UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE CIENCIAS APLICADAS
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
TESIS
PRESENTADO POR:
HIDALGO ORTIZ, ANNIE XRISA MICHO YMAÑA, NATHALY STHEFANY
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO AGROINDUSTRIAL
TARMA – PERÚ 2016
MODIFICACIÓN QUÍMICA DE ALMIDÓN NATIVO DE MACA (Lepidium Peruvianum) EN SUS
CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS Y REOLÓGICAS
III ASESOR:
Dr. WALTER JAVIER CUADRADO CAMPO
IV
DEDICATORIA
A Dios, por ser prioridad en mi vida y haberme dado paciencia además de sabiduría para cumplir mis metas con su infinita bondad y amor. A mi familia por su apoyo incondicional y su confianza, logrando encaminar mi futuro personal y profesional. A mis docentes que gracias a su exigencia lograremos ser profesionales de éxito.
Annie X. H. O.
A Dios quien me ha dado la sabiduría para poder administrar mi vida día a día guiando mi camino y permitiendo cumplir mis metas. A mi familia que es el eje principal para nuestro crecimiento, formación personal, profesional además de su confianza, dedicación y ejemplo inquebrantable para luchar ante las adversidades.
Nathaly M. Y.
V
AGRADECIMIENTOS
El éxito no es hacer bien o muy bien las cosas, no es una opinión exterior, es la armonía del alma y de sus emociones que necesita del amor, la familia, la amistad y la integridad.
Expresamos nuestra gratitud:
A nuestra alma máter, la Universidad Nacional del Centro del Perú y la Facultad de Ciencias Aplicadas por proyectar e impulsar nuestros conocimientos, valores, principios y ética profesional.
A nuestro asesor quien ha sido un modelo de ingeniero a seguir, gracias Dr. Cuadrado Campó, Walter Javier por su conocimiento, apoyo incondicional y por confiar en nosotras.
A nuestros Catedráticos de la Universidad Nacional del Centro del Perú de la Facultad de Ciencias Aplicadas por sus enseñanzas y conocimientos brindados durante el transcurso de nuestra formación profesional.
A todos aquellos que contribuyeron para la realización de este trabajo de investigación
VI RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo evaluar el efecto de la concentración y el tiempo de contacto del hipoclorito de sodio en las características fisicoquímicas, funcionales y reológicas del almidón nativo de maca (Lepidium peruvianum), ecotipo amarillo que se obtuvo en el distrito de Ondores, provincia de Junín. La metodología consistió en obtener el almidón de la maca, para luego modificarlo químicamente con hipoclorito de sodio a (100, 300 y 500) ppm por un tiempo de (2 y 4) horas, posteriormente se analizaron ambos almidones (nativo y modificado). El almidón modificado disminuyo la retrogradación hasta 3.1
%, índice de solubilidad 36.10 %, absorción de agua 86.20 %, poder de hinchamiento 63.79 % y estabilidad al descongelamiento 3.8 %, la viscosidad aparente disminuyó hasta 192000 Cp; Por lo que se concluye que la concentración de 100 ppm de hipoclorito de sodio a 2 horas de tiempo de contacto, influye en las características fisicoquímicas, propiedades funcionales y reológicas del almidón modificado de maca, esto sucede porque las biomoleculas orgánicas tambien llamadas grupos carboxilos que son parte del almidón, estabilizaron las moléculas lineales de amilosa, presentando mejores características a esta concentración y tiempo de contacto, según de acuerdo a las pruebas estadísticas.
Palabras clave: Almidón, maca, modificación, concentración, tiempo de contacto, características fisicoquímicas, propiedades funcionales y reológicas
VII ABSTRACT
This research aimed to evaluate the effect of concentration and contact time of the sodium hypochlorite in the physicochemical, functional and rheological characteristics of native starch from maca (Lepidium peruvianum), yellow ecotype obtained in the district of Ondores, Junin province. The methodology was to obtain starch maca, then modify it chemically with sodium hypochlorite (100, 300 and 500) ppm for a while (2 and 4) hours later both starches (native and modified) were analyzed. The modified starch retrogradation decreased to 3.1%, 36.10% solubility index, water absorption 86.20%, 63.79% swelling power and stability to the unfreezing 3.8%, the apparent viscosity decreased to 192,000 Cp; So we conclude that the concentration of 100 ppm of sodium hypochlorite at 2 hours of contact time, influences the physicochemical characteristics, functional and rheological properties of the modified maca starch, this happens because organic biomolecules also called carboxyl groups they are part of the starch stabilized linear amylose molecules, presenting best features of this concentration and contact time, according to according to statistical tests
Keywords: starch, maca, modification, concentration, contact time, physicochemical characteristics, functional and rheological properties.
VIII INDICE
Pág.
Dedicatoria IV
Agradecimientos V
Resumen VI
Abstract VII
Índice VIII
Índice de tablas XII
Índice de figuras XV
Índice de anexos XVII
Introducción XVIII
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Caracterización del problema 21
1.2. Formulación del problema 23
1.3. Objetivos de la investigación 23
1.4. Justificación e importancia 24
1.5. Delimitaciones de la investigación 25
CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la investigación 26
2.2. Teorías básicas 30
2.2.1. La Maca (Lepidium peruvianum) 30
2.2.1.1. Clasificación taxonómica de la maca 31 2.2.1.2. Características Generales de la maca 31 2.2.1.3. Descripción botánica de la maca 33
IX
2.2.1.4. Ecotipo de la maca 37
2.2.1.5. Composición química de la maca 39 2.2.1.6. Propiedades funcionales de la maca 46 2.2.1.7. Usos industriales de la maca 47
2.2.2. Almidón 48
2.2.2.1. Estructura química del almidón 51 2.2.2.2. Composición química del almidón 55
2.2.2.3. Tipos de almidones 59
2.2.3. Tipos de almidones modificados 63
2.2.4. Modificación del almidón por oxidación 67 2.2.4.1. Variables que caracterizan al almidón
modificado por oxidación 70
2.2.4.2. Aplicaciones del almidón modificado por
oxidación 71
2.2.4.3. Propiedades químicas del almidón
modificado por oxidación 72
2.2.5. Ventajas del almidón modificado 75
2.2.6. Características y propiedades funcionales de los
almidones 76
2.2.6.1. Sinéresis 79
2.2.6.2. pH y acidez 80
2.2.6.3. Índice de finura 80
2.2.6.4. Temperatura de gelatinización 81
2.2.6.5. Retrogradación 85
2.2.6.6. Índice de solubilidad, absorción de agua y
poder de hinchamiento 88
2.2.6.7. Estabilidad al descongelamiento 91
2.2.6.8. Anhídrido sulfuroso 92
2.2.6.9. Viscosidad 92
2.2.7. Parámetros de calidad de los almidones 94 2.2.8. Importancia y aplicación del almidón 95
X
2.3. Desarrollo de las variables 97
2.4. Hipótesis de investigación 98
2.5. Operacionalización de las variables 99
CAPITULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
3.1. Lugar de ejecución 100
3.2. Tipo de investigación 100
3.3. Nivel de investigación 100
3.4. Métodos de investigación 100
3.5. Diseño de investigación 102
3.6. Población y muestra 103
3.7. Técnicas, instrumentos y procedimientos de recolección de
información o datos 104
3.8. Técnicas de procesamiento de información o datos 111
CAPITULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
4.1. Presentación, análisis e interpretación de información o
datos 113
4.1.1. Caracterización y evaluación químico proximal del
almidón nativo y modificado 113
4.1.2. Caracterización y evaluación fisicoquímica del
almidón nativo y modificado 114
4.1.3. Caracterización y evaluación de las propiedades
funcionales del almidón nativo y modificado 115 4.1.4. Caracterización y evaluación reológico del almidón
nativo y modificado 129
4.1.5. Determinación del rendimiento del almidón nativo de
maca 134
4.2. Comprobación de la hipótesis de investigación 136
XI
4.3. Discusión de resultados 136
4.3.1. Discusión de la caracterización y evaluación químico
proximal del almidón nativo y modificado 136 4.3.2. Discusión de la caracterización y evaluación
fisicoquímica del almidón nativo y modificado 147 4.3.3. Discusión de la caracterización y evaluación de las
propiedades funcionales del almidón nativo y modificado
150 4.3.4. Discusión de la caracterización y evaluación
reológico del almidón nativo y modificado 164
CONCLUSIONES 166
SUGERENCIAS 168
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 169
ANEXOS 184
XII
Indice de tablas
Número Pág.
1 Clasificación científica de la maca 31
2 Lista de ecotipos de Maca 38
3 Composición Química de tres ecotipos de Maca 41
4 Aminoácidos presentes en la Maca 42
5 Macronutrientes de la maca ecotipo amarilla 44 6 Macronutrientes de la maca ecotipo negra 45 7 Contenido de amilosa y amilopectina en almidones
nativos 52
8 Composición químico proximal de gránulos de
almidón 55
9 Composición química g/100g y algunas propiedades
físicas del almidón modificado por oxidación. 71 10 Características físicas y químicas de distintos
almidones 77
11 Poder de hinchamiento y índice de solubilidad de
agua en algunos almidones. 90
12 Especificaciones físicas y químicas del almidón 95 13 Especificaciones analíticas del almidón no modificado 95
14 Operacionalización de las variables 99
15 Composición químico-proximal del almidón nativo y
modificado de maca ecotipo amarillo. 113 16 Análisis de acidez del almidón nativo y modificado de
maca ecotipo amarillo. 114
17 Análisis del porcentaje de pH del almidón nativo y
modificado de maca ecotipo amarillo 114 18 Evaluación del índice de finura del almidón nativo y
modificado de maca ecotipo amarillo. 115 19
Evaluación de la temperatura de gelatinización en °C del almidón nativo y modificado de maca ecotipo amarillo.
115
XIII 20
Análisis de varianza para para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en la
temperatura de gelatinización
116
21
Comparación de medias de tukey para los tratamientos de estudio en la temperatura de gelatinización
116
22 Evaluación del índice de solubilidad de agua del
almidón nativo y modificado de maca ecotipo amarillo 117 23
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en el índice de solubilidad de agua.
118
24
Comparación de medias de tukey para los
tratamientos de estudio en el índice de solubilidad de agua.
118
25 Evaluación del índice de absorción de agua del
almidón nativo y modificado de maca ecotipo amarillo. 119 26
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en el índice de absorción de agua
120
27
Comparación de medias de tukey para los
tratamientos de estudio para el índice de absorción de agua
120
28 Evaluación del poder de hinchamiento del almidón
nativo y modificado de maca ecotipo amarillo 121 29
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en el poder de hinchamiento
122
30
Comparación de medias de tukey para los tratamientos de estudios en el poder de hinchamiento.
122
31 Evaluación de retrogradación del almidón nativo y
modificado de maca ecotipo amarillo. 123 32
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en la
retrogradación.
124
XIV
33 Comparación de medias de tukey para los
tratamientos de estudio para la retrogradación. 124 34 Evaluación de la estabilidad al descongelamiento del
almidón nativo y modificado de maca ecotipo amarillo. 125 35
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en la estabilidad al descongelamiento
126
36
Comparación de medias de tukey para los tratamientos de estudios en la estabilidad al descongelamiento.
126
37 Evaluación de anhídrido sulfuroso del almidón nativo
y modificado de maca ecotipo amarillo. 127 38
Análisis de varianza para la interacción de ppm de hipoclorito con el tiempo de contacto en el anhídrido sulfuroso.
128
39 Comparación de medias de tukey los tratamientos de
estudio en el anhídrido sulfuroso 128
40 Velocidad de deformación y tensión tangencial del
almidón nativo de Maca ecotipo amarillo a 60 °C 129
41
Velocidad de deformación y tensión tangencial del almidón modificado de maca ecotipo amarillo
(Concentración de Hipoclorito a 100 ppm x 1 h) a 60
°C
131
42
Valores de la viscosidad del almidón nativo y
modificado de Maca ecotipo amarillo (Concentración de Hipoclorito a 500 ppm x 4 h) a 60 °.
134
43 Balance de masa para el rendimiento del almidón de
maca ecotipo amarillo 135
XV
Indice de figuras
Fig. Pág.
1 Estructura interna de la maca 34
2 Corte transversal de la maca 34
3 Corte histológico de la maca 35
4 Estructura externa de la maca 36
5 Microfotografía de gránulos de almidón de diferentes
fuentes vegetales 50
6 Microfotografía de los gránulos del almidón de maca 50
7 Estructura química de la amilosa 53
8 Estructura química de la amilopectina. 54 9 Modificaciones químicas y bioquímicas del almidón. 64 10
Grupos hidroxilos (OH) en las posiciones de los carbonos C2, C3 y C6 de una unidad α-D- glucopiranosil.
69
11 Molécula de almidón oxidada con NaOCl en la posición
del carbono C6. 74
12
Representación esquemática de los cambios del granulo de almidón durante el procesamiento hidrotermico.
79 13 Índice de la gelatinización del almidón 83 14 Representación del cambio de la suspensión de
granulo de almidón sometido a proceso térmico. 84
15 Retrogradación 86
16 Perfil de viscosidades de diferentes almidones 94
17 Diseño experimental propuesto 103
18 Diagrama de flujo para la extracción de almidón de
maca 107
19 Diagrama de flujo de la modificación del almidón de
maca 110
20 Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto 117
XVI
versus temperatura de gelatinización 21
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus el índice de solubilidad de agua
119
22
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus el índice de absorción de agua.
121
23
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus el índice de absorción de agua.
123
24
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus la retrogradación a 120 hora de refrigeración.
125
25
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus la estabilidad al descongelamiento.
127
26
Comparación de medias de la interacción de los
factores concentración de NaOCl y tiempo de contacto versus a la evaluación de anhídrido sulfuroso
129
27 Comportamiento reológico del almidón nativo de maca
ecotipo amarillo a 60 °C. 130
28 Índice reológico del almidón nativo de maca ecotipo
amarillo a 60 °C. 130
29 Viscosidad del almidón nativo de maca ecotipo
amarillo a 60 °C. 131
30 Comportamiento reológico del almidón modificado de
maca (100ppm x 2 h) ecotipo amarillo a 60 °C. 132 31 Índice reológico del almidón modificado de maca
(100ppm x 2 h) ecotipo amarillo a 60 °C. 132 32 Viscosidad del almidón modificado de maca (100ppm x
2 h) ecotipo amarillo a 60 °C. 133
XVII
Indice de anexos
Apéndice Nº Pág.
1 Tabla general de resultados obtenidos en los
diferentes tratamientos 185
2 Tabla general del análisis químico proximal y
reológico del almidón nativo y mejor tratamiento 186
3 Método para determinar pH 187
4 Método para determinar acidez 188
5 Método para el índice de finura 189
6 Método para determinar la Tº de gelatinización 190 7
Método para determinar el índice de absorción de agua, índice de solubilidad de agua y poder de hinchamiento
191 8 Método para determinar la retrogradación 193 9 Método para determinar estabilidad al
descongelamiento 194
10 Método para determinar el porcentaje de anhídrido
sulfuros 195
11 Método para determinar la viscosidad 196
12 Imágenes de la realización de los diferentes análisis 197
XVIII
INTRODUCCIÓN
En la actualidad la industria de alimentos está en busca constante de procesos e ingredientes que permitan la elaboración y el mejoramiento de nuevos productos. Uno de estos ingredientes es el almidón que es usado como aditivo o componente principal en diversos productos industriales alimenticios, farmacéuticos, papelería, textiles y adhesivos.
Hoy en día, la fuente más importante de almidón se obtiene de cereales, particularmente del maíz, trigo, arroz y de algunos tubérculos como los son la papa y la yuca; ante esta situación ha sido necesaria la búsqueda de recursos que sustituyan la fuente de obtención de almidón;
como lo es el caso de la maca (lepidium peruvianum), que posee mucho valor nutritivo, altos niveles de proteínas así como carbohidratos y su importante contenido de amilosa que imparte propiedades como agente estabilizante, texturizante, agente gelificante, espesante y adhesivo, ofreciendo un alto potencial en el desarrollo de nuevos productos.
El almidón constituye una excelente materia prima para modificar la textura y consistencia de los alimentos; sin embargo, la estructura nativa del almidón puede ser menos eficiente debido a que las condiciones del proceso reducen su uso en otras aplicaciones industriales, debido a la
XIX
baja resistencia a esfuerzos de corte, descomposición térmica, alto nivel de retrogradación y sinéresis.
Las limitaciones anteriores se pueden superar modificando la estructura nativa por métodos químicos, físicos y enzimáticos, y se obtiene como resultado un almidón modificado. En la investigación se utilizó la maca que contiene un almidón muy fino el cual fue modificado con hipoclorito de sodio y se evaluó sus propiedades funcionales; pero la modificación depende de la concentración del reactivo, tiempo de contacto y pH.
En términos generales estas son las razones que han impulsado la realización de la investigación.
La hipótesis general planteada fue si existe efecto a diferentes concentraciones y tiempos de contacto de hipoclorito de sodio en las características funcionales del almidón modificado de maca.
Teniendo como objetivo general: Evaluar el efecto de la concentración y el tiempo de contacto del hipoclorito de sodio en las características fisicoquímicas, funcionales y reológicas de almidón modificado de maca (lepidium peruvianum).
El método general utilizado en la investigación fue el método científico, con un diseño experimental descriptivo.
El contenido de este informe está estructurado en cinco capítulos, de la siguiente manera:
XX
CAPITULO I. Contiene la caracterización del problema de investigación, formulación, objetivos de la investigación, justificación y delimitaciones de la investigación.
CAPITULO II. Se hacen referencia los antecedentes de investigación, bases teóricas de la investigación, bases conceptuales, desarrollo de variables, hipótesis de la investigación, así como la operacionalización de las variables de la investigación.
CAPITULO III. Se describe el tipo y nivel de investigación, la metodología de la investigación abarcando el método y diseño de la investigación;
población y muestra de la investigación, técnicas e instrumentos y fuentes de recolección de datos; y técnicas de procesamiento de información.
CAPITULO IV. En este capítulo se realiza la presentación, análisis e interpretación de los datos. Así mismo se realizó la prueba de hipótesis como la discusión de los resultados de las variables en estudio.
CAPITULO V. Finalmente se ha establecido las correspondientes conclusiones, sugerencias y aportes teóricos o metodológicos.
Los autores
21 CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Caracterización del problema
La producción de almidón a nivel mundial ha estado limitada a cultivos tradicionales de tal forma que es necesario obtener nuevas fuentes de extracción y satisfacer la demanda del mercado, debido a que su uso se extiende no solo a la industria alimentaria sino a otras industrias, tales como textil, farmacéutica, papelera, de adhesivos, etc. (Pérez, 1997).
Los almidones son usados como agente que mejora la textura y la consistencia de diversos alimentos por su funcionalidad; pero la estructura nativa del almidón puede ser menos eficiente debido a
que las condiciones del proceso disminuyen su uso en otras aplicaciones industriales, debido a la baja resistencia a esfuerzos de
corte, descomposición térmica, alto nivel de retrogradación y sinéresis (Arzapalo & Huamán, 2014).
22
De tal forma que modificar el peso molecular promedio de la amilosa y la amilopectina, así como de la organización molecular de estos dentro del gránulo optimizara su funcionalidad y disminuirá las limitaciones anteriores y todo ello mejorara modificando la estructura nativa del almidón por el método oxidativo, la cual se obtiene bajo condiciones controladas de pH y temperatura, haciendo reaccionar el almidón con agentes oxidantes y como resultado un almidón modificado de buena calidad.
Actualmente los mayores centros de producción de maca se lleva a cabo fundamentalmente en la Meseta del Bombón, zona ecológica que hoy comprende la región Junín y Pasco. El principal derivado exportado de la maca es la harina, seguido de maca gelatinizada, cápsulas de maca, etc. por tener un alto contenido de proteínas y mejor balance de aminoácidos; mas no se tienen estudios sobre las propiedades químicas, fisicoquímicas y funcionales del almidón de maca de los distintos ecotipos.
Por ello surge el interés de investigar sus propiedades funcionales, su composición fisicoquímica para caracterizar sus almidones nativos y modificados, para incrementar su aprovechamiento agroindustrial.
23 1.2. Formulación del problema
¿Cuál es el efecto de la concentración y el tiempo de contacto, del hipoclorito de sodio en las características fisicoquímicas y reológicas de almidón modificado de maca (Lepidium peruvianum)?
1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivo general
Evaluar el efecto de la concentración y el tiempo de contacto del hipoclorito de sodio en las características fisicoquímicas, funcionales y reológicas de almidón modificado de maca (Lepidium peruvianum).
1.3.2. Objetivos específicos
Determinar el flujograma del proceso de obtención del almidón nativo de maca.
Describir el flujograma del proceso modificación quimica del almidon de maca tratada a diferentes concentraciones y tiempos de contacto del hipoclorito de sodio.
Determinar el rendimiento de almidón nativo de maca.
Determinar las propiedades funcionales y fisicoquímicas de almidón nativo y modificado de maca, tratada a diferentes tiempos de contacto y concentraciones de hipoclorito de sodio.
24
Determinar las caracteristicas quimico proximales del almidón nativo y de almidón modificado de maca para el mejor tratamiento.
Caracterizar el comportamiento reologico del almidón nativo y
de almidón modificado de maca para el mejor tratamiento.
1.4. Justificación e importancia
El Perú es conocido por su diversidad de ecosistemas, especies y recursos genéticos; el potencial que representa en términos económicos es enorme, pero que aún no han sido explotados, dentro de ello tenemos la maca (Lepidium peruvianum) un producto energético natural, propio de la biodiversidad nativa, que posee un alto valor nutritivo, por lo que dando valor agregado a esta materia prima se contribuirá a mejorar la calidad de vida de los productores.
La maca forma parte de la cultura productiva y alimentaria de los Andes centrales en la Meseta del Bombón, zona ecológica que hoy comprende parte de las provincias de Junín, Tarma y Pasco.
Se han hecho estudios de la modificación química del almidón de varias especies vegetales y se han comprobado científicamente que mejora la estructura de diversos productos por sus propiedades funcionales con respecto a la baja resistencia a esfuerzos de corte, descomposición térmica, alto nivel de retrogradación y sinéresis a diferencia de los almidones nativos. El maíz, yuca, trigo y papa son
25
los principales insumos que se exportan a nivel mundial para la producción de almidón, de la gran demanda surge la necesidad de buscar otras alternativas con mejores propiedades.
26 1.5. Delimitaciones de la investigación
1.5.1. Delimitación espacial
El área considerada para el presente estudio se desarrolla en el departamento de Junín, provincia de Tarma.
Donde la parte experimental de nuestro trabajo de investigación se realizó en las instalaciones del laboratorio de la FACAP E.A.P Ingeniería Agroindustrial –Tarma.
1.5.2. Delimitación temporal
La elaboración, desarrollo y ejecución de la parte experimental del proyecto se realizó desde agosto del 2015 a Agosto del 2016.
1.5.3. Delimitación cuantitativa
Para la realización del trabajo de investigación se manipuló un total 2.89 Kg de almidón nativo de maca obtenido de un total de 42.3 Kg de maca fresca procedente de la provincia de Junín - Ondores
27 CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la investigación
Los tubérculos de indudable origen peruano y de las que el país tiene la mayor diversidad genética son innumerables, entre ellas se encuentra la maca (Lepidium peruvianum) ecotipo amarillo que es consumido por el mercado nacional e internacional.
A continuación se muestran algunos estudios a nivel internacional relacionado a la variable de nuestra investigación.
Sánchez (2004). Analizo la modificación por oxidación del almidón de plátano (Musa paradisiaca l.) y su caracterización parcial con una dispersión de almidón al 40% por el método de almidones oxidados con NaOCl; señala que los almidones oxidados con las concentraciones de cloro activo más altos (1.75 y 2.0 %) no presentaron precipitados, la cual se incrementa al aumentar la concentración y la eliminación de gránulos pequeños; la recuperación del almidón oxidado, podría depender del tipo y concentración del agente oxidante, pH y fuente botánica.
28
Rondán (2010) desarrollo la tesis propiedades fisicoquímicas del almidón aislado, parámetros de estudio enzima durante el almacenamiento y la caracterización de enzimas amilolıtica en la raíz de maca (Lepidium meyenii), donde determino las propiedades del almidón obteniendo un contenido de amilosa de 20% y 80% de amilopectina, una temperatura gelatinización y la viscosidad de la suspensión de 45.7 °C y 46 °C respectivamente, llegando a la conclusión de que el almidón de maca sería adecuado para alimentos que requieren temperaturas procesamiento moderado y no es adecuado para su uso en los alimentos congelado.
Bonilla, Hoyos & Velasco (2013) observó el efecto de oxidación en el almidón de yuca sobre sus propiedades mecánicas y térmicas de películas biodegradables, donde señala que la oxidación de almidón de yuca por hipoclorito de sodio causó cambios significativos en el almidón nativo. El almidón oxidado, mostró una viscosidad reducida al ser comparado con el almidón nativo, exhibiendo un menor pico de viscosidad, una mayor estabilidad del gel y una menor tendencia a la retrogradación.
Elidet (2013) investigo acerca de la extracción, caracterización y modificación de almidón de plátano (Musa sapientum) variedad roatán, producto de desecho post-cosecha, donde realiza una modificación por hidrólisis ácida que se efectuó al 1.5% y 3.0%; el estudio fisicoquímico resulto aumentar el contenido de humedad y
29
disminuyó el de cenizas, junto con el contenido de proteínas y densidad aparente; el índice de absorción disminuyó e incrementó el índice de solubilidad en agua; por otro lado el ácido actuó, disminuyendo la viscosidad del gel y aumentando la temperatura de gelatinización. Analizando microscópicamente los almidones, ambos presentaron la forma y tamaño que los caracterizan, observándose una deformación mayor en el gránulo de almidón de plátano modificado al 3.0 % con HCl, por lo cual, sugiere realizar la modificación al 1.5 %.
A continuación se muestran algunos estudios a nivel nacional relacionado a la variable de nuestra investigación
Champe (2011) realizo el estudio de modificar el almidón de arracacha (Arracaccia xanthorriza brancoft) por métodos oxidativos para uso alimentario. Cuyo objetivo fue modificar químicamente por oxidación con hipoclorito de sodio a las concentraciones de (200 ppm, 300 ppm y 500 ppm) y tiempos de reacción (2 h y 4 h), donde evaluó las propiedades funcionales y se comparó con las del almidón nativo. El análisis proximal reveló que los almidones modificados presentaron contenidos de humedad más altos que el nativo, el contenido de cenizas (0.45), proteínas (0.15), y amilosa, la viscosidad aparente disminuyo con las modificaciones. La absorción de agua, poder de hinchamiento y sólidos solubles variaron con las modificaciones químicas realizadas, resultando mayores en el
30
almidón oxidado a 500 ppm y 4 horas de reacción. En comparación con el almidón nativo, los diferentes tratamientos de modificación redujeron la temperatura inicial de gelatinización; la viscosidad se redujo en el almidón oxidado con mayor concentración de cloro y más tiempo de reacción, el contenido de grupos carboxílicos aumento a mayor concentración de cloro y tiempo de reacción.
Obregon y Estrella (2014) evaluó el efecto de la concentración y el tiempo de contacto del hipoclorito de sodio en las características fisicoquímicas y reológicas del almidón nativo de papa (Solanum tuberosum) variedad Yungay donde reporta que en la temperatura de gelatinización existe una diferencia significativa en los tratamientos siendo el mejor el tratamiento de 500 ppm aun tiempo de 4 horas con 55.8°C; un poder de hinchamiento hubo diferencia significativa siendo el mejor tratamiento de 300 ppm a 4 horas con un porcentaje de 38%; además de que en la solubilidad hubo diferencia significativa siendo el mejor tratamiento de 500 ppm a 2 horas con un porcentaje de 54.55%; en la viscosidad el mejor tratamiento fue el de 300 ppm a 4 horas con una viscosidad de 15326 Cp. Por lo que se concluye que el mejor tratamiento es el modificado químicamente a 300 ppm de hipoclorito de sodio a 4 horas de tiempo de contacto presentando mejores características fisicoquímicas y reológicas de acuerdo a las pruebas estadísticas
31 2.2. Teorías básicas
2.2.1. La Maca (Lepidium peruvianum)
Hasta hace algunos años, el nombre científico de la maca se encontraba en cuestión, pues se la confundía con Lepidium Meyenii Walpers; en la actualidad Chacón (2007) señala que existe un creciente consenso en identificarla como Lepidium Peruvianum a partir de su descripción taxonómica. Sin embargo, en su comercialización todavía es común encontrarla con la denominación de Lepidium meyenii o Lepidium sp.
(Aliaga, 1998).
La maca (Lepidium peruvianum), es una especie nativa de los Andes Peruanos que se cultiva principalmente en la meseta del Bombón, en el departamento de Junín y Pasco en los pisos ecológicos de Sumi y Puna sobre los 3700 a 4500 msnm, región que presenta un clima agreste y bajas temperaturas (Tovar, 2001).
Es una planta herbácea bianual cuya parte subterránea (hipocótilo) es comestible y se aprecia mucho por su valor nutritivo, crece en forma de roseta y postrada a nivel del suelo;
esta característica constituye una ventaja adaptativa, pues le permite prosperar adecuadamente en condiciones climáticas extremas. Los hipocótilos, que son la parte comestible de la planta, varían entre 2 a 5 cm de tamaño, en la zona de cultivo
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de maca se identifican diversos ecotipos que se diferencia de acuerdo a la pigmentación del hipocotilo o raíces: amarillo, púrpura, blanco, gris, negro, blanco/rojizos, blanco/amarillos, blanco/morado, morado/plomo y blanco/morado (Aliaga, 1995).
2.2.1.1. Clasificación taxonómica de la maca (Lepidium Peruvianum)
Según Chacón (1997), la taxonomía original, para la especie Lepidium peruvianum es la siguiente:
Tabla 1
Clasificación científica de la maca (Lepidium peruvianum).
Clasificación taxonómica
División : Fanerógama
Subdivisión : Angiosperma
Clase : Dicotyledoneae
Sub clase : Archyclamideae
Orden : Rhoedales o Papaverales
Familia : Brassicaceae o Cruciferae
Género : Lepidium
Especie : Lepidium Peruvianum
Nombre Vulgar : Maca, Macamama
2.2.1.2. Características Generales de la maca (Lepidium peruvianum)
La raíz de la maca es autógama tiene apariencia marmórea, crece en forma de roseta y postrada a nivel del suelo, esta
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característica constituye una ventaja adaptativa, pues le permite prosperar adecuadamente en condiciones climáticas extremas; se reproduce por autopolinización, y produce granos de polen fértil, produce semillas que casi no tienen dormancia y germinan en 5 días a 25°C (Aliaga, 1999).
El área geográfica de cultivo de la maca está localizada entre las regiones de Junín y Pasco, en la Meseta del Bombón, específicamente en los distritos de Junín, Carhuamayo, Ondores y San Pedro de Cajas, Ninacaca, Vicco y Huayllay (Cornejo, 2007).
El piso ecológico donde prospera la maca, corresponde a la Puna, caracterizada por temperaturas máximas mensuales de 11.5 a 1.8ºC y temperaturas mínimas mensuales de 6.2 a 1.8 ºC (Tello, Hermann & Calderón, 1992). Lo cual indica que este cultivo soporta temperaturas muy bajas, a excepción del estado de plántulas donde temperaturas bajas pueden hacer perder el cultivo.
Según Chacón (2007) señala que la maca no es un tubérculo como la papa, ni bulbo como la cebolla, ya que éstos son tallos subterráneos, la raíz principal es tuberosa, es decir hinchada, engrosada, napiforme y por su característica de ser raíz reservante se le conoce también como hipocotilo que va a dar lugar al tallo y la radícula a la
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raíz y esta presenta diferentes matices de colores y formas muy variadas (Beltrán, Baldeón, Carrillo & Fuertes, 1997).
Según el Informe Técnico en 1995, Ponce realizó una muestra de 758 plantas de los campos de agricultores de la zona de Junín y Huayre (Departamento de Junín) donde encontró que el 47.8% de los hipocotilos eran amarillos, 16.5% rojo con crema, 9.0% morado con blanco, 6.3%
blanco con rojo, 5.4% plomos, 4.2% negros, 3.7% rojo con amarillo, 2.2% blancos, 1.6% blanco con morado, 1.3%
amarillo con rojo, 0.8% plomos claros, 0.7% morados con plomo y 0.5% amarillo con plomo, morado con blanco, morado con crema, rojo y blanco son los más preferidos, mientras que el plomo y negro.
2.2.1.3. Descripción botánica de la maca (Lepidium peruvianum) La maca es una planta de comportamiento bienal, siendo autógama, con un tiempo de cultivo de 8 meses (Beltrán et al., 1997), constituye uno de los pocos alimentos azucarados de las punas; con las siguientes características:
A. Estructura interna
La mayor parte de la estela constituye la zona medular, conformada por células parenquimaticas reservantes de almidón, ello se registró en la zona medular.
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En la figura 1, se aprecia, la vista en sección transversal, la maca la cual presenta en su parte media un característico cilindro bascular central ramificado, en forma de estrella.
Figura 1. Estructura interna de la maca (Lepidium Peruvianum).
En el 2007, Chacón señala en la figura 2, el corte transversal de la raíz se aprecia en primer lugar, (1) La Epidermis, formada por la superficie exterior que es la zona donde se encuentran los pelos radicales, es una capa simple de células y es permeable.
Figura 2. Corte transversal de la maca (1). Epidermis.
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En el corte histológico la parte más ensanchada de la raíz, se puede apreciar el nacimiento de una raicilla en el (1) tejido vascular central que es más denso en comparación con el corte tomado cerca de la parte final de la raíz. (2) la corteza, ocupa una amplia superficie compuesta de muchas capas de grandes células parenquimatosas casi esféricas de paredes delgadas, lugares donde almacenan el almidón y otros alimentos.
La capa más interna de la corteza presenta una hilera simple de células que es (3) la endodermis, que por lo común es una clara característica de las raíces y separa el parénquima cortical que se encuentra en la corteza, del tejido vascular.
Figura 3. Corte histológico de la maca (lepidium peruvianum) (1) tejido vascular central, (2) corteza y (3) endodermis.
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38 B. Estructura externa
Raíz: (Hipocolito)
De forma globosa redondeada y napiforme, los hipocótilos, conocidos comúnmente como maca, son producto de la acumulación de sustancias de reserva por parte de la planta, varían en cuanto a color, forma y tamaño (Tadeo, 2013).
Tallo
Chacón (2007) señala que el tallo es el órgano de sostén de la planta y es de tamaño pequeño, es decir casi acaule en comparación con la raíz, se encuentra situado en la parte superior de ella y es conocida por los agricultores como ojo o punto de inserción de las hojas basales.
Figura 4. Estructura externa de la maca (Lepidium peruvianum).
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Hojas
Arrosetadas, compuestas, con vaina ensanchada, pecíolo largo con la cara superior aplanada, de limbo compuesto, tiene un largo de 6 a 9 cm; la básales son pinnatífidas y las caulinares algo reducidas.
Flores
Son hermafroditas, actinomorfas, de color verde claro y muy pequeñas, sus pétalos, son de color blanco y sus sépalos varían de verde a violeta. Las flores se reúnen en inflorescencias en panícula y el conjunto forma la roseta de la fase reproductiva de la maca (Porres, 2008).
Inflorescencia
Racimo compuesto y raramente simple, las flores son auxiliares hermafroditas, actinomorfas, de color verde claro y pequeño, cáliz de prefloración blanquecina, corola con 4 pétalos libres ligeramente encorvados hacia el ápice.
2.2.1.4. Ecotipo de la maca (Lepidium peruvianum)
Según Chacón (2007) en este cultivo no se habla de variedades sino de ecotipos que están definidos por su coloración, Obregón (1998) menciona que se describen diferentes ecotipos de maca como se muestra en la tabla 2,
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teniendo en cuenta el color externo de la raíz, las que presentan principalmente colores; amarillo, negro, rojo y morado; existen sin embargo sub-categorías descritas y que también han sido observados en trabajos de campo realizados en diferentes localidades de los departamentos de Junín y Pasco, durante los últimos años.
Tabla 2
Lista de ecotipos de Maca (Lepidium peruvianum Chacóm sp.)
Color externo de la raíz Porcentaje
Amarillo 47.8
Rojo-blanco 16
Morado-blanco 9
Negro 4.2
Rojo-amarillo 3.7
Blanco 2.2
Blanco-morado 1.6
Amarillo-rojo 1.3
Plomo-claro 0.8
Morado-plomo 0.7
Nota: Tomado de Obregón (1998).
Para Aliaga et al., (2007) la coloración de la planta se debe a pigmentos y antocianinas presentes, sin embargo, Chacón (1998), manifiesta que la variación de colores es debido quizás a la fuente de nutrientes que tiene la tierra donde crece, debido a los minerales que presenta. Esta variación
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puede ocurrir en el momento de la absorción de los nutrientes por medio de las raíces secundarias.
2.2.1.5. Composición química de la maca (Lepidium peruvianum)
La raíz de la maca tiene un alto valor nutritivo, semejante al de los cereales tales como el maíz, arroz y trigo y superando ampliamente en contenido calórico, proteínas y carbohidratos a otras hortalizas.
Tadeo (2013) señala que al realizar el análisis de los compuestos químicos derivados del carbono revela que la raíz de la maca contiene concentraciones cercanas al 60%
de carbohidratos, 10% de proteínas, casi un 9% de fibra, y poco más de 2% de lípidos, asimismo, las vitaminas B1, B2, C y E. El contenido proteico de la maca se manifiesta principalmente bajo la forma de cadenas polipeptídicas y aminoácidos. La maca es también un importante depósito de diversos ácidos grasos (linoleico, palmítico y oleico, entre otros), esteroles (stigmasterol, sitosterol y camposterol), saponinas, taninos y alcaloides, los cuales actúan como una importante fuente energética y estructural. Por otra parte, la composición mineral de la raíz de la maca, previamente secada, reveló altas concentraciones de potasio, superando largamente a otros vegetales, también contiene calcio y
42
hierro, cuya concentración supera en más del doble a la leche y lentejas, respectivamente.
Es por ello que Obregón (1998) menciona que, “No hay en la sierra alta un vegetal más rico en hierro, calcio, fósforo y vitamina E, como la maca y, desde luego, es la raíz que tiene altos niveles de proteínas así como de carbohidratos”
El contenido de azúcares depende del tamaño de las raíces, así las más grandes contienen menos azúcares y más almidón que las más pequeñas, las cuales son más dulces, menos fibrosas y de mejor sabor que las grandes. A la maca se le conoce como un alimento azucarado siendo la fructosa y la glucosa los principales azúcares. Por otro lado, Chacón (2011) encontró maltosa en extractos de esta raíz.
El análisis de los tres ecotipos de maca, según la tabla 3, revela que no existe una diferencia significativa entre ellos, la diferencia se encuentra en las concentraciones de proteína pura; entre el ecotipo rojo con respecto al ecotipo negro, de igual manera sucede con el contenido de niacina del ecotipo amarillo y el ecotipo rojo.
43 Tabla 3.
Composición Química de tres ecotipos de Maca Determinaciones Ecotipos de Maca
Amarillo Rojo Negro
Humedad, g 9,71 10.14 10.47
Proteínas, g 17.99 17.22 16.31
Grasa, g 0.82 0.91 0.82
Fibra, g 5.30 5.45 4.95
Cenizas, g 3.49 3.68 3.63
Carbohidratos, g 62.69 62.6 63.82
*N2 total, g 2.87 2.76 2.42
Proteína pura, g 8.25 9.97 7.7
Almidón, g 37.86 37.52 38.18
Vitaminas (mg)
Caroteno - - -
Riboflavina 0.61 0.5 0.76
Tiamina 0.42 0.52 0.43
Niacina 43.03 37.27 39.06
Ac. ascórbico 3.52 3.01 2.05
Sales minerales (mg)
Potasio 1130 1160 1000
Sodio 20 20 40
Magnesio 70 80 80
Calcio 190 200 240
Fosforo 320 290 280
Oligoelementos
Cobre 6 6 8
Zinc 32 30 30
Manganeso 22 20 22
Hierro 80 62 86
Boro 12 24 26
*N2 total = Nitrógeno Total, Nota: Tomado de Ruiz (2002).
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La cantidad promedio de proteína en la maca es de 12,15%, con un rango de 7,7% a 18,26%, esta variación se debe probablemente al estado de madurez de las raíces y al tipo de suelo. Comparando con la cantidad de proteína que contiene la papa, arracacha, mashua, oca, y el olluco, la maca es superior en proteína, Tadeo (2013), al realizar el estudio de la composición química de la maca identifica 18 aminoácidos, según tabla 4, lo que nos muestra un gran valor de su potencial nutritivo, estos aminoácidos son los siguientes:
Tabla 4
Aminoácidos presentes en la Maca
Aminoácidos (mg concentración/g proteína)
Acido glutámico 156.5
Arginina 99.4
Acido aspártico 91.7
Leucina 91.0
Valina 79.3
Glicina 68.3
Alanina 63.1
Fenilalanina 55.3
Lisina 54.5
Serina 50.4
Isoleucina 47.4
Treonina 33.1
Tirosina 30.6
Meteonina 28.0
HO-Prolina 26.0
Histidina 21.9
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Los ácidos grasos en la maca contienen de 0.7% a 2.2%
de extracto etéreo y un promedio de 0.77%, Tadeo (2013), realizó un estudio de la composición de la grasa de maca, obteniendo para los ácidos grasos saturados de 40.1% y ácidos grasos no saturados de 52.7%.
Así, Vílchez (2001) sostiene que la maca tiene aproximadamente 20 sustancias de ácidos grasos, que suministran calor, constituyen el vehículo de vitaminas liposolubles y favorecen la absorción de la vitamina k, auxilian la absorción de ciertos minerales y aumentan la retención de calcio y del fósforo, son estimulantes del apetito por su sabor y olor.
En cuanto al contenido de fibra Vílchez (2001), reporta la presencia de la celulosa y lignina, el contenido de fibra en general en la maca es de 1.9% a 8.5%, con un promedio de 5.93%, siendo este más alto que en el tarhui y la kiwicha e igualando a la quinua.
La presencia de la celulosa que constituye el armazón de los tejidos vegetales, ejerce en la digestión una acción puramente mecánica favoreciendo el peristaltismo, o sea el movimiento que ayuda expulsar el contenido alimenticio al exterior.
46
Los minerales cumplen un rol muy importante en la salud humana y animal. La Maca presenta minerales esenciales para la vida, y debido a ello debe ser considerada como un alimento de alto valor nutricional.
Chacón (2001), investigo en raíces y hojas de maca, encontrando presencia de minerales como potasio, calcio y cloro que conforman los macronutrientes para la nutrición, sin dejar de darle importancia a los demás elementos que presenta y que cumplen función primordial para el buen funcionamiento de nuestro organismo, como el zinc que interviene en el crecimiento, en la inmunidad, en la acción de las neuronas.
En la tabla 5 se presenta los macronutrientes principales en la maca, formado por cuatro elementos químicos, el potasio, calcio, fósforo y azufre, destacando el potasio como el mayor elemento; la tabla 6 muestra los micronutrientes de los cuales destacan 10 elementos: el Magnesio, Cloro, Sodio, Fierro, Sílice,
Tabla 5.
Macronutrientes de la maca ecotipo amarilla
Elementos Potasio Calcio Fosforo Azufre mg/100g 842 357.3 266.1 233
47 Tabla 6.
Macronutrientes de la maca ecotipo negra.
Elementos Potasio Calcio Fosforo Azufre mg/100g 1 010 356.2 344.7 136 Los carbohidratos en la maca, tienen 21.9 a 78.49%, siendo la principal fuente de energía más barata y fácil de ingerir. Según Vílchez (2001), reporta qu la maca contiene 51.81% de glúsidos o carbohidratos, que son sustancias amiláceas en cuya composición entra carbono, hidrógeno y oxígeno.
Los glúcidos presentes en la maca, cumplen la función de protección antitóxica, es anticetónica, almacena las proteínas. Tienen también fructuosa, o lebulosa que juega un rol importante en el plasma seminal, en la obtención de energía de los espermatozoides.
Las calorías en la maca son de 104 a 384 kcal, estas cantidades están en relación del total de carbohidratos que contiene las raíces en el momento de la cosecha y dependiendo del tipo de suelo y tamaño, ya que las raíces más pequeña son más dulces.
El contenido de azúcares reductores se encuentra de 6.46 a 9.95%; valores superiores a los del camote que tiene 3.24 a 4.05 %. El alto contenido de azúcares se traduce en
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el sabor dulce que aumenta con la cocción por la inversión de la sacarosa y la glucosa que son los principales azúcares, cuyos grados de dulzor son 173.3 y 74 respectivamente (Vílchez, 2001).
2.2.1.6. Propiedades funcionales de la maca (Lepidium peruvianum)
El cultivo de la maca es lo que llamamos en la actualidad
“alimento funcional”, porque sirve, no sólo para la nutrición, sino también como fuente inhibidora de toxinas o promotora de efectos deseables en el organismo.
Tradicionalmente se refiere que la maca es utilizada por sus propiedades nutritivas y para mejorar la fertilidad; sin embargo en una serie de estudios científicos se han probado otras propiedades que convierte a esta planta en un producto de potencial incalculable.
Los pobladores de los Andes peruanos atribuyen a la maca un efecto energético. Gonzales (2006) realizó un estudio en el que se demuestra científicamente que la maca incrementa el rendimiento físico en la altura.
Entre las propiedades más destacadas de la maca, se citan las siguientes: ayuda en el síndrome de fatiga crónica, disminuye los estados de estrés, aumento de resistencia
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física, mejora la percepción y el estado de ánimo, mejora la memoria, anti-depresivo, aumenta el vigor y resistencia física, combate la anemia y estimula el sistema inmunológico, combate la impotencia masculina, altamente eficaz en la etapa de menopausia y post-menopausia femenina, regula se secreción hormonal, regulador del ciclo menstrual, combate disfunciones hormonales y ayuda en problemas de osteoporosis (Porres, 2008).
Chacón (2011), ha realizado investigaciones químicas de la raíz de la Maca con la finalidad de conocer los elementos nutricionales que contiene; dentro ellos encontró muchos minerales, entre otros que son beneficiosos para la salud.
2.2.1.7. Usos industriales de la maca (Lepidium peruvianum) a. Harina de maca
Hecha a base de maca secada al sol de la meseta del bombón, micro-pulverizada, molida a bajas temperaturas, no irradiada.
b. Maca gelatinizada
Hecha a base de maca secada al sol de la meseta del bombón, la maca gelatinizada es más asimilable por el cuerpo que otros tipos de maca. La gelatinización es un proceso especial de cocción.
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c. Extracto de maca en polvo
Extracto de maca deshidratado por atomización, permite la obtención concentrada de los valores nutricionales de la maca.
d. Harina de maca en cápsulas
Hecha a base de maca secada al sol de la meseta de bombón, micro-pulverizada, molida a bajas temperaturas y envuela en cápsulas, no irradiada.
e. Otros derivados de la maca
Licor de maca
Concentrado de maca
Néctar de maca
Maca instantánea
Mermelada de maca
Almidón aislado de maca
Maca en cápsulas
Harina de maca instantánea
2.2.2. Almidón
El almidón es un carbohidrato de reserva, sintetizado y almacenado como fuente de energía, además después de la celulosa, es el segundo hidrato de carbono más abundante en
51
la biosfera. Aunque el contenido de almidón varía según la fuente de obtención, la más importante son los cereales como el maíz, arroz y trigo con un contenido aproximado de 30 a 80%, en leguminosas como el fríjol, chícharo y haba de 25 a 50% y en tubérculos como la papa, tapioca y yuca de 60 a 90%
de la materia seca. De la producción mundial de almidón aproximadamente el 83% es obtenido del maíz; después la fuente más importante es el trigo con un 7%, la papa con un 6%
y tapioca con el 4% (Buléon, Colonna & Ball, 1998).
Este polisacárido está organizado en partículas discretas conocidas como gránulos, cuya morfología, composición química y estructura son características de cada especie botánica. El tamaño de los gránulos de almidón varía de 0.5 a 100 μm. Se pueden encontrar gránulos de gran tamaño en el almidón de papa entre 15 a 100 μm y gránulos tan pequeños como los del almidón de amaranto entre 0.8 a 2.5 μm, (Bello et al., 2002). Por su tamaño los gránulos de almidón se clasifican como gránulos grandes (>25 um), gránulos medianos (>10 < 25 um) gránulos pequeños (>5 <10 um) y gránulos muy pequeños (<5 um) siendo mayores los gránulos del almidón de papa (<110 um) según lo señalado por Lindeboom, Chang & Tyler (2004).
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El tamaño, forma y estructura de los gránulos presentan una diversidad de características de acuerdo a cada especie como se observa en la figura 5 y la figura 6. Su forma es variada:
esféricos o con forma de discos para los de trigo, poliédricos en arroz y maíz, con forma de ostras irregulares en papa, filamentosos en almidón de maíz de alto contenido de amilosa, etc.
Figura 5. Microfotografía de gránulos de almidón de diferentes fuentes vegetales (Thomas & Atwell, 1999).
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Figura 6. Microfotografía de los gránulos del almidón de maca (Rondán 2010).
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2.2.2.1. Estructura química del almidón
El almidón químicamente, es un polisacárido semicristalino compuesto por D-glucopiranosas unidas entre sí mediante enlaces glucosidicos; está compuesto fundamentalmente por dos polímeros de diferente estructura: la amilosa (15 a 30 %) y la amilopectina (70 a 85 %). Los gránulos también contienen trazas de otros constituyentes como lípidos polares, nitrógeno y fósforo, en forma de fosfolípidos, que en muchas ocasiones juegan un rol importante en las propiedades funcionales del almidón (Belitz, 1997).
La relación amilosa/amilopectina y su organización física dentro de la estructura granular, le confieren a los almidones propiedades fisicoquímicas y funcionales únicas a los diferentes almidones, a pesar de la química simple del almidón, las moléculas que lo conforman son variables y complejas (Bello 1995). Por ejemplo, el tamaño de los gránulos del almidón muestra relación con la proporción amilosa/amilopectina (López 2011).
La concentración de amilosa y amilopectina es el factor que tiene mayor importancia en el comportamiento del almidón y dependiendo de su origen estas proporciones pueden variar significativamente como se observa en la tabla 7.
55 Tabla 7
Contenido de amilosa y amilopectina en almidones nativos Origen del almidón Contenido de
amilosa (%)
Contenido de amilopectina (%)
Raíces – Tubérculos
Achira 23.3 76.7
Arracacha 18.5 81.5
Ñame 31.1 68.9
Papa 25.9 74.1
Yuca 21.5 78.5
Maca 20.5 79.5
Oca 30 70
Melloco 26 74
Mashua 27 73
Miso 21 79
Cereales Maíz 25.4 74.6
Trigo 18.1 81.9
Sorgo 21.9 78.1
Arroz 18.2 81.8
Nota. Adaptado de Hurtado (1997); Rondán (2010); y Villacrés & Espin (1999).
A. Amilosa
La amilosa, es un polímero lineal formado por D- glucopiranosas que se encuentran unidas entre sí por enlaces α-(1-4) que representan un 99% de su estructura; también se ha comprobado la presencia de ciertas ramificaciones unidas por enlaces α-(1-6). Dichas ramificaciones se encuentran de manera espaciada e
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infrecuente, lo que permite observar su comportamiento esencialmente lineal (Buléon et al., 1998), tiene una masa molar aproximada de 105 a 106 kDa, un grado de polimerización
Figura 7. Estructura química de la amilosa.
Los almidones pueden tener un contenido de amilosa entre 20 y 30%, sin embargo se clasifican en diferentes grupos como son los almidones cerosos que tienen muy poca cantidad de amilosa, alrededor de 1 a 2%; los normales que contienen entre 17 a 24% de amilosa y los altos en amilosa que contienen 70% o más de este polímero (López, 2011).
El contenido de amilosa afecta las propiedades funcionales y fisicoquímicas del almidón, como por ejemplo las de gelatinización, retrogradación y las características de hincharse; cuando se enfría, la amilosa presenta una fuerte tendencia a la retrogradación, donde
57
se cristaliza formando geles de almidón, aumentando así la viscosidad de la solución.
B. Amilopectina
La amilopectina tiene un peso molecular mucho mayor que la amilosa, alrededor de 107 a 109 kDa (Buléon et al., 1998). Dependiendo de la fuente botánica, la amilopectina es el principal componente en la mayoría de los almidones entre 70 y 80%, alcanzando en ciertos casos, niveles de hasta 98 a 99% en los almidones tipo cerosos.
Por calentamiento en agua, proporciona soluciones claras y de alta viscosidad, que son además filamentosas y cohesivas; sus soluciones no tienen casi tendencia a la retrogradación, tampoco presentan envejecimiento ni formación de gel, aunque la concentración de las mismas sea muy elevada (López, 2011).
Figura 8. Estructura química de la amilopectina.
58
2.2.2.2. Composición química del almidón
Además de amilosa y amilopectina, los gránulos de almidón contienen otros componentes minoritarios como son proteínas, lípidos y minerales. De estos, las proteínas y lípidos son los más abundantes y tecnológicamente importantes. La composición química de los almidones comerciales depende de la fuente botánica, del proceso de obtención y purificación, así como de las condiciones de almacenamiento. (Beynum & Roels, 1985).
Tabla 8
Composición químico proximal de gránulos de almidón.
Fuente Humedad Carbohidratos Proteínas Lípidos Ceniza
Maíz 13 85.92 0.35 0.6 0.1
Papa 19 80.41 0.06 0.05 0.4
Trigo 14 84.59 0.4 0.8 0.15
Yuca 13 86.59 0.1 0.1 -
Sorgo 13 85.92 0.3 0.7 0.08
Arroz 15 83.15 0.45 0.8 0.5
Maca 11 80.1 6.1 1.2 -
Mashua 11 9.8 1.5 0.7 0.6
Oca 12 13.2 1.22 0.52 0.82
Arracacha 11 88.08 0.16 0.29 0.5
Quinua 11.5 80.5 1.26 0.5 0.2
Nota: Tomado de Tester, Karkaias & Qui, (2004); Arzapalo &
Huamán (2014); Champe (2011); Neira, Oblitas & Palomino (2013);
y Tabla Peruana de Composición de Alimentos (2008).
59 A. Humedad
El agua normal de hidratación en los almidones se localiza en el carbono 8 de los residuos de glucosa y su composición química depende de la fuente y el procedimiento de obtención, del proceso de secado y de la humedad relativa del medio. El contenido de humedad en los gránulos de almidón va de un 10 al 12% en cereales y 13 a 19% en almidones de tubérculos y raíces. Un contenido superior de humedad puede ocasionar daño microbiano y por tanto, el deterioro en la calidad del polímero (Moorthy, 2002).
B. Lípido
Los lípidos presentes en los gránulos de almidón se encuentran formando complejos de inclusión con las moléculas de amilosa, dichos complejos son insolubles en agua fría pero se disocian al calentarse a temperaturas superiores a los 125°C. El contenido de lípidos en almidones de tubérculos como la papa, el camote y la tapioca es muy pequeño (<0.1%) comparado con los almidones provenientes de cereales (maíz, trigo, arroz, cebada y sorgo): los cuales contienen de 0. 6 a 1.0% de lípidos. (Tester et al, 2004).
Los lípidos tienen un marcado efecto en la calidad y en
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las propiedades físicas y funcionales de los almidones, estos disminuyen la capacidad de hinchamiento, la solubilidad y la capacidad de retención de agua; son causantes de la formación de sabores indeseables durante el almacenamiento debido a su rancidez. Da lugar a pastas, películas turbias y opacas debido a la formación de complejos amilosa, lípidos insolubles, lo que afecta la viscosidad de los geles preparados con estos almidones
C. Proteínas
Los almidones de tubérculos contienen pequeñas cantidades de proteína (<0.1%) en comparación con los almidones de cereales los cuales contienen de 0.25 a O.6% (Debet & Gidley, 2006).
Al igual que los lípidos, las proteínas se encuentran asociadas con el granulo, y en la periferia del mismo; las proteínas integrales son de mayor peso molecular que las superficiales incluyen residuos de enzimas involucradas en la síntesis de almidón, especialmente sintetasas. Las proteínas confieren al almidón un aroma y sabor a harina, además de cierta capacidad espumante, así mismo Beynum y Roéis (1985) menciona que cerca del 10% de las proteínas asociadas al almidón,
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se encuentran en la superficie del gránulo y pueden ser fácilmente extraídas con agua o soluciones salinas.
Estas proteínas pueden afectar la carga superficial del gránulo, lo cual influye directamente la velocidad de hidratación la velocidad de hinchamiento, y la gelatinización del mismo.
Entre las proteínas asociadas a la superficie del granulo está la enzima a-amilasa, cuya acción hidrológica afecta las propiedades reológicas del almidón en dispersión, de ahí ya importancia de eliminarlas durante el proceso de obtención de este polímero (Moorthy, 2002).
D. Minerales
El almidón contiene cantidades traza de minerales (<0.5%) entre los que destacan; calcio, magnesio, potasio, sodio y fósforo, los cuales, con excepción del fosforo son de poca importancia en la funcionalidad del almidón. Los almidones de raíces contienen cantidades muy pequeñas de compuestos fosforados, unidos al carbono 6 de los residuos de glucosa en la molécula de amilopectina. El alto contenido de fósforo puede permitir el desarrollo de altas viscosidades a las dispersiones acuosas de almidón y también mejorar la fuerza de gel.
