Universidad del Perú, Decana de América
Dirección General de Estudios de Posgrado
Facultad de Farmacia y Bioquímica Unidad de Posgrado
Optimización del secado convectivo de la pulpa de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) para el aislamiento, modificación y caracterización fisicoquímica
y funcional del almidón
TESIS
Para optar al Grado Académico de Magíster en Ciencia de los Alimentos
AUTOR
Bach. Erick George ALVAREZ YANAMANGO
ASESOR
Dra. Gladys Constanza ARIAS ARROYO
Lima, Perú 2021
Reconocimiento - No Comercial - Compartir Igual - Sin restricciones adicionales https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Usted puede distribuir, remezclar, retocar, y crear a partir del documento original de modo no comercial, siempre y cuando se dé crédito al autor del documento y se licencien las nuevas creaciones bajo las mismas condiciones. No se permite aplicar términos legales o medidas tecnológicas que restrinjan legalmente a otros a hacer cualquier cosa que permita esta licencia.
Alvarez, E. (2021). Optimización del secado convectivo de la pulpa de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) para el aislamiento, modificación y caracterización fisicoquímica y funcional del almidón. [Tesis de maestría, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Farmacia y Bioquímica, Unidad de Posgrado].
Repositorio institucional Cybertesis UNMSM.
Datos de autor
Nombres y apellidos Erick George Alvarez Yanamango Tipo de documento de identidad DNI
Número de documento de identidad 42871572
URL de ORCID https://orcid.org/0000-0002-9414-1167 Datos de asesor
Nombres y apellidos Gladys Constanza Arias Arroyo Tipo de documento de identidad DNI
Número de documento de identidad 06518454
URL de ORCID https://orcid.org/0000-0001-8674-4147 Datos del jurado
Presidente del jurado
Nombres y apellidos Antonio José Obregón La Rosa
Tipo de documento DNI
Número de documento de identidad 08685618 Miembro del jurado 1
Nombres y apellidos Javier Saúl Córdova Ramos
Tipo de documento DNI
Número de documento de identidad 43479904 Miembro del jurado 2
Nombres y apellidos Celia Bertha Vargas de la Cruz
Tipo de documento DNI
Número de documento de identidad 42354741 Datos de investigación
Línea de investigación No aplica.
Grupo de investigación No aplica.
Ubicación geográfica de la investigación
Industriales, Pontifica Universidad Católica del Perú.
País: Perú
Departamento: Lima Provincia: Lima Distrito: San Miguel.
Latitud: -12.0728252 Longitud: -77.0824965
Edificio: Laboratorio de Bromatología, Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
País: Perú
Departamento: Lima Provincia: Lima
Distrito: Cercado de Lima.
Latitud: -12.05592 Longitud: -77.0236775 Año o rango de años en que se
realizó la investigación 2016 - 2018
URL de disciplinas OCDE
Ciencia de los polímeros
https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#1.04.04 Bioproductos, biomateriales, bioplásticos, biocombustibles, materiales nuevos bioderivados, químicos finos bioredivados https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.09.03 Alimentos y bebidas
https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.11.01
Universidad del Perú. Decana de América Facultad de Farmacia y Bioquímica
Unidad de Posgrado
ACTA DE SUSTENTACIÓN VIRTUAL DE TESIS PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE MAGÍSTER EN CIENCIA DE LOS ALIMENTOS
Siendo las 14:00 hrs. del 16 de diciembre de 2021 se reunieron mediante la plataforma de Google meet de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, el Jurado Evaluador de tesis, presidido por el Dr. Antonio Jose Obregon La Rosa e integrado por los siguientes miembros: Dra.
Gladys Constanza Arias Arroyo (asesora), PH.D. Javier Saul Córdova Ramos y Mg. Celia Bertha Vargas De La Cruz; para la sustentación oral y pública de la tesis intitulada: “Optimización del secado convectivo de la pulpa de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) para el aislamiento, modificación y caracterización fisicoquímica y funcional del almidón”, presentado por el Bachiller en Ingeniería de Alimentos Erick George Alvarez Yanamango.
Acto seguido se procedió a la exposición de la tesis, con el fin de optar al Grado Académico de Magíster en Ciencia de los Alimentos. Formuladas las preguntas, éstas fueron absueltas por el graduando.
A continuación, el Jurado Evaluador de tesis procedió a la calificación, la que dio como resultado el siguiente calificativo:
17 (diecisiete) - Muy Bueno
……….……….……….. ………
Luego, el Presidente del Jurado recomienda que la Facultad proponga que se le otorgue al Bachiller en Ingeniería de Alimentos Erick George Alvarez Yanamango, el Grado Académico de Magíster en Ciencia de los Alimentos.
Siendo las 16.15 hrs. se levanta la sesión.
Se extiende el acta en Lima, a las 16.15 horas del 16 de diciembre de 2021.
………..
Dr. Antonio Jose Obregon La Rosa (P. Asoc, T.C.) Presidente
………..
PH.d. Javier Saul Córdova Ramos (P. Asoc, T.C.) Miembro
………
Dra. Gladys Constanza Arias Arroyo (P. P, T.C.) Asesor
………..
Mg. Celia Bertha Vargas De La Cruz (P. Aux, T.C.) Miembro
Observaciones:
………..
Jr. Puno 1002 – Lima 1 Teléfono 619-7000 anexo 4812
Apartado Postal 4559 Lima 1 Email:[email protected]
DEDICATORIA
A la memoria de mi padre Julio Simón Alvarez Flores, mis abuelos y todo aquel ser querido que en su paso sobre este mundo creyó y confió en mí. Cuyas partidas dejaron un enorme vacío, pero también buenos recuerdos y muchas enseñanzas. Mi creciente Fe en Dios hace que guarde la esperanza de volverlos a ver.
A mí todo, mis mujercitas y resto de mi familia, que siempre sacan y esperan lo mejor de mí.
AGRADECIMIENTO
A mi asesora, Dra. Gladys Arias Arroyo, por su aportes y consejos durante la ejecución de la tesis; asimismo, por permitirme contribuir en los proyectos del Grupo de Investigación IDEPF – UNMSM.
Al Dr. Omar Troncoso Hero, por todo lo aprendido durante la ejecución del proyecto:
“Desarrollo de láminas biodegradables a partir de Almidón Termoplástico de Chirimoya (ATP) y Poliéster amida (PEA), como soporte de aceites esenciales con actividad antimicrobiana extraídas en condiciones supercríticas, para su uso en alimentos” - Convenio N° 162-2015-FONDECYT-DE.
Al Mg. Fredy Huayta Socantaype por toda la confianza recibida desde que llegue a formar parte del Laboratorio de Procesos Industriales (LPI-PUCP), y por todas las facilidades brindadas para la realización de esta tesis.
Al talentoso grupo humano que forma (o formó) parte de mi equipo de investigación, quienes colaboraron en la realización de esta investigación y en los diversos proyectos de CTI realizados en el Grupo de Investigación ITEPA – PUCP: Franco Vietti, Sandra Sarango, Martin Endo, Fiorella Requena, Luis Napan, David Salazar, Gerald Chumpitaz y Nereyda Sarmiento.
Finalmente, a mi madre Elsa y a mi compañera de vida Cindy, por impulsar en todo momento la materialización de mis sueños, por cuidar de lo más valioso que tenemos, RL y AM, y por motivar incansablemente mi crecimiento académico y profesional.
ÍNDICE GENERAL
Pág.
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO II: MARCO TEORICO 3
2.1 Antecedentes de la investigación 3
2.2 Aspectos teóricos 6
2.2.1 Chirimoya (Annona cherimola Mill.) 6
2.2.2 Secado de alimentos 8
2.2.3 Almidón 12
CAPITULO III: METODOLOGÍA 19
3.1 Materiales 19
3.2 Tipo y lugar de investigación 20
3.3 Diseño metodológico 21
3.4 Unidad de Análisis 23
3.5 Población de estudio 23
3.6 Tamaño de muestra 23
3.7 Técnicas o instrumentos de recolección de la información 23 3.7.1 Estimación del límite de madurez del fruto de chirimoya para su
procesamiento en harina y aislamiento del almidón. 23 3.7.2 Determinación de los parámetros óptimos del secado de la pulpa de
Chirimoya para la obtención de harina de chirimoya. 26 3.7.3 Aislamiento y caracterización fisicoquímica y funcional de los almidones
nativos y modificados obtenidos de pulpa fresca y harina de chirimoya. 31 3.3.4 Procesamiento de datos y análisis estadístico. 37
CAPITULO IV: RESULTADOS 40
4.1 Estimación del límite de madurez del fruto de chirimoya para su procesamiento en harina y aislamiento del almidón. 40 4.2 Determinación de los parámetros óptimos del secado de la pulpa de
Chirimoya para la obtención de harina de chirimoya. 43 4.3 Caracterización fisicoquímica y funcional de los almidones nativos y
modificados obtenidos de pulpa fresca y harina de chirimoya. 49
CAPITULO V: DISCUSIONES 58
5.1 Estimación del límite de madurez del fruto de chirimoya para su procesamiento en harina y aislamiento del almidón. 58 5.2 Determinación de los parámetros óptimos del secado de la pulpa de
Chirimoya para la obtención de harina de chirimoya. 60 5.3 Caracterización fisicoquímica y funcional de los almidones nativos y
modificados obtenidos de pulpa fresca y harina de chirimoya. 63
CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES 72
CAPÍTULO VII: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 73
CAPITULO VIII: ANEXO 83
RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo aislar, modificar por hidroxipropilación y caracterizar fisicoquímica y funcionalmente al almidón obtenido de la pulpa fresca de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) y su harina obtenida mediante secado convectivo a condiciones óptimas. Previo al secado de la pulpa, se estimó como límite de madurez del fruto para procesamiento, a un tiempo máximo de almacenamiento poscosecha de 3 días; periodo en el cual la fruta alcanza un ° Brix menor a 11.73, un contenido de almidón mayor a 7.78 % y una firmeza mayor o igual a 24 kg.cm-2. Para optimizar el tiempo y rendimiento del secado convectivo de la pulpa se usó un diseño experimental factorial 23, teniendo como factores a la temperatura del aire de secado (40–
60 °C), al espesor de la pulpa (2–4 mm) y la madurez poscosecha del fruto (1–3 días);
obteniéndose como condiciones óptimas a un tiempo de madurez de 1 día, una temperatura de aire de 60 °C y un espesor de la pulpa de 2 mm, logrando un rendimiento de 25.92 % en 95 min de secado. La harina de chirimoya, a una granulometría de 150 µm, presentando una humedad de 8.13%, un contenido de almidón de 36.14%, un índice de solubilidad (ISA) de 27.13% y un índice de absorción de agua (IAA) de 1.64 g agua/g harina. En cuanto a los almidones obtenidos de la pulpa fresca (FN), harina (HN) y sus pares modificados FM y HM, estos presentaron diferencias significativas en algunas de sus propiedades (p<0.05). FN y HN presentaron mayor humedad (12.04 - 13.15%) y menor pureza (72.35 – 74.87 %) que FM y HM. Los gránulos presentaron formas circulares y truncadas, con un tamaño de 5.6 a 10.5 µm. El ISA, IAA y Poder de Hinchamiento se incrementó conforme aumentó la temperatura, siendo mayores para FM y HM a 90 °C, con valores promedios de 10.11 y 10.28, 32.60 y 32.97 g agua/g almidón, y 36.26 y 36.74 g agua/g almidón, respectivamente. La claridad del gel del almidón fue mayor para FM (75.8%) y HM (79.1%). FN y HN fueron más estables a la refrigeración, mientras que FN y FM tuvieron menos sinéresis en los primeros ciclos de congelación- descongelación. La temperatura de gelatinización fue mayor para FN y HN con valores de 72.8°C y 76.0 °C, respectivamente. Finalmente, el perfil reológico de los geles presentó un comportamiento viscoelásticoy tixotrópico. En conclusión, las propiedades obtenidas para los almidones de chirimoya, le otorga múltiples aplicaciones como aditivo en la industria de alimentos.
Palabras clave: Chirimoya cumbe, Anonna cherimola Mill., almidón, secado convectivo, propiedades funcionales.
ABSTRACT
The aim of this research was to isolate, modify by hydroxyl-propylation and physic- chemically and functionally characterize the starch obtained from fresh pulp of Annona cherimola Mill. and its flour obtained by convective drying at optimal conditions. Before to the pulp drying, a maximum postharvest storage time of 3 days was estimated as fruit maturity limit for processing; in which period fruit reaches less than 11.73 °Brix, a starch content greater than 7.78% and a firmness greater than or equal to 24 kg.cm-2. In order to optimize time and performance of the pulp convective drying a 23 factorial experimental design was used. The factors were drying air temperature (40–60 ° C), pulp thickness (2–
4 mm) and fruit postharvest maturity (1–3 days). Finally, obtaining as optimal conditions at a maturity time of 1 day, an air temperature of 60 ° C and a pulp thicknessof 2 mm, achieving a yield of 25.92% in 95 min of drying. Cherimoya flour, at a granulometry of 150 µm, presenting a humidity of 8.13%, a starch content of 36.14%, a solubility index (WSI) of 27.13% and a water absorption index (WAI) of 1.64 g water / g flour. Regarding the starches obtained from fresh pulp (FN), flour (HN) and their modified pairs FM and HM, these showed significant differences in some of their properties (p <0.05). FN and HN presented higher humidity (12.04 - 13.15%) and lower purity (72.35 - 74.87%) than FM and HM. The granules presented circular and truncated shapes, with a size of 5.6 to 10.5 µm. The WSI, WAI and Swelling Power increased as the temperature increased, being higher for FM and HM at 90 ° C, with average values of 10.11 and 10.28, 32.60 and 32.97 g water / g starch, and 36.26 and 36.74 g water / g starch, respectively. The starch gel clarity was higher for FM (75.8%) and HM (79.1%). FN and HN were more stable to refrigeration, while FN and FM had less syneresis in the first freeze-thaw cycles.
Gelatinization temperature was higher for FN and HN with values of 72.8 ° C and 76.0 ° C, respectively. Finally, rheological profile of gels presented viscoelastic and thixotropic behavior. In conclusion, the properties obtained for custard apple starches give it multiple applications as an additive in the food industry.
KEYWORDS:Annona cherimola Mill., starch, convective drying, functional properties.
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Composición nutricional de la chirimoya (Annona cherimola Mill.)
7
Tabla 2. Clasificación de los almidones modificados 16 Tabla 3. Diseño decodificado para la optimización del proceso de
secado de pulpa.
22
Tabla 4. Parámetros usados en la microscopía electrónica de barrido. 34 Tabla 5. Características fisicoquímicas de la chirimoya cumbe (Annona
cherimola Mill.), durante su maduración poscosecha.
40
Tabla 6. Cambios físicos de la chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) durante su maduración poscosecha.
42 Tabla 7. Respuestas del DOE del secado convectivo de la pulpa de
Chirimoya.
43
Tabla 8. Análisis de varianza para el tiempo de secado convectivo de la pulpa de Chirimoya.
44
Tabla 9. Análisis de varianza para el rendimiento de secado convectivo de la pulpa de Chirimoya.
44
Tabla 10. Características fisicoquímicas y funcionales de la harina de Chirimoya.
48
Tabla 11. Características fisicoquímicas de los almidones nativos o modificados obtenidos a partir de pulpa fresca y harina.
49
Tabla 12. Parámetros amilográficos de la pasta de los almidones nativos o modificados obtenidos a partir de pulpa fresca y harina.
56
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Estabilización de los alimentos en función de la aw. 8 Figura 2. Configuración básica del secador convectivo de bandejas usado en
el estudio.
10
Figura 3. Curva de la velocidad de secado 12
Figura 4. Cinética de secado de un alimento. 12
Figura 5. Estructura de la amilosa y amilopectina 13
Figura 6. Proceso de gelatinización y pegado de almidón 15 Figura 7. Mecanismo de una reacción catalizada por una base de óxido de
propileno con almidón
18
Figura 8. Representación esquemática de la transición sol-gel de la pasta de almidón hidroxipropilado
18
Figura 9. Cinética de secado típica para establecer el tiempo para alcanzar la humedad de equilibrio
27
Figura 10. Cambios de los °Brix, almidón y textura durante la madurez poscosecha de la chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.)
41
Figura 11. Cambios del pH y acidez durante la madurez poscosecha de la chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.)
41
Figura 12. Cinética de secado de la pulpa de Chirimoya a condiciones controladas.
43
Figura 13. Diagrama de Pareto de los efectos de los factores para el tiempo (a) y rendimiento del secado convectivo de la pulpa de Chirimoya. (b).
45
Figura 14. Gráfica de contornos para el tiempo en las interacciones del grosor de la pulpa y temperatura de secado (a), grosor de la pulpa y día poscosecha (b), y temperatura de secado y día poscosecha (c).
46
Figura 15. Gráfica de contornos para el rendimiento en las interacciones del grosor de la pulpa y temperatura de secado (a), grosor de la pulpa y día poscosecha (b), y temperatura de secado y día poscosecha (c).
47
Figura 16. Optimización de respuestas para el secado convectivo de la pulpa de Chirimoya.
48
Figura17. Análisis SEM: a) almidón nativo extraído de la pulpa, b) almidón hidroxipropilado extraído de la pulpa, c) almidón nativo extraído de la harina y d) almidón hidroxipropilado extraído de la harina, a resolución 1200x.
50
Figura 18. Análisis SEM: a) almidón nativo extraído de la pulpa, b) almidón hidroxipropilado extraído de la pulpa, c) almidón nativo extraído de la harina y d) almidón hidroxipropilado extraído de la harina, a resolución 2400x.
51
Figura 19. Solubilidad del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
52
Figura 20. Poder de hinchamiento del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
52
Figura 21. Índice de absorción de agua (IAA) del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
53
Figura 22. Claridad de la pasta del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
53
Figura 23. Estabilidad a la refrigeración (2-6 °C) del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
54
Figura 24. Estabilidad a la congelación (-10 °C) del almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
54
Figura 25. Propiedades de pegado de la pasta de: almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
55
Figura 26. Comportamiento reológico de pastas de: almidón nativo de fruta (FN), almidón modificado de fruta (FM), almidón nativo de harina (HN) y almidón modificado de harina (HM).
57
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN
La chirimoya (Annona cherimola Mill.) es una fruta anonácea, que presenta altas cualidades organolépticas y nutritivas, la cual es apreciada por sus propiedades medicinales e industriales. La chirimoya tiene la particularidad de ser un fruto climatérico y estacional que alcanza su máxima madurez en un corto plazo, ya que posee una alta tasa de conversión de almidón en azúcares fermentables, haciendo que el fruto sea vulnerable al almacenamiento, limitando su comercialización y aún más su exportación en estado fresco, donde dependería de una cadena de frio ininterrumpido, elevando sus costos.
Debido a estos limitantes, es aprovechado principalmente para su transformación en pulpa. Debido a que la pulpa presenta una actividad enzimática acelerada afectando a las características sensoriales como el color y limitando su aplicación industrial., es indispensable el uso de agentes químicos (antioxidantes) para garantizar su estabilidad.
A pesar de las actuales aplicaciones industriales de la pulpa del fruto, se registra un volumen de descarte del 60% en productores locales, ya que no todos los frutos cumplen con los estándares de calidad o calibraje comercial (1). Una alternativa que permite aprovechar la sobreproducción o las frutas de descarte, es usarla previa a su maduración, ya que permitiría transformarla en harina cuando aún no alcanza su máxima tasa de producción de azucares o ser la materia prima para el aislamiento de almidón, ya que el almidón es un componente estructural presente en algunas frutas en una etapa fisiológicamente inmaduros, como es el caso de anonáceas como la guanaba (Annona muricata.), anona roja (Annona reticulata) y anon (Annona squamosa) (2-5). Por ello, se requiere estudiar aspectos fisiológicos del fruto y tecnológicos para estabilizar a la pulpa.
En relación a lo último, una de las técnicas más utilizadas industrialmente es el secado por convección forzada, donde se pone en contacto las muestras a deshidratar a un flujo de aire caliente, permitiendo la pérdida del agua libre de la muestra y con ello prolongar su vida útil en almacenamiento. Sin embargo, la exposición prolongada de la muestra a un flujo de aire caliente puede desencadenar en una pérdida considerable de sus principios activos o contenido nutricional; incluso entre las temperaturas de 60 y 70 °C los almidones presentes se calientan e inicia un proceso lento de absorción del agua libre en las zonas intermicelares amorfas más accesibles, dándose inicio a la gelatinización, lo cual puede modificar las propiedades funcionales del almidón (6). El secado de la pulpa de chirimoya para su transformación en harina, permitiría usarlo en alimentos
convencionales y en el desarrollo de nuevos productos, permitiendo promover e incrementar su producción y demanda, mejorando la cadena de valor del fruto. Además, la harina de chirimoya podría ser usada como materia prima para la obtención de almidón, buscando ser una alternativa para la industria donde predominan almidones de fuentes tradicionales como la papa, maíz o yuca (7,8). Sin embargo, se requiere que este almidón sea caracterizado en sus propiedades fisicoquímicas y funcionales para definir las nuevas aplicaciones que requieren propiedades específicas en la industria alimenticia. Su temperatura de gelatinización, consistencia del gel, comportamiento viscoso y propiedades térmicas, permite su utilización como estabilizante, adhesivo, enturbiante, formador de películas, gelificante, humectante, espesante, entre otros (9); incluso podría ser usado como polímeros para el desarrollo y fabricación de envases biodegradables, teniendo ventajas significativas debido al hecho de que derivan de una fuente renovable, abundante en la naturaleza y económicamente viable.
Por estas razones, la presente investigación buscó aprovechar a la chirimoya como fuente alternativa de almidón para la industria de alimentos. El estudio propuso los siguientes objetivos:
a. Objetivo general
• Optimizar el secado convectivo de la pulpa de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.) para el aislamiento, modificación y caracterización fisicoquímica y funcional del almidón.
b. Objetivos Específicos
• Estimar el límite de madurez del fruto de chirimoya para su procesamiento en harina y aislamiento del almidón, en función a cambios fisiológicos y fisicoquímicos.
• Determinar los parámetros óptimos del secado de la pulpa para la obtención de harina, en función al tiempo y rendimiento.
• Caracterizar fisicoquímica y funcionalmente los almidones nativos y modificados obtenidos de pulpa fresca y harina de chirimoya.
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes
En la actualidad, existe un gran número de investigaciones que buscan determinar las características fisicoquímicas de los almidones y su funcionalidad para su empleo en alimentos. Las principales fuentes para la extracción de almidón han sido las raíces y tubérculos, representado una alternativa para remplazar las materias primas convencionales para la obtención de almidón ampliamente utilizada en la industria alimentaria, como lo es maíz, yuca o papa. No obstante, se viene estudiando otras fuentes alternativas para la extracción de almidón para la industria:
Pérez-Pacheco et al. (10) aislaron y determinaron la composición química y características físicas y microscópicas del almidón del fruto de Ramón (Brosimum alicastrum), teniendo como referencia al almidón de maíz. En general, los almidones de Ramón presentaron forma ovalada esférica y redondeadas con tamaños entre 6.5 y 15 µm, una pureza alta (92.57%) y su temperatura de gelatinización fue 83.05◦C. Asimismo, a 90 °C presento una solubilidad de 20.42%, un poder de hinchamiento de 17.64 g de agua/g de almidón y la capacidad de absorción de agua fue de 13 g de agua/g de almidón. El pH, la claridad y el color del almidón Ramón fueron superiores a los reportados para el almidón de maíz. Los resultados obtenidos sugieren que el almidón Ramón tiene potencial de aplicación en los sistemas de alimentos que requieren altas temperaturas de procesamiento y también es una opción prometedora para su uso en la fabricación de materiales biodegradables.
Tirado-Gallegos et al. (11) evaluaron el efecto de la madurez (60 y 90 días después de la plena floración - DDPF) y el solvente (agua y tolueno) en el aislamiento del almidón de manzana (Golden Delicious Smoothee) sobre el rendimiento y algunas de sus propiedades fisicoquímicas, morfológicas y térmicas del almidón. El aislamiento en agua presento mayor rendimiento que con el tolueno, 14-15% frente al 10-11% del tolueno; no obstante, la pureza de los almidones en ambos casos fue similar (> 92 %), así como el contenido de humedad y cenizas, con rangos de 5.58-6.79 y 0.5-0.8, respectivamente. El tamaño del granulo se vio influenciado por la madurez del fruto al variar de 2.7-8.6 a 4.5-
9 µm a 60 y 90 DDPF, respectivamente; mientras que la forma de los gránulos de almidones no varío con la madurez del fruto y con el método de aislamiento, y en todos los casos se apreciaron gránulos con formas redondas o esféricas. En cuanto a las propiedades térmicas los almidones de manzana presentaron una temperatura inicial de gelatinización (Ti) de entre 62.2 y 64.2 °C, con una temperatura pico (Tp) entre 67.7 y 69.7 °C y temperatura final (Tf) de 78.5 a 81.7 °C. Reológicamente, se observó la disminución de la viscosidad aparente conforme aumento la velocidad de corte.
Por otro lado, se ha reportado algunos estudios sobre el aislamiento y caracterización de las propiedades fisicoquímicas y funcionales del almidón extraído a frutas del género Annona:
Ramírez-Balboa et al. (3) caracterizaron las propiedades funcionales de los almidones de guanábana (Annona muricata L.), mediante el método asistido por ultrasonido a diferentes condiciones de tiempo y amplitud ultrasónica. El almidón nativo (control sin US) presento un rendimiento de 1.15 ± 0.3 %, una temperatura de gelatinización de 70.33
± 0.5 °C, un índice de solubilidad en agua (WSI) de 3.28 ± 0.00 %, un índice de absorción de agua (WAI) de 3.34 ± 0.12 % y un índice de hinchamiento (SI) de 3.26 ± 0.00 %. El mayor rendimiento de extracción (US) se alcanzó utilizando 10 min y 40% UA (6.34%), presentando una temperatura de gelatinización de 81.33° C, un WSI de 4.83 ± 0.00%, un WAI de 1.25 ± 0.02 % y un SI de 4.82 ± 0.00 %. El análisis morfológico mostró gránulos de almidón de diferentes tamaños con formas circulares y geometrías truncadas.
Shaikh et al. (4) aislaron y caracterizaron fisicoquímica y estructuralmente el almidón de frutos de Anón (Annona Reticulata Linn). El almidón aislado presento un pH de 6.70 ± 2.05 al 1% w/v, un contenido de cenizas de 2.09 ± 0.04 %, un tamaño de partícula medio entre 2.3 y 5.7 µm cuya naturaleza fue asimétrica y una temperatura de gelatinización de 78±3.5 °C. Asimismo, el almidón de Anón tuvo una capacidad de hidratación e hinchamiento de 2.26 y 72.3%, respectivamente; lo que indica su capacidad para absorber agua más de dos veces su propio peso, y la capacidad de hinchamiento sugiere su uso como un excipiente desintegrador pudiéndose destinar a la industria farmacéutica.
Nwokocha y William (5) aislaron los almidones de la guanábana (Anonna muricata) y anón (Annona squamosa) determinando la estructura física por microscopia electrónica de barrido, así como las propiedades fisicoquímicas: poder de hinchamiento, solubilidad, características de pegado, la pasta de claridad y estabilidad a la congelación- descongelación. La microscopía electrónica de barrido mostró muy pequeños gránulos esféricos de almidón, con un tamaño medio de gránulo de 4.84 y 4.72 µm, respectivamente. En cuanto a las propiedades fisicoquímicas, el almidón de Anón mostró mayor poder de hinchamiento y solubilidad en comparación con el almidón de guanábana y tenía una temperatura de gelatinización inferior, indicando una estructura granular más débil. El almidón de Anón exhibió una menor temperatura de gelatinización, mayor pico de viscosidad, mayor caída de la viscosidad, mayor claridad de pasta y la estabilidad congelación-descongelación fue alta en comparación con el almidón de guanábana. La baja temperatura de gelatinización y de alta estabilidad congelación descongelación de almidón Anón es comparable a la de maíz comercial.
Finalmente, se han reportado algunos estudios sobre cinéticas de secado de la pulpa de frutas para estimar las condiciones operativas óptimas durante la estabilización usando la técnica de secado convectivo con aire caliente; las cuales se presentan a continuación:
Shrivastava et al. (12) evaluaron algunas características del secado en bandeja y el efecto de la calidad de la pulpa deshidratada de anón (Annona squamosa L.). Se uso fruta madura, la cual fue procesada hasta obtener la pulpa sin semillas. La pulpa se extendió sobre las bandejas a un espesor de 4 mm, para luego someterse al secado a las temperaturas de 45, 50, 60 y 70 ° C, midiendo posteriormente sus propiedades fisicoquímicas de la harina o polvo obtenido. Se encontró que el tiempo de secado necesario para alcanzar una humedad promedio de 4% fueron 2990, 2880, 2400, 1980 minutos, a las temperaturas de secado de 45, 50, 60 y 70 ° C respectivamente. Las harinas obtenidas presentaron un contenido de cenizas de entre 3.13 y 3.67%, un contenido de azúcar de 18.72 a 19.47 %, una acidez de 1.29 y 2.43 % y un pH de 5.31 y 6.87.
Gurbillón et al. (13) evaluaron la cinética de secado de la pulpa de lúcuma (Pouteria lucuma) para la obtención de harina. En el estudio emplearon la pulpa de frutos en su madurez fisiológica. La pulpa fue cortada en rodajas de 3 mm de grosor y fueron
deshidratadas en un secador de bandejas de aire caliente a escala laboratorio, donde se ensayaron tres temperaturas de aire de secado (40, 50 y 60°C) y tres velocidades del aire de secado (2.5, 3.0 y 3.5 m/s). Los resultados obtenidos indican que el secado a una temperatura de 50°C y a velocidad de 3.5 m/s, se consigue una humedad final menor a 4% a los 140 minutos. Asimismo, un secado a mayores temperaturas produce un cambio de color de la pulpa, tornándolo más oscuro en relación con la pulpa fresca.
2.2 Aspectos teóricos
2.2.1 Chirimoya (Annona cherimola Mill.)
La Annona cherimola, conocida como chirimoya, cuyo nombre proviene del quechua chiri, «frío, fría», muya, «semillas», es nativa de los Andes ecuatorianos y peruanos, y es considerada una de las frutas tropicales más apreciadas dentro del género Annona spp.
(14). Presenta excelente calidad y valor comercial, siendo cultivada en los Andes, Europa, California y regiones brasileras de clima adecuado. Posee sabor dulce y una deliciosa pulpa, por lo que se le suele denominar la reina de los frutos subtropicales (15).
Botánicamente, el árbol de la chirimoya se caracteriza por ser de crecimiento lento, puede adquirir en su madurez una altura de 7 a 8 m, presenta exuberante follaje, porte erguido y a veces ramificado. El tallo es cilíndrico, de corteza gruesa. Su sistema radicular es superficial y ramificado, originando dos o tres pisos a diferentes alturas, pero poco profundo. Las hojas son simples, enteras, de disposición alterna y de forma ovada u ovada-lanceolada. Las yemas son compuestas y pueden originar brotes mixtos (vegetativos y florales) (16).
La chirimoya es consumida principalmente en su forma fresca, ya que posee una pulpa sumamente agradable y dulce. No obstante, la pulpa de la chirimoya es difícil de procesar debido a la alta oxidación fenólica y con ello, su tendencia al pardeamiento u oscurecimiento, factores que en ocasiones limitan su uso en la gastronomía (17). Sin embargo, son diversos los productos industriales derivados de la pulpa: jugos, néctar, helados, yogurt, cremas o rellenos para pastelería e incluso se puede congelar para prolongar su almacenamiento (15). Otra limitación es la alta viscosidad de la pulpa, ya sea obtenida de forma mecánica o manualmente, lo que influye en su uso en nuevos
productos; por ejemplo, en la elaboración de los jugos o néctares el contenido de pulpa variará de acuerdo a su viscosidad, pudiéndose incluir entre el 15% al 28% (18). Estas propiedades reológicas de los productos a base de frutas se atribuyen principalmente a los polisacáridos que constituyen las paredes celulares de la fruta (19). La caracterización de los polisacáridos de las paredes celulares de la chirimoya ayudaría a definir un tratamiento para mejorar su aplicación industrial (20). Una técnica muy utilizada es el tratamiento enzimático que ayuda a obtener pulpas con diferentes propiedades reológicas, qué en consecuencia, permitiría ampliar el uso de pulpas viscosas en productos alimenticios (21, 22).
En cuanto al valor nutricional (Tabla 1), la chirimoya es una fruta muy digestiva y nutritiva, se caracteriza por su alto contenido de agua; posee características muy particulares dadas la combinación armónica en su composición de ácidos y azúcares. Los ácidos orgánicos que componente la pulpa son principalmente el ácido cítrico y el ácido málico (17). La pulpa de chirimoya madura se caracteriza por tener un contenido de carbohidratos mayor a 20%, donde predomina los azucares fructuosa (4.45%), glucosa (11.75 %) y la sacarosa (9.4 %), como producto de la conversión del almidón (23). En cuanto a su contenido proteico y de grasas es bajo, por lo que es demandado por su energía, vitaminas y minerales (20, 23, 24).
Tabla 1. Composición nutricional de la chirimoya (Annona cherimola Mill.)
Componente Kawamata (22) Collazos et al. (26) Pamplona (24)
Agua (%) 75.7 75.1 NR
Carbohidratos (%) 22.0 22.6 21.6
Fibra (%) 1.80 1.5 2.4
Proteínas (%) 1.00 1.2 1.3
Cenizas (%) 1.00 0.9 NR
Grasas (%) 0.1 0.2 0.40
Fósforo (mg/100 g) 47.0 63 40.0
Calcio (mg/100 g) 24.0 20 23.0
Hierro (mg/100 g) 0.40 0.7 0.50
Vitamina A (UI/100 g) 10.0 NR 3.33
Vitamina B1 (mg/100 g) 0.06 0.09 0.10
Vitamina B2 (mg/100 g) 0.14 0.16 0.11
Niacina (mg/100 g) 0.75 1.62 1,30
Vitamina C (mg/100 g) 18.0 3.3 9.0
Calorias (Kcal/100 g) 81.0 87 94
(*) NR: No reportado por el autor
Por otro lado, la chirimoya también ha sido materia de estudio por sus propiedades nutracéuticas, como el contenido de fenoles (28.50 ± 1.92 - 174.90 ± 11 mg GAE/100 g muestra), el cual está relacionado a las funciones biológicas como antioxidante, antiinflamatorio, antidiabético, antihipertensivo, entre otros. Asimismo, por su contenido de proantocianidinas (28.54 ± 7.98 mg PAC-A equivalente/100 g de muestra), el cual registra efectos positivos frente a enfermedades del tracto digestivo por presentar propiedades antioxidantes (25).
2.2.2 Secado de alimentos
El secado o deshidratado es una técnica muy utilizada a nivel industrial, cuya finalidad es la eliminación parcial o total del agua libre de la estructura del alimento, reduciendo de esta manera su actividad de agua (aw), mejorando la conservación del alimento frente a la descomposición microbiana. Asimismo, la reducción de la aw actúa retardando muchas reacciones no deseadas en el alimento como la oxidación de los lípidos, pardeamiento u oscurecimiento, actividad enzimática, degradación de vitaminas y actividad microbiana (Figura 1). Otra de las razones para considerar la deshidratación de los alimentos, es que permite su transformación, disminuyendo los volúmenes de envasado, alarga su periodo de almacenamiento y reduce los costos logísticos de transporte y distribución, ya que no demanda de una cadena de frio en comparación con su estado en fresco (27).
Figura 1. Estabilización de los alimentos en función de la aw (28).
El secado de un alimento por ser una operación unitaria implica transferencias de cantidad de movimiento, calor y masa, por lo que resulta ser un fenómeno complejo que depende principalmente de la aplicación de calor para evaporar los componentes volátiles, entre los que se encuentra el agua y los componentes orgánicos del alimento. La transferencia de calor puede darse por convección, conducción, radiación o una combinación de estos (29). De esta manera el secado de un alimento puede clasificarse en 3 categorías generales: en la primera, donde el calor en forma de aire caliente a presión atmosférica es añadido por convección de manera directa al alimento y el contenido de agua es expulsado en forma de vapor, la cual es arrastrada por el aire; en la segunda categoría, la evaporación del agua del alimento es realizado al vacío usando bajas presiones, donde el calor es añadido de manera indirecta, ya que es generado por paredes metálicas (que operan por conducción con resistencias como fuentes de calor) o por radiación dentro del equipo o cabina de secado, la cual es hermético; en la última categoría se encuentra la liofilización, donde se utiliza temperaturas bajo cero y alto vacío, permitiendo que el agua se sublime directamente del material congelado (30). Esta técnica fue desarrollada por que hay ciertos materiales que se decoloran o se descomponen a temperaturas altas (30). La elección de la técnica de secado de un alimento es determinada por los atributos de calidad deseados, materia prima y economía (31, 32).
a. Secado convectivo
Es la técnica de secado más simple, que se realiza en una cámara cerrada y calentada por un flujo de aire. El secado por convección es a menudo un proceso continuo y se usa principalmente para productos que son relativamente bajos en valor, ya que se tiende a perder o degradar algunos principios bioactivos termolábiles o muy volátiles (28). Por ello, para lograr alimentos deshidratados con una mayor calidad y a un costo razonable, el secado debe ocurrir en el menor tiempo posible.
En el secado convectivo, el aire a una temperatura y humedad regulada es el medio de calentamiento, el cual se pone en contacto directo con el alimento sólido, produciendo inmediatamente la difusión del agua de la estructura del alimento en forma de vapor. Los secadores convectivos (bandejas atmosféricas) son los más utilizados industrialmente y se basan en usar una cámara en la cual el sólido es colocado en bandejas abiertas que se ponen en contacto directo al flujo de aire caliente; siendo necesario que el equipo disponga de soportes para las bandejas y tuberías que permite la circulación de aire
caliente a través y alrededor del alimento (Figura 2), y donde la circulación de aire puede ser horizontal o vertical a la capa o lecho (28).
Figura 2. Configuración básica del secador convectivo de bandejas usado en el estudio.
De acuerdo a la Figura 2, el aire atmosférico es calentado al ingreso del secador por un intercambiador de calor, resistencias o directamente por una mezcla de gases que hacen combustión. Este aire caliente se pone en contacto directo con el alimento que se encuentra colocado en las bandejas, permitiendo el arrastre del agua de la superficie del solido por la corriente de aire siendo llevada a fuera del equipo. Este tipo de secadores son ampliamente usados en la industria de panificación, deshidratación de vegetales y producción de alimentos y piensos para animales domésticos (27).
En general, cuanto más caliente es la temperatura del aire de secado, más rápida es la velocidad de secado, pero existen otros factores que afecta al proceso: la estructura o propiedades físicas del alimento (características del producto como la porosidad, geometría, espesor o grosor que define la superficie expuesta, entre otros), su composición (contenido de agua de equilibrio, azucares o grasas, entre otros) y los parámetros operativos como la velocidad de transferencia del aire y la humedad relativa del aire; incluso el patrón de distribución del solido en la bandeja (28).
b. Cinética de secado
El comportamiento del secado de un alimento es comúnmente explicado por diagramas construidos con el contenido de humedad del alimento contra el tiempo de la operación (Fig. 3), y la velocidad de secado contra el contenido de humedad del alimento (Fig. 4).
Para confeccionar estos diagramas el contenido de humedad debe representarse en base de masa húmeda (Ecuación 1) o en base de masa de materia seca (Ecuación 2) (33).
𝑋𝑏ℎ= 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =
𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 … (Ecuacion 1) 𝑋𝑏𝑠 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 =
𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐾𝑔 de 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 … (Ecuacion 2)
Donde:
Xbh: humedad en base húmeda obtenido como el cociente entre la masa de agua dentro del alimento y su masa total.
Xbs: humedad en base seca obtenido como el cociente entre la masa de agua en el alimento y su masa seca.
La eliminación del agua de un alimento presenta distintas velocidades de secado en el tiempo, como se visualiza en las Fig. 3 y 4. El estudio de estas graficas muestran que el ciclo de desecación de un alimento puede considerarse constituido por diferentes fases o etapas (34, 35). La remoción inicial del agua libre (tramo AB), ocurre cuando el producto experimenta un incremento en la temperatura al entrar al secador. Seguido, se da una reducción significativa del agua libre a una velocidad y temperatura constantes (recta BC, es llamado el periodo de velocidad de secado constante); este periodo continúa hasta alcanzar la humedad crítica (punto C). Por debajo de contenido de la humedad crítica, disminuye la velocidad de perdida de agua, un tramo conocido como el periodo de caída de velocidad del secado. Puede existir varios periodos de velocidad decreciente en el tramo CE.
Figura 3. Curva de la velocidad de secado (35).
Figura 4. Cinética de secado de un alimento (34).
2.2.3 Almidón
a. Generalidades
El almidón es un polisacárido de reserva alimenticia predominante en las plantas, y proporciona el 70-80% de las calorías consumidas por los humanos de todo el mundo (36). El almidón está compuesto por los polisacáridos amilosa y amilopectina (Fig. 5). La amilosa está conformada por una cadena lineal de unidades glucosidicas entre 200 y 2500
unidades y la amilopectina está conformada por una estructura ramificada que se une mediante el enlace α (1-6) de cada 10 unidades lineales de la glucosa (37).
Figura. 5. Estructura de la amilosa (a) y amilopectina (b) (38).
Los almidones comerciales se obtienen de las semillas de cereales, particularmente de maíz, trigo, varios tipos de arroz, y de algunas raíces y tubérculos, como la papa o la yuca (39). Al ser un biopolímero producido y almacenado estructuralmente por diferentes especies de plantas, se obtienen de ellas almidones con propiedades especificas otorgando potenciales aplicaciones en la industria de alimentos, cosmética y farmacéutica, como, por ejemplo, como adhesivo, ligante, enturbiante, formador de películas, estabilizante de espumas, agente antienvejecimiento de pan, gelificante, glaseante, humectante, estabilizante, texturizante y espesante en general (36). Incluso en últimos años ha sido utilizado para la elaboración de películas y plásticos “biodegradables” y “compostables”
(38, 40).
b. Propiedades tecnológicas-funcionales del almidón
Actualmente se viene estudiando otras fuentes de almidones nativas no tradicionales, a las que se les evalúa sus principales propiedades funcionales y se les somete a diferentes procesos de modificación para ampliar el espectro de aplicación en la industria de alimentos (10, 41). Por ello, las propiedades de un almidón y sus aplicaciones dependerán
de su composición, la forma y tamaño del granulo de almidón y la fuente de la cual se ha extraído (40, 42).
En general, los gránulos de almidón son insolubles en agua fría debido a que su estructura es altamente organizada, ya que presenta una gran estabilidad debido a las múltiples interacciones que existen con sus dos polisacáridos constituyentes (6, 39), pudiendo absorber agua de manera reversible hasta cierta temperatura (aproximadamente 50ºC); es decir, pueden hincharse ligeramente con el agua y volver a su estado (tamaño) inicial al someterse a un proceso de secado, donde sus propiedades ópticas no se pierden, por ejemplo el fenómeno de la birrefringencia que es un indicador del grado de orden en los gránulos de almidón (43), el cual puede ser determinado por la aparición de la “cruz de malta” en el granulo de almidón cuando es observado en un microscopio con luz polarizada (44). Sin embargo, puede sufrir un proceso denominado gelatinización, cuando los almidones se calientan en agua a una temperatura mayor (60-70°C), provocando un proceso lento de absorción de agua en las zonas intermicelares amorfas que son menos organizadas y las más accesibles, ya que los puentes de hidrógeno no son tan numerosos ni rígidos como en las áreas cristalinas, generando a su vez, la disrupción de la ordenación de sus moléculas; es decir, la gelatinización es una transición de un estado ordenado a otro desordenado en el que se absorbe calor (6, 39). Asimismo, cuando el gránulo de almidón hinchado llega a una cierta temperatura alcanza su volumen máximo y pierde tanto su patrón de difracción de rayos X como la propiedad de birrefringencia. Un exceso de calor al gránulo hinchado e incapacitado para retener más líquido, se rompe parcialmente produciendo que sus polisacáridos constituyentes fuertemente hidratadas se dispersen en la disolución en forma individual (6, 39).
Tecnológicamente, la gelatinización permite la formación de geles o pastas permitiendo modificar la textura y consistencia de los alimentos, ya que en este proceso los polisacáridos constituyentes del almidón se separan mientras que los gránulos absorben agua y se hinchan. A medida que se absorbe agua y gana calor, la viscosidad se incrementa hasta un punto donde el estado granular del almidón se pierde, produciéndose una masa amorfa y que junto al agua termina formando el gel o pasta (45). Al final de este proceso se genera un gel o pasta más o menos viscosa en la que existen cadenas de amilosa altamente hidratadas que rodean a los agregados también hidratados, de los restos de los gránulos, lo que define su aplicación en alimentos.
La gelatinización total del almidón se produce normalmente dentro de un intervalo más o menos amplio de temperatura, siendo los gránulos más grandes los que primero gelatinizan (46). Este rango de temperatura en el que tiene lugar el hinchamiento de todos los gránulos se conoce como rango de gelatinización y es característico de la variedad particular de almidón que se esté investigando (40, 42).Una figura que permite ilustrar las modificaciones de las estructuras granulares de los almidones nativos con la temperatura y la viscosidad es la que reportan algunos autores y se observa en la Figura 6.
Figura 6. Proceso de gelatinización y pegado de almidón (47).
Otras de las propiedades que presenta el almidón es la retrogradación, el cual es definido como la insolubilización y la precipitación espontánea, principalmente de las moléculas de amilosa, debido a que sus cadenas lineales se orientan paralelamente y accionan entre sí por puentes de hidrógeno a través de sus múltiples hidroxilos; se puede efectuar por diversas rutas que dependen de la concentración y de la temperatura del sistema. Si se calienta una solución concentrada de amilosa y se enfría rápidamente hasta alcanzar la temperatura ambiente se forma un gel rígido y reversible, pero si las soluciones son diluidas, se vuelven opacas y precipitan cuando se dejan reposar y enfriar lentamente (6, 39). Cada almidón tiene una tendencia diferente a la retrogradación; va a depender del contenido y longitud de la amilosa, y del estado de dispersión de las cadenas lineales (48);
por lo que debe entenderse que, a mayor contenido de amilosa, mayor será la posibilidad a retrogradarse.
c. Modificación de Almidón
La modificación del almidón produce un cambio o alteración estructural del granulo mediante aplicaciones físicas, enzimáticas, químicas (o una combinación de éstas), con el fin de mejorar sus propiedades funcionales. Por ello, un aspecto importante de la modificación son las propiedades mismas de la materia prima y su almidón nativo, para acentuar las características positivas y disminuir las cualidades indeseables (2). Por lo tanto, el tratamiento de modificación debe responder al uso previsto, por ejemplo, para la fabricación de alimentos para bebés, caramelos, bebidas, papel, o en la industria textil y de la construcción.
Dentro de las características que se consiguen con la modificación de la estructura del almidón está el aumento de la solubilidad, la modificación de las propiedades de gelificación (reduce la excesiva viscosidad o aumenta la resistencia al cizallamiento), la disminución de la susceptibilidad a la alta retrogradación (mejorar su opacidad del gel y la estabilidad al congelado-descongelado, reduciendo la sinéresis de gelificación), entre otras (2, 49). En la Tabla 2 se muestra algunos tipos de modificación de la estructura del almidón.
Tabla 2. Clasificación de los almidones modificados (50).
Tipo de modificación Productos
Química
Entrecruzamiento Fosfato de dialmidón, etc.
Sustitución
Ésteres de almidón: almidón acetilado, fosfato de almidón, almidón octenilsuccinato tratados Éter de almidón: almidón hidroxipropilado, almidón carboximetilado, almidón cationizado, etc.
Conversión
conversión acida del almidón, almidón oxidado, almidón blanqueado
Piro conversión (dextrinización): dextrina, goma británica, etc.
Física
Pre-gelatinización Almidón pre-gelatinizado Tratamiento
térmico
Almidón tratado por Calor Humedad, fécula recocida.
Tratamiento por
Radio Almidón tratado por Radiación.
Enzimática Maltodextrinas, ciclodextrina, amilosa, etc.
El tipo de modificación del almidón siempre va a depender del alimento en que se desea aplicar (2), pero a nivel industrial destacan los almidones modificados químicamente, ya que son comúnmente demandados para los alimentos que requieran conservarse en frio (49). Dentro de las modificaciones químicas frecuentemente utilizadas están la sustitución por oxidación, acetilación y eterificación o hidroxipropilación. Estos métodos se basan en introducir sustituyentes voluminosos en las cadenas de almidón, reduciendo la cristalización de la amilosa y la amilopectina (51).
En la industria de alimentos el método de eterificación de almidón más usada es la hidroxipropilación, en el cual se hace reaccionar el almidón con óxido de propileno en presencia de un catalizador alcalino (Figura 7). En este método se usa compuestos monofuncionales poseedores de grupos hidroxipropilo para sustituir grupos hidroxilo originales de la molécula de almidón, con el fin de impedir cualquier tendencia a que las cadenas de almidón se alineen de manera apropiada durante la agregación y cristalización, de tal forma que se impida la retrogradación (52, 53). La naturaleza hidrofílica de los grupos hidroxipropil permite ser introducido en los gránulos del almidón, suavizando la estructura enlazante del gránulo y evitando la separación del agua en la pasta o gel de almidón, a este fenómeno también se le llama sinéresis (52, 53). Esta reducción en la fuerza de enlace también se ve reflejada en la temperatura de empastamiento y en la transición del sistema desde una fase líquida (sol) hasta una fase sólida (gel) del almidón, tal como lo muestra la Figura 8, donde se propone una representación esquemática del cambio conformacional inducido por la temperatura en la formación de la pasta del almidón hidroxipropilado (54).
Tecnológicamente, los grupos hidroxipropil en la estructura del almidón lo previenen de la retrogradación de tal forma que se producen pastas más fluidas con mayor claridad (50). Asimismo, la hidroxipropilación le proporciona al almidón una mejor estabilidad al almacenamiento en frío y a los ciclos de congelación – descongelación y con buenas propiedades texturales, por lo que ha sido aplicado a almidones nativos de diversas fuentes, como el maíz, yuca, achira (Canna edulis ker), entre otros (52, 55).
Figura 7. Mecanismo de una reacción catalizada por una base de óxido de propileno con almidón (50).
Figura 8. Representación esquemática de la transición sol-gel de la pasta de almidón hidroxipropilado (54).
Calentamiento
Enfriamiento
Cadena de Hidroxipropil- almidón
Grupo hidrofóbico Grupo hidrofílico Molécula de agua
CAPÍTULO III. METODOLOGÍA
3.1 Materiales
3.1.1 Materia prima
La chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.), ver certificado de identificación botánica en el Anexo 1, fueron recolectadas en estado verde (inmaduras), libres de defectos físicos, microbiológicos y patológicos (pudriciones, lesiones y manchas en la epidermis).
3.1.2 Reactivos
• Hidróxido de sódio, NaOH (Merck, Alemania).
• Indicador fenolftaleína (Merck, Alemania).
• Kit de ensayo de almidón total K-TSTA (Megazyme International, Irlanda).
• Hidróxido de potasio, KOH (Merck, Alemania).
• Acetato de Sódio (Merck, Alemania).
• metabisulfito de sódio (Merck, Alemania).
• Ácido cítrico, Food Grade (Frutarom, Perú).
• Ácido ascórbico, Food Grade (Frutarom, Perú).
• Óxido de propileno (Merck, Alemania).
• Sulfato de sódio, Na2SO4 (Merck, Alemania).
• Ácido clorhídrico, HCl (Merck, Alemania).
3.1.3 Equipos e Instrumentos
• Termo higrómetro digital HTC-1 (Boeco, Alemania).
• Refractómetro digital DR201-95 (Kruss, Alemania).
• Potenciómetro Basic 20 (Crison, España).
• Estufa de convección forzada UN30 (Memmert, Alemania).
• Analizador de actividad de agua LabSwift-aw (Novasina, España).
• Mufla KLE 05/11 (Thermconcept, Alemania)
• Penetrómetro analógico para frutas GY-03 (Agriculture Solutions LLC, EEUU).
• Balanza analítica GF6100 (AND, Japón).
• Centrifuga IEC CL 10 (Thermo Scientific, EEUU).
• Espectrofotómetro Vis Genesys 20 (ThermoScientific, EEUU).
• Mandolina Profesional de acero inoxidable (Bron Coucke, Francia).
• Secador convectivo de bandejas a escala piloto, de diseño y fabricación local (Inquimet, Perú).
• Molino de martillo a escala piloto, de diseño y fabricación (Inquimet, Perú).
• Tamices / malla certificas ASTM E11 (Retsch, Alemania).
• Agitador Vortex VM300P (KGEMMY Industrial Corp, Taiwán).
• Colorímetro CR400 (Konica Minolta Sensing, Japón).
• Licuadora / procesador de alimentos BLSTBC4129-053 (Oster, México).
• Microscopio electrónico de Barrido Ambiental Quanta 200 (FEI, EEUU).
• Refrigeradora (Frigidaire, EEUU).
• Reometro Viscotester iQ HAAKE (ThermoScientific, EEUU).
3.2 Tipo y lugar de investigación
La presente investigación es de tipo aplicada, ya que utilizó el conocimiento de la materia prima y la tecnología existente para resolver un problema concreto y practico, que en nuestro estudio fue la alta generación de mermas poscosecha, sumado a la falta de aprovechamiento industrial del fruto. Asimismo, se caracterizó por ser experimental, ya que se controló el factor causal con el fin de establecer el efecto deseado. Adicionalmente, la primera etapa del estudio fue diseñado bajo las características de ser prospectiva, ya que se recolecto la información durante la maduración poscosecha del fruto para interpretar posibles cambios en su naturaleza que pudieran afectar a las otras etapas de investigación que proponen su aprovechamiento industrial (obtención de harina y almidón de chirimoya). Finalmente, es de tipo transversal, ya que se recopiló y analizó datos experimentales en un periodo de tiempo y sobre una población muestral predefinida.
El trabajo de investigación se desarrolló en las instalaciones del Laboratorio de Procesos Industriales de la Pontifica Universidad Católica del Perú (LPI- PUCP) y en el Laboratorio de Bromatología de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (UNMSM).
3.3 Diseño metodológico
La presente investigación se desarrolló en tres etapas, teniendo los siguientes diseños experimentales:
a) Etapa N°1 – Estimación del límite de madurez del fruto de chirimoya para su procesamiento en harina y aislamiento del almidón, en función a cambios fisiológicos y fisicoquímicos.
Para establecer el tiempo máximo de almacenamiento poscosecha del fruto de chirimoya, que permita su procesamiento, se estableció un diseño experimental puro sin pre-prueba, con pos-prueba y sin grupo control:
R G1 X1 O1
R G2 X2 O2
R G3 X3 O3
R G4 X4 O4
R G5 X5 O5
Donde:
R = Aleatorización
G1 – G5 = Grupos experimentales
X1 – X5 = Manejo de variable independiente (Tiempo de maduración o almacenamiento poscosecha: 1, 3, 5, 7 y 9 días)
O1 – O5 = Posprueba o medición de variables de respuestas (Características fisiológicas y fisicoquímicas del fruto) b) Etapa N°2 – Determinación de los parámetros óptimos del secado de la pulpa para la
obtención de harinade chirimoya, en función al tiempo y rendimiento.
Se usó un diseño experimental del tipo factorial completo 23, permitiendo el tratamiento de tres variables independientes o factores de estudio: el tiempo (días) de maduración poscosecha del fruto (límites de madurez establecido en la etapa anterior), el espesor del sólido (mm) y la temperatura del aire de secado (°C), permitiendo determinar su efecto sobre las variables de respuesta o variables dependientes: tiempo (min) obtenido cuando se alcanza la humedad en equilibrio y rendimiento del proceso (%). En la Tabla 3, se detalla el diseño de la investigación.
Tabla 3. Diseño decodificado para la optimización del secado de la pulpa de chirimoya*
Tratamiento Factores (V.I) Respuestas (V.D)
A B C Tiempo del
Proceso (min)
Rendimiento del Proceso
(%) Tiempo de
maduración poscosecha (días)
Temperatura de aire de secado (°C)
Espesor de la pulpa (mm)
T1 1 40 2
T2 1 40 4
T3 1 60 2
T4 1 60 4
T5 LMM 40 2
T6 LMM 40 4
T7 LMM 60 2
T8 LMM 60 4
(*) LMM: Límite máximo de madurez o periodo de almacenamiento poscosecha del fruto, establecido en la Etapa Nº 1.
c) Etapa N°3 –Caracterización fisicoquímica y funcional de los almidones nativos y modificados obtenidos de pulpa fresca y harina de chirimoya.
Para evaluar las diferencias en las propiedades fisicoquímicas, morfológicas y funcionales de los almidones aislados de la pulpa fresca y harina de Chirimoya y sus pares modificados, se estableció un diseño experimental puro sin preprueba, con posprueba y sin grupo control:
R G1 X1 O1
R G2 X2 O2
R G3 X3 O3
R G4 X4 O4
Donde:
R = Aleatorización
G1 – G4 = Grupos experimentales
X1 – X4 = Manejo de variable independiente (Tipo de almidón experimental: nativo de la pulpa fresca (FN), nativo de la harina (HN), modificado de la pulpa fresca (FM) y modificado de la harina (HM)).
O1 – O5 = Posprueba o medición de variables de respuestas (Características fisicoquímicas, morfológicas y funcionales de cada almidón experimental)
3.4 Unidad de análisis
El fruto de chirimoya cumbe (Annona cherimola Mill.), la harina obtenida de la pulpa y el almidón obtenido de la pulpa fresca y harina de chirimoya.
3.5 Población de estudio
Estuvo comprendida por aproximadamente 80 kg de Chirimoya verdes, sin daño físico o microbiológico visible y recién recolectadas. El acopio del fruto se realizó en el periodo de cosecha de mayo-agosto, de la Comunidad productora de San Mateo de Otao, Provincia de Huarochirí, Departamento de Lima, la cual fue dispuesta al día siguiente de su recolección para su procesamiento.
3.6 Tamaño de muestra
El muestreo fue aleatorio y se tomó de 3 a 5 kg de Chirimoya para cada grupo experimental y para cada iteración, de acuerdo con el diseño de cada etapa de investigación.
3.7 Técnicas o instrumentos de recolección de la información
3.7.1 Estimación del límite de madurez del fruto de chirimoya para su procesamiento en harina y aislamiento del almidón, en función a cambios fisiológicos y fisicoquímicos.
Aproximadamente, 30 kg de Chirimoya fueron almacenadas en un ambiente ventilado y controlado (20±2 °C/ 70±10 % HR), para ser analizadas los días 1, 3, 5, 7 y 9 poscosecha, permitiendo estimar el periodo máximo de almacenamiento que facilite el secado convectivo de la pulpa para su procesamiento en harina y el aislamiento del almidón nativo.
Los cambios fisiológicos y fisicoquímicos que sufrió la chirimoya fueron determinados mediante los siguientes ensayos:
a. Determinación de Sólidos Solubles: método refractométrico (56). La pulpa, previamente triturada, fue colocada en el lente (porta muestra) del refractómetro digital Kruss (DR201-95, Alemania), procediéndose a hacer la lectura de los º Brix de manera directa en el equipo.
b. Determinación de Acidez: método de titulación (56). En un matraz de 50 mL se colocó 10 g de pulpa previamente triturada y se añadió 50 mL de agua destilada a temperatura ambiente, se homogenizo en un agitador magnético y se transfirió a una fiola de 100 mL, la cual se enrazo con agua destilada. La titulación se realizó usando NaOH (0.1 N) como agente titulante y fenolftaleína al 1% como indicador.
c. Determinación de pH: método potenciométrico (56). La pulpa, previamente triturada, fue suspendida en agua destilada a temperatura ambiente al 10 % w/v, se agito vigorosamente por 10 minuto, y seguidamente se realizó la medición directa del pH en un potenciómetro Crison (Basic 20, ESPAÑA), previamente calibrado con buffer pH 4 y 7.
d. Determinación de Humedad (%): método gravimétrico indirecto por desecación (56). Se peso 10 g de pulpa en una placa Petri (portamuestra) previamente pesada y se colocó en una estufa Memmert (UN30, Alemania) a una temperatura de 130 ± 2
°C por un tiempo de 2 horas. Pasado el tiempo se realizó controles de peso hasta alcanzar un valor constante.
e. Determinación de Actividad de agua (aw): medición directa (57). Se coloco la pulpa, previamente triturada, en una portamuestra del equipo, realizando la medición directa en el analizador de actividad de agua Novasina (LabSwift-aw, España).
f. Contenido de Cenizas (%): mediante el método gravimétrico por incineración (56).
Se peso 2 g de pulpa triturada en un crisol de porcelana previamente secado y pesada.
El crisol conteniendo la muestra fue colocado en una mufla Thermconcept (KLE 05/11, Alemania) regulado a 550 °C por un tiempo no menor de 2 horas o hasta evidenciar cenizas blancas o grisáceas.
g. Determinación de la Firmeza/dureza del fruto: Se colocó el penetrometro analógico para frutas Agriculture Solutions LLC (GY-03, EEUU) de manera perpendicular a la superficie del fruto, se ejerció presión en un solo intento, haciéndose la lectura directa en las perillas del reloj del penetrómetro, el cual estuvo equipado con un punzón de 8 mm que otorga un rango máximo de medición de 24 kg/cm2.
h. Determinación de la Pérdida Fisiológica de Peso del fruto: mediante gravimetría, método propuesto por Magaña et al. (58). Se utilizó una balanza analítica con sensibilidad de 0.01g, AND (GF6100, Japón) para determinar la diferencia de peso de la fruta después de cada tratamiento o día de almacenamiento, respecto al peso inicial del fruto recién cosechada. Los resultados se expresaron en porcentaje
i. Determinación del color del exocarpo (cascara) del fruto: método de procesamiento de imágenes digitales propuesto por Castro et al. (59), con ligeras modificaciones. Las imágenes digitales del fruto de chirimoya fueron obtenidas con una cámara fotográfica digital Kodak EasyShare, modelo C713. Se uso un ángulo de observación 0º y una distancia de captura 25 cm. La iluminación se realizó con lámparas fluorescentes ubicadas en las esquinas posteriores de una cabina de fotografía de fondo negro mate de un m3 creado para el estudio. Las capturas se realizaron en modo de fotografía automático y flash apagado, obteniendo imágenes en formato JPEG de 3056 x 2292 pixeles. Para promediar los pixeles de la superficie del fruto en el espacio de color RGB, se utilizó el software Microsoft Paint, donde a cada imagen se superpuso una máscara transparente (tipo rejilla) de 7 x 7 cm, permitiendo tomar 12 cuadrantes de 1 cm2, depurándose aquellos cuadrantes con reflejos, brillos o manchas que presentaron las imágenes. La transformación de las coordenadas RGB al espacio CIE-L*a*b*, se llevó a cabo utilizando el calculador de color en línea Easy RGB, disponible en: https://www.easyrgb.com/en/convert.php
j. Determinación del contenido de almidón total: usando el kit de ensayo de almidón total K-TSTA de Megazyme (60). En un tubo de centrífuga Falcon se pesó 100 mg de la pulpa previamente triturada y tamizada a 500 µm, al cual se añadió 5mL de etanol (80% v/v) y se incubó a 80-85 °C por 5 min. Seguidamente, se centrifugó a
