El estudio de la mezcla gluten vital (GV) - aislado proteico de soja (ISP), permitió conocer la influencia del agregado de distintas proporciones de proteína de soja en las características reológicas y estructurales del gluten. Para ello, se amasaron mezclas de GV con distintas proporciones de ISP (100:0, 95:5, 90:10, 80:20 y 70:30 GV:ISP p/p) y agua (relación 1:1,5 sólidos:agua p/v).
1.1. Estudio de las características reológicas de las mezclas GV-ISP
El análisis de las propiedades reológicas de la masa es muy importante, ya que permite prever su comportamiento durante el proceso de elaboración de los productos. Sin embargo, el uso de los test reológicos permite predecir el comportamiento de la masa, cuando la amplitud de la deformación aplicada es de una magnitud similar a la ejercida durante el procesamiento de la muestra (Bloksma, 1990; Dobraszczyk y Roberts, 1994; Morgentern y col., 1996). En esta sección, ambos ensayos, el análisis de extensibilidad uniaxial y el test de deformación (creep) fueron aplicados a las mezclas GV-ISP utilizando un texturómetro TA-XT 2i, lo que implicó someter a las muestras a un alto grado de deformación.
La tabla 1.1 muestra los valores obtenidos para los parámetros reológicos de las mezclas GV-ISP.
Durante los procesos de amasado y laminado de la masa, ésta experimenta deformaciones que involucran principalmente su extensión. El ensayo de extensión uniaxial, es uno de los test más ampliamente utilizados en la medición de las propiedades de los materiales. En este método la masa en forma de tiras es extendida en una sola dirección (uniaxial), y se registra la fuerza necesaria para extender la muestra hasta su ruptura mediante gráficos de fuerza en función de la distancia. Los parámetros determinados a partir de estas curvas son: la resistencia máxima a la extensión (Rm), la distancia de extensión hasta la ruptura (E, extensibilidad máxima) y el área bajo la curva (A).
La sustitución de proteínas de trigo por proteínas de soja modificó significativamente los parámetros del análisis de extensión uniaxial de las
mezclas (p≤0,05). La incorporación de ISP aumentó la Rm y disminuyó los
valores de E y A, estos efectos fueron más evidentes cuando se incrementó el nivel de sustitución. Los resultados indicaron que el agregado de proteínas de soja al gluten incrementó la fuerza necesaria para extender la mezcla y redujo su capacidad de extensión. La reducción de A, que es una medida de la energía requerida para extender la masa hasta la rotura, sugiere un debilitamiento de la red de gluten por la sustitución con ISP.
Tabla 1.1. Efecto de la incorporación de proteína de soja sobre los parámetros reológicos del gluten.
GV:ISP (p/p)
Análisis de extensibilidad
uniaxial Análisis creep Rm (g) E (mm) A (g s) J0 (Pa-1)x10-4 J1 (Pa-1)x10-4 µ0 (Pas)x106 100:0 47,4a 58,1d 617,2bc 1,19d 1,75e 0,76a 95:5 87,3b 37,6c 698,0d 1,16d 1,66d 0,82ab 90:10 88,2b 33,7b 633,1c 0,98c 1,23c 0,91b 80:20 84,3b 31,9b 565,2b 0,50b 0,80b 1,19c 70:30 107,9c 23,5a 504,1a 0,42a 0,45a 1,96d
Letras distintas dentro de una misma columna indican diferencias significativas con p≤0,05. Rm, resistencia máxima a la extensibilidad; E, extensibilidad máxima; A, área bajo la curva; J0, compliance instantánea; J1, compliance retardada; 0,
viscosidad Newtoniana. GV, gluten vital; ISP, aislado proteico de soja
La masa es un material viscoelástico que presenta, al mismo tiempo, las características de un líquido viscoso y de un sólido elástico. El modelo mecánico más simple que se usa para interpretar el comportamiento reológico de la masa es el modelo de Burgers. Cuando una fuerza constante es aplicada a la masa, se obtiene una respuesta inmediata que está dada por la deformación elástica, seguida por una deformación elástica demorada en el tiempo, y finalmente un flujo viscoso. Las dos primeras respuestas son
denominadas compliance, mientras que el tercer estado es llamado
constante (creep) aplicado a la masa mediante grandes amplitudes de deformación (>29%) puede ser utilizado para predecir la calidad panadera de harinas provenientes de trigos duros (Edwards y col., 1999, 2000), y el comportamiento de la masa durante el horneado (Safari-Ardi y Phan-Thien, 1998; Wikström y Eliasson, 1998).
Las curvas obtenidas en el análisis creep mostraron el comportamiento viscoelástico típico obtenido previamente para masas de trigo (Edwards y col., 1999, 2000; Sozer y Dalgic, 2006). La masa es un sistema complejo en el cual las proteínas establecen uniones entre sí y con los demás componentes. Cuando este sistema es sometido a un esfuerzo de compresión, extensión o cizallamiento se obtiene una deformación, y a medida que la velocidad de deformación incrementa se produce ruptura de estas interacciones. Todas las curvas presentaron una forma general (Figura 1.1), similar a la mostrada en la Figura 16.B (Materiales y Métodos) en donde se observaron tres regiones principales (Sherman, 1970). La primera región se relaciona con una deformación instantánea aparente (J0), en la cual las interacciones entre las diferentes unidades estructurales son deformadas elásticamente; si la fuerza es removida en esta región la muestra recupera su estructura original completamente ya que no hay ruptura de interacciones moleculares. La sección siguiente de la curva, corresponde a una deformación elástica retardada dependiente del tiempo (J1), con un aumento de la ruptura y formación de uniones moleculares a medida que incrementa la velocidad de deformación; los procesos de ruptura y formación de nuevas interacciones están desfasados en el tiempo, lo que genera una respuesta no lineal. Finalmente, se observa una deformación asociada al flujo viscoso (μ0), en la que parte de las interacciones se rompen permanentemente; si se remueve la fuerza en esta región la muestra puede recuperar parte de su estructura, y esto depende del grado de ruptura permanente (Álvarez y col., 1998; Rao, 1999).
Figura 1.1. Curvas creep obtenidas a partir de mezclas de gluten con distintas proporciones de ISP.
Las curvas de deformación en función del tiempo fueron ajustadas a través del modelo de Burgers por análisis de regresión no lineal. El nivel de ajuste mínimo arrojó un coeficiente de determinación r=0,96 con un nivel de significación de p<0,0001.
La incorporación de ISP disminuyó significativamente la compliance
instantánea (J0) y la compliance retardada (J1) e incrementó la viscosidad
newtoniana (µ0) (Tabla 1.1). La disminución de J0 y J1 está relacionada con la reducción de la altura de la curva de deformación, lo que refleja una mayor rigidez y capacidad elástica del sistema, respectivamente. Por otro lado, el parámetro µ0 se relaciona directamente con la viscosidad del sistema. El aumento de la Rm y de la capacidad elástica por el agregado de ISP al gluten reveló la formación de una estructura más rígida. Ribotta y col. (2005a) observaron un incremento en la resistencia de la masa y una disminución en la extensibilidad por incorporación de harina de soja. Sin embargo, estos autores informaron un debilitamiento de las propiedades funcionales de las masas.
1.2. Estudio de la sinéresis en la mezcla GV-ISP
El agua juega un papel muy importante en la determinación de las propiedades viscoelásticas de la masa de trigo. Masi y col. (1998), observaron
que el comportamiento viscoelástico dinámico de la masa de trigo puede ser entendido teniendo en cuenta el rol dual del agua no funcional. Estos autores postularon que el agua puede actuar como un relleno inerte que disminuye las propiedades dinámicas proporcionalmente al contenido de humedad, o el agua puede comportarse como un lubricante mejorador del fenómeno de relajación.
Con el objetivo de estudiar la capacidad de las mezclas GV-ISP de establecer interacciones con el agua, se midió el agua libre separada por centrifugación (sinéresis) en las mezclas justo después del amasado (SR) y luego de 1 h de finalizado el amasado (CR). Los resultados mostraron que la sinéresis disminuyó (p≤0,05) con la adición de ISP, incluso las mezclas con bajos niveles de sustitución de ISP (proporción 95:5 GV:ISP) mostraron un drástico incremento en la capacidad de retener agua (Figura 1.2). Este efecto aumentó gradualmente con el agregado de ISP hasta la proporción 80:20 GV:ISP y fue atribuido a la elevada capacidad de absorción de agua de las proteínas de soja y al incremento en la proporción total de proteínas.
Figura 1.2. Efecto del agregado de proteína de soja en la sinéresis de la mezcla GV:ISP. GV, gluten vital; ISP, aislado proteico de soja.
El agua retenida por un polímero hidrofílico presenta propiedades termodinámicas algo diferentes a las del agua en fase líquida (Rodehed y Rondy, 1986; Mansor y Malcolm, 1994). En general, el agua relacionada a
polímeros es categorizada en tres tipos: agua libre, cuya temperatura de congelamiento es el punto usual (0 °C) y se relaciona con la sinéresis; agua intermedia, cuya temperatura de congelamiento es más baja que la usual; y agua ligada no congelable, la cual no congela incluso cuando la muestra es enfriada por debajo de los -100 °C (Quinn y col., 1988; Ping y col., 2001; Braga y Cunha, 2005). Este comportamiento diferente del agua cuando se encuentra en contacto con la matriz polimérica puede ser atribuido a que el agua queda atrapada dentro de las cadenas de polímeros (Cuperus y col., 1992), o a las fuertes interacciones de las moléculas de agua con los grupos polares de los polímeros hidrofílicos (Filho y Bueno, 1992).
En este estudio la adición de proteínas de soja disminuyó drásticamente el agua libre bajo las condiciones estudiadas, esto sugiere una gran competencia por el agua entre las proteínas de la soja y las del gluten.
Las mezclas GV-ISP retuvieron más cantidad de agua a medida que aumentó la proporción de ISP; la disminución del agua libre lleva a la formación de mezclas más firmes a causa de que esa agua no juega un papel lubricante en el sistema, lo que puede explicar el aumento de la rigidez y la viscosidad como consecuencia de la adición de proteína de soja.
1.3. Estudio de la microestructura de las mezclas GV-ISP
A nivel microscópico, las diferentes etapas en el proceso de amasado de la harina de trigo con el agua fueron registradas por Amend y Belitz (1990). En ese estudio, las fibrillas de las proteínas hidratadas aparecen, en un primer momento, adheridas unas con otras formando una estructura más bien compacta, de largas hebras dispuestas al azar. La acción de amasado extiende estas fibrillas orientándolas en la dirección en la cual es ejercida la acción de mezclado y permite que interactúen unas con otras. Cuando el pico de consistencia es alcanzado (máxima resistencia al amasado), las fibrillas proteicas han sido reducidas en diámetro y aparecen interactuando y formando una red continua.
Las imágenes del GV (sin el agregado de ISP), obtenidas por microscopía electrónica de barrido mostraron una matriz continua, la red de gluten, con algunos gránulos de almidón dispersos (Figura 1.3.A). Las imágenes de la mezcla GV-ISP también mostraron una microestructura con una matriz continua, aunque mucho más heterogénea. En esta red se visualizaron objetos globulares embebidos que interrumpieron su continuidad y favorecieron la presencia de una gran cantidad de poros (Figura 1.3.B). A partir de la comparación entre las microfotografías de gluten y GV-ISP, se determinó que los objetos globulares corresponden a los agregados de proteína de soja o agregados de GV-ISP, los cuales se encuentran inmersos en las fibrillas de gluten, e interfieren en la continuidad de la matriz.
Figura 1.3. Microfotrografías electrónicas de barrido. A: gluten vital (GV). B: mezcla gluten vital (GV) - aislado proteico de soja (ISP) en proporción 80:20 GV:ISP. MG, matriz continua de gluten; PS, proteína de soja; flecha roja, gránulo de almidón. Magnificación: 5000x.
Estos resultados están de acuerdo con estudios previos, donde la formación de la red de gluten fue interrumpida por el agregado de proteína de soja. Ribotta y col. (2005b) informaron que esta interferencia causó el debilitamiento de la masa en forma directa e indirecta. El efecto directo se relacionó con la formación de interacciones entre las proteínas de soja y las proteínas del gluten, mientras que el indirecto estuvo relacionado con una menor disponibilidad de agua para la formación del gluten. Por otro lado,
Maforimbo y col. (2007) observaron que el agregado de proteínas de soja debilitó la masa de trigo por incrementos en la concentración de grupos sulfhidrilo libres.
Una red más porosa está relacionada con una matriz de gluten más débil. La sustitución de las proteínas del gluten por proteínas que no forman gluten probablemente causó un efecto de dilución que afectó tanto las interacciones en la red del gluten como las propiedades reológicas de la mezcla (Ribotta y col., 2005b).