de amilosa tipo V pueden ser lixiviados durante la solubilización del almidón.
Las reflexiones débiles en los patrones de difracción de la fracción insoluble de las harinas
nixtamalizadas sugiere que las estructuras V también están presentes en los residuos
insolubles. Los resultados de absorbancia del almidón-I2 confirmaron que formación de
complejos amilosa lípidos es afectada por la presencia de la cal. Aparentemente, el reposo
alcalino también afecta la formación de complejos amilosa-lípido, sin
necesitan investigaciones posteriores para confirmar esta hipótesis.
embargo se
Aunque otros
investigadores han reportado en estudios de difracción de rayos-X que durante la
___________________________________________________Conclusiones Generales, 90
nixtamalización no se forman los complejos amilosa-lípido, sus estudios han estado
basados en almidón extraído del maíz nixtamalizado
-lo cual pudo haber eliminado el
almidón más afectado durante la nixtamalización como ya se ha mencionado-;
o los
estudios se han basado en mediciones donde no se acondicionaron las harinas de maíz
nixtamalizado a condiciones altas de humedad relativa, lo que posiblemente llevó a no
detectar los picos correspondientes a la estructura cristalina de estos complejos.
Las evaluaciones de propiedades funcionales indicaron que el tiempo de cocción tiene
un efecto significativo en los parámetros determinados por calorimetría diferencial de
barrido. Tiempos de cocción más largos llevaron a obtener almidones con mayores
temperaturas pico y de inicio y con menores entalpías de gelatinización debido al
incremento en la cantidad de almidón gelatinizado. Con el reposo se incrementó la
temperatura pico probablemente por el efecto combinado de un proceso de “recocido” y de
recristalización. La disminución en la capacidad de hinchamiento y en la solubilidad de las
muestras nixtamalizadas se explicó no solamente en términos de los entrecruzamientos
formados con las moléculas de almidón y el calcio, como hasta ahora ha sido considerado
por otros investigadores, sino también por la presencia de complejos amilosa-lípido que
producen una disminución en la capacidad de hinchamiento y en la solubilidad de los
almidones. Sin embargo, fue necesario el reposo para observar este efecto en el
comportamiento de la solubilidad debido, probablemente, a la presencia de complejos con
estructuras más grandes y ordenadas formadas durante la etapa de reposo de la
nixtamalización, lo que apoya la hipótesis de que las condiciones de reposo afectan la
organización molecular de los complejos amilosa-lípido. El efecto de la concentración de la
cal en los parámetros mencionados anteriormente, no fue aparente excepto por un ligero
incremento en el intervalo de gelatinización que fue atribuido a una desorganización
estructural causada por los iones calcio.
El comportamiento de la viscosidad de estas harinas de endospermo nixtamalizado, es
similar al de un almidón entrecruzado: ligeramente en muestras con menor tiempo de
cocción y moderadamente en muestras cocidas por más tiempo.
Sin embargo este
comportamiento también se pudo atribuir a la presencia de los complejos amilosa-lípidos
que como los estudios de difracción de rayos-X indicaron, se pueden formar durante la
cocción del grano en agua sola o con cal. La concentración de cal afecta el comportamiento
___________________________________________________Conclusiones Generales, 91
de la viscosidad BU ya que a determinada concentración se revierte el efecto protector de
los iones calcio sobre el gránulo de almidón y el almidón puede hincharse mas con la
consecuente variación en viscosidad. Sin embargo estos resultados también indican que es
posible que el cocimiento alcalino influya en la formación de los complejos: los cambios
estructurales que ocurren durante el reposo –recristalización y recocido- podrían llevar a la
modificación de los entrecruzamiento formados por el calcio con las moléculas de amilosa
y por tanto modificar la estructura molecular de los complejos que forman los lípidos con
éstas. El cambio en el comportamiento reológico de las muestras nixtamalizadas sin cal,
indicó que las condiciones de reposo utilizadas en la nixtamalización son adecuadas para
modificar la estructura molecular de los complejos, como lo sugieren los estudios por
difracción de rayos-X.
Durante la cocción alcalina se debilita la estructura del almidón, como lo indican los
valores más bajos de los módulos en muestras con cal que en muestras sin cal. Durante el
reposo el módulo de almacenamiento (G’) aumenta en muestras con cal, lo cual puede
atribuirse a un incremento en el entrecruzamiento de las moléculas de almidón por el
calcio. Por otro lado la disminución en el módulo de las muestras reposadas sin cal puede
atribuirse a formación complejos amilosa-lípido durante esta etapa de la nixtamalización.
Ya que tanto el entrecruzamiento como la formación de complejos amilosa-lípido dependen
principalmente de la amilosa solubilizada, se propone que el comportamiento del módulo es
afectado tanto por el entrecruzamiento de los iones calcio con las moléculas de almidón
como
por
formación
complejos
amilosa-lípidos Estos resultados sustentan la hipótesis
propuesta de que la organización estructural de los complejos es afectada por la presencia
de los iones calcio que entrecruzan a las moléculas de almidón y por las condiciones del
reposo. El comportamiento del módulo de pérdida (G’’) relacionado principalmente con
cambios en el almidón solubilizado,
se explicó también considerando los cambios
estructurales producidos tanto por las interacciones del calcio con el almidón como por la
presencia de complejos amilosa-lípido. Los cambios en el contenido de amilosa corroboran
que se presentan cambios en la solubilidad del almidón pero estos cambios no mostraron
una relación directa con los cambios en los módulos. El predominio del carácter elástico de
los geles de almidón de maíz nixtamalizado, representado por el comportamiento de tan δ,
depende más del tiempo de cocción y del reposo que de la concentración de cal.
___________________________________________________Conclusiones Generales, 92
No solamente las interacciones almidón-calcio producen importantes cambios en las
propiedades funcionales del almidón del maíz nixtamalizado sino también, la presencia de
los complejos amilosa-lípido y sus cambios estructurales durante la nixtamalización. Estos
cambios determinan en gran medida, las características de calidad final que presentan las
tortillas, es importante por tanto,
continuar con la investigación de la formación y
transformación de estructura de los complejos amilosa-lípido durante la nixtamalización,
empleando otros procesos de nixtamalización y otras técnicas de caracterización que
permitan determinar con claridad la relación entre el medio alcalino y las condiciones
hidrotérmicas empleadas en la nixtamalización con los cambios en la estructura molecular
de los complejos amilosa-lípido.
________________________________________________________________ Anexo, 93
ANEXO
Available online at www.sciencedirect.com
SCIENCE
,
ELSEVIER
Carbohydrate
Carbohydrate
Polvmers
@DIRECTO
Polyrners 55 (2004) 411-418
www.elsevier.comllocate/carbpol
~
t
~
Effect of nixtamalization on the modification of the crystalline
structure of maize starch
M. Mondragóna,*,LA. Bello-Pérezb, E. Agamab, A. Meloc, D. Betancur-Anconad, J.L Peñae
'Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada-IPN,
Km 14.5 Carro Tampico-Pto. Industrial,
bCentro de Desarrollo de Productos Bióticos-IPN,
45000 Yautepec, Mor, Mexico
CInstituto Tecnológico
89600 Altamira,
Tamps, Mexico
de Madero, 89940 Cd. Madero, Tamps, Mexico
dFacultad de Ingeniería Química-UADY,
97288 Mérida, Yuc., Mexico
eCentro de Investigación y de Estudios Avanzados-IPN,
97310 Mérida, Yuc., Mexico
Received
12 August 2003; revised 3 Novernber 2003; accepted 8 Novernber
2003
Abstraet
Endosperm of nixtamalized coro was analyzed using X-ray diffraction. Relative crystallinity changed with lime concentration and
steeping. Diffractograms showed peaks corresponding to V-type crystalline structures, indicating formation of complexes during'cooking
and steeping. Diffraction pattems of the soluble fraction showed that complexed amylose can be leached out during solubilization. While
diffraction pattems of the insoluble fraction suggested that some of the formed complexes remain in this fraction. During alkali steeping,
release of amylose is strongly inhibited as indicated by fue pronounced decrease in the starch-Iz absorbance of the lime treated samples
compared to the lime-free treated sample. This decrease is interpreted as evidence of starch cross-linking during the nixtamalization process.
Differences in starch-Iz absorbance and in X-ray diffraction pattems of the soluble fractions suggested that lime treatment could algo
modified formation of amylose complexes with lipids.
@ 2003 EIsevier Ltd. All rights reserved.
Keywords: Nixtamalization;
Crystalline structures; Starch-lipid
interaction;
1. Introduction
.
Nixtamalization is a process used to produce many
Mexican foods, such as tamales and atole, inc1uding the
most popular and most consumed of them a11,tortillas
(Paredes-López, Guzmán-Maldonado, & Sema-Saldivar,
2000). The demand for nixtamalized producís has shown an
important growth, not only in the United States but algo in
Asia and Europe (Almeida-Domínguez, Cepeda, & Rooney,
1996). The nixtamalization is carried out by cooking and
steeping com in lime solutions to obtain nixtamal
(Paredes-López & Saharópulos, 1983).
During nixtamalization, maize components are affected
by the alkaline cooking and steeping involved in the
process. Starch is partia11ygelatinized, part of the ce11wall
components and proteins are solubilized, much of the germ
tissue is retained and part of the lipids are saponified
* Corresponding
0125.
author. Te!.: +52-833-260-0124;
E-mail address: [email protected]
fax: +52-833-260-
(M. Mondragón).
0144-8617/$ - see front rnatter @ 2003 EIsevier Ltd. Al! rights reserved.
doi:1O.1O16/j.carbpo!.2003.11.006
V polyrnorph
(Gomez, McDonough, Rooney, & Waniska, 1989; SemaSaldivar, Gomez & Rooney, 1990; Robles, Murray, &
Paredes-López, 1988). Also, calcium content increases and
becomes highly available (Stylianopoulos, Sema-Saldivar,
& Arteaga-MacKinney, 1991; Trejo-Gonzalez, Feria-Morales, & Wild-Altamirano, 1982).
Approximately 86-89% of the maize endosperm is
starch, which consists of two majar components: the linear
amylose and the branched amylopectin. It is present in
nature as semicrystalline granules. Crystallinity occurs
within the ordered arrays of arnylopectin (Gates, 1997)
and according to X-ray diffraction analysis, native maize
starch yields a pattem that corresponds to the A-type
crystalline structure. The proposed model for the A structure
is based upon six-fold, left-handed double helices packed
para11elin a monoc1inic unit ce11(Gidley & Bociek, 1985).
It has been shown previously, that during alkali
cooking, crystallinity of maize starch is reduced and
tends to be recovered during steeping and cooling due to a
recrysta11ization process (Gomez, Lee, McDonough,
412
M. Mondragón
et al. / Carbohydrate
Waniska, & Rooney, 1992). Changes in crystallinity
behavior of tortillas has also been reported as a function
of lime concentration (Rodríguez et al., 1996). They found
that crystallinity increased as lime cooking concentration
increased at concentrations 10werthan 0.2%, but a reversal
tendency was observed as lime concentration approached
1%. This behavior was attributed to calcium-induced crosslinking of starch.
Monoacyllipids, present in native maize starch, can form
complexes with the amylose during heat-moisture treatments, extrusion and gelatinization (Becker, Hill, &
Mitchell, 2001; Biliaderis, 1980). These helical inclusion
complexes typically display six residues per turn; the
aliphatic part of the lipid is contained in the internal cavity
and the polar group lies outside. The amylose-lipid
complexes form V-type crystal structures which affect
starch solubility, water absorption, and enzyme susceptibility as well as rheological and mechanical properties,
depending on final crystallinity and crystal size (Galloway,
Biliaderis, & Stanley, 1989; Le Bail et al., 1999).
Nixtamalization could be carried out at several conditions
leading to different degrees of starch gelatinization (Bryant
& Hamaker, 1997). Thus, fue presence of amylose-lipid
complexes in nixtamalized producís may be expected.
Ocegueda (1999) has also suggested formation of amylose
complexes with calcium ion-joined-lipids during nixtamalization. These complexes would contribute to obtain X-ray
diffraction patterns characteristic of two polymorph forms,
A and V, on nixtamalized samples. However, Toro-Vazquez
& Gómez-Aldapa (2001) reported that extraction of free
lipids did not affect the A-type diffraction pattem of isolated
starches from nixtamalized maize, and concluded that
amylose-lipid complexes are not developed during
nixtamalization.
Considering contradictory previous data, in Ibis study,
we attempt to gain information to determine how the
crystalline structure of starch changes due to fue nixtamalization process, by evaluating directly endosperm samples
of nixtamalized maize.
2. Experimental
Polymers 55 (2004) 411-418
2.2. X-ray diffraction measurements
X-ray powder diffraction was performed with hydrated
flour. Hydration of samples was done in a chamber
maintained at 20 °C and 95% rh for 36 h. X-ray diffraction
patterns were determined on a Bruker AXS D8 diffractometer (Madison, WI) operating a 40 kV, 35 mA with
Cu K" radiation
(A
= 0.154
nm).
Diffractograms
-
were
obtained from 5 to 30° (20) with a step size of 0.05° (20).
All diffractograms were normalized at the same total afea
under the scattering curve over the measured Bragg angle
range. Relative crystallinity was determined by the method
of Wakelin, Virgin, and Crystal (1959), endosperm of raw
coro was used as the crystalline standard. Amorphous
standard was obtained according to Bogracheva, Wang, and
Hedley (2001). A 5% aqueous suspension of coro starch was
slowly heated to 100 °C with stirring, left at Ibis condition
for 1 h, then transferred to an oil-bath at 100 °c. The bath
temperature was raised to 150 °c, followed by cooling to
100 °e. The samples were removed, cooled rapidly and
lyophilized. The pattern of the amorphous starch was fitted
to the to fue pattern of nixtamalized samples (Murthy &
Minor, 1990) and then subtracted, to obtain the pattem for
the crystalline part of fue starch.
For evaluation of the alkali treatment on amylose-lipid
complex formation, dilute flour solutions (5% w/w) of the
nixtamalized samples were heated to 90 °c, kept at Ibis
temperature for 30 mili, then cooled rapidly to 20 °e. The
soluble and insolubl~ fractions were separated, rapidly
frozen and then freeze dried. X-ray diffraction patterns were
also recorded and normalized for these samples.
2.3. Starch-/2 absorbance analysis
Amylose-lipid complex formation, during nixtamalization, was also studied measuring starch- 12 absorbance
according to Ghiasi, Varriano-Marston, and Hoseney
(1982), with some modifications. Dilute flour solutions
(5%) were heated for 30 mili to 95 °c, cooled rapidly in an
ice bath, centrifugated and solubles separated. One milliliter
of a 12- KI dilute solution (2 mg/ml 12+ 20 mg/ml KI)'was
added to 4 mI of the soluble fraction; 20 mili later
absorbance was measured.
2.1. Sample preparation
3. Results and discussions
The samples were prepared as follows: one part of white
dent coro and three parís of lime-water solutions (O,0.2, antl
1% w/v) were cooked at boiling temperature for 30 mili and
allowed to steep for 16 h. After steeping, the cooking
solution was discarded and kernels were washed three times
with distilled water. Samples were oven-dried at 50 °C for
36 h. Germ, tip cap and pericarp were removed before
grinding the kernels to flour in a coffee milI. A second
system of samples was prepared with the same procedure,
but without steeping.
3.1. Crystallographic structures 01 nixtamalized starch
X-ray diffractograms of raw and nixtamalized samples
not allowed to steep are shown in Fig. lA. Main reflections
ofraw endosperm diffractogram (at Bragg angles 15.0, 17.0,
18.1, and 23.3° 20) are characteristic of the A-type starch
structure typical of cereals (Zobel, 1988). Patterns for the
crystalline part of the samples cooked at both lime
concentrations (Fig. lB) show a small reflection at 12.9°
~
~
M. Mondragón
et al. / Carbohydrate
413
Polymers 55 (2004) 411-418
A
'¡¡:¡
=
~
--
T , O %,
'O:Z %
-=
....
~
0,0
".
%
Raw
5
1O
15
20
25
3 O
B
'¡¡:¡
=
~
~
=
....
5
10
15
2 O
25
30
Diffraction angle ze
Fig. 1. X-ray diffraction patterns for nixtamalized
concentration (%, w/v).
samples not allowed to steep and for their corresponding
and a larger reflection at 19.8° corresponding to the
V-polymorph. Pattem of the lime-free cooked sample also
presents reflections at the same angles. Studies using 13C
CP/MAS-NMR (Morrison, 199?) have proven the presence
of amylose-lipid complexes in native granules of maize
starch, but evidence of the coexistence of A- and V-type
polymorphs by X-ray studies has only been found in
starches containing more than 30% amylose (Zobel, 1988).
However, it is known that during gelatinization of lipid
containing-starches, amylose forms V-type helical crystalline complexes (Biliaderis, 1980). Considering that under
nixtamalization conditions coro starch is partially gelatinized (Gomez et al., 1992), we assumed that the mentioned
peaks correspond to complexes formed due to starch-lipid
interactions.
Diffraction pattems of samples with steeping and their
corresponding crystalline parís (Fig. 2A and B) are very
similar to X-ray pattems of samples without steeping. Only
a very low percent of starch was gelatinized during cooking
as was demonstrated performing differential scanning
calorimetry. The difference between gelatinization enthalpy
)
for raw (7.8 J/g) and cooked samples (mean value
~
= 6.6 J/g)
was not very large (data not shown). Therefore, structural
reorganization which occurs due to retrogradation and
annealing of starch during the nixtamalization process
(Gomez et al., 1992) is negligible at these conditions.
Relative crystallinities of the nixtamalized samples
are given in Table 1. The crystallinity of the samples
without steeping tend to increase with increasing lime
crystalline
parts (B), as a function
of lime
concentration. For the samples with steeping, crystallinity
increases at 0.2% lime concentration, however, it tends to
decrease to a similar value to that of the lime-free sample at
1.0% lime concentration. Rodríguez et al. (1996) reported a
similar crystallinity behavior for tortillas, as mentioned
before, which was attributed to cross-links formation
leading to more rigid network at low lime concentrations.
The crystallinity behavior of samples without steeping
seems to indicate that during cooking only a small amount
of cross-links are formed at low lime concentration;
therefore, granule rigidity is not increased.
3.2. Effect oi lime-treatment on V-type crystal structure
Diffraction pattems of the soluble starches of nixtamalized maize at O, 0.2, and 1% lime concentration with or
without steeping (Figs. 3A and 4A) present a peak at Bragg
angle 19. 8° and a shoulder at 12.9° 28, which are associated
with the V polymorph. The X-ray pattems for the crystalline
part of these samples corroborate the presence of the
characteristic peak of fue V polymorph at 12.9° 28 (Figs. 3B
and 4B). Complexed amylose with lipids does not leach out
easily from the granules when heated in water (Becker et al.,
2001). However, other investigators (Ghiasi et al., 1982)
reported the release of surfactant-amylose complexes into
the aqueous phase at temperatures higher than 85 °c. AIso,
Colonna, Buléon, and Mercier (1987) have reported
transformation of amylose-lipid complexes into an extractable form during heat-moisture treatment of cereal
414
M. Mondragón
et al. / Carbohydrate
Polyrners 55 (2004) 411-418
A
~
'~CI.>
%
,.
0.2 %
'0.0%
..;'
Raw
¡;
1,0
-=
....
1O
5
15
2 O
25
3O
B
-~
'1;1
=
-CI.>
=
....
5
1O
15
Diffraction
Fig. 2. X-ray diffraction pattern for nixtamalized
concentration (%, w/v).
2 O
25
angle 29
samples allowed to steep (A) and for their corresponding
starches. These reports could help to explain the V-type
reflections in the diffraction diagram of the soluble starches.
Considering that our sarnples were air-dried at 50 °C for
36 h before grinding, and soluble fraction obtained by
heating the flour suspensions at 100 °C, it may be assumed
that some amylose complexes could have been released
during the leaching process. Retrogradation of leached
amylose also occurs upon cooling the soluble fraction.
Gidley (1989) has postulated that amylose association
inc1udes aggregation of double helices to form B-type
structures. The reflection at 17° 20 shown in the diffractograms of the solubles indicates the existence of the B-type
polymorph which would correspond to the associated
arnylose.
X-ray diffraction diagrams of the insoluble starches at a11
lime concentrations used are shown in Figs. 5A and 6A. The
sma11reflection at Bragg angle 19.8° 20, indicates the
possibility that V-type structures be formed in these
fractions. Since scattering register is weak, it might be
30
crystalline
parts (B), as a function of lime
assumed that V-crystals are very sma11 and ordering is
relatively low. This suggestion is supported by the broad
reflection shown to the left of 20° 20, in the pattems for the
crystalline part of the insoluble fractions (Figs. 5B and 6B)
which present the semblance of a peak at 12.9° 20. As
mentioned above, diffraction diagrams for the crystalline
part of cooked samples with or without steeping also present
V-type reflections (Figs. lB and 2B), as we11as the pattems
corresponding to their soluble fractions (Figs. 3B and 4B).
As previously discussed, when starch is cooked in lime
water, calcium may form cross-links between the starch
chains (Bryant & Hamaker, 1997; Rodríguez et al., 1996)
reducing amylose and arnylopectin solubility (Jackson,
Choto-Owen, Waniska, & Rooney, 1988). Then, it is
possible that a sma11 amount of the formed complexes
remains in the insoluble sediment. Most of amylose-lipid
complexes would be leached out from starch granules when
the flour of fuese samples is heated in water, yielding
stronger diffraction peaks of the V type in the soluble
fraction.
Table1
~
Relative crystallinity of nixtamalized
Lime concentration
(%)
samples
3.3. Changes in starch-I2 absorbance
Relative crystallinity
(%)
i
0.0
0.2
1.0
Without steeping
With steeping
89.4
89.3
97.4
89.6
97.4
88.2
Arnylose can form helical complexes, not only with
polar lipids, but also with some alcohols and iodine
(Thomas & Atwe11,1999). The complex of arnylose with
iodine produces a blue color; its intensity could be used to
determine the level of amylose in the solubles of a starch
M. Mondragón
et al. / Carbohydrate
415
Polyrners 55 (2004) 411-418
A
~
'<iJ
=
~
...
=
....
5
10
2 O
15
30
25
B
~
...
'<iJ
=
~
...
=
....
5
10
15
25
2O
30
Diffraction angle 26
Fig. 3. X-ray diffraction pattems of fue solubles of nixtamalized
of lime concentration (%, w/v).
samples not allowed to steep (A) and for their corresponding
crystalline parts (B), as a function
'"'
A
~
'<iJ
=
~
...
=
....
5
1O
15
2 O
25
30
B
I
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=
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I
::::;/
I
5
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'
I
1 O
'
I
.
1 5
Diffraction
Fig. 4. X-ray diffraction pattems of the solubles of nixtamalized
lime concentration (%, w/v).
I
20
.
I
25
.
%
I
30
angle 26
samples allowed to steep (A) and for their corresponding
crystalline parts (B), as a function of
416
M. Mondragón
et al. / Carbohydrate
Polymers 55 (2004) 411-418
A
~
¡"
....
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=
Q,>
....
=
....
~-
5
1O
15
2O
25
3 O
B
~
';:
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Q,>
....
=
....
5
1O
15
25
2O
3 O
Diffraction angle 2e
Fig- 5- X-ray diffraction patterns of the insoluble residues of samples not allowed to steep (A) and for their corresponding
lime concentration (%, w/v).
crystalline parts (B), as a function of
A
~
';:
=
Q,>
....
=
....
5
15
10
2 O
25
3 O
B
-
I
I
'
Q,>
....
=
....
____n_-
- ----
I
5
.
I
1O
.
I
15
Diffraction
.
I
20
'
I
25
I
30
I
angle 2e
Fig. 6. X-ray diffraction patterns ofthe insoluble residues of samp1es allowed to steep (A) and for their corresponding
concentration (%, w/v).
.
iI
crysta1line parts (B), as a function oflime
;
M. Mondragón
-
1.6
~
et al. / Carbohydrate
4. Conclusions
steeping not allowed
steeping allowed
During nixtamalization amylose-lipid complexes are
developed in the starch. These V-amylose complexes can be
leached out during starch solubilization. Weak reflections in
fue X-ray diffraction patterns of the insoluble part from
nixtamalized samples suggest that V-structures are also
present in the insoluble residues. Absorbance results seem to
confirm formation of starch cross-linking due to alkali
treatment. Apparently, alkali steeping also affects formation
of amylose-lipid complexes, however further investigation
is needed to support Ibis hypothesis.
1.4
6
e=
~
417
Polymers 55 (2004) 411-418
8"" 1.2
~
.."
á 1.0
..c
..
.
<:>
'"
..c
-< 0.8
'.
0.6
~.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Lime concentration
0.8
¡¡
1.2
(% w/v)
Fig. 7. Effect of lime on iodine absorption of nixtamalized
.
1.0
samples.
solution (Morrison & Laignelet, 1983). OUT results on
absorbance of samples not allowed to steep, with or
without lime, are quite similar (Fig. 7). However, when
lime-free cooked sample is allowed to steep a significant
change is observed: the level of released amylose in the
solubles that can complex with iodine is strongly
increased compared to samples steeped in lime solutions.
The ca1cium cross-links formed during the alkali steeping
could decrease release of starch chains ready to complex
with iodine. Arnylose-lipid-complexes also affect starch
solubilization (their presence in samples with steeping was
demonstrated by their X-ray diffraction patterns, Fig. 2)
therefore, absorbance behavior could be attributed to both
phenomena. Since cross-linking could affect, in turn, the
amount of starch chains ready to complex with lipids it is
postulated that formation these complexes may be affected
by fue Ca-starch interactions. Visual examination of the
X-ray diffraction patterns f~r the soluble fraction of
nixtamalized samples without and with steeping (Figs. 3
and 4) revealed small differences in the intensity of
the peak at Bragg angles 12.9° and 19.8° (2e) which
could be taken as indicators of amylose-lipid crystallites
being modified. The differences in relative crystallinities
(Table 1) also seem to support this suggestion. X-ray
analysis on starches showing both B and V polymorphs,
suggested that cross-linking affect fue development of
crystalline structures (Le Bail, Morin, & Marchessault,
1999). The change in solubility of amylose or in the
content of amylose-lipid complexes will affect rheological properties of masa and tortillas, since it is known that
helical amylose-lipid complexes induce changes in
viscosity of cereal starches (Nierle & El Baya, 1990;
Kaur & Singh, 2000) and also that leached amylose
contributes to increased viscosity even when granule
swelling is not modified (Tester & Morrison, 1990).
Acknowledgements
The authors would like to thank Dr Juan Fuentes for bis
valuable suggestions and helpful discussions about X-ray
diffraction and Dr A.M. Mendoza for her continuous
support.
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G
248
DOI 10.1002/star.200200190
Magarita Mondragóna
Luis Arturo Bello-Pérezb
Edith Agama-Acevedob
David Betancur-Anconac
Juan-Luis Peñad
Effect of Cooking Time, Steeping and Lime
Concentration on Starch Gelatinization of Corn
During Nixtamalization
a
White dent corn was nixtamalized under different conditions to evaluate thermal properties using differential scanning calorimetry (DSC), swelling power and solubility.
Cooking time was the factor that had the major influence on the behavior of the evaluated parameters as indicated by the analysis of variance. Onset and peak temperatures of gelatinization increased with increasing cooking time while gelatinization
enthalpies decreased, indicating that more starch granules were gelatinized. A decrease in the swelling power was also observed at increasing cooking times, but solubility was significantly inhibited only if steeping was allowed. Considering these results,
it was assumed that amylose-lipid complexes are being formed during cooking and
reorganized during steeping. X-ray studies confirmed the presence of amylose-lipid
complexes. Steeping also caused an increment in the peak temperature that seemed
to support the hypothesis of recrystallization or annealing occurring during this nixtamalization step. Temperature ranges indicated that in general, lime acted as a factor for
structural disorganization.
Centro de Investigación en
Ciencia Aplicada y Tecnología
Avanzada-IPN,
Altamira, Tamps, México
b
Centro de Desarrollo de
Productos Bióticos-IPN,
Yautepec, Mor., México
c
Facultad de Ingeniería
Química-UADY,
Mérida, Yuc., México
d
Centro de Investigación y de
Estudios Avanzados-IPN,
Mérida, Yuc., México
Starch/Stärke 56 (2004) 248–253
Keywords: Nixtamalization; Gelatinization; Swelling power; Solubility; Amylose-lipid
complexes
Research Paper
1 Introduction
During the traditional nixtamalization process, kernels are
cooked in a lime solution, allowed to steep for 12–16 h
and then washed two or three times. The cooked maize,
called nixtamal, is stone-ground into a masa, which is
used to produce tortillas and other maize-related food
[1]. The alkaline treatment and the grinding modify the
structure and properties of the maize starch [2, 3]. Cooking causes partial starch gelatinization, limited granule
swelling and disruption of the crystalline structure. During
steeping more ordered starch structures are formed due
to recrystallization or annealing, granule swelling continues throughout the endosperm and starch solubilization is increased. In addition, nixtamal grinding allows the
release and dispersion of swollen starch granules. The
influence of lime concentration on the gelatinization properties of maize flour and starch was characterized by Bryant and Hamaker [4]. These authors reported that swelling
power, solubility, and degree of gelatinization increase at
low lime levels (, 0.2%, w/v) and then decrease with
increasing lime concentration. A disturbing effect on the
Correspondence: Luis Arturo Bello-Pérez, Centro de Desarrollo
de Productos Bióticos-IPN, Apdo. Postal 585, 45000 Yautepec,
Mor., México. E-mail: [email protected]
 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
crystalline regions at low lime levels was also reported.
According to Martínez-Bustos et al. [5], starch crystallinity
of corn meal extrudates increases when adding 0.15%
(w/w) of lime, and decreases if additional lime is added.
Rodriguez et al. [6] showed that crystallinity and thermal
diffusivity of corn tortillas change with lime concentration,
both properties reached a maximum at a concentration of
0.2% (w/w) and tend to decrease at higher lime concentrations.
The importance of the steeping time has been reported by
Arámbula-Villa et al. [7], and Fernández-Muñoz et al. [8].
Steeping times of 4 and 7–9 h, respectively, were found
sufficient to produce tortillas with good quality. Cooking
time is also an important factor to attain optimal nixtamal
quality. Overcooking produces stickiness, which makes it
difficult to handle the masa; on the other hand, undercooking results in a non-cohesive masa that produces
tortillas of poor texture [9]. However, it seems that more
information about the combined effect of these three factors (lime concentration, cooking time and steeping) on
the starch properties of nixtamalized maize is still needed.
Therefore, the objective of the present study was to characterize the gelatinization pattern of the starch from nixtamalized kernels, cooked for different cooking times and
with different lime concentrations, with and without
steeping.
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Starch/Stärke 56 (2004) 248–253
2 Materials and Methods
2.1 Chemical composition
An endosperm sample of raw corn (500 g) was milled
using a commercial grinder (Mapisa Internacional S.A de
C.V., México, D.F.), sieved through 50 U.S. mesh and the
flour stored at room temperature in sealed plastic container. Moisture content was determined gravimetrically
(after heating at 130 6 27C for 2 h) using between 2–3 g
of the ground sample. Ash, protein and fat were analyzed
according to AACC methods 08-01, 46-13, and 30-25,
respectively [10]. Starch was extracted from raw corn by
an aqueous extraction procedure according to Bryant and
Hamaker [4] to determine apparent and total amylose
content as described by Morrison and Laignelet [11].
2.2 Sample preparation
The traditional method to produce nixtamal was used.
Sample lots of 1 kg of white dent corn were cooked in 3
L of lime solution. Lime was added at concentrations of
0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1% (water volume basis, w/v). A control sample without lime was prepared. Maize was
cooked for 30 and 60 min at boiling temperature, steeped
in the same cooking vessel for 16 h at room temperature,
and then the cooking solution (nejayote) was discarded.
The resulting nixtamal was washed three times with distilled water and oven-dried at 507C for 36 h. Pericarp, tip
cap and germ were removed by hand and the remaining
endosperm ground in a coffee mill with liquid nitrogen. A
second system of samples was prepared with the same
procedure but without steeping.
2.3 Differential scanning calorimetry
Thermal analysis was performed using a differential scanning calorimeter, TA Instruments 2010 (New Castle, DE)
previously calibrated with indium. Powder samples (2mg,
d.b.) were weighed directly into DSC aluminum pans, distilled water (20 mL) was added, pans were sealed and
allowed to equilibrate for 1 h. The heating rate was 107C/
min, from 30 to 1007C. An empty pan was used as reference for all measurements.
2.4 Swelling and solubility
Swelling was determined by the method used by Bryant
and Hamaker [4]: 0.25 g of sample and 5 mL of deionized
water were heated at 80 and 907C for 15 min in preweighed centrifuge tubes with shaking at 5 min, then the
tubes were centrifuged (10006g for 15 min). The supernatant was decanted, the tubes were weighed and the
 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Starch Gelatinization of Corn During Nixtamalization
249
weight gain was used to calculate percent gain. The levels
of soluble starch in the supernatants were analyzed by the
phenol-sulfuric acid method [12].
2.5 Statistical analysis
A 266 factorial design, in two randomized blocks, was
used for experimental design. Independent factors were
cooking time (30 and 60 min) and lime concentration (0.0,
0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0%, w/v). The block factor was the
allowance or non-allowance of steeping. Analysis of variance was performed on the DSC data and on the swelling
and solubility data. Mean differences were compared by
Duncan tests at a level of significance of 0.05%, using a
statistical software package (Statgraphics plus v. 4.1).
3 Results and Discussion
3.1 Enthalpy and temperature of gelatinization
Analysis of variance revealed that cooking time was the
only factor that significantly affected all the thermal characteristics determined by DSC (Tab. 1). Steeping had a
significant effect only on the peak temperature of gelatinization (Tp). The onset temperature (To) and peak temperature tend to increase with cooking time, while the temperature range (Tc or Tc2To) and gelatinization enthalpy (DH)
show an inverse tendency (Tab. 2). It is evident that the
longer cooking time produces more gelatinized starch
and therefore lower enthalpy values are obtained. Since
weaker granules are gelatinized first, higher onset and
peak temperatures are also expected [13].
Tab. 1. Summary of the analysis of variance for DSC
data.
Source of
variation
Mean squares
Df
To
Tp
R
DH
BK (Steeping)
1
2.34
4.21*
0.32
0.03
A: Lime concentration
5
0.11
0.45
2.81
0.73
B: Cooking time
1
80.66
Interactions: AB
5
1.21
43.68* 23.58* 36.38*
0.19
1.07
0.65
Df = degrees of freedom
To = onset temperature of gelatinization
Tp = peak temperature of gelatinization
R = Tc–To
Tc = conclusion temperature of gelatinization
H = gelatinization enthalpy
* Significant at 0.05%
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250
M. Mondragón et al.
Starch/Stärke 56 (2004) 248–253
Due to steeping, Tp was also increased (Tab. 2). Holding
a starch slurry at temperatures below gelatinization temperature promotes the reorganization of polymer chains
in more stable configurations, which could increase gelatinization temperatures, as reported by Marchant and
Blanshard [14]. Since the Tp of the nixtamalized samples
increased with steeping, it was assumed that the long
steeping period permitted starch recrystallization or
annealing, as suggested by Gomez et al. [3] and Robles
et al. [15]. Also, when the temperature range of nixtamalized samples was compared with the range of a corn
starch without nixtamalization, a broader temperature
range (227C) was found for the raw starch, which supports the hypothesis that the nixtamalization and perhaps the method used to dry the nixtamalized corn, produced annealing combined with recrystallization, thus reducing the distance between To and Tc. Sekine et al. [16]
reported an increased gelatinization temperature and a
reduced gelatinization temperature range on starches
steeped at 507C for 20 h. In general, the temperature
range increased in lime-treated samples compared to
lime-free treated samples. This effect could be due to
interactions of starch chains with calcium ions, producing structures that are disorganized in a broader temperature range [17]. Bryant and Hamaker [4] have reported a
disturbing effect on crystalline structure of maize flour
treated with lime which was attributed to the replacement of protons with cations.
3.2 Swelling power and solubility
Tab. 3 indicates that cooking time had a significant effect
on the swelling power and none on starch solubility, while
steeping had a significant effect only on the solubility
evaluated at 907C. Lime concentration had no significant
effects on these properties.
Tab. 2. Effect of steeping, cooking time and lime concentration on thermal characteristics of some
nixtamalized samples.
Steeping
Not allowed
Allowed
a–h
Cooking
time
Lime
[%, w/v]
30 min
Gelatinization
Onset
temperature
[7C]
Peak
temperature
[7C]
Range
DH [J/g]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
70.9c,d,e,f,g,h
68.15h
69.45g,h
69.45g,h
69.8f,g,h
69.05h
76.2d,e,f,g,h
76.15d,e,f,g,h
75.6h
75.8g,h
75.7g,h
75.95f,g,h
14.35c,d,e,f,g
17.25a,b,c
18.1a
17.35a,b,c
14.7b,c,d,e,f,g
17.5a,b,c
5.8c,d,e,f,g
6.55a,b,c,d,e
7.25a,b,c
7.45a,b,c
7.05a,b,c
7.6a,b
60 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
70.95c,d,e,f,g,h
73.55a,b,c,d
74.95a,b
73.15a.b,c,d,e,f
73.35a.b,c,d,e,f
72.85a.b,c,d,e,f,g
78.4a,b,c,d,e,f
78.6a,b,c,d,e
79.05a,b,c
78.7a,b,c,d
78.1b,c,d,e,f,g,h
78.2b,c,d,e,f,g
14.55c,d,e,f,g
14.4c,d,e,f,g
15.25a.b,c,d,e,f,g
15.45a.b,c,d,e,f,g
12.65f,g
12.65g
4.9e,f,g,h
4h
4.05h
4.95d,e,f,g,h
3.55h
4h
30 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
70.2e,f,g,h
70.15e,f,g,h
69.75f,g,h
70.6d,e,f,g,h
70.1e,f,g,h
69.75f,g,h
76.45d,e,f,g,h
76.5c,d,e,f,g,h
76.04e,f,g,h
77.3b,c,d,e,f,g,h
76.8b,c,d,e,f,g,h
76.8 b,c,d,e,f,g,h
15.4a.b,c,d,e,f,g
14.7b,c,d,e,f,g
17.05a,b,c,d
16.65a,b,c,d,e
16.45a,b,c,d,e
17.99a,b
6.2b,c,d,e,f,
6.2b,c,d,e,f
6.4a,b,c,d,e
8a
6.6a,b,c,d
7.3a,b,c
60 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
73.85a,b,c,d
74.45a,b,c
71.55b,c,d,e,f,g,h
73.15a.b,c,d,e,f
74.2a,b,c,d
75.35a
78.62a,b,c,d
79.3a,b
77.55b,c,d,e,f,g,h
79.25a,b
80.05a
80.95a
13.7e,f,g
13.85d,e,f,g
15.1a.b,c,d,e,f,g
15.95a.b,c,d,e,f
14.85a.b,c,d,e,f,g
15.3a.b,c,d,e,f,g
4.45g,h
4h
4.75 f,g,h
4.7f,g,h
4.05h
4.05h
Different letters in the same column indicate statistical differences (P , 0.05).
 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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Starch/Stärke 56 (2004) 248–253
Starch Gelatinization of Corn During Nixtamalization
Tab. 3. Summary of the analysis of variance for swelling
power and solubility.
Source of
variation
Mean squares
Df
SP at
807C
SP at
907C
BK (Steeping)
1
0.04
0.74
0.01
29.26*
A: Lime concentration
5
0.31
0.47
0.90
3.85
B: Cooking time
1
5.26*
Interactions: AB
5
0.55
Sol. at Sol. at
807C
907C
10.90* 1.49
0.71
0.72
0.74
2.25
SP = swelling power.
Sol = solubility.
* Significant at 0.05%.
Swelling power decreased with cooking time but solubility was not significantly changed by this factor, in samples
treated with or without lime (Tab. 4). On the other hand
251
solubility decreases during the steeping and the swelling
power remains statistically unchanged. Reduction of
starch solubility has been reported by Gomez et al. [3]
but for tortilla chips, not for nixtamal. This change was
attributed to structure shrinkage and to amylose-lipid
interactions. Direct interrelation of solubility and swelling
power has been shown by Leach [18]. However, in the nixtamalized samples the solubility behavior did not follow
the swelling power behavior. Since lipids can form complexes with amylose during the gelatinization of lipid-containing starches, such as the maize starch [19], it is possible that amylose-lipid complexes were formed during
cooking. These complexes could interfere with the leaching out of amylose and inhibit swelling of the starch granules [20]. Longer cooking time will increase complex formation, because more starch would be gelatinized leading to decreasing granule swelling, in agreement with our
results. Since solubility tends to be decreased only in
steeped samples, we supposed that the steeping allowed
the formation of larger assemblies as indicated by Biliaderis [19]. To corroborate the presence of complexes,
Tab. 4. Effect of steeping, cooking time and lime concentration on swelling power and solubility of
some nixtamalized samples.
Steeping
Cooking
time
Lime
[%]
Swelling
power
at 807C [%]
Swelling
power
at 907C [%]
Solubility
at 807C [%]
Solubility
at 907C [%]
Not allowed
30 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
9.16a,b,c
9.5a,b,c
9.93a,b,c
10.35a,b,c
10.57a,b
11.01a
9.9a,b,c,d,e
10.21a,b,c,d,e
10.62a,b,c,d
10.71a,b,c,d
10.85a,b,c,d
11.59a
6.41a,b
7.64a
5.68a,b
7.12a,b
5.87a,b
7.57a
13.37a,b
15.29a
12.87a,b
11.93a,b,c
11.45a,b,c
12.1a,b,c
60 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
8.44b,c
8.17c
8.33b,c
8.87a,b,c
8.44b,c
9.48a,b,c
9.3c,d,e,f
8.17f
8.62e,f
9.21d,e,f
9.38c,d,e,f
9.79b,c,d,e,f
5.57a,b
6.28a,b
5.74a,b
5.71a,b
5.25a,b
5.62a,b
9.77a,b,c
11.09a,b,c
9.97a,b,c
12.99a,b
13.66a,b
9.23b,c
30 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
9.08a,b,c
9.34a,b,c
10.18a,b,c
9.66a,b,c
10.21a,b,c
8.37b,c
10.67a,b,c,d
10.95a,b,c
10.51a,b,c,d
11.51a,b
10.26a,b,c,d,e
10.78a,b,c,d
5.22a,b
6.69a,b
6.09a,b
6.71a,b
6.55a,b
5.62a,b
9.76a,b,c
7.83b,c
6.09c
11.69a,b,c
11.06a,b,c
9.15b,c
60 min
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
8.81a,b,c
9.58a,b,c
8.95a,b,c
8.82a,b,c
9.61a,b,c
8.62b,c
8.55e,f
9.67c,d,e,f
10.04a,b,c,d,e
9.82b,c,d,e,f
9.9a,b,c,d,e
9.93a,b,c,d,e
4.14b
4.14b
6.63a,b
7.22a,b
7.6a
7.28a,b
8.09b,c
9.14b,c
9.75a,b,c
11.65a,b,c
11.92a,b,c
11.09a,b,c
Steeping
allowed
a–c
Different letters in the same column indicate statistical differences (P , 0.05).
 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
www.starch-journal.de
252
M. Mondragón et al.
X-ray power diffraction analysis was performed in some
samples, with a Bruker AXS D8 diffractometer (Madison,
WI) at 40 kV and 35 mA using Cu-Ka radiation (l = 0.154
nm). Diffractograms were obtained from 57 to 307 (2y) with
a step size of 0.057 (2y). The selected samples were: raw
sample, samples cooked for 30 min (0.0, 0.2, 1.0% lime,
w/v) with and without steeping, and samples cooked for
60 min (0.0, 0.2, 1.0% lime, w/v) with and without steeping. Fig. 1 shows the representative X-ray diffraction patterns of the samples treated for 60 min. The patterns of
the samples for all lime concentrations chosen were similar and only representative patterns are shown (diffraction
patterns of samples treated for 30 min were similar and
are not shown). The diffractograms of all nixtamalized
samples showed main reflections at Bragg angles 15.0,
17.0, 18.1, and 23.37 2y, which are characteristic of the
A-type starch structure, and also the diffractograms
showed a small peak at 12.97 and a larger one at 19.87
which correspond to the V-polymorph, typical of the amylose complexes with lipids [21]. The diffraction peaks corresponding to V-amylose type structures have not been
observed on the patterns of nixtamaled corn presented
by other authors [3, 22, 23]. The chemical composition of
raw endosperm was: moisture 10.69 6 0.07%, protein
7.5 6 0.11%, fat 2.5 6 0.14%, ash 0.6 6 0.02%. The fat
value was high but close to the values reported (0.8–
2.4%) by Tan and Morrison [24]. These authors also
reported that almost half of these lipids correspond to
internal lipids (free fatty acids and lysophospholipids,
which could complex with amylose). During thermal treatment, where starch may be totally or partially gelatinized,
the available lipids could form Type II complexes with the
leached amylose, giving rise to X-ray diffraction patterns
Starch/Stärke 56 (2004) 248–253
[25]. Morrison has reported that in native maize starch,
about 13–22% of total amylose is lipid-complexed amylose [26], therefore almost 80% of amylose is free for
complexation. We assumed that during nixtamalization
the gelatinized starch could have formed the complexes
Type II with the internal lipid. Apparent and total amylose
content was 23.4% and 29.5%, respectively. Difference
between these contents could be taken as an indicator
of the proportion of lipid-complexed amylose, that is
formed during the gelatinization [27]. We assume that our
swelling and solubility behavior data could have been
influenced by the presence of these complexes.
4 Conclusions
Cooking time had a significant effect on the parameters
determined by differential scanning calorimetry. Increasing cooking time resulted in higher onset and peak temperatures as well as in lower gelatinization enthalpies due
to the increment in the amount of gelatinized starch.
Steeping increased the peak temperature probably as a
combined result of an annealing and recrystallization process. The formation of amylose-lipid complexes in
cooked samples was evidenced by the X-ray studies,
amylose-lipid complexes producing a decreasing effect
in the swelling power and in the solubility of the starch.
However, steeping was necessary to detect an effect on
the solubility behavior due, probably, to the presence of
complexes with larger structures formed during the nixtamalization steep. The effect of lime on all the evaluated
parameters was not apparent, except by a slight increment in the temperature range which was attributed to a
structural disorganization caused by the calcium ions.
Acknowledgements
We thank Dr. A. M. Mendoza and Dr. R. Silva for allowing
us to carry out part of this work at the División de Posgrado e Investigación of the Instituto Tecnológico de Ciudad Madero, Tamaulipas, México.
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a) raw; b) cooked; c) cooked and steeped.
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(Received: December 6, 2002)
(Revised: September 25, 2003/November 27, 2003)
(Accepted: December 2, 2003)
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