INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Desarrollo de Productos Bióticos
DIGESTIBILIDAD Y CARACTERÍSTICAS MOLECULARES DE ALMIDÓN DE PLÁTANO (Musa paradisiaca L.) Y MANGO
(Mangifera indica L.) MODIFICADOS ENZIMÁTICAMENTE
TESIS
Que para obtener el grado de Maestría en Ciencias en Desarrollo de Productos Bióticos
PRESENTA
IBQ. María Guadalupe Casarrubias Castillo
Directores de tesis Dr. Luis Arturo Bello Pérez
M. en C. Sandra Leticia Rodríguez Ambriz
Yautepec, Morelos; Noviembre 2010.
El presente trabajo se llevó a cabo en el Laboratorio de Control de Calidad del Departamento de Desarrollo Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del Instituto Politécnico Nacional bajo la dirección Dr. Luis Arturo Bello Pérez y en el Laboratorio de Carbohidratos del Departamento de Ciencia de los Alimentos de la Universidad de Purdue (West Lafayette, Indiana-USA), bajo la supervisión de Dr. Bruce R.
Hamaker.
Se agradece al Consejo Nacional y Tecnología (CONACYT), al Programa Institucional de Formación de Investigadores (PIFI) y a la Secretaría de investigación y Posgrado (SIP) por las becas otorgadas para la realización de estos estudios.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
CARTA CESIÓN DE DERECHOS
En la ciudad de Yautepec, Mor. siendo el día 29 del mes de Octubre del año 2010, la que suscribe María Guadalupe Casarrubias Castillo, alumna del Programa de Maestría en Desarrollo de Productos Bióticos, con número de registro B081019, adscrita al Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, manifiesta que es autora intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección del Dr. Luis Arturo Bello Pérez y de la M. en C.
Sandra Leticia Rodríguez Ambriz y cede los derechos del trabajo intitulado
“Digestibilidad y características moleculares de almidón de plátano (Musa paradisiaca L.) y mango (Mangifera indica L.) modificados enzimáticamente”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deberán reproducir el contenido textual, gráficas, o datos del trabajo, sin el permiso expreso del autor y/o director (es) del trabajo. Este puede obtenerse escribiendo a la siguiente dirección: Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, Carretera Yautepec-Jojutla Km. 6, Calle CEPROBI No. 8, Col. San Isidro, C.P. 62731 Yautepec, Morelos, México, Fax: (52) (0155) 57296000 ext. 82512 ó (01735) 3941896, e-mail: [email protected] (http://www.ceprobi.ipn.mx). Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
___________________________
IBQ. María Guadalupe Casarrubias Castillo
AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Luis Arturo Bello Pérez por haberme permitido integrarme a su grupo de investigación, por su apoyo como director de tesis en la realización de este proyecto y por sus consejos para mejorar mi desempeño académico.
Al Dr. Bruce R. Hamaker de la universidad de Purdue, Indiana, por haberme permitido ser parte de su grupo de trabajo, pero sobre todo por su interés en mi aprendizaje durante mi estancia en su laboratorio.
A la M. en C. Sandra Leticia Rodríguez Ambriz por su apoyo como directora de tesis en la realización de este proyecto.
A mi comité tutorial: Dra. Edith Agama Acevedo, M. en C. Mirna María Sánchez Rivera, Dr.
Antonio R. Jiménez Aparicio, Dra. Alma Angélica del Villar Martínez, por sus observaciones y sugerencias durante el desarrollo del proyecto de investigación.
A todas la personas que han participado en mi formación durante la realización de este proyecto, compañeros y amigos del departamento de desarrollo tecnológico, pero muy especialmente a Vicente que me apoyo siempre y que compartió conmigo experiencias que me permitieron realizar satisfactoriamente gran parte del trabajo experimental de este proyecto.
DEDICATORIA
A mis padres Ma. Iris Castillo Cuenca y Francisco Casarrubias del Moral, por su amor que es lo más grande y hermoso que tengo, por el apoyo y la confianza que me dan para buscar cumplir con cada uno de mis propósitos, por estar siempre a mi lado a pesar de la distancia, pero sobre todo, por ser mis mejores maestros y mi razón para ser feliz cada día.
Los quiero con todo mi corazón.
A mi hermano porque con su forma de ser tan especial, alegra mi vida aún en los momentos difíciles…
Te quiero mucho.
A Juan Pablo por su amor, su apoyo y porque con su existencia hace que mi vida se llene de plenitud.
Te amo.
i RESUMEN
Se estudió el efecto de dos tratamientos enzimáticos (que provocan el incremento de la densidad de ramificaciones y el acortamiento de las cadenas de amilosa y amilopectina del almidón), sobre el almidón de plátano (Musa paradisiaca L.) y mango (Mangifera indica L.) y el efecto sobre la digestibilidad del almidón en sus fracciones de digestión lenta y resistente.
Las modificaciones enzimáticas se llevaron a cabo usando β-amilasa (β-AMI) y la mezcla de β-amilasa-transglucosidasa (β-AMI-TGs). El almidón gelatinizado de plátano mostró un incremento de 10.9% a 18.5% de almidón de digestión lenta (ADL), cuando este fue modificado con β-AMI-TGs, usando el tratamiento con β-AMI mostró una reducción de 10.9% a 7.1%, y el contenido de almidón resistente (AR) incrementó con ambos tratamientos.
Por otra parte, el almidón de mango mostró un incremento en la cantidad de ADL que fue de 6.3% a 22.3% usando β-AMI y de 6.3% a 11.7% con β-AMI-TGs, con este tratamiento también se incrementó el contenido de AR. Los almidones modificados mostraron una reducción en los valores de peso molecular y radio de giro, comparado con los almidones nativos, también incrementó el contenido de cadenas cortas de amilopectina, especialmente con un intervalo de grado de polimerización (GP) de 5 – 12. El porcentaje de cristalinidad disminuyó en todos los almidones tratados y los espectros de resonancia magnética nuclear (1H RMN) mostraron un incremento significativo de enlaces α-1,6 en los almidones modificados con β-AMI-TGs. Estas características contribuyeron al incremento de las propiedades de digestión lenta y almidón resistente. Con el propósito de relacionar las características moleculares y la digestibilidad, se propusieron modelos que describen las posibles estructuras de la molécula de amilopectina de los almidones modificados, las cuales generan la disminución de la velocidad de hidrólisis del almidón.
ii ABSTRACT
The effect of two enzymatic treatments (increasing the branch density of starch and shortening of amylopectin and amylose chains) on the fraction of slowly digestible starch (SDS) and resistant starch (RS) of plantain (Musa paradisiaca L.) and mango (Mangifera indica L.) starch, was investigated. The enzymatic modifications were carried out using β-amylase (β- AMY) and β-amylase-transglucosidase mixture (β-AMY-TGs). In gelatinized starches, the plantain starch showed an increase from 10.9% to 18.5% of SDS, when it was modified by β- AMY-TGs, while using the treatment with β-AMY, showed reduction from 10.9% to 7.1%;
resistant starch (RS) content increased in both treatments. On the other hand, mango starch showed an increase in SDS from 6.3% to 22.3% using β-AMY and from 6.3% to 11.7% using β-AMY-TGs, with this treatment also increased the RS content. The modified starches showed a reduction in molar mass and gyration radius values, compared with its native starch. Also the content of short chain of amylopectin increased, especially with DP range 5-12, the percentage of crystallinity decreased in all starches treated and 1H NMR spectra showed a significant increase of α-1,6 linkages in the starches modified with β-AMY-TGs. These characteristics contributed to increase the slow digestion and resistant starch properties. In order to relate the molecular characteristics with the digestibility, models that describe the different structures of amylopectin from modified starches were proposed, suggesting a decrease in the rate of starch hydrolysis.
iii ÍNDICE DE CONTENIDO
Pág.
Resumen i
Abstract ii
Índice de contenido iii
Índice de cuadros vi
Índice de figuras vii
1. INTRODUCCIÓN 1
2. ANTECEDENTES 3
2.1. Carbohidratos 3
2.2. Almidón 4
2.2.1. Amilosa 4
2.2.2. Amilopectina 5
2.2.3. Amilosa y amilopectina en el gránulo de almidón 7 2.3. Cambios en el almidón producidos por tratamientos hidrotérmicos 9
2.3.1. Gelatinización 9
2.3.2. Retrogradación 12
2.4. Almidón en los alimentos 13
2.5. Digestibilidad del almidón 13
2.5.1. Factores estructurales que afectan la digestibilidad del almidón 14 2.5.2. Fracciones del almidón de acuerdo a su velocidad de digestión 15 2.6. Relación entre las fracciones del almidón e índice glucémico 16 2.7. Relación entre el índice glucémico y el metabolismo 19
2.8. Almidón de digestión lenta (ADL) 19
2.8.1. Importancia nutricional del ADL 19
2.8.2. Características estructurales del ADL 20
2.8.3. Incremento del ADL 21
2.9. Almidón resistente (AR) 22
2.9.1. Importancia nutricional del AR 22
iv
2.9.2. Características estructurales del AR 23
2.9.3. Incremento del AR 24
2.10. Fuentes no convencionales de almidón 25
2.10.1. Almidón de plátano 26
2.10.1.1. Estructura del almidón de plátano 26
2.10.1.2. Digestibilidad del almidón de plátano 27
2.10.2. Almidón de mango 28
2.10.2.1. Estructura del almidón de mango 28
2.10.2.2. Digestibilidad del almidón de mango 29
3. JUSTIFICACIÓN 30
4. OBJETIVOS 31
4.1. Objetivo general 31
4.2. Objetivos específicos 31
5. MATERIALES Y MÉTODOS 32
5.1. Materia prima 32
5.2. Enzimas 32
5.3. Métodos 32
5.3.1. Aislamiento del almidón 34
5.3.2. Modificación enzimática del almidón 34
5.3.3. Almidón total 35
5.3.4. Estudio de la digestibilidad del almidón 36
5.3.5. Peso molecular y radio de giro 37
5.3.6. Distribución de longitud de cadena 38
5.3.7. Porcentaje de enlaces α-1,4 y α-1,6 39
5.3.8. Porcentaje de cristalinidad 39
5.3.9. Análisis estadístico 40
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 41
6.1. Almidón total 41
6.2. Propiedades de digestión 41
6.3. Peso molecular y radio de giro 45
6.4. Distribución de longitud de cadena 48
v
6.5. Porcentaje de enlaces α-1,4 y α-1,6 51
6.6. Difracción de rayos X 55
6.7. Modelos de amilopectina (mecanismo de propiedad de digestión lenta) 59
7. CONCLUSIONES 64
8. LITERATURA CITADA 66
vi ÍNDICE DE CUADROS
Número Cuadro Página
1 Porcentaje de almidón total de almidones nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
42
2 Almidón de digestión rápida (ADR), almidón de digestión lenta (ADL) y almidón resistente (AR) de almidones nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
44
3 Peso molecular (PM) y radio de giro (RG) de almidones nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
47
4 Distribución de longitud de cadena de almidones nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
50
5 Porcentaje de enlaces α-1,4 y α-1,6-Glucosidico de almidones sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
53
6 Porcentaje de cristalinidad de almidones nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
57
vii ÍNDICE DE FIGURAS
Número Figura Página
1 Estructura de la amilosa (a) y de la amilopectina (b). 6
2 Representación esquemática de una sección de amilopectina indicando el patrón de distribución de longitud de cadena (A, B1 – B3).
8
3 Patrones de difracción de almidones tipo A, B y C. 10
4 Empaquetamiento de las dobles hélices de la amilopectina con base en el tipo de polimorfismo.
11
5 Curvas que reflejan el efecto de los alimentos sobre la respuesta glucémica. Alimento con bajo IG (A y B); alimento con alto IG con respuesta glicémica extendida (C); alimento ideal con un extenso periodo de respuesta glicémica (D).
18
6 Diagrama experimental. 33
7 Espectro de 1H RMN de panosa (A), muestras de almidón de mango sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) (B) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs) (C).
52
8 Difractogramas de las muestras de almidón de plátano (A) y almidón de mango (B) nativos y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (β-AMI) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (β-AMI-TGs).
58
viii 9 Modelos propuestos de la amilopectina de almidón nativo de plátano
(A) y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (B) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (C).
62
10 Modelos propuestos de la amilopectina de almidón nativo de mango (A) y sometidos a modificación enzimática mediante β-amilasa (B) y una mezcla de β-amilasa y transglucosidasa (C).
63
1 1. INTRODUCCIÓN
La digestibilidad del almidón ha cobrado interés debido a su importancia nutrimental y a la tendencia actual de producir alimentos con baja cantidad de carbohidratos digeribles e incrementar las características de digestión lenta y resistente en los productos alimenticios que contienen almidón. La clasificación in vitro del almidón (Englyst y col., 1992) ha permitido describir tres diferentes fracciones de acuerdo a la velocidad con que se digiere dentro del cuerpo humano; almidón de digestión rápida (ADR), la cual es digerida en los primeros 20 minutos después de iniciar la hidrólisis; almidón de digestión lenta (ADL), fracción digerida entre 20 y 120 minutos; y almidón resistente (AR), fracción de almidón que permanece sin hidrolizar después de 120 minutos. El almidón digerido lentamente tiene importancia especial ya que puede causar efectos benéficos en la salud y podría ser incorporado a productos alimenticios. Se ha reportado que los almidones de cereales contienen altos porcentajes de ADL; sin embargo, se han propuesto algunas modificaciones químicas y enzimáticas con el objetivo de incrementar el contenido de ADL (Chung y col., 2008; Wongsagonsup y col., 2008; Ao y col., 2007). El almidón de maíz normal fue modificado enzimáticamente con β- amilasa, enzima que hidroliza enlaces α-1,4 de las cadenas de amilosa y amilopectina a partir del extremo no reductor, formando residuos de maltosa, y transglucosidasa que cataliza una reacción de transferencia para formar nuevos enlaces α-1,6. La cantidad de ADL en los almidones modificados enzimáticamente fue más alta que en los almidones nativos. Este patrón fue atribuido a la alta cantidad de cadenas cortas presentes en los almidones modificados, así como al incremento de enlaces α-1,6 (Ao y col., 2007). Zhang y col. (2008a y b) usando almidón de maíz cocido reportaron una correlación positiva entre el contenido de cadenas cortas de amilopectina, así como el incremento en la densidad de ramificaciones; en este mismo estudio también se mostró una correlación positiva entre la fracción de ADL y las cadenas largas de amilopectina, demostrando que hay dos diferentes mecanismos para la digestión lenta en los almidones gelatinizados; el primero, el ADL como una entidad química donde la estructura molecular del almidón es el origen de la digestión lenta, y el segundo, el ADL como una entidad física que es producido por la retrogradación del almidón.
2 Otra fracción importante del almidón, que está propuesta como un ingrediente nutracéutico para combatir problemas de salud pública como obesidad y sobrepeso, es el AR (Hendrich, 2010). En este sentido, se ha reportado que algunos almidones de fuentes no convencionales como el almidón de plátano y mango, han sido modificados para preparar ingredientes funcionales con alto contenido de AR (Aparicio-Saguilán y col., 2008; González-Soto y col., 2007; Manrrique-Quevedo y col., 2007). Además, en su forma nativa, el almidón aislado de plátano en estado inmaduro, exhibe notable resistencia a la hidrólisis enzimática debido a sus características estructurales. Uno de los principales factores que afectan la digestibilidad del almidón y su respuesta fisiológica fue atribuido a su relación amilosa:amilopectina (Behall, Scholfield y Canary, 1988).
Espinosa-Solis y col. (2009) evaluaron las características estructurales de los almidones de plátano y mango, aislados de frutos en estado inmaduro, y determinaron diferencias significativas en ambos almidones. Sin embargo, las propiedades estructurales del almidón con digestibilidad lenta aún no han sido bien entendidas. Por lo que es necesario conocer el efecto de la estructura molecular sobre las propiedades de digestión de estos almidones. El objetivo de este trabajo fue modificar almidones de plátano y mango usando β-amilasa y transglucosidasa para incrementar la fracción de ADL a AR, así como determinar sus características moleculares.
3 2. ANTECEDENTES
2.1.Carbohidratos
Después del agua, los carbohidratos son los componentes más abundantes de los alimentos. Se trata de compuestos orgánicos que desempeñan un papel relevante en los sistemas biológicos y tienen una gran importancia en la alimentación humana por su carácter de nutriente energético.
Por tener su origen en los procesos fotosintéticos suelen abundar en alimentos de origen vegetal: cereales, leguminosas, tubérculos, verduras y frutas. No obstante, también se encuentran en productos de origen animal, como la leche. Algunas veces, pueden estar presentes en los alimentos por ser parte de la composición química de la materia prima; otras veces, porque son adicionados a las formulaciones con algún fin tecnológico determinado.
Se denominan carbohidratos a los compuestos orgánicos que en sus estructuras químicas sólo contienen C, H y O. Pueden ser clasificados en tres grupos principales de acuerdo a su grado de polimerización:
- Monosacáridos: Son aldehídos o cetonas polihidroxilados, que pueden contener cinco o seis átomos de carbono (pentosas y hexosas).
- Oligosacáridos: Están formados por cadenas que pueden incluir de dos a diez moléculas de monosacáridos.
- Polisacáridos: Polímeros formados por cadenas de más de diez monosacáridos hasta varios miles de ellos. Ejemplos de estos polímeros son, celulosa, hemicelulosa, glucógeno y almidones (Palou y col., 2009).
4 2.2. Almidón
Entre los carbohidratos, el almidón es el más abundante en la dieta y se le atribuye una función principalmente energética; sin embargo, hay otros aspectos a los que no se les ha prestado suficiente atención y pueden tener repercusiones importantes en la salud. El almidón es un ingrediente importante en la industria alimenticia, sirve no sólo como fuente nutricional, sino también como espesante, aglutinante, de relleno o bien para formar películas utilizadas en el empacado de los alimentos. La selección del almidón que se utiliza para cada uno de los diferentes productos alimenticios depende de sus propiedades funcionales, incluyendo viscosidad, resistencia, propiedades de gelatinización, textura, solubilidad, estabilidad del gel, velocidad de retrogradación y digestibilidad. Estas propiedades funcionales son determinadas por la estructura química del almidón.
Químicamente, el almidón es un polisacárido compuesto de dos estructuras diferentes (amilosa y amilopectina), formadas por moléculas de glucosa unidas mediante enlaces α-1,4 y α-1,6 (Figura 1).
2.2.1. Amilosa
Generalmente, la amilosa es el componente que está en menor proporción en el almidón, es aproximadamente 20 – 25% de su totalidad, excepciones a esto son los almidones cerosos donde alcanza niveles menores al 15% o mayor al 40% en los almidones denominados “altos en amilosa”. La amilosa es una molécula esencialmente lineal, formada por unidades de glucosa unidas por enlaces α-1,4 con muy pocos puntos de ramificación, los cuales se forman mediante enlaces α-1,6 (Figura 1a), tiene un grado de polimerización que va de 324 hasta 4,920 unidades de glucosa, y una masa molecular de 1 x 105 a 1 x 106 g/mol (Buléon y col., 1998). La amilosa existe típicamente en forma de doble hélice, con hélices simples formadas por seis unidades de glucosa por vuelta.
5 2.2.2. Amilopectina
La amilopectina es una molécula mucho más grande que la amilosa, con un peso molecular de 1 x 107 – 1 x 109 g/mol (Buléon y col., 1998) y una estructura más ramificada, constituida de 95% de enlaces α-1,4 y de 5% de enlaces α-1,6 (Figura 1b). El grado de polimerización generalmente se encuentra en un intervalo de 9,600 – 15,900 unidades de glucosa. La amilopectina es quizás el componente que tiene mayor importancia en las propiedades fisicoquímicas y funcionales del almidón, debido a que su estructura y propiedades contribuyen notablemente en la composición y funcionalidad del gránulo, esta molécula ha sido estudiada ampliamente en función de su tamaño molecular, ramificaciones y longitud de las cadenas (Bultosa y col., 2008; Bello-Pérez y col., 1998; Hizururi y col., 1986).
Las cadenas de la amilopectina son cortas comparadas con las cadenas de la molécula de amilosa, con un perfil de distribución amplio. Estas cadenas pueden ser clasificadas en términos de su longitud (Tester y Karcalas, 2004), las cadenas más cortas se definen como A y B1; generalmente, se encuentran en el exterior de la estructura de la amilopectina y se ha reportado que tiene una longitud de cadena aproximada de 12 – 24 unidades de glucosa.
Dependiendo del origen botánico del almidón, las cadenas B2 y B3 representan cadenas con una longitud mayor que corresponden a una distribución de longitud promedio de 42 – 48 y 69 – 75, respectivamente, y por último las cadenas más largas corresponden a las cadenas tipo B4 (Figura 2).
Con respecto a la estructura de estas cadenas dentro de la molécula de la amilopectina, las cadenas A son enlazadas (mediante enlaces α-1,6) con una cadena B, la cual a su vez es enlazada a otra cadena B o a una “cadena central” de la molécula de amilopectina, formando una estructura en forma de “cluster” (Hizukuri, 1986).
6 a)
b)
Figura 1. Estructura de la amilosa (a) y de la amilopectina (b).
Fuente: Tester y Karkalas, 2004
7 2.2.3. Amilosa y amilopectina en el gránulo del almidón
En los almidones nativos, las moléculas de amilosa y amilopectina están organizadas en gránulos, los cuales están constituidos por láminas o capas semicristalinas y amorfas ordenadas alternadamente y formando anillos de crecimiento (Gallant y col., 1997).
Las láminas semicristalinas consisten en regiones ordenadas, que a su vez están compuestas de dobles hélices formadas por cadenas de la amilopectina, las regiones amorfas de las láminas semicristalinas están compuestas por puntos ramificados de la amilopectina y por la amilosa (Zobel, 1988). Se ha propuesto que la molécula de amilosa puede encontrarse tanto en la región cristalina así como también en la región amorfa (Kozlov y col., 2007; Jane, 2006).
Debido a que los gránulos de almidón consisten en regiones cristalinas y amorfas, el porcentaje de cristalinidad se encuentra entre 15 y 45%, dependiendo de su origen y de los métodos de aislamiento, con un promedio alrededor de 35%. En el caso de almidones ricos en amilopectina, la cristalinidad es atribuida a las cadenas en forma de doble hélice de la amilopectina, por lo que la amilosa no parece tener algún efecto significativo en la cristalinidad en condiciones normales; sin embrago, en los almidones con alto contenido de amilosa, ésta puede contribuir significativamente en la cristalinidad (Matveev y col., 2001).
El análisis de difracción de rayos X produce dos tipos de patrones de difracción, tipo A y tipo B, que provienen de dos tipos de estructuras cristalinas. Los almidones de cereales presentan un patrón de difracción tipo A, mientras que los almidones de tubérculos presentan un patrón del tipo B, y los de las leguminosas y algunos frutos, presentan un patrón intermedio tipo C, que es producto de una mezcla de patrones tipo A y B (Figura 3) (Buleon y col., 1998). El factor que más influye en el tipo de patrón de difracción es la longitud de las cadenas de la amilopectina (Gidley, 1987), siendo más cortas en los almidones tipo A (23 – 29 unidades de glucosa) que en los tipo B (30 – 44 unidades de glucosa).
8 Figura 2. Representación esquemática de una sección de amilopectina indicando el patrón de distribución de las cadenas con diferente longitud (A, B1 – B3).
Fuente: Tester y Karkalas, 2004
9 La amilopectina está asociada a la estructura cristalina debido a que las ramificaciones favorecen la formación de hélices, mientras que la amilosa ocupa la región amorfa del gránulo del almidón. Tanto las estructuras tipo A como B presentan un modelo de disposición similar, donde el empaquetamiento de las dobles hélices en la estructura cristalina tipo A es relativamente compacto, formando una estructura monoclínica, con baja proporción de moléculas de agua (4 – 8 moléculas) en la estructura, mientras que en la estructura tipo B las dobles hélices son menos densas, creando una estructura más abierta en forma hexagonal y contienen mayor cantidad de moléculas de agua (36 moléculas) (Gallant y col., 1997) (figura 4).
2.3. Cambios en el almidón producidos por tratamientos hidrotérmicos 2.3.1. Gelatinización
Debido a la estructura semicristalina de los gránulos de almidón, éstos no son solubles en agua a temperatura ambiente. Cuando el almidón se encuentra con exceso de agua, los gránulos absorben una pequeña cantidad de ésta y se hincha hasta cierto límite (30-50 % peso seco de almidón); sin embargo, cuando el almidón se calienta en presencia de suficiente agua, los gránulos de almidón se hinchan y la organización cristalina desaparece formando regiones amorfas. Este desorden molecular es llamado gelatinización y se manifiesta por cambios irreversibles en las propiedades del almidón, incluyendo pérdida de la birrefringencia y solubilización del almidón (Atwell, 1988).
Para interpretar los cambios observados durante el calentamiento del almidón en exceso de agua, se han propuesto varios mecanismos de gelatinización. De acuerdo a la teoría de Jenkins y Donald (1998), primero, el agua entra en las regiones amorfas, causando que estas regiones se hinchen provocando el estrés suficiente para que el agua llegue a las regiones semicristalinas, resultando en la disrupción de los cristales del almidón, lo que explica la pérdida de cristalinidad.
10 Figura 3. Patrones de difracción de almidones tipo A, B y C.
Fuente: Spence y Jane, 1999 Tipo A
Tipo B
Tipo C
2 (Ɵ)
4.0 8.5 13.0 17.5 22.0 26.5 31.0 35.5 40.0
Intensidad Relativa
11 Figura 4. Empaquetamiento de las dobles hélices de la amilopectina con base en el tipo de polimorfismo.
Fuente: Imberty y col., 1991 Tipo A
Tipo B
12 Además del papel que tiene el agua durante la gelatinización existen varios factores que se deben considerar cuando se realiza este fenómeno, como es la velocidad de calentamiento y el tipo de arreglo cristalino del almidón. Por otra parte, se ha sugerido también que durante el proceso de gelatinización, el orden de las dobles hélices así como la estructura cristalina se pierden simultáneamente durante el calentamiento (Waigh y col., 2000).
Para poder entender más claramente el fenómeno endotérmico de gelatinización del almidón, se ha utilizado a la calorimetría diferencial de barrido como una herramienta termoanalítica para monitorear los cambios en la energía térmica asociada con las transformaciones físicas que ocurren en el almidón (Donovan, 1979).
2.3.2. Retrogradación
Después del proceso de gelatinización las moléculas del almidón se encuentran en estado amorfo; sin embargo, si el almidón se mantiene almacenado durante un tiempo prolongado, las moléculas se reasocian gradualmente y forman cristales, a este proceso se le conoce como retrogradación. Los cristales formados durante este proceso están compuestos por estructuras de dobles hélices, formados debido a interacciones hidrofóbicas y puentes de hidrógeno, que se forman entre las cadenas del almidón. Las moléculas de amilosa retrogradan mucho más rápido que las moléculas de amilopectina. La formación de dobles hélices en las moléculas de amilosa se presenta inmediatamente después de la gelatinización. Por su parte, la retrogradación de la amilopectina es más lenta, y puede presentarse a lo largo de días o semanas, debido a su estructura altamente ramificada. La velocidad de retrogradación depende de factores como: el contenido de amilosa, la longitud de las cadenas de la amilopectina, así como la concentración de lípidos y derivados monoester y fosfatos (Srichuwong y Jane, 2007).
13 2.4. Almidón en los alimentos
El almidón es un ingrediente versátil y ampliamente usado en la elaboración de algunos alimentos, utilizándolos como estabilizantes, emulsificantes, mejoradores de textura entre otros, sus propiedades funcionales son determinantes en la calidad del producto final y dependientes de las características estructurales y moleculares del almidón.
Algunos de los productos en los que se utiliza el almidón como ingrediente son: sopas enlatadas, postres, carnes procesadas, salsas y productos de panificación (Bello-Pérez y col., 2000), también puede ser utilizado para fabricar edulcorantes y jarabes (Hernández-Uribe y col., 2008; Bello-Pérez y col., 2002)
En dietas normales el consumo de almidón en alimentos cocinados es más común que en alimentos crudos; sin embargo, los tratamientos térmicos usados en la cocción de los alimentos pueden cambiar considerablemente la estructura del almidón que se encuentra en ellos, lo que afecta su digestibilidad y por lo tanto su valor nutritivo. Por lo que estudiar el comportamiento de los almidones gelatinizados permite facilitar el procesamiento de los alimentos o bien mejorar sus propiedades funcionales (Benmoussa y col., 2007).
2.5. Digestibilidad del almidón
El almidón representa una importante fuente de energía para los seres humanos, para cumplir con esta función el almidón debe ser completamente hidrolizado a glucosa para poder ser absorbido en el intestino delgado. Esta despolimerización se lleva a cabo mediante diferentes enzimas que rompen los enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6. La hidrólisis del almidón inicia en la boca, por la acción de la enzima α-amilasa de la saliva, esta enzima rompe enlaces α-1,4 liberando maltosas, maltotriosas y dextrinas a partir de las moléculas de almidón. La masticación contribuye a aumentar la superficie de contacto facilitando el acceso de la enzima, la digestión salivar continua en el esófago y en la parte esofágica del estómago. En el
14 estómago, el pH ácido inactiva a la α-amilasa salival, y no es hasta el duodeno en donde el pH se neutraliza, en donde las enzimas pancreáticas y de la mucosa intestinal pueden actuar. La α- amilasa pancreática es muy similar a la salivar; sin embargo, esta última no hidroliza enlaces al azar, sino que presenta una tendencia a actuar sobre los extremos, produciendo residuos de maltosa. Los productos resultantes de la degradación del almidón, difunden a la superficie luminal de la mucosa intestinal en donde se encuentran una serie de carbohidrasas, entre ellas se encuentran las maltasas que convierten la maltosa en glucosa y las isomaltasas las cuales hidrolizan los enlaces α-1,6 de isomaltosas y α-dextrinas. La glucosa resultante de estos procesos de hidrólisis enzimática es absorbida directamente a través de transportadores activos de mucosa intestinal. Sin embargo, a pesar de la elevada actividad amilasa en el intestino delgado, la hidrólisis del almidón y la absorción de la glucosa resultante no siempre es completa.
2.5.1. Factores estructurales que afectan la digestibilidad del almidón
La hidrólisis de los almidones nativos puede variar mucho, dependiendo de una serie de factores atribuidos generalmente a su origen botánico, que determina la morfología y organización cristalina del gránulo (Tester y col., 2004), y por lo tanto influencia también su digestibilidad. La digestión de los gránulos de almidón es un proceso complejo e incluye diferentes fases: la difusión de la enzima digestiva hacia el sustrato; la unión de la enzima al almidón; y el proceso de hidrólisis (Colonna y col., 1992). La difusión de la enzima α-amilasa dentro de los componentes del almidón es considerado un paso importante en la hidrólisis, ya que se ha reportado que almidones de cereales como el trigo, el maíz y el sorgo presentan poros y canales periféricos, que facilitan la penetración de la enzima α-amilasa al gránulo de almidón (Kim y Huber, 2008; Huber y BeMiller, 1997), mientras que una superficie lisa podría disminuir la accesibilidad de las enzimas que hidrolizan al almidón (Lehman y Robin, 2007).
Se ha reportado también que el tipo de cristalinidad repercute en la digestibilidad del almidón, ya que el tipo A muestra una mayor susceptibilidad a la hidrólisis, comparado con gránulos del
15 almidón con cristalinidad tipo B o tipo C, esto es debido a la diferencia que hay en el empaquetamiento de sus dobles hélices y por lo tanto en la cantidad de agua que contienen (Zhang y col., 2006).
Por otra parte, cuando los almidones son tratados con procesos hidrotérmicos, se destruye la estructura granular y la organización cristalina se pierde, por lo que incrementa la velocidad de hidrólisis del almidón comparado con el almidón nativo, en este caso, la velocidad de hidrólisis sólo depende de las características moleculares del almidón (Zhang y col., 2008a). A nivel molecular, la estructura cristalina y el empaquetamiento de la fase amorfa tiene influencia en la susceptibilidad enzimática. La relación de amilosa y amilopectina es otro factor importante en la digestibilidad, así como la presencia de enlaces α-1,6 ya que estos obstaculizan la acción de la enzima α-amilasa (Colonna y col., 1992). Un reporte reciente realizado por Shin y col. (2008) muestra que la presencia de maltooligosacaridos altamente ramificados en el almidón reduce su digestibilidad.
También existen procesos fisiológicos que afectan la digestión y absorción del almidón, se dan durante el paso de los alimentos a través de tracto gastrointestinal, ejemplos de estos procesos son el vaciado gástrico, inhibidores de enzimas, y viscosidad en el tracto digestivo, ya que afectan la accesibilidad de la enzima al substrato y la absorción de la glucosa.
2.5.2. Fracciones del almidón de acuerdo a su velocidad de digestión
Hasta hace algunos años, se pensaba que prácticamente todo el almidón era digerido y absorbido en el intestino delgado, años más tarde se comprobó que aproximadamente entre el 8 y el 10% del almidón contenido en la dieta no era digerido, es decir mostraba resistencia al ataque enzimático de las secreciones intestinales, surgiendo así el termino de almidón no digerible o almidón resistente. Sin embargo, actualmente existe una clasificación de las fracciones del almidón de acuerdo a sus propiedades de digestión, basada en un método in vitro realizado por Englyst (1992). Las tres fracciones son: almidón de digestión rápida (ADR), la cual es digerida en los primeros 20 minutos después de iniciar la hidrólisis; almidón
16 de digestión lenta (ADL), fracción digerida entre 20 y 120 minutos; y almidón resistente (AR), fracción de almidón que permanece sin hidrolizar después de 120 minutos.
Aunque el proceso de digestión del almidón involucra tanto factores alimenticios como humanos, las fracciones de ADR, ADL y AR se basan sólo en resultados in vitro. Estas fracciones en el almidón, son a menudo, interdependientes y no son fácilmente separadas unas de otras. Se pretende que el almidón como ingrediente alimenticio contenga la mayor cantidad de AR y ADL; sin embargo, se presentan las tres fracciones antes mencionadas. Por lo que es necesario seguir estudiando estas fracciones desde el punto de vista de la estructura del almidón y función, para obtener información y darles una aplicación práctica. También se necesita usar métodos in vivo, para evaluar las posibles respuestas fisiológicas y consecuencias de cada una de las fracciones (Zhang y Hamaker, 2009).
2.6. Relación entre las fracciones del almidón y el índice glucémico
Una forma de determinar cuál es el impacto del consumo del almidón en el organismo es midiendo el índice glucémico (IG); este término fue introducido por Jenkins y col. (1981) y describe la respuesta de glucosa en sangre después del consumo de un alimento que contiene carbohidratos, en comparación a otro alimento de referencia que puede ser glucosa o pan blanco. Uno de los factores que determinan la respuesta glucémica de un alimento es la velocidad de digestión que éstos tienen (ADR, ADL y AR); por lo tanto, la velocidad de liberación de los carbohidratos en el proceso de digestión se ve reflejada en la respuesta de la glucosa en sangre. En un estudio realizado por Aparicio-Saguilán y col. (2007), reportaron una disminución en la predicción del índice glucémico, al realizar esta prueba en galletas elaboradas con harina de trigo y la adición de almidón modificado de plátano de alto contenido de AR, en comparación con una galleta control la cual contenía solo harina de trigo, se mostró que al disminuir la velocidad de digestión del alimento con la adición de AR, probablemente disminuyó también el contenido de glucosa en sangre.
17 En el caso del ADL, se ha reportado que disminuye el valor del IG, y esto se debe a la lenta y prolongada liberación de glucosa durante la hidrólisis de este tipo de almidón, por lo que Zhang y Hamaker (2009) proponen un nuevo concepto: índice glucémico extendido (IGE), en el cual se especifica la extensión de la liberación de glucosa en un periodo de tiempo prolongado. La elevación moderada y extendida de la glucosa en sangre es característica de los carbohidratos lentamente digeridos, y el valor del IGE, que es el área de las regiones sombreadas en la figura 5, se puede considerar como un indicador que refleja la lenta y sostenible liberación de glucosa a partir de carbohidratos glucémicos.
Por otra parte, también existen factores intrínsecos y extrínsecos que pueden alterar la velocidad de la movilidad gastrointestinal así como también la digestión y absorción del almidón, estos factores pueden ser el método de cocción, tamaño de partícula, la presencia de fibra, grasa y proteínas, y todo esto puede verse reflejado en el índice glucémico. En este sentido, existen algunos alimentos tradicionales que muestran índices glucémicos bajos como son las pastas, panes integrales de centeno, etc.
18 Figura 5. Curvas que reflejan el efecto de los alimentos sobre la respuesta glucémica. La línea punteada representa la glucosa como control (representando un alimento con alto IG), y la línea sólida representa las diferentes muestras de alimento: alimento con bajo IG (A y B);
alimento con alto IG con respuesta glicémica extendida (C); alimento ideal con un extenso periodo de respuesta glicémica (D).
Fuente: Zhang y Hamaker, 2009
19 2.7. Relación entre el Índice Glucémico y el metabolismo
La ingestión de una dieta principalmente compuesta de alimentos con IG bajo, o la combinación de alimentos, que producen una absorción lenta de glucosa, ayuda a controlar el apetito y con esto se disminuye la ingesta de alimentos, que trae como consecuencia una menor entrada de glucosa al torrente sanguíneo. De la misma forma, al provocar una lenta entrada de glucosa al torrente sanguíneo, la estimulación pancreática es lenta y produce una secreción insulinica baja (Noriega, 2004). En pacientes diabéticos, el consumo de una dieta de bajo IG, comparada con un IG alto con la misma distribución energética, produce concentraciones glucémicas postprandiales menores (Zhang y col., 2006), lo que favorece el control de este padecimiento. Por el contrario, una dieta con un alto contenido de carbohidratos, digeridos rápidamente, puede aumentar el nivel de triglicéridos en la sangre y esto a su vez puede favorecer el desarrollo de arterosclerosis.
2.8. Almidón de digestión lenta (ADL)
La fracción de ADL actualmente tiene gran importancia, debido a que se ha reportado que favorece la prevención de algunas enfermedades, por lo que podría ser utilizado como un ingrediente nutracéutico en la manufactura de ciertos alimentos, dando así un efecto benéfico adicional al aporte energético.
2.8.1. Importancia nutricional del ADL
El ADL está relacionado con la disminución del IG y esto se debe a la lenta y prolongada liberación de glucosa durante la hidrólisis del almidón, por lo que se ha propuesto que el
20 incremento en el consumo de ADL reduce los factores de riesgo de algunos síndromes metabólicos, como son obesidad, intolerancia a la glucosa e hipertensión (Seal y col., 2003).
El consumo de alimentos con IG bajo permite sentirse satisfecho, sin hambre, durante más tiempo, disminuyendo el deseo de comer, por lo que puede ser de gran utilidad tanto en la pérdida como en el mantenimiento del peso corporal. También el consumo de este tipo de alimentos provoca la entrada lenta de glucosa al torrente sanguíneo, y de esta forma la estimulación pancreática es baja, lo que produce una secreción insulinémica también baja.
Además, el consumo de este tipo de alimentos reduce la posibilidad de acumular grasa inadecuada, debido tanto a la disminución de ingestión como a una menor insulinemia posprandial. El proceso de arteriosclerosis está directamente relacionado con colesterol total (CT) y triglicéridos (TG) altos, con un bajo colesterol asociado a lipoproteínas de alta densidad (LAD) e hiperglucemia; se ha observado que el consumo de dietas con IG bajo provoca reducciones en CT, TG e incrementa las LAD, por lo que se disminuye la respuesta posprandial, ayudando así a contrarrestar esta enfermedad.
2.8.2. Características estructurales del ADL
Hay dos diferentes mecanismos para la digestión lenta de almidones gelatinizados, el primero, ADL como una entidad química donde la estructura molecular del almidón (longitud de cadenas, densidad de ramificaciones, porcentaje de cristalinidad, etc.) provoca la digestión lenta del almidón disminuyendo la acción de las enzimas hidrolíticas, y el segundo, ADL como una entidad física es producido principalmente por la retrogradación del almidón y disminuye la accesibilidad de las enzimas hidrolíticas a la molécula del almidón (Zhang y col., 2008a y b).
En la actualidad, se han hecho algunas investigaciones tratando de relacionar el contenido de ADL y la estructura de los componentes del almidón, que le dan esta propiedad. Zhang y col.
(2006), mediante mediciones in vitro, demostraron que almidones nativos de cereales con una estructura semicristalina, que muestran un patrón de difracción tipo A, y que además
21 mostraron una alta cantidad de cadenas cortas de amilopectina (GP 5-10), contienen altos niveles de ADL.
Por otro lado, Ao y col. (2007) encontraron una relación entre la fracción de ADL y la cantidad de enlaces presentes en la estructura, ya que un incremento en la cantidad de enlaces
-1,6 y disminución en los -1,4, así como también la disminución de la longitud de las cadenas de la amilopectina, favoreció el aumento de la fracción de ADL.
También, se han propuesto algunos modelos para describir la estructura de la fracción de ADL. Zhang y col. (2008a), realizaron experimentos en almidón de maíz, encontrando una correlación parabólica entre la relación de cadenas cortas y largas de la amilopectina y el contenido de ADL, proponiendo entonces que pueden existir dos estructuras diferentes de la amilopectina que favorecen el incremento de esta fracción: una en donde sus cadenas son largas pero con pocas ramificaciones y otra en donde las cadenas son más cortas pero con un incremento en la cantidad de ramificaciones.
2.8.3. Incremento de ADL
Actualmente, la mejora del valor nutritivo con cantidades más altas de ADL se está convirtiendo en un campo de interés para algunas compañías de alimentos, y debido a las cantidades bajas de ADL en productos alimenticios procesados, es necesario entender el mecanismo y las bases estructurales del almidón de digestión lenta, con el fin de incrementar la cantidad de esta fracción del almidón e incluirla en los productos alimenticios para elevar su valor nutricional.
Existen diferentes técnicas para la obtención de una mayor cantidad de fracción de ADL, entre las que se encuentran, modificación química, física, enzimática y tratamientos hidrotérmicos entre otras (Han y col., 2007), con las cuales se modifica la estructura de los componentes del almidón y por lo tanto también se modifican sus propiedades, tal es el caso de la velocidad a la cual se digiere.
22 Una estrategia para la obtención de ADL por medio de un tratamiento enzimático, consiste en acortar las cadenas exteriores de la amilopectina, así como incrementar la densidad de las ramificaciones en el gránulo de almidón, provocando la reducción de la velocidad de digestión del almidón en el organismo. Ao y col. (2007) realizaron una modificación enzimática al almidón de maíz normal, ellos utilizaron la enzima β–amilasa para hidrolizar los enlaces α–
1,4–D-glucosidicos del almidón, con esto se produjeron residuos de maltosa y acortaron la longitud de cadena tanto de la amilosa como de la amilopectina. También usaron una mezcla de dos enzimas, la β–amilasa y la transglucosidasa, que catalizan reacciones de hidrólisis y de transferencia para formar nuevos enlaces α–1,6, con lo cual incrementaron la densidad de las ramificaciones y por consecuencia modificaron también la digestibilidad del almidón, ya que lograron un incremento en las fracciones tanto de ADL como de AR.
2.9. Almidón Resistente (AR)
El termino AR se refiere a la fracción de almidón que es resistente a la hidrólisis mediante un tratamiento in vitro, usando α-amilasa y pululanasa, después de 120 minutos de incubación (Englyst y col., 1992). Otra característica del AR es que al no ser hidrolizado en el intestino delgado, este puede llegar al intestino grueso y ser fermentado por la micro-flora intestinal (Annison y Topping, 1994).
2.9.1. Importancia nutricional del AR
La incorporación de AR en la dieta de seres humanos tiene efectos benéficos importantes, una de las principales aplicaciones es la creación de alimentos que contienen AR, destinados para personas diabéticas, ya que numerosos estudios muestran que el incremento de AR, en la dieta, disminuye la respuesta de glucosa en sangre, ayudando a las personas a controlar este padecimiento (Niba, 2002).
23 Muchos de los efectos benéficos del AR y de la fibra dietética son indirectos, a través de su papel como un sustrato energético para mantener una mayor y diversa microflora en el colon.
El AR puede ser o no hidrolizado en el colon, cuando se hidroliza, la glucosa liberada puede ser rápidamente fermentada. Los productos de la fermentación son ácidos grasos de cadena corta: acetato, propianato y butirato. El butirato desempeña funciones importantes en la biología del colon (Velázquez y col., 1996):
- Suministra la mayor parte de la energía que necesitan las células de la mucosa colónica.
- Estimula el crecimiento y la diferenciación de estas células.
- Inhibe el crecimiento de las células tumorales.
2.9.2. Características estructurales del AR
El AR es subdividido en cuatro tipos: AR1, AR2, AR3 yAR4.
El AR1 es físicamente inaccesible a las enzimas digestivas, y no depende de la resistencia enzimática intrínseca del almidón por sí mismo. En teoría, cualquier almidón podría ser atrapado dentro de una partícula, de tal forma que se hace inaccesible a las enzimas digestivas.
Tanto el tamaño como la integridad de la partícula, podrían ser factores que afecten el proceso de digestión. Este tipo de almidón es estable a la temperatura en la mayoría de las condiciones de cocción, lo que permite su uso en una gran variedad de alimentos procesados (Biliaderis, 2007; Sajilata y col., 2006).
El AR2 representa al almidón en cierta forma granular, que resiste a la digestión enzimática.
Los gránulos de almidón nativo se encuentran empaquetados de forma radial y están relativamente deshidratados, esta estructura compacta limita la accesibilidad de las enzimas digestivas. Los AR1 y AR2 representan residuos de almidón, que son digeridos muy lentamente y de manera incompleta en el intestino delgado (Biliaderis, 2007; Sajilata y col., 2006).
24 El AR3 es representado principalmente por la amilosa retrogradada, formada durante el enfriamiento del almidón gelatinizado; sin embargo, la retrogradación de la amilopectina también puede contribuir al contenido de AR3. El AR de la amilopectina retrogradada se pierde completamente al calentarse a 100 °C. Debido a las características necesarias para la formación de este tipo de almidón, se ha considerado que la mayoría de los alimentos que son tratados con procedimientos en los que se involucra el incremento de la humedad y calentamiento, contienen AR3 (Biliaderis, 2007; Sajilata y col., 2006).
El AR4 es el almidón modificado químicamente que no puede ser hidrolizado debido a los nuevos enlaces glucosídicos, los cuales se formaron por medio de reacciones de substitución.
Los almidones esterificados o entrecruzados son almidones resistentes de tipo AR4 (Biliaderis, 2007; Sajilata y col., 2006).
2.9.3. Incremento del AR
Varios factores pueden influir en la formación de AR, entre los que se encuentran, las propiedades inherentes del almidón (cristalinidad del almidón, estructura granular, relación amilosa/amilopectina, retrogradación de la amilosa, longitud de cadena de la amilosa y litnerización de la amilopectina), calentamiento y humedad, interacción del almidón con otros componentes (proteínas, fibra dietética, inhibidores de enzima, iones, azucares y lípidos), condiciones de procesamiento, procesos térmicos, y condiciones de almacenamiento (Sajilata y col., 2006).
Tomando en cuenta todos estos factores, se han reportado estudios en los que se realizan modificaciones a almidones de diferentes fuentes, con el objetivo de incrementar el contenido de AR, mediante tratamientos térmicos, enzimáticos, la combinación de estos últimos y también mediante tratamientos químicos. Hickman y col. (2009) realizaron una modificación térmica seguida de un tratamiento enzimático a almidones de maíz y trigo, con el objetivo de incrementar el AR, usando un tratamiento con autoclave y β-amilolisis, estos tratamientos incrementaron la cristalinidad de los almidones, lo cual disminuyó la velocidad de hidrólisis,
25 además sugirieron que el acortar las cadenas externas de la amilopectina, mediante la enzima (β-amilasa), redujo la interacción entre la amilosa y amilopectina, lo que contribuyó a una asociación más eficiente entre las moléculas de amilosa, reduciendo así la digestibilidad e incrementando el contenido de AR en los almidones estudiados.
Por otra parte, Ao y col. (2007) incrementaron la fracción de AR del almidón de maíz normal mediante una modificación enzimática, en la cual acortaron la longitud de las cadenas de amilosa y amilopectina, e incrementaron la densidad de las ramificaciones en las moléculas de amilopectina.
También, se ha reportado que la inserción de grupos fosfato dentro de la estructura del almidón, modifica la susceptibilidad del gránulo a la hidrólisis con la enzima α-amilasa.
Aparicio-Saguilán y col. (2008) realizaron una modificación química al almidón de plátano, en el cual insertaron grupos fosfato para obtener un almidón entrecruzado, y al determinar sus propiedades de digestión, encontraron que este almidón presentó un contenido de 94.68% de AR, que fue más alto que el reportado en el almidón nativo (38%).
2.10. Fuentes no convencionales de almidón
La mayoría de los estudios realizados hasta el momento sobre ADL se refieren a almidón de cereales, considerados como almidón de fuentes convencionales; sin embrago, el estudiar almidón de fuentes no convencionales, como son los extraídos de mango (Mangifera indica L.) y plátano (Musa paradisiaca L.) en estado inmaduro, puede ser de interés, ya que las características estructurales de estos tipos de almidón son diferentes, además que se ha reportado que contienen un alto porcentaje de AR, y esto puede influir en los procesos de modificación para incrementar el contenido de ADL así como el AR, y de esta forma mejorar su respuesta fisiológica.
26 2.10.1. Almidón de plátano
El plátano es un fruto climatérico y en México se consume en estado maduro, por esta razón, muchos frutos se pierden durante su comercialización debido a la deficiencia en el manejo pos cosecha. El almidón es el principal componente del plátano en estado fisiológicamente inmaduro. En la literatura se encuentran pocos informes relacionados con el aislamiento del almidón de plátano. Se ha indicado que este fruto contiene entre 50 y 60% de almidón en base seca (Guilbot y Mercier, 1985), lo que representa una alternativa para su aislamiento y aplicación para elaborar diversos alimentos, como son, productos de panificación y repostería (Bello-Pérez y col., 1999).
2.10.1.1. Estructura del almidón de plátano
El almidón nativo de plátano se presenta en gránulos ovalados, con una longitud promedio de 40 µm y un radio promedio de 20 µm (Espinosa-Solis y col., 2009), el tipo de cristalinidad no es claro, ya que han reportado que puede tener cristalinidad tipo A (Bello-Pérez y col., 2000), tipo B o una mezcla de estos dos, es decir tipo C, (Millan-Testa y col., 2005), dependiendo de la variedad y/o condiciones de crecimiento (medio ambiente) y/o a la técnica de aislamiento del almidón (Zhang y col., 2005). Espinosa-Solis y col. (2009) realizaron una caracterización de almidón nativo de plátano en la cual reportaron un contenido de amilosa aparente de 36.2%, un radio de giro 267 nm y un peso molecular de 3.371 x 108 g/mol, también determinaron la distribución de longitud de cadena, encontrando que el porcentaje más abundante (48.1%) fue el que representa al intervalo de las cadenas con un grado de polimerización de 13 – 24.
Bello-Pérez y col. (2000) reportaron una temperatura de gelatinización de 73.3 °C para el almidón de plátano variedad “macho”, este parámetro está asociado con la difusión del agua dentro del gránulo, pérdida de birrefringencia, pérdida del orden cristalino, absorción de calor,
27 disociación de las doble hélices de la estructura cristalina y la lixiviación de la amilosa, por lo que puede ser un parámetro relacionado indirectamente con las características estructurales del almidón.
2.10.1.2. Digestibilidad del almidón de plátano
El almidón nativo de plátano es conocido por ser resistente al ataque enzimático en el proceso de digestión. En estudios in vivo se ha encontrado que 75-84% del almidón no digerido alcanza la parte final del intestino delgado (Faisant y col., 1995). Sugimoto y col. (1980) realizaron un estudio de digestibilidad in vivo del almidón (sin gelatinizar) de plátano, papa y maíz, en el cual reportaron que la digestibilidad de los almidones de plátano y papa fue más lenta en comparación con el almidón de maíz; ellos observaron, mediante microscopia electrónica de barrido (MEB), que los gránulos de almidón de plátano mostraron estructuras estriadas después del ataque enzimático, mientras que el almidón de maíz mostró poros sobre la superficie, por lo que sugieren que la superficie de los gránulos de almidón tiene influencia sobre la velocidad de digestión de estos.
Por otra parte, se ha reportado que la digestión de los almidones se ve afectada en el proceso de gelatinización, ya que después de esto el almidón es más fácilmente hidrolizado. Aparicio- Saguilán y col. (2008) realizaron un estudio en el cual determinaron el contenido de AR en el almidón de plátano gelatinizado y sin gelatinizar, y reportaron un contenido de 38% de AR en el almidón nativo de plátano; sin embargo, al gelatinizar la muestra (20 min), este contenido disminuyó hasta un 1.5%.
Hasta el momento, no hay muchos estudios que describan las fracciones del almidón de plátano con respecto a su velocidad de digestión; sin embargo, Englyst y col. (1992) reportaron 3% de ADR, 15% de ADL y 57% de AR en harina de plátano que contenia 75% de almidón total.
28 2.10.2. Almidón de mango
El fruto del mango es de alta aceptación para el consumo humano. En su estado de madurez, estado en el cual es usualmente consumido, la porción comestible representa entre 60 y 75% del peso total del fruto. El mango contiene 84% de agua, 15% de azúcares y 0.5% de proteínas. También, es una fuente excelente de muchas vitaminas, reportándose contenidos de vitamina C. Los minerales presentes en mayor proporción en el mango son el magnesio, el calcio, el sodio y el fósforo. El carbohidrato predominante en el mango, en estado fisiológicamente inmaduro, es el almidón, que en la fruta madura es reemplazado en gran parte por sacarosa, glucosa, y fructuosa. Guilbot y Mercier (1985) reportaron un contenido de almidón en el fruto del mango verde de un 70% en base seca.
2.10.2.1. Estructura del almidón de mango
El almidón de mango presenta un gránulo de forma esférica, con tamaño promedio de 5–10 µm (Bello-Pérez y col., 2005), un patrón de difracción tipo A, que se caracteriza por tener cadenas cortas en la amilopectina. En almidones de mango de diferentes variedades, se ha reportado un contenido de amilosa entre 28.8% y 33.6%, un peso molecular que va de de 1.40 x 108 g/mol a 5.01 x 108 g/mol, y un radio de giro de la molécula de amilopectina que se encuentra en in intervalo de 293 nm a 318 nm (Espinosa-Solis y col., 2009; Sandhu y Lim, 2008; Millan-Testa y col., 2005). Espinosa-Solis y col. (2009) también determinaron la distribución de la longitud de las cadenas de amilopectina, encontrando que el porcentaje más abundante (46.1%) fue el que representa al intervalo de las cadenas con un grado de polimerización de 13 – 24.
Se ha reportado que la temperatura de gelatinización del almidón nativo de mango va de 77.9
°C a 80.2 °C (Kaur y col., 2004).
29 2.10.2.2. Digestibilidad del almidón de mango
Existen pocos estudios acerca de la velocidad de digestión del almidón de mango. Sandhu y Lim (2008) realizaron un estudio de digestibilidad a almidones nativos (sin gelatinizar) de mango de dos variedades diferentes y encontraron un alto contenido de AR en ambos almidones, por lo que podría ser considerado como un almidón resistente al ataque enzimático.
Sin embargo, en los almidones gelatinizados esta fracción disminuye considerablemente, por lo que se han hecho investigaciones con el objetivo de incrementar la fracción de AR en los almidones gelatinizados de mango, uno de los métodos utilizados fue mediante un proceso de extrusión, en el cual lograron obtener un producto con contenido elevado de AR (9.7%), usando temperaturas altas durante el proceso y permitiendo la gelatinización completa del almidón (Agustiniano-Osornio y col., 2005).
30 3. JUSTIFICACIÓN
En la actualidad, es de gran interés generar alimentos o ingredientes alimenticios que proporcionen un beneficio a la salud al ser consumidos. Uno de los ingredientes más utilizados en los alimentos es el almidón, por lo que se han realizado estudios para determinar el efecto de la velocidad de digestión de este sobre el metabolismo del cuerpo humano. Se ha reportado que al incrementar las fracciones de almidón resistente (AR) y almidón de digestión lenta (ADL), disminuye el índice glucémico (IG); por otra parte, un IG bajo se ha relacionado con la prevención o disminución de enfermedades como son la obesidad, diabetes y enfermedades cardiovasculares, por lo que el incremento en el porcentaje de estas fracciones (ADL y AR), resulta deseable.
Se han reportado varios métodos para incrementar las fracciones de ADL y AR, entre los que se encuentran métodos químicos, físicos y enzimáticos, estos experimentos se han realizado principalmente en almidones de cereales; sin embargo, existen otras fuentes como son almidones de plátano y mango, que por sus características estructurales, podrían favorecer el incremento de estas fracciones benéficas, dando a estos almidones la posibilidad de ser utilizados como ingredientes nutracéuticos.
Por otra parte, el conocer la relación que existe entre las características moleculares de los almidones y su contenido de ADL y AR, permitirá, en el futuro, establecer nuevos y mejores procedimientos para incrementar estas fracciones.
31 4. OBJETIVOS
4.1. Objetivo general
Determinar las propiedades de digestión de los almidones de plátano (Musa paradisiaca L.) y mango (Mangifera indica L.) nativos y modificados enzimáticamente, así como también relacionar estas propiedades con sus características moleculares.
4.1. Objetivos específicos
- Modificar enzimáticamente el almidón de plátano y mango.
- Determinar las propiedades de digestión en el almidón nativo y modificado de plátano y mango.
- Evaluar las características estructurales y moleculares del almidón nativo y modificado de plátano y mango.
- Relacionar las propiedades de digestión de los almidones modificados con sus características estructurales y moleculares.
- Proponer modelos que describan la relación entre las características moleculares y la digestibilidad de los almidones nativos y modificados.
32 5. MATERIALES Y MÉTODOS:
5.1. Materia prima.
Se obtuvieron almidones de mango (Mangifera indica L.) variedad “Tommy Atkins” y plátano (Musa paradisiaca L.) variedad “macho”, en el Departamento de Desarrollo Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos perteneciente al IPN. Los frutos que se utilizaron para el aislamiento de almidón se obtuvieron del mercado de Cuautla, Morelos, México, en estado fisiológicamente inmaduro (Etapa 2 de la escala de color reportada por Aurore y col., 2009).
5.2. Enzimas
Se utilizaron las enzimas β-amilasa (EC. 3.2.1.2, Optimalt BBA) y transglucosidasa L-500 de Aspergillus sp (EC. 2.4.1.24, Genencor International, Inc. Rochester, NY.), para el proceso de modificación de los almidones. Para las determinaciones de digestibilidad las enzimas fueron:
pancreatina (EC. 2.3.2-468-9, SIGMA P1750); amiloglucosidasa (EC. 3.2.1.3, SIGMA A7095); invertasa(EC. 3.2.1.26, SIGMA I4504) y pepsina (EC. 3.4.23.1, SIGMA P7000).
5.3. Métodos
A continuación se presenta el diagrama de los experimentos realizados al almidón de plátano y mango tanto nativo como modificados (Figura 6).
33 Figura 6. Diagrama experimental.
(CLARET-DDLMA-IR). Cromatografía de alta resolución por exclusión de tamaño acoplada a un detector de dispersión de luz multiángulo e índice de refracción.
(CLARET-IR). Cromatografía de alta resolución por exclusión de tamaño acoplada a un índice de refracción.
(RMN). Resonancia magnética nuclear.
Frutos inmaduros de plátano y mango
Aislamiento del almidón
Modificación enzimática del
almidón
Análisis de digestibilidad (Englyst y col., 1992)
Peso molecular y radio de giro
(CLARET- DDLMA-IR)
Distribución de longitud de cadena
(CLARET-IR)
Porcentaje de enlaces α-1,4 y α-
1,6 (RMN)
Porcentaje de cristalinidad (RAYOS X)
β-amilasa (β-AMI) β-amilasa-Transglucosidasa
(β-AMI-TGs)
