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Universidad de Caldas UNIVERSIDAD DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS DOCTORADO EN CIENCIAS AGRARIAS MANIZALES, 2015

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OBTENCIÓN DE ALMIDÓN MODIFICADO A PARTIR DE TRES CULTIVARES DE MUSÁCEAS

Propuesta de Tesis Doctoral

Estudiante

Doctorado en Ciencias Agrarias

ANDRÉS CHÁVEZ SALAZAR, M.Cs.

Director

FRANCISCO JAVIER CASTELLANOS GALEANO, PhD

Co-Directora

CRISTINA INES ALVAREZ BARRETO, PhD

Grupo de Investigación en Alimentos y Agroindustria Departamento de Ingenierías, Facultad de Ingenierías

Universidad de Caldas

UNIVERSIDAD DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS DOCTORADO EN CIENCIAS AGRARIAS

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RESUMEN

En Colombia el cultivo de plátano representa una alternativa socioeconómica importante, aunque su actividad agroindustrial es muy baja, aproximadamente un 95% de la producción se consume en fresco en el mercado interno, desaprovechando la posible transformación industrial de este fruto. En relación con la cantidad de producción entre los años 2003 y 2013, se puede detallar que Colombia es el tercer país a nivel mundial que más produce plátano con un promedio aproximado de 3.090.700 toneladas (FAOSTAT, 2013). Conforme a lo expuesto anteriormente, el plátano es una matriz alimentaria poco transformada a nivel industrial, por lo que el almidón modificado proveniente de esta matriz e incluso en combinación con una tecnología especifica de secado como la aspersión, puede llegar a convertirse en una buena alternativa de consumo como materia prima para otros productos del sector de los alimentos.

Con el objetivo de explorar la importancia y viabilidad del uso del almidón modificado de plátano, en esta investigación se evaluaran tres etapas: la primera etapa consiste en el obtención del almidón nativo de tres cultivares de musáceas y su caracterización física, química, reológica y de digestibilidad, seguida de dos modificaciones químicas a cada uno de los almidones nativos, evaluar nuevamente sus características físicas, químicas, reológicas y de digestibilidad con el fin de comparar y determinar el proceso más adecuado y conveniente. En la segunda etapa, se pretende evaluar el efecto del secado por aspersión del almidón modificado seleccionado de la primera etapa y se evaluara una vez más sus características físicas, químicas, reológicas y de digestibilidad, así mismo se realizara una aplicación tecnológica con el fin de valorar el nivel de aceptación y conveniencia de uso, brindando así una alternativa que genere mayor aprovechamiento del plátano en el sector industrial. Por último, se realizara una evaluación económica del proceso de modificación y secado por aspersion del almidón.

Con respecto a los resultados e impactos esperados de este proyecto de investigación, se pretende alcanzar la optimización de las condiciones de modificación y secado por aspersión del almidón proveniente de musáceas. Por otra parte, proponer una opción diferente de transformación de las musáceas con el fin de ampliar el portafolio agroindustrial de esta cadena productora.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION Y JUSTIFICACION

Formulación del problema

¿Los almidones modificados obtenidos a partir de musáceas tendrán características fisicoquímicas, reológicas, térmicas y de digestibilidad similares o mejores que los almidones nativos obtenidos de esta misma fuente?

Descripción del problema de investigación

En Colombia las musáceas tienen poca transformación agroindustrial, algunas de las formas procesadas que normalmente se encuentran en el mercado nacional e internacional son: congelados, deshidratados y harinas. Hay que señalar que del total de la producción nacional, aproximadamente un 89% se comercializa y se consume en fresco. Por otra parte, el proceso de comercialización de las musáceas generalmente se da en estado de maduración “verde-inmaduro” en los principales centros de acopio y mayoristas, aunque igualmente existen otros compradores que exigen características particulares de tamaño, peso, forma y tejido sano en la cascara. A menudo los cultivadores sufren pérdidas económicas debido a los bajos e irregulares precios que se manejan al momento de las negociaciones, este fenómeno depende en gran medida de la demanda y oferta, tipo de variedad, calidad del fruto y competencia con los precios de frutos importados desde el Ecuador y Venezuela. (Superintendencia, 2005).

Acerca de la poca transformación agroindustrial, el almidón proveniente de musáceas puede llegar a ser una alternativa a tener en cuenta. Hay que mencionar además, que en Colombia el estudio sobre las propiedades, efectos de las modificaciones y tecnologías de secado de almidón de musáceas es muy incipiente, al igual que la aplicación o la utilización en la formulación de otros alimentos procesados. Cabe recalcar que Colombia tiene un bajo nivel tecnológico en las unidades productivas, debido principalmente a la baja transferencia de tecnología por parte de los centros de investigación nacional y a las barreras comerciales que se presentan en términos de los canales de comercialización; sin embargo, la cadena cuenta con entidades, instituciones, empresas y universidades que han venido realizando investigación básica y aplicada, contribuyendo lentamente a su desarrollo, así como al fortalecimiento de la asociatividad e integración de los actores para la conformación de unidades de desarrollo empresarial de la cadena del plátano.

Justificación

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Colombia fue considerado el mayor productor en el continente Americano y el cuarto país a nivel mundial, dicho de otra manera Colombia aportó el 8.7% de esta producción. Cabe señalar, que la producción promedio de plátano en Colombia entre los años 2003 y 2013 fue aproximadamente 3.090.700 toneladas. (FAOSTAT, 2013). Para el año 2013 la producción de plátano en el eje cafetero colombiano (departamentos del Quindío, Caldas y Risaralda) fue de 613.086 toneladas lo que representa un 19.6% de la producción nacional, en Caldas la producción se estimó en 212.196 toneladas lo que significa un 6,68% de la producción nacional y un 0.56% de la producción mundial, con un área cosechada de 20.510 Hectáreas y un rendimiento de 10,3 toneladas/hectárea. Caldas es considerado el sexto departamento en Colombia que más plátano produce, por debajo de Arauca, Antioquia, Meta, Quindío y Valle del Cauca. (Agronet, 2013). En relación a las variedades de plátano que se cultivan en Colombia, se destacan el Dominico Hartón, el Dominico, el Hartón, el Pelipita y el Cachaco o Popocho; siendo el Dominico Hartón la variedad más comercial debido a sus características de calidad. En cuanto al banano, la variedad Cavendish Valery, sobresale tradicionalmente a nivel nacional. (Ruiz y Ureña, 2009). Con base en lo anterior, se considera importante valorar una variedad promisoria y proveniente de la zona de influencia de la investigación de programas de mejoramiento genético entre las musas acuminata (plátanos) y las musas balbisiana (bananos).

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directamente con la disminución del riesgo de padecer enfermedades como, obesidad, diabetes y enfermedades cardiovasculares.

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MARCO TEÓRICO

Plátanos y bananos. Nombre científico (Musa Paradisiaca), frutos pertenecientes a la familia botánica Musácea, normalmente de forma alargada con un alto contenido de almidón. Las especies silvestres Musa Acuminata y Musa Balbisiana,

son las más representativas debido a su manejo genético, ya que con la hibridación y poliploidía, se ha dado lugar a nuevas especies de plátanos y bananos que en la actualidad se cultivan en el mundo. (Rivas et al., 2009). Estas especies son híbridos diploides, triploides y tetraploides compuestas por las subespecies Musa Acuminata (genoma A) y Musa Balbisiana (genoma B). (Nadal

et al., 2009). La composición química y bioquímica de los plátanos y bananos se presentan en la tabla 1.

Tabla 1. Composición química y bioquímica (por cada 100 g) del plátano y banano en diferentes estados fisiológicos.

Componente Unidad Pulpa de banano Pulpa de plátano

Maduro Inmaduro (verde) Maduro Inmaduro (verde)

Energía Kcal 89.0 110.0 122.0 91.0

Agua g. 74.0 69.0 65.0 63.0

Proteina g. 1.1 1.4 1.3 0.8

Lípidos Totales g. 0.3 0.2 0.37 0.1

Carbohidratos g. 21.8 28.7 32.0 24.3

Fibra dietaría g. 2.0 0.5 2.0-3.4 5.4

Na mg. 1.0 - 4.0 -

K mg. 385.0 - 500.0 -

Ca mg. 8.0 8.0 3.0 7.0

Mg mg. 30.0 - 35.0 33.0

P mg. 22.0 - 30.0 35.0

Fe mg. 0.42 0.9 0.6 0.5

Cu mg. 0.11 - - 0.16

Zn mg. 0.18 - - 0.1

Mn mg. 0.2 - - 15.0

β-caroteno mg. 68.0 48.3 390

-1035 0.03 - 1.2

Vitamina E mg. 0.29 - - -

Vitamina C mg. 11.7 31.0 20.0 220.0

Tiamina Mg 0.04 0.04 0.08 0.05

Riboflavina mg 0.07 0.02 0.04 0.05

Niacina mg 0.61 0.6 0.6 0.7

Ac. pantoténico mg 0.28 - - 0.37

Vitamina B6 mg 0.47 - - -

Folato total µg 23.0 - - 0.016

Biotina µg 2.6 - - -

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Leucina mg 71.0 - - -

Lisina mg 50.0 - - -

Metionina mg 14.0 - - -

Cisteína mg 20.0 - - -

Fenilalanina mg 41.0 - - -

Tirosina mg 26.0 - - -

Treonina mg 36.0 - - -

Triptófano mg 13.0 - - -

Valina mg 49.0 - - -

Arginina mg 57.0 - - -

Histidina mg 86.0 - - -

Alanina mg 43.0 - - -

Ac. Aspartico mg 120.0 - - -

Ac. Glutamico mg 115.0 - - -

Glicina mg 41.0 - - -

Prolina mg 43.0 - 76.0 45.0

Serina mg 49.0 - - -

Dopamina mg 65.0 - - -

Serotonina mg 3.3 - - -

Tiamina mg 0.7 - - -

Ac. Malico meq 6.2 1.36 - -

Ac. Cítrico meq 2.1 0.68 - -

Ac. oxálico meq 1.3 2.33 - -

Otros ácidos meq 0.17 0.19 - -

Fuente: (Aurorea et al., 2008)

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toneladas/hectárea. A nivel departamental el plátano es el segundo producto más cultivado, por debajo de la caña de azúcar. (Agronet, 2013).

Almidón. El almidón es un polisacárido constituido químicamente por dos polímeros de diferente estructura, la amilosa y la amilopectina. La relación de estos polímeros y la organización física dentro de la estructura granular, confiere propiedades fisicoquímicas y funcionales propias de los almidones. El almidón representa una fracción importante en un gran número de productos agrícolas como los cereales (maíz, trigo y arroz) cuyo contenido va del 30 al 80%, las leguminosas (frijol, chícharo y haba) con un 25 a 50% y los tubérculos (papa y yuca) con un 60 a 90% de la materia seca.(Millan y Bello, 2004). Algunas investigaciones han reportado contenidos de almidón en algunas fuentes no convencionales como el plátano y el mango. (Amaya y Bello, 2010) por ejemplo, han reportado que la pulpa de plátano en estado verde de maduración puede llegar a alcanzar valores entre 70 y 80% de almidón en peso seco. Además de asegurar que este almidón presenta resistencia a las enzimas α-amilasa y glucoamilasa, hasta un 75 a 84% de gránulos ingeridos han sido encontrados al final del intestino delgado. (Jiménez et al., 2011), también reportan valores aproximados de 95% de almidón total en plátano y mango en estado de maduración verde.

El almidón nativo difiere del almidón modificado en la apariencia y microestructura de los gránulos, además de sus propiedades funcionales. Los almidones nativos presentan algunas limitaciones que reducen su uso en la industria, algunas de éstas limitaciones son: baja resistencia a la tensión por cizallamiento, descomposición térmica, retrogradación y sinéresis, por tal motivo se ha investigado la modificación de los almidones. La alta reactividad que le confieren los grupos hidroxilos libres presentes en los carbono 2, 3 y 6 de la molécula de glucosa, permite someter al almidón nativo a diferentes tratamientos químicos, físicos o enzimáticos, mejorando algunas de sus propiedades, como por ejemplo mejor claridad de pasta y estabilidad, menor tendencia a la retrogradación y aumento en la estabilidad al congelamiento-descongelamiento.(Bello et al., 2002) (Ruales et al., 2000).

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enlazar, lo que a su vez genera una coloración azul más intenso. (De la Rosa et al., 2014).

Figura 1. Estructura química de la molécula de amilosa. Fuente: (Perucini et al., 2014)

Amilopectina. La amilopectina es el componente ramificado del almidón y que está formado por cadenas de D-glucosa unidas por enlaces α 1-4, y presenta enlaces α 1-6 en los puntos de ramificación (figura 2). Algunos autores han reportado que las ramificaciones se localizan aproximadamente cada 15-25 unidades de glucosa, de igual manera también se ha reportado que las cadenas que constituyen la amilopectina son de tres tipos y pueden ser identificadas por su tamaño: cadenas cortas con un grado de polimerización de 14-18 unidades de glucosa, cadenas interiores largas con un grado de polimerización de 45-55 unidades de glucosa y cadenas con un grado de polimerización mayor de 60 unidades de glucosa.

Figura 2. Estructura química de la molécula de amilopectina. Fuente: (Rivas y Bello, 2012).

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enzimas digestivas humanas en el tracto gastrointestinal y absorbida al torrente sanguíneo como glucosa.

Digestión del almidón. La digestión del almidón se da al momento de ser ingeridos, es en la boca donde inicia el proceso de hidrólisis del almidón en disacáridos y oligosacáridos, gracias al efecto de la amilasa salival secretada por las glándulas parótidas y submandibulares. La amilasa salival es inactivada al llegar al estómago por las condiciones ácidas que se presentan allí. Una vez el almidón y sus productos de hidrolisis pasan al intestino delgado, se inicia la actividad de la amilasa pancreática (sintetizada en el páncreas), para luego desembocar en el duodeno, en donde continua la hidrolisis de los enlaces α 1-4 del almidón y sus productos por efecto de la amilasa pancreática, de donde se generan glucosa, maltosa y maltotriosa a partir de la hidrolisis de la amilosa y glucosa, maltosa, maltotriosa y α – dextrinas de la hidrolisis de la amilopectina. La glucosa es absorbida directamente a través de la mucosa intestinal de íleon, mientras que los disacáridos y oligosacáridos son atacados por las enzimas glucosidasas y disacaridasas. Estas enzimas están presentes en los bordes de las células y se producen por las glándulas de Liebert Kuhn del epitelio intestinal las cuales siguen rompiendo los enlaces α 1-4 y α 1-6 generando glucosa. La última etapa de la digestión se da en la absorción de la glucosa a través de los enterocitos del torrente sanguíneo, la cual transporta al hígado y entra en la recirculación alcanzando el tejido periférico a través de la acción de la insulina. Esta hormona es secretada por el páncreas en respuesta al incremento de glucosa en la sangre, regulando los niveles al estimular la síntesis y almacenamiento de glucógeno en los músculos y el hígado. La velocidad a la cual el almidón y los azucares son digeridos y absorbidos durante el transito del intestino delgado se asocia con la respuesta glucémica y el metabolismo postpandrial del sustrato (carbohidratos no glucémicos). (Perucini et al., 2014).

Clasificación nutricional del almidón. Investigaciones han comprobado que la existencia de diferentes tipos de almidón, que están en función de la velocidad de hidrolisis y absorción en el intestino delgado. En este sentido se ha propuesto una clasificación del almidón en: almidón de digestión rápida (ADR), almidón de digestión lenta (ADL) y almidón resistente (AR). El ADR es la fracción en la que la cantidad de glucosa es liberada después de 20 minutos de hidrolisis, el ADL es la fracción en la que la cantidad de glucosa es liberada después de 20 y 120 minutos de hidrolisis y el AR es la cantidad de almidón y los productos de su degradación que no son absorbidos en el intestino delgado.

El ADL puede llegar a brindar beneficios en la salud, al estar ligado con el metabolismo de la glucosa, diabetes, rendimiento mental y saciedad, debido a que ofrece un incremento lento y sostenido del nivel de glucosa postpandrial en la sangre, comparado con el ADR. Cabe resaltar que las investigaciones de dichos beneficios son limitadas. (Amaya y Bello, 2010).

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AR1: este almidón se encuentra dentro de las paredes celulares de la planta,

normalmente granos y semillas parcialmente molidos. Los frijoles y lentejas son la principal fuente.

AR2: se refiere a los gránulos de almidón nativo, los cuales contienen fracciones

no gelatinizados de almidón, se presentan en el caso particular de aquellos almidones con un patrón de difracción de rayos X tipo B, el cual se caracteriza por el arreglo tipo hexagonal, que los hace más resistentes a la hidrolisis enzimática y que a su vez se refleja en la reducción de digestibilidad. Los más comunes son los almidones provenientes de la papa y el plátano.

AR3: es la fracción más habitual de AR, se encuentra en la mayoría de los

alimentos y corresponde al almidón retrogradado (que es el almidón que se ha reorganizad después de la gelatinización), debido a que se generan cambios entre las moléculas de amilosa y amilopectina.

AR4: es el almidón que gracias a su modificación química puede llegar a reducir la

digestibilidad al provocar resistencia al ataque de las enzimas.

Modificaciones químicas del almidón. Las modificaciones químicas son utilizadas para la modificación de los almidones, el objetivo es generar reacciones con los grupos hidroxilos del polímero de almidón, cambiando su estructura y por consiguiente sus propiedades funcionales. Este tipo de modificaciones normalmente se da en presencia de un reactivo químico bajo condiciones controlada de agitación, temperatura y pH. Los almidones son modificados para mejorar ciertas propiedades, y que, al ser incorporados en otros productos brindan ciertos beneficios funcionales. Algunos de los tratamientos químicos permitidos para la producción de almidones modificados son: lintnerización, oxidación, eterificación, entrecruzamiento, esterificación y acetilación.El grado de sustitución está relacionado con la modificación química e indica el promedio del número de sustituciones por unidad de anhidroglucosa en el almidón. El máximo grado de sustitución es 3 debido a que se presentan tres grupos hidroxilo disponibles por unidad de anhidroglucosa.(Peñaranda et al., 2008)

Lintnerización. Es una modificación por ácido la cual se produce haciendo reaccionar una suspensión al 40 % de almidón con HCl o H2SO4. Los ácidos hidrolizan los enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6. La hidrólisis ocurre preferentemente en las regiones amorfas de los gránulos permaneciendo las zonas cristalinas relativamente intactas, produciendo cadenas lineales, las cuales favorecen al fenómeno de retrogradación y éste a su vez a la formación de almidón resistente.(Perucini et al., 2014)

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Eterificación. Esta modificación tiene como principal objeto insertar grupos hidrofílicos a las unidades de anhidroglucosa, a fin de estabilizar el almidón en medio acuoso y prevenir el fenómeno de retrogradación que sufren los mismos en solución a bajas temperaturas.(Mollega et al., 2011)

Entrecruzamiento. Técnicas en el cual se usan como materias primas reactivos bi o polifuncionales que pueden reaccionar con uno o más grupos hidroxílicos. Entre los productos químicos aprobados y usados para reticular el almidón se encuentran: el oxicloruro de fósforo, el trimetafosfato de sodio y las mezclas de anhidro adípico y anhídrido acético.(Peñaranda et al., 2008)

Esterificación. En general la esterificación de los polisacáridos con ácidos orgánicos y derivados del ácido, es una de las transformaciones más versátiles de estos biopolímeros. La introducción de un grupo éster en el polisacárido constituye un desarrollo importante debido a que permitirá modificar la naturaleza hidrofílica y obtener cambios significativos en las propiedades mecánicas y térmicas. Los ésteres de almidón generalmente se preparan por la reacción del almidón con donadores de acilo anhídridos o la reacción con acilos clorados y en presencia de solventes orgánicos.(Peñaranda et al., 2008)

Acetilación. La acetilacion es una modificacion quimica que se obtiene por la esterificacion del almidón nativo con anhidro acetico, en donde se introducen los grupos acetilos (CH3C=O), que a su vez interfieren en el orden de la estructura de

almidón nativo, asi como la reasociacion de la amilosa y la amilopectina despues de la gelatinizacion del almidón. Este tipo de modificacion mejora las propiedades funcionales del almidón, provocando disminucion en la temperatura de gelatinizacion, incrementando el poder de hinchamiento, solubilidad, viscosidad, claridad de los geles y estabilidad en el almacenamiento. La acetilacion causa una sustitucion de los grupos OH de las posiciones C2, C3 y C6 por los grupos acetilos,

el grupo OH primario se encuentra situado en el C6, el cual es mas reactivo que

los secundarios C2 y C3 debido al impedimento esterico.(Rivas y Bello, 2012).

Tecnología de secado

Secado por aspersión. El secado por aspersión es un proceso que transforma la materia prima (húmeda) en partícula seca con la ayuda de aire caliente. La alimentación puede ser en solución, suspensión, emulsión o pasta. Al interior de la cámara, entran en contacto el producto asperjado o atomizado y el flujo de aire o gas de secado, generándose fenómenos de transferencia de calor y masa de manera rápida, debido a la amplia superficie de contacto generado por la aspersión y la alta temperatura de secado, esto a su vez se traduce a tiempos de residencia cortos (entre 5 y 100 s), por lo que se le considera a este proceso atractivo para secar productos sensibles al calor. (Ceballos y Orrego, 2008)

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salir del sistema, aunque en algunas ocasiones puede contener microparticulas. En el segundo tipo (ciclo cerrado), el aire de secado no se expulsa del sistema, por lo contario se limpia, se seca y se reutiliza nuevamente generando un proceso continuo; por lo general este último tipo de secado suele ser más eficiente.(Ibarz y Barbosa, 2005)

La generación de las gotas se dan según el tipo de atomizador, en este sentido existen varios tipos: (1) los Inyectores de presión, en los que variando la presión es posible controlar el flujo del alimento y las características de la atomización. El principio fundamental de este tipo de inyectores es la conversión de la energía de presión en energía cinética. (2) Los atomizadores rotatorios, que difieren de los inyectores de presión en que el líquido alcanza altas velocidades sin depender de alta presión, así mismo, la velocidad de alimentación puede ser controlada con discos, mientras que en el caso de inyectores, tanto la caída de presión como el diámetro del orificio cambian simultáneamente. El tamaño óptimo de la gota para una alimentación dada depende de las siguientes condiciones: rotación sin vibración, fuerza centrífuga, suave y completa humidificación de la superficie de la paleta, y una distribución y alimentación uniforme. (3) Atomizadores neumáticos (dos fluidos), la atomización de líquido utilizando una alta velocidad de gas es conocida como atomización neumática, este mecanismo involucra una alta velocidad del gas que permite crear fuerzas de fricción elevadas, lo que causa la rotura del líquido en gotas. La formación de gotas tiene lugar en dos etapas: primero el líquido se rompe en filamentos y largas gotas; después los filamentos de líquido y las gotas grandes se rompen dando gotas pequeñas. Este proceso de formación de gotas se ve afectado por las propiedades del líquido (tensión superficial, densidad, y viscosidad), así como por las del flujo de gas (velocidad y densidad). La atomización neumática utiliza como medio gaseoso primario aire y vapor. En el caso de ciclos cerrados se suelen utilizar gases inertes. Para lograr condiciones de fricción óptimas se requieren elevadas velocidades entre el aire y el líquido.(Ibarz y Barbosa, 2005)

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Figura 3. Clasificación de secadores según el movimiento de atomización. Fuente: (Ibarz y Barbosa, 2005)

El tamaño medio de las gotas formadas es proporcional al flujo del alimento y a su viscosidad, así mismo las propiedades de las partículas secas dependen de las propiedades físicas y químicas de la alimentación y el diseño y operación del secador. Es una operación continua y fácil que está totalmente controlada de forma automática con una respuesta rápida y aplicable tanto a producto sensible como resistentes al calor. El secado por aspersión es generalmente la etapa final de un proceso que influye en la calidad final del producto. Algunas investigaciones sobre secado por aspersión en almidones, infieren en un beneficio sobre el producto final, en cuanto a propiedades físicas particulares, tales como la solubilidad, la viscosidad, la digestibilidad y la hinchazón. (Keshani et al., 2015).

Actualmente esta técnica se ha venido aplicando a diversas matrices alimentarias, tales como: huevo, bebidas, proteínas vegetales, extracto de frutas y verduras, carbohidratos, extractos de té, yogur y muchos otros productos. Los beneficios de la técnica de secado por pulverización incluyen la capacidad de producir polvos de un tamaño de partícula y contenido de humedad específico, independientemente de la capacidad secadora.

ESTADO DEL ARTE DEL PROYECTO

Estado del arte de almidones modificados

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90% en base seca. (Millan y Bello, 2004). La morfología, composición química y estructura molecular de los almidones depende de la especie y fuente botánica de donde provenga, así por ejemplo, los gránulos de almidón pueden llegar a variar entre 0.5 y 100 µm en cuanto a su tamaño. Por otro lado, de forma general los almidones secos presentan alta insolubilidad en agua fría y tienen una apariencia de un polvo fino y blanco. Estos mismo autores investigaron propiedades estructurales y moleculares de almidones obtenidos de fuentes no convencionales, como el plátano (Musa paradisiaca), el mango (Mangifera indica L) y la Okenia (Okenia hypogaea), donde encontraron que los niveles de proteina y lípidos fueron más altos al compararlos con resultados publicados del almidón del maíz, en cuanto a la morfología el almidón de plátano presento una forma ovoide con tamaño de gránulos entre 10 y 40 µm. Jiménez et al (2011), han reportado contenidos de almidón para plátano entre el 70% y 90% para dos variedades (cuadrado y macho) cultivadas en el sureste de México.

Diversas investigaciones han reportado resultados sobre la obtención de almidón modificado a partir de musáceas, (Rodolfo et al., 2011) trabajaron con plátano variedad “Macho” en estado de maduración verde, acotolándolo por 90 minutos obteniendo un grado de sustitución de 1.05, gránulos de forma ovalada y elongada de 26.27 µm de longitud y el patrón de difracción de rayos X fue tipo C, lo cual convierte al almidón modificado tecnológicamente funcional para ser usado como aditivo o polímero base en la industria química, debido principalmente a su carácter hidrofóbico producto de la acetilación. Por otro lado (Yunia et al., 2011) utilizaron la oxidación como método de modificación del almidón de plátano nativo para ser usado como materia prima para la elaboración de plásticos biodegradables, produciendo un blanqueamiento del almidón y una disminución de la viscosidad debido a la despolimerización.

(Luis et al., 2002), También utilizaron la técnica de acetilación para la modificación del almidón de plátano variedad “Macho”, con el objeto de evaluar su composición química y algunas de sus propiedades funcionales utilizando almidón de maíz como testigo con el fin sugerir su posible uso en la elaboración de alimentos. Los almidones modificados tuvieron menor tendencia a la retrogradación, incremento de la capacidad de absorción de agua (hinchamiento) y la solubilidad; además, la estabilidad al congelamiento-deshielo fue mejorada, con lo que concluyen una adecuada aplicación como aditivos para postres congelados y espesantes para sopas. Por su parte (Rivas et al., 2009), reportan mayor daño de los gránulos de almidón con un alto grado de sustitución en la acetilación y que la temperatura de gelatinización entres el almidón nativo y el almidón con un bajo grado de sustitución fue igual, además aclaran que a medida que se incrementa el grado de acetilación disminuye la tendencia a la retrogradación.

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de tipo A, el aumento en el porcentaje de cristalinidad también aumento. Además los almidones modificados tuvieron un contenido bajo de ADR (4.23-9.19%), el ADL se incrementó (11.63-16.79%) y el AR fue alto en todas las muestras (74-85%).

Por otro lado, (Waliszewskia et al., 2003) investigaron sobre los almidones nativos y modificados de plátano variedad (Valery), aplicando los métodos de gelatinización, fosforilación e hidroxipropilación). Los granulos de almidón mostraron formas alargadas y esferoides (14-88 µm de ancho y 21 a 108 µm de longitud). El almidón hidroxipropilado obtuvo mayor capacidad de unión de agua que el almidón nativo. En general las modificaciones químicas mejoraron el poder de hinchamiento y la solubilidad. Los almidones fosforilados e hidroxipropilados mejoraron la claridad de la pasta y el fosforilado mostro mejor estabilidad de congelación-descongelación y disminución en la temperatura de gelatinización.

A nivel nacional, (Ariza y Fajardo, 2011) investigo el almidón nativo de plátano variedad “Dominico Hartón”, para evaluar la factibilidad de ser usado como aditivo para lodos de perforación, encontrando efectivamente la factibilidad ser usado gracias al aumento de la viscosidad. (Mantilla, 2013) A su vez, trabajo con almidón nativo de plátano gelificado y sin gelificar, variedad “Cuatro Filos” para su posible uso en el tratamiento de potabilización de aguas, encontrando que no hubo diferencias significativas en el pH y la turbidez, en cambio sí hubo diferencias significativas en cuanto a la dureza, adema subrayan que con el almidón nativo sin gelificar la demanda química de oxigeno fue más baja.

Estado del arte del secado por aspersión

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Otras investigaciones basan sus estudios en la optimización de la operación de secado por aspersión. (Patil et al., 2014) por ejemplo, utilizaron la metodología de superficie de respuesta para optimizar el proceso de secado por pulverización para el desarrollo de polvo de guayaba. Las variables utilizadas fueron la temperatura de entrada del aire de secado y la concentración de maltodextrina en la alimentación, ambos con diferentes niveles. Las variables de respuesta fueron humedad, solubilidad, capacidad de dispersión y el valor de la vitamina C. para la validación utilizaron un modelo cuadrático, encontrando que las condiciones óptimas para obtener polvo de guayaba son: temperatura del aire de entrada 185°C y la concentración de maltodextrina 7%. Así mismo, (Erbay et al., 2015) utilizaron la metodología de superficie de respuesta para encontrar las condiciones óptimas de funcionamiento del secado por aspersión para la deshidratación de queso, en este caso las variables independientes fueron temperatura del aire de entrada (160 – 230°C), temperatura de salida (60 – 100°C) y presión de atomización entre 294 y 588 KPa. Las variables de respuesta fueron índice de pardeamiento no enzimático, contenido de grasa libre, el índice de solubilidad, densidad y la eficiencia de energía del proceso de secado. Como conclusión obtuvieron que para el funcionamiento óptimo la temperatura de entrada del aire de secado debe ser 174°C, la presión de atomización de 354 KPa y la temperatura de salida de 68°C.

Otras investigaciones relacionadas con el secado por aspersión se relacionan a continuación en la siguiente tabla.

Investigación Metodología Resultados Referencia

Estudio sobre el proceso de secado

por aspersión de lúpulo

Metodología de superficie de respuesta, con un diseño ortogonal, de regresión por pasos de polinomio cuadrado

Temperatura de entrada 162°C, temperatura de salida 84°C, concentración de la muestra 3.4 g/200 ml,

temperatura de alimentación entre 70 y 80°C, flujo de alimentación 0.25L/h

(Li et al., 2012)

Caracterización de salsa desoja en polvo, secada por aspersión utilizando maltodextrinas como

portador

Se utilizaron tres tipos de maltodextrina: DE 5,

DE 10 y DE 15, evaluadas con niveles

de concentración de 20% y 40% (w / v), respectivamente, como

un portador.

La maltodextrina de un menor valor DE produjo polvos de salsa de soja con menor cohesión, mayor temperatura de

transición vítrea y una higroscopicidad reducida. Concentración maltodextrina y valor DE influenciados en gran medida la

fuerza apelmazamiento de los polvos de salsa de soja, con diferentes mecanismos

y efectos bajo diferentes condiciones de almacenamiento.

(Wang y Zhou, 2012)

Una nueva técnica para el secado por pulverización el concentrado de jugo

de naranja

se concentró zumo de naranja en un secador por pulverización a escala piloto, se utilizó

maltodextrinas como agentes de secado: 21

DE, 12 DE, y 6 DE maltodextrinas

Temperatura del aire de entrada de 110, 120, 130, y 140° C y (concentrado de sólidos de zumo de naranja) / (sólidos) de

maltodextrina proporciones de 4, 2, 1, y 0,25. La combinación de la adición de

maltodextrina y el uso de aire deshumidificado se demostró ser una manera eficaz de reducir la formación de

residuos.

(Goula y Adamopoulos,

(18)

Desarrollo de jugo de melón en polvo (Cucumis melo) por

secado por aspersión

Se usaron frutos de melón frescos cortados en cubos y en jugo. CJ

con 10% de maltodextrina (MD) se secaron por aspersión a temperaturas de entrada de 170, 180 y 190°C.

CJ a 170°C obtuvo el más alto contenido de humedad y actividad de agua y a la vez mayor contenido de vitamina C (mg /

100 g, de sólidos secos) y contenido de β-caroteno (g / g).

(Solval et al., 2012)

Optimización de los parámetros del proceso de secado por atomización de Piper betle L. (Sirih) extracto de hojas

recubiertas con maltodextrina

Las propiedades del polvo seco se investigaron en cuanto a

bioactivo compuesto, hydroxychavicol (HC), distribución de tamaño de partícula, contenido de humedad, polvo y

rendimiento e higroscopicidad. El trabajo experimental de

optimización fue por medio de la metodología

de Superficie de respuesta.

Las condiciones de operación óptimas para el más alto contenido de HC con la

humedad más; el tamaño de partícula más pequeño; mayor rendimiento en polvo e higroscopicidad más baja se obtuvieron en el secado de entrada temperatura de 159.52°C; caudal de alimentación de 10.5 ml/min y de tipo de

aspirador de 98.33%. Las propiedades óptimas de polvo secado por pulverización obtenido a partir de este

estudio fueron 229,29 ppm de hydroxychavicol, 5.48 m de tamaño; 6.99% en contenido de humedad; 10.53 g

de rendimiento en polvo y 28.88% de higroscopicidad

(Tee et al., 2012)

Efectos de la gelatinización parcial

sobre la estructura y las propiedades térmicas del almidón de maíz después de

secado por aspersión

Almidón de maíz parcialmente gelatinizado a 64-72°C seguido por secado por

pulverización (temperatura de entrada

200°C, caudal de alimentación 7.2 ml/min,

caudal de aire de 0.375 m3 / h).

El tamaño de los gránulos de almidón parcialmente gelatinizado era menor que el de almidón de maíz nativo. El poder de

hinchamiento del almidón gelatinizado parcialmente fue mayor que la del almidón nativo por debajo de 60°C, mientras que fue inferior a la del almidón

nativo por encima de 60°C. Hubo un aumento en la temperatura de gelatinización y una disminución de la

entalpía de gelatinización en almidón parcialmente gelatinizado en comparación con la del almidón nativo.

(Fu et al., 2012) Microencapsulación de probióticos mediante secado por aspersión en presencia de prebióticos

Se evaluó el efecto del uso de inulina y

fructo-oligosacárido como material de encapsulación mediante secado por aspersión de Lactobacillus casei y

Lactobacillus rhamnosus.

Se determinó el rendimiento de encapsulación y la viabilidad de los

microorganismos durante el almacenamiento de las muestras encapsuladas empacadas a vacío y almacenadas a temperatura ambiente

(Sneyder et al., 2012)

Secado por aspersión de concentrado de caña panelera: una tecnología apropiada

para mejorar la competitividad de la

cadena

Se usó concentrado suministrado por un

trapiche. Las condiciones del proceso de secado por aspersión fueron: temperatura del aire de entrada (130°C),

temperatura del aire de salida (75°C), velocidad del disco atomizador (22000 rpm)

Los resultados mostraron un producto con un contenido de humedad de 1.11 ± 0.03%, actividad de agua 0.184 ± 0.001, pH 5.80 ± 0.01, acidez 0.01 ± 0.00%,

solubilidad 98.05 ± 0.01% y un rendimiento del 98.72 ± 0.04%. Los atributos de calidad obtenidos identifican una buena estabilidad para el producto y un potencial uso como consumo directo o

por reconstitución (agua de panela), edulcorante y como ingrediente para otros sectores de industria alimentaria.

(19)

OBJETIVOS

Objetivo general

Generar un proceso de estandarización para la obtención de almidón modificado a partir de musáceas como alternativa para uso en la industria alimentaria.

Objetivos específicos

1. Establecer las condiciones óptimas para la obtención de almidones modificados químicamente provenientes de musáceas.

2. Optimizar el proceso de secado por aspersión para almidón modificado a partir de musáceas y su aplicación a nivel tecnológico.

(20)

METODOLOGIA

Metodología para el objetivo específico 1

Se utilizaran tres especies de musáceas procedentes de la región caldense en un estado de maduración verde, según criterios tomados de (Chavez et al., 2014). Los análisis de laboratorio se realizaran en las instalaciones de la Universidad de Caldas.

Inicialmente se realizará una caracterización fisicoquímica a las musáceas, seguidamente un aislamiento del almidón nativo de cada uno de los cultivares, para el posterior análisis de características físicas, químicas, reológicas y de digestibilidad. Por último se realizan las modificaciones químicas acompañadas de sus correspondientes análisis de características físicas, químicas, reológicas y de digestibilidad.

1. Caracterización físicoquímica. Se realizará a la materia prima.

Contenido de Humedad. Se efectuará según el método oficial 930.15 de la AOAC.

Sólidos solubles. Se determinará según método oficial 932.12 de la AOAC.

Acidez. Se determinara según método oficial 942.05 de la AOAC.

2. Aislamiento del almidón de musáceas. El aislamiento se pretende realizar según método propuesto por (Brenda et al., 2012), donde los frutos se pelan y cortan en trozos de 5 a 6 cm3, luego se sumergen en una solución de ácido cítrico (3g/L) (600g de pulpa/L de solución). Seguidamente la pulpa se homogeniza en una licuadora industrial a baja velocidad por 2 minutos, el homogenizado se tamiza por mallas de 40, 100 y 200 U.S. hasta que el agua de lavado sea clara. Posteriormente se deja sedimentar durante 24 horas. Los sedimentos retenidos en las mallas 100 y 200 U.S. se maceran y tamizan y se dejan sedimentar nuevamente. Luego el almidón se seca por convección durante 24 horas a 60°C, se muele y tamiza (malla 100 U.S.) y finalmente se almacena (preferiblemente en frascos de vidrio).

Contenido Humedad. Se determinara según el método oficial 930.15 de la AOAC.

Cenizas. Se determinara según el método oficial 942.05 de la AOAC.

Contenido de grasa. Se determinara según el método oficial 920.39 de la AOAC.

(21)

Contenido de almidón total (AT). El método se basa en la dispersión del almidón en medio acuoso, seguido de una hidrólisis enzimática parcial -obteniendo dextrinas con α-amilasa termoestable, completando la hidrólisis con amiloglucosidasa -obteniendo glucosa. La glucosa obtenida es cuantificada por colorimetría. (Aristizábal et al., 2007).

Solución tampón acetato 2M pH 4.8. Disolver 164 g de acetato de sodio anhidro en 800 ml de agua destilada, agregar 200 ml de ácido acético glacial y ajustar el pH a 4.8. (Almacenado bajo refrigeración es estable durante dos semanas).

Solución tampón trisfosfato. Disolver 36.3 g de trishidroximetil aminometano (trizma) y 45.5 g de fosfato de sodio anhidro en 900 mL de agua, ajustar a pH 7 con ácido ortofosfórico y completar a 1L con agua destilada. (Almacenado bajo refrigeración es estable durante una semana).

Solución de amiloglucosidasa al 0.20%. Disolver 100 mg de amiloglucosidasa en 50 ml de agua destilada. (Almacenado bajo refrigeración es estable durante una semana).

Solución de GOD-POD-ABTS. Disolver 100 mg de GOD (glucosa oxidasa), 3 mg de POD (peroxidasa) y 50 mg de ABTS (ácido 2-2’ azinobis (3 etil bencetiazoline 6 sulfónico) en 100 ml de solución tampón trifosfato.

Solución estándar de glucosa (1.2 mg ml). Preparar una solución stock de glucosa de 1.2 mg/ml de igual forma que para la determinación de azúcares reductores. De la solución stock preparar estándares de 28.8%, 57.6%, 86.4% y 97.92 % de la siguiente manera: en cuatro tubos de ensayo colocar 0.1 ml; 0.2 ml, 0.3 ml y 0.34 ml de la solución stock y completar el volumen hasta 10 ml con agua destilada.

Análisis. Del material insoluble en alcohol pesar 0.25 g y disolver en 50 ml de agua destilada. Se agrega 0.1 ml de α−amilasa, incubar la solución a 90 °C durante una hora. Se deja enfriar los tubos y filtrar a través de papel filtro Whatman N° 1 y diluir a 100 ml con agua destilada; diluir 50 veces. Se toman 0.75 ml de la dilución anterior, agregar 0.2 ml de solución tampón acetato 2 M pH 4,8 y 0,05 ml de la solución amiloglucosidasa, posteriormente incubar la solución a 60 °C durante dos horas. Dejar enfriar los tubos y agregar 2 ml de agua destilada y 2 ml de la solución GOD-POD-ABTS, agitar y dejar que la reacción suceda bajo oscuridad durante 30 minutos. Medir la absorbancia a una longitud de onda de 560 nm contra el blanco. Preparar un blanco: 3 ml de agua doblemente desionizada y 2 ml de solución GOD-POD-ABTS, 30 minutos bajo oscuridad. Preparar una curva estándar: tomar 1ml de cada estándar y agregar 2 ml de agua destilada y 2 ml de solución GOD-POD-ABTS; de igual forma que las muestras mantener los estándares bajo oscuridad durante 30 minutos y medir la absorbancia a una longitud de onda de 560 nm. El porcentaje de almidón esta dado por las ecuaciones 1 y 2.

(22)

(Ecuación 2)

Dónde:

LM = Absorbancia de la muestra

Ls = Absorbancia del estándar utilizado

St = Cantidad de glucosa que contiene el estándar utilizado (mg)

Fd = Factor de dilución (6666.65)

P = peso de la muestra (0.25g)

0.9 = Factor de conversión de porcentaje de glucosa a porcentaje de almidón

Digestibilidad in Vitro

Determinación de las fracciones Almidón resistente (AR), Almidón de Digestión Rápida (ADR) y Almidón de Digestión Lenta (ADL). Se pesan 800 mg de muestra y 50 mg de goma guar en tubos de polipropileno con tapa rosca de 50 ml, se adicionan 10 ml de una solución de pepsina (50 mg de enzima/10 ml de HCL 0,05 M), se colocan en baño de agua a 37°C durante 30 minutos. Después se adicionan 10 ml de acetato de sodio 0.25 M, se agita suavemente para dispersa el contenido, se colocan a ebullición (95 - 100°C) durante 20 minutos con agitación mecánica, posteriormente se enfrían en un baño de agua a 37°C para atemperar la solución de cada uno de los tubos. Luego se retiran y se adicionan 5 ml de una mezcla de enzimas (por cada 12 muestras se pesan 13 g de pancreatina en 4 tubos de centrifuga, se adicionan 20 ml de agua, se agitan por 10 minutos y se centrifugan a 1500 g por otros 10 minutos. Se toman 13.5 ml del sobrenadante de cada tubo y se pasan a un frasco, luego se adicionan 6 ml de solución de 1.4 ml de amiloglucosidasa en 4 ml de agua y 4 ml de invertasa) la mezcla de enzimas se adiciona a las muestras a intervalos de 1 minuto entre cada tubo. Posteriormente los tubos se colocan en baño de agua a 37°C, luego de 20 minutos se toma una alícuota (G20) de 0.5 ml, se adiciona a un tubo con 2 ml de etanol

90% y se mezcla en un agitador vórtex. Después de 120 minutos, se toma la segunda alícuota (G120) de 0.5 ml. De igual manera la muestra se transfiere a la

centrifuga con 2 ml de etanol 90%. A continuación a todos los tubos con etanol se añaden 8 ml de agua destilada y se colocan en baño de agua hirviendo por 10 minutos y se dejan enfriar a temperatura ambiente. El contenido de los tubos se aforo hasta 50 ml y se centrifugaron a 1500 g por 5 minutos, del cual se recupera el sobrenadante. Finalmente la glucosa liberada a los 20 y 120 minutos se determina adicionando el reactivo de glucosa oxidasa peroxidasa a 510 nm. Se utilizan las ecuaciones 3, 4 y 5 para la determinación de las fracciones del almidón de digestión rápida, lenta y resistente:

(Ecuación 3)

(Ecuación 4)

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(De la Rosa et al., 2014)

Contenido de amilosa/amilopectina. Después de dispersar, gelatinizar y reaccionar con yodo los gránulos de almidón, se mide colorimétricamente el complejo yodo-amilosa. (Aristizábal et al., 2007).

Hidróxido de sodio 1N. Disolver 4 g de hidróxido de sodio (NaOH) en agua destilada y completar a 100 ml.

Hidróxido de sodio 0,09N. Tomar 9 ml de NaOH 1N y completar a 100 ml con agua destilada.

Ácido acético 1N. Tomar 5.72 ml de ácido acético y completar a 100 ml con agua destilada.

Solución stock de yodo al 2%. Disolver 2 g de yoduro de potasio (KI) en un poco de agua destilada y agregar 0.2 g de yodo (I2), disolver y completar a 100 ml con

agua destilada.

Análisis. Preparación de la curva estándar de amilosa/amilopectina. Pesar 100 mg de muestra de amilosa y 100 mg de amilopectina en frascos volumétricos de 100 ml. Agregar a cada frasco 1 ml de etanol al 95% y 9 ml de hidróxido de sodio 1N, tapar y dejar a temperatura ambiente entre 18-24 horas. Completar a 100 ml con agua destilada. Preparar la curva estándar de acuerdo a los valores del siguiente cuadro.

Cantidades para preparar curva estándar.

Amilosa (%) Amilosa (ml) Amilopectina (ml) NaOH 0.09N (ml)

0 0 18 2

10 2 16 2

10 4 14 2

25 5 13 2

30 6 12 2

En un frasco volumétrico de 100 ml que contenga 50 ml de agua destilada agregar una alícuota de 5 ml de cada punto de la curva estándar, 1 ml de ácido acético 1 N y 2 ml de solución de yodo al 2%, mezclar bien y completar a volumen con agua destilada. Almacenar los frascos bajo oscuridad durante 20 minutos y leer la densidad óptica a una longitud de onda de 620 nm. El cálculo del contenido de amilosa se realiza directamente de la curva estándar y se expresa como porcentaje. El contenido de amilopectina se obtiene restando el contenido de amilosa del contenido de almidón.

(24)

almidón analizado. Se realiza con un viscógrafo Brabender (Lámina 44) y los datos son reportados en Unidades Brabender (UB). (Aristizábal et al., 2007)

Análisis. Pesar 25.0 g de almidón (bs) disolver en agua destilada y completar a 500 ml. Transferir completamente la suspensión al equipo. Iniciar el calentamiento desde 25°C hasta 95°C a una velocidad de 1.5 °C/min. Mantener la temperatura a 95°C durante 20 minutos. Enfriar hasta 50°C con una velocidad de 1.5 °C/min. Mantener la temperatura a 50°C durante 10 minutos.

Los valores determinados por medio del RVA serán:

Temperatura de gelatinización. Durante la fase inicial de calentamiento la temperatura de gelatinización es la temperatura a la cual los gránulos del almidón se empiezan a hinchar y hay un aumento en la viscosidad; se expresa en grados centígrados (ºC).

Viscosidad máxima. Es el valor mayor de viscosidad durante el proceso de empastamiento de los geles; se expresa en Unidades Brabender (UB).

Facilidad de cocción. Es el tiempo que transcurre en alcanzar el hinchamiento de todos los gránulos, desde el momento en que este se inicia. Se calcula restando el tiempo en que alcanza la viscosidad máxima y el tiempo en que alcanza la temperatura de gelatinización; se expresa en minutos (min).

Inestabilidad del gel. Indica la estabilidad de la pasta o carencia de ella, durante la cocción. A mayor valor, menor estabilidad de la pasta; se calcula como la diferencia entre la viscosidad máxima y la viscosidad después de mantenerse 20 minutos a 95 °C y es expresada como Unidades Brabender (UB).

Índice de gelificación. Indica la retrogradación de la pasta después del enfriamiento y la capacidad de formar geles. Se calcula como la diferencia entre la viscosidad a 50 °C y la viscosidad después de mantenerse 20 minutos a 95 °C; se expresa en Unidades Brabender (UB).

Microscopia electrónica de barrido. La muestra de almidón se esparce en una cinta conductora de cobre de doble adhesión, la cual se fija en un soporte de aluminio del microscopio electrónico de barrido. La muestra se cubre con una capa de carbón de 30 nm. Las muestras se colocan en un ionizador de metales y se recubre con una capa de oro de 60 nm. Las muestras se observan el microscopio electrónico de barrido a un voltaje de 8KV y se toman las fotografías.(Millan y Bello, 2004)

Calorimetría diferencial de barrido (DSC, por nomenclatura en inglés).

(25)

Gelatinización. Se pesan 2 mg de muestra (en base seca, mínimo tres réplicas) dentro de una charola de aluminio, posteriormente se le adicionaron 7 µl de agua desionizada. La charola se sella herméticamente y se deja equilibrar por espacio de 1h antes de realizar el análisis. Como referencia se utiliza una charola vacía. La muestra se somete a un programa de calentamiento en un intervalo de temperatura de 30 a 140°C y una velocidad de 10°C/min. La temperatura de inicio (To), temperatura de pico (Tp) y temperatura final (Tf) se obtienen directamente del análisis del software del equipo.

Retrogradación. Una vez calentadas las charolas para gelatinización, estas se almacenan a 4°C durante 7 días. Transcurrido el tiempo de almacenamiento las charolas se someten nuevamente al mismo programa de calentamiento descrito para la gelatinización, de esta manera se obtienen las propiedades térmicas de retrogradación. Se pesan 2 mg de muestra (en base seca, mínimo tres réplicas) dentro de una charola de aluminio, posteriormente se le adicionaron 7 µl de agua desionizada. La charola se sella herméticamente y se deja equilibrar por espacio de 1h antes de realizar el análisis. Como referencia se utilizó una charola vacía. La muestra se sometió a un programa de calentamiento en un intervalo de temperatura de 30 a 140°C y una velocidad de 10°C/min. La temperatura de inicio (To), temperatura de pico (Tp) y temperatura final (Tf) se obtienen directamente del análisis del software del equipo.

Índice de absorción de agua, índice de solubilidad en agua y poder de hinchamiento. Cuando se calienta una suspensión acuosa de almidón, los gránulos se hinchan por una absorción progresiva e irreversible de agua aumentando su tamaño. La determinación de estos índices se mide aprovechando la capacidad de absorción del agua del gránulo de almidón y la exudación de fracciones de almidón a medida que se incrementa la temperatura de las suspensiones de almidón.(Aristizábal et al., 2007)

Análisis. Se deben pesar tubos de centrifuga secos a 60°C. Luego, pesar en los tubos 1.25 g de almidón (bs) y agregar exactamente 30 ml de agua destilada precalentada a 60 °C y agitar (sin exceder). Colocar en baño de agua a 60°C durante 30 minutos; agitar la suspensión a los 10 minutos de haber iniciado el calentamiento. Centrifugar a temperatura ambiente a 4900 rpm durante 30 minutos. Decantar el sobrenadante inmediatamente después de centrifugar (máximo un minuto después) y medir el volumen. Tomar 10 ml del sobrenadante y colocar en un vaso de precipitados de 50 ml (previamente pesado). Secar el sobrenadante en un horno durante toda la noche a 70°C. Pesar el tubo de centrífuga con el gel. Pesar el vaso de precipitados con los insolubles. Para la cuantificación de cada una de las propiedades se relacionan las ecuaciones 6, 7 y 8.

(26)

(Ecuación 7)

(Ecuación 8)

Humectabilidad. Se coloca 1 g de polvo en una lámina que cubre un reservorio con 100 ml de agua a 20°C (de 50 mm de ancho). Se retira la lámina y se pone el polvo en contacto con la superficie del agua. Se mide el tiempo es segundos requeridos para que se sumerja la última partícula del polvo de la superficie. (Ceballos y Orrego, 2008)

Densidad aparente. Un cilindro de dimensiones conocidas se llena con polvo y se enrasa el polvo sobrante con una espátula, se pesa la masa del polvo y se calcula el volumen del cilindro con sus dimensiones de diámetro y de altura. (Ceballos y Orrego, 2008)

Actividad de agua. El dispositivo en el que se pretende realizar la determinación de la actividad de agua es un equipo portátil “pawkit”, con un sensor de humedad dieléctrico y una exactitud de ±0.02, se coloca la muestra (entre 7 y 15 ml) en el portamuestras y se realiza la lectura automáticamente reportando el valor en el display LCD.

3. Modificaciones químicas. Los almidones nativos serán sometidos a dos tipos de modificación química: esterificación y acetilación. En ambos casos se evaluaran los tiempos de reacción con el objetivo de encontrar el más óptimo según variable de respuesta de interés (fracción de almidón de digestión lenta ADL).

Esterificación. Para esta modificación, se utilizara anhídrido 2-octeni-l-succinico (sigma 416487), según metodología propuesta por (Amaya y Bello, 2010). En un matraz balón de tres cuellos se pesan 100 g de almidón (bs) y se dispersa en 225 ml de agua destilada con agitación constante. El pH se ajusta entre 8.5 y 9.0 con hidróxido de sodio (NaOH) 1M, dejando la mezcla a temperatura ambiente (~25°C). se agrega OSA (3 g (3 ml), 3% en peso de almidón), manteniendo la agitación constante y el pH entre 8.5 y 9.0. luego del tiempo correspondiente de reacción la dispersión de almidón se neutraliza a un pH de 7 con HCl 1M. El almidón modificado se recupera por centrifugación, realizándole tres lavados con agua destilada y uno con acetona, el sólido (almidón) obtenido se seca por convección a 35°C por 24 horas.

(27)

propílico al 90% hasta que no se detecten residuos de Cl, usando una solución de nitrito de plata (AgNO3) 0.1 M. el almidón se re-dipersa en 300 ml de agua

destilada el cual se lleva a un baño de agua en ebullición por 20 minutos. La solución de almidón se titula con una solución estándar de NaOH 0.1 N, usando como indicador fenolftaleína. Se toma un blanco titulado (almidón nativo) como control. La ecuación 9 valora el GS.

(Ecuación 9)

Dónde:

A = ml de NaOH gastados

M = molaridad de la solución de NaOH W = peso de la muestra (bs)

Acetilación. Esta modificación se llevara a acabo según metodología propuesta por (Rivas et al., 2009). Se pesan 50 g de almidón en base seca (bs), se mezclan con 400 ml de anhídrido acético dentro de un matraz con 3 bocas con agitación constante a 200 rpm, después se homogeniza durante 5 minutos, se agregan 7.5 g de NaOH por gramo de almidón. La temperatura se incrementa a 120 °C (en un baño con aceite), al llegar a esta temperatura se contabiliza el tiempo correspondiente de reacción. Al finalizar el tiempo se retira el matraz del baño y la temperatura se disminuyó a 50°C; posteriormente se precipita el almidón con 300 ml de alcohol etílico al 96 %. La solución resultante se centrifuga, lavando el residuo con alcohol y posteriormente con agua hasta eliminar la mayor parte de anhídrido acético. Después de los lavados, la pasta de almidón se seca en una estufa a una temperatura de 50 °C durante 24 h.

Determinación de grupos acetilos. Se pesa 1 g de almidón nativo y modificado (bs) y se transfieren a un matraz erlenmeyer de 250 ml, se agregan 50 ml de agua destilada, unas gotas de fenolftaleína y se neutraliza con NaOH 0.1 N hasta que permanezca un color ligeramente rosado. Después se le adicionan 25 ml de NaOH 0.45N y se agita vigorosamente la suspensión con agitador magnético durante 30 minutos. Transcurrido el tiempo, las muestras saponificadas se valoran con HCl 0.2 N usando fenolftaleína como indicador. Se valora al mismo tiempo un blanco, usando el almidón nativo. El porcentaje de acetilos está dado por la ecuación 10.

(Ecuación 10)

Dónde:

(28)

El grado de sustitución (GS). Se define como el número promedio de grupos hidroxilos reemplazados por unidad de glucosa. La ecuación 11 valora el GS.

(Ecuación 11)

Dónde:

162 = Peso molecular de la unidad de anhidro glucosa 42 = Peso molecular del grupo acetil - 1

4300 = 100 x (Peso molecular del grupo acetilo)

Análisis. Los análisis correspondientes a: contenido humedad, cenizas, contenido de grasa, proteínas, contenido de almidón, determinación de las fracciones de (ADR, ADL y AR), contenido de amilosa/amilopectina, análisis rápido de viscosidad, microscopia electrónica de barrido, calorimetría diferencial de barrido (DSC) y índice de absorción de agua, índice de solubilidad en agua y poder de hinchamiento, humectabilidad, densidad aparente y actividad de agua; se aplican a cada uno de los almidones modificados y se realizan siguiendo la misma metodología descrita en el ítem 2 de este mismo objetivo.

Análisis estadístico. Se realizara un análisis de varianza de una vía (ANOVA), con dos factores (variedad de musácea y tipo de modificación) y con un nivel de confianza del 95%. En el momento de encontrar diferencias estadísticas significativas se aplicara un test de comparaciones múltiples (LSD).

Metodología para el objetivo 2

Secado por aspersión. El secado por aspersión se realizara en un equipo a escala piloto (referencia: PSALAB), construido en acero inoxidable tipo 304, que maneja temperaturas máximas para el aire de secado entre 250°C y 300°C, un disco con capacidad máxima de giro de 40000 rpm, consta de una bomba peristáltica o de diafragma para controlar el flujo de alimentación, el tanque de alimentación tiene una capacidad de 20 L lo que equivale a 3 h de funcionamiento continuo y además toda la operación es controlada con la ayuda de un controlador lógico programable (PLC).

El almidón modificado que se pretende deshidratar en el secador por aspersión será seleccionado teniendo en cuenta los resultados obtenidos en el objetivo específico 1.

(29)

anteriormente descrita se pretende concluir las condiciones más adecuadas para obtener una alimentación estable, con la mayor cantidad de solidos totales posibles, sin que a su vez, se generen valores de viscosidad inoperables para las especificaciones del secador por aspersión.

Las variables de proceso que se analizaran durante la búsqueda de las condiciones óptimas del secado por aspersión del almidón modificado, serán: temperatura del aire de secado, flujo de la alimentación, velocidad de giro del disco aspersor y el tiempo de residencia del producto dentro de la cámara de secado; cada una de las variables se valoraran con dos niveles de trabajo.

Análisis. Los análisis correspondientes a: contenido humedad, cenizas, contenido de grasa, proteínas, contenido de almidón, determinación de las fracciones de (ADR, ADL y AR), contenido de amilosa/amilopectina, análisis rápido de viscosidad, microscopia electrónica de barrido, calorimetría diferencial de barrido (DSC) y índice de absorción de agua, índice de solubilidad en agua y poder de hinchamiento, humectabilidad, densidad aparente y actividad de agua; se aplican al almidón modificado y secado según metodología descrita en el ítem 2 del objetivo específico 1.

Con el objetivo de evaluar el efecto tecnológico del almidón modificado, se escogerá una matriz alimentaria para realizar la aplicación parcial o completa de dicho almidón, la selección de la matriz sobre la cual se pretende hacer la aplicación dependerá de los resultados obtenidos al final del secado por aspersión del almidón modificado, en donde dicha aplicación se podrá direccionar con respecto a la funcionalidad tecnológica más adecuada.

La matriz alimentaria seleccionada y reemplazada con el almidón modificado, será comparada en su momento con un producto comercial de las mismas características, esta comparación se hará a dos niveles: (1) a nivel sensorial por medio de una prueba de preferencia pareada con la valoración de jueces consumidores y (2) a nivel instrumental por medio de análisis que dependerán del tipo de matriz seleccionada para la aplicación del almidón modificado, estos análisis estarán enfocados a evaluar el grado de aceptabilidad y comparar el grado de funcionalidad a nivel tecnológico.

(30)

varianza (ANOVA) con un nivel de confianza del 95%. En el momento de encontrar diferencias estadísticas significativas se aplicara un test de comparaciones múltiples (LSD).

Metodología para el objetivo 3

Para la evaluación económica del proceso de obtención del almidón modificado, se utilizaran herramientas de modelamiento y simulación según necesidad y conveniencia, Aspen Plus (Aspen Technology, Inc., EUA) o Superpro Designer (Intelligen, Inc., EUA).

El algoritmo de simulación está compuesto por:

1. Alimentación de la información básica: en esta etapa se alimentan todas las propiedades fisicoquímicas del sistema, composición de las materias primas, tipos de proceso, flujos de materias primas y salidas del sistema. La información básica se obtendrá de fuentes bibliográficas como artículos, patentes, informes técnicos, y bases de datos; o de correlaciones adecuadas para los compuestos de dicho sistema. Para las operaciones de tamizado, modificación química y secado por aspersión se tendrán en cuenta los datos experimentales obtenidos a escala piloto en los objetivos específicos 1 y 2.

(31)

Figura 3. Esquema tecnológico para la obtención de almidón modificado.

3. Balances: Aquí se plantean los balances de materia y energía que se generan durante el proceso.

4. Evaluación económica: una vez realizada la simulación del esquema tecnológico, se realiza una evaluación tecno-económica donde se calculará y analizará el valor presente neto (NPV), el cual refleja la eficiencia técnica del proceso calculando el costo de producción en un intervalo de tiempo evaluando su factibilidad en términos de rentabilidad. Para el análisis y la evaluación económica del esquemas tecnológico se empleará el programa de Process Economic Evaluator (Aspen Technology, Inc., EUA), o las funciones del paquete Superpro Designer.

• Musáceas Materia prima

• Prelavados y tamizados Aislamiento del almidón nativo

• Reacciones químicas Modificación química del almidón

• (Deshidratación) Secado por aspersión

(32)

RESULTADOS ESPERADOS

 Caracterización físicoquímica, reológica y de digestibilidad del almidón nativo de tres variedades de musáceas cultivadas en Colombia.

 Identificación de la mejor alternativa de modificación química del almidón nativo de tres variedades de musáceas cultivadas en Colombia.

 Identificación de las mejores condiciones para la obtención de almidón modificado por medio del proceso de secado por aspersión.

 Análisis económico del proceso de obtención de almidón modificado deshidratado por el método de secado por aspersión.

 Evaluación de los efectos sensoriales y funcionales tecnológicamente, de la aplicación de almidón modificado sobre alguna matriz alimentaria.

 Un documento con las metodologías y resultados, para la obtención de almidón de musáceas cultivadas en Colombia.

 Divulgación científica y académica con la publicación de al menos dos artículos en revista indexada tipo A o B.

 Participación en al menos un evento nacional o internacional.  Formación de un estudiante de Doctorado en Ciencias Agrarias.

IMPACTOS ESPERADOS

 Con el desarrollo de esta investigación, se permitirá el progreso de conocimiento, el cual será divulgado a la comunidad científica nacional e internacional en espacios o puntos de encuentro como congresos, revistas, encuentros académicos u otros.

 Alternativa de desarrollo agroindustrial que podría conducir a generación de empleo alrededor de la cadena de producción de plátano.

 Alternativa de promover el cultivo de otras variedades promisorias de musáceas.

 Posible uso tecnológico, reemplazando algunos almidones modificados de fuentes convencionales

 Formación de un investigador a nivel de doctorado.

 Consolidación de redes de información y colaboración científico-tecnológicas.

(33)

PRESUPUESTO

RUBROS

FUENTES

TOTAL UNIVERSIDAD DE

CALDAS FINANCIACIÓN EXTERNA

RECURRENTE [1]

Solicitado

a V.I.P RECURRENTE

RECURSOS FRESCOS 1. SERVICIOS

PERSONALES 29.253.120 0 0 0 29.253.120

1.1. Investigadores 29.253.120 0 0 0 29.253.120

1.2. Auxiliares 0 0 0 0 0

1.3. Consultores 0 0 0 0 0

1.4. Asesores 0 0 0 0 0

2. GASTOS

GENERALES 0 9.700.000 0 0 9.700.000

2.1. Servicios

técnicos 0 3.000.000 0 0 3.000.000

2.1.1. Exámenes 0 0 0 0 0

2.1.2. Pruebas

técnicas 0 3.000.000 0 0 3.000.000

2.1.3. Servicios de

encuestas 0 0 0 0 0

2.2. Materiales e

insumos 0 3.000.000 0 0 3.000.000

2.2.1. De campo 0 1.500.000 0 0 1.500.000

2.2.2. De oficina (papel, tinta,

fotocopias)

0 0 0 0 0

2.2.3. De

laboratorio 0 1.500.000 0 0 1.500.000

2.3. Apoyo económico para

gastos de viaje

0 3.700.000 0 0 3.700.000

2.3.1. Tiquetes

aéreos 0 1.600.000 0 0 1.600.000

2.3.2. Pasajes

terrestres 0 300.000 0 0 300.000

2.3.3. Gastos de viaje (gasolina y

peajes)

0 300.000 0 0 300.000

2.3.4. Auxilio para

viaje 0 300.000 0 0 300.000

2.3.5. Apoyo económico para

alojamiento y alimentación [2]

0 1.200.000 0 0 1.200.000

2.4. Gastos para

uso de equipos 0 0 0 0 0

Figure

Tabla 1. Composición química y bioquímica (por cada 100 g) del plátano y banano  en diferentes estados fisiológicos
Figura  2.  Estructura  química  de  la  molécula  de  amilopectina.  Fuente:  (Rivas  y  Bello, 2012)
Figura 3. Clasificación de secadores según el movimiento de atomización. Fuente:  (Ibarz y Barbosa, 2005)
Figura 3. Esquema tecnológico para la obtención de almidón modificado.  3.  Balances:  Aquí  se  plantean  los  balances  de  materia  y  energía  que  se

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