UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS QUIMICA Y ANÁLISIS DE ALIMENTOS GOLDA MEYER TORRES VARGAS (Director Nacional) RUTH ISABEL RAMIREZ Acreditador DUITAMA ENERO 2012

2 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El presente módulo fue diseñado en el año 2006 por la Ingeniera de Alimentos RUTH ISABEL RAMIREZ ACERO, docente de la UNAD del CEAD de Duitama, se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde hace más de 12 años y ha ejercido cargos admisntrativos como el que actualmente sustenta: Decana espejo para la Zona Boyacá de la Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingenieria de la UNAD. El presente módulo ha tenido varias actualizaciones a cargo de la Química de Alimentos GOLDA MEYER TORRES VARGAS durante los años 2009, 2010 y 2011 y quien es tutor de la UNAD desde el 2006 y que se desempeña actualmente como director del cusor a nivel nacional. En el mes de diciembre de 2010, Ing. RUTH ISABEL RAMIREZ ACERO, apoya el proceso de revisión de estilo del módulo y dá aportes disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación de material didáctico desarrollado para el año Para el año 2012, se adelantan el proceso de acreditación bajo la supervisión de la Ing. RUTH ISABEL RAMIREZ ACERO, se elaboran objetos de aprendizaje virtual para el apoyo de las actividades de las algunas de las lecciones del módulo. 5

3 TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION 2 OBJETIVOS 3 UNIDAD DIDACTICA 1 4 ESTRUCTURA Y COMPOSICION DE LOS ALIMENTOS 4 INTRODUCCION 4 JUSTIFICACION 5 OBJETIVOS 6 CAPITULO 1: ESTRUCTURA CELULAR DE LOS ALIMENTOS 8 Lección 1: Fibras Musculares 11 Lección 2: Estructura de cereales 12 Lección 3: Estructura microscópica de tejidos vegetales 14 Leccion 4: Ubicación celular de la celulosa y hemicelulosa 16 Leccion 5. Ubicación celular de la pectina 18 CAPITULO 2: COMPONENTES ESTRUCTURALES NO NUTRICIONALES 19 Lección 6: El agua 19 Lección 7: Actividad Acuosa (Aw) 28 Lección 8: Isotermas de sorción 30 Lección 9: Enzimas 35 Lección 10: glosario enzimático 50 CAPITULO 3: COMPONENTES NUTRICIONALES ESTRUCTURALES 50 Lección 11: Carbohidratos 51 Lección 12: Aminoácidos 69 Lección 13: Proteínas 77 Lección 14: Complejos proteicos de los alimentos 90 Lección 15: Lípidos 113 Actividades Finales 129 Autoevaluación Unidad Enlaces de interés 137 Bibliografia 138 UNIDAD DIDACTICA PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS COMPONENTES 140 DE LOS ALIMENTOS INTRODUCCIÓN 140 JUSTIFICACION 141 OBJETIVOS 142 CAPITULO 4: ESTADO COLOIDAL DE LOS ALIMENTOS 144 Lección 16: Generalidades de los coloides 144 Lección 17: Soles 148 Lección 18: espumas 149 6

4 Lección 19: Emulsiones 150 Lección 20: Geles 157 CAPITULO 5: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS CARBOHIDRATOS 163 Lección 21: Propiedades funcionales de los monosacáridos 163 Lección 22: propiedades funcionales de los polisacáridos 169 Lección 23: La industria alimentaria en la modificación del el almidón 180 Lección 24: Procesos para modificar la estructura del almidón 181 Lección 25: Elaboración de jarabes 184 CAPITULO 6: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS PROTEINAS Y LIPIDOS 192 Lección 26: propiedades de hidratación dependientes de las Interacciones proteína agua 194 Lección 27. Propiedades dependientes de las interacciones proteína proteína 199 Lección 28. Propiedades de Superficie 203 Lección 29: Propiedades espumantes 206 Lección 30: Propiedades funcionales de los lípidos 212 Activiades Finales 226 Autoevaluación Unidad Enlaces de interés 231 Bibliografia 232 UNIDAD DIDACTICA 3 VITAMINAS, MINERALES, PIGMENTOS, REACCIONES DE PARDEAMIENTO, DE 234 DETERIORO QUIMICO Y MICROBIANO INTRODUCCION 234 JUSTIFICACION 235 OBJETIVOS 237 CAPITULO 7: VITAMINAS, MINERALES, PIGMENTOS 238 Lección 31: Vitaminas 238 Lección 32: Minerales 253 Lección 33: Pigmentos 257 Lección 34: Componentes del aroma 267 Lección 35: Componentes del sabor 268 CAPITULO 8: REACCIONES DE PARDEAMIENTO 273 Lección 36: Pardeamiento no enzimático 274 Lección 37: Factores que influyen en la velocidad del pardeamiento no enzimático 286 (especialmente a las reacciones de Maillard), prevención e inhibidores Lección 38 : Pardeamiento enzimático 289 Lección 39: Prevención del Pardeamiento enzimático 293 Lección 40: ejemplos e investigaciones sobre la velocidad de pardeamiento 296 CAPITULO 9: REACCIONES DE DETERIORO QUIMICO Y MICROBIANO 299 Lección 41: Oxidación de lípidos 299 Lección 42: Antioxidantes 306 Lección 43: Alteraciones Microbianas 308 7

5 Lección 44: Reacciones fotosintéticas 309 Lección 45: ejemplos e investigaciones sobre la velocidad de reacciones de deterioro 311 Actividades Finales 313 Autoevalucion Unidad Enlaces de interés 319 Bibliografia 320 UNIDAD DIDACTICA ANÁLISIS DE ALIMENTOS 322 INTRODUCCION 322 JUSTIFICACION 323 OBJETIVOS 324 CAPITULO 10: CONCEPTOS GENERALES SOBRE ANÁLISIS DE ALIMENTOS 326 Lección 46: De los tipo se análisis de alimentos 326 Lección 47 generalidades estadísticas 328 Lección 48: Muestro y análisis de datos 334 Lección 49: metrología y calibración 336 Lección 50: Aspectos normativos 337 CAPITULO 11: EQUIPOS MÁS COMUNES EN EL ANÁLISIS DE ALIMENTOS 340 Lección 51: equipos para las determinaciones en un análisis proximal 340 Lección 52: equipos para medidas gravimétricas 343 Lección 53: equipos para medidas volumétricas 347 Lección 54: equipos para evaluar las propiedades reológicas 353 Lección 55: equipos análisis instrumental 357 CAPITULO 12: ANÁLISIS POR GRUPOS DE ALIMENTOS 361 Lección 56. Constituyentes básicos 361 Lección 57: principales análisis por grupos de alimentos: lácteos 367 Lección 58: principales análisis por grupos de alimentos: Cárnicos 370 Lección 59: principales análisis por grupos de alimentos: frutas y vegetales 371 Lección 60: principales análisis por grupos de alimentos: Grasas y aceites 374 Lección 61: principales análisis por grupos de alimentos: Farináceas 376 Autoevalucion Unidad Bibliografia 384 8

6 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Nomenclatura y clasificación de las enzimas 36 Tabla 2. Cambios enzimáticos 38 Tabla 3. Cambios Bioquímicos 39 Tabla 4. principales aplicaciones de las enzimas en el procesamiento de alimentos 44 Tabla 5. Métodos para disminuir la actividad enzimática endógena de los alimentos 49 Tabla 6. Características del gránulo de almidón proveniente de diferentes fuentes alimenticias 60 Tabla 7. Propiedades físicas de los aminoácidos 72 Tabla 8. Composición del patrón provisional de aminoácidos 85 Tabla 9. Clasificación de las proteínas según la solubilidad y composición. 89 Tabla 10. Composición química y calidad proteica de algunas proteínas unicelulares 111 Tabla 11. Ácidos grasos saturados más comunes en alimentos 116 Tabla 12. Ácidos grasos insaturados más comunes en alimentos 118 Tablas 13: Pruebas cualitativas y caracterización de los lípidos 123 Tablas 14: refinamiento de aceites 127 Tabla 15. Formación de coloides. 146 Tabla 16: Observación micro de emulsiones. 156 Tabla 17. Poder edulcorante de azucares. 166 Tabla 18. Variación del grado de hidratación de algunos azucares. 169 Tabla 19: Modificaciones químicas de la celulosa en la industria de alimentos. 172 Tabla 20: Uso de los jarabes 187 Tabla 21: Propiedades funcionales del gluten. 203 Tabla 22: uso de los lípidos de acuerdo a sus características fisicoquímicas. 221 Tabla 23. Síntomas de deficiencia extrema de las vitaminas 239 Tabla 24. Minerales y requerimiento en el tejido humano. 254 Tabla 25. Función biológica de los elementos trazas. 256 Tabla 26: Degradación de clorofilas. 263 tabla 27: Estructura y sustituyentes de las antocianinas 265 Tabla 28: Modificación química delas antocianinas del repollo morado en función del ph 266 Tabla 29. Etapas del pardeamiento no enzimático. 277 Tabla 30: Números y escalas 330 Tabla 31: Normas del Codex Alimentarius. 338 Tabla 32: Normas Nacionales. 339 Tabla 32: Normas Técnicas (NTC) para alimentos 340 Tabla 33: Pasos para la filtración por gravimetría. 344 Tabla 34: los límites de tolerancia para materiales de vidrio volumétricos de clase A. 352 Tabla 35: Algunas señales utilizadas en los métodos instrumentales. 358 Tabla 36: Análisis para la leche fresca. 368 Tabla 37: Adulteraciones de la leche fresca 369 Tabla 38: Análisis para productos carne fresca 370 Tabla 39: Análisis para diferentes tipos de carne fresca 371 Tabla 40: Análisis para frutas y vegetales 372 Tabla 40: Análisis para grasas y aceites 374 Tabla 41: Análisis para determinar la oxidación en grasas y aceites. 376 Tabla 42: Análisis para farináceas 377 9

7 TABLA DE FIGURAS Figura 1: Corte longitudinal, en el músculo cardiaco 10 Figura 2: Corte longitudinal del músculo liso 11 Figura 3: Observación microscópica grano de un cereal: ubicación de Celulosa 12 Figura 4: Observación microscópica grano de un cereal: ubicación del almidón 13 Figura 5: Observación microscópica grano de un cereal: ubicación de lípidos 13 Figura 6: Estructura de la pared celular. Fuente: Margarita Soriano, Universidad de Barcelona. 14 Figura 7: Estructura celular de algunos tejidos de alimentos 16 Figura 8. Molécula de agua 21 Figura 9. Puente de hidrogeno entre moléculas de agua 22 Figura 10: Disposición tridimensional de los agregados de agua. 23 Figura 11: Esquema del proceso de adsorción de agua en monocapa en los sitios activos de la 28 superficie del alimento Figura 12: Isoterma de sorción de agua y sus zonas A,B y C 31 Figura 13. Isotermas de adsorción y desorción 32 Figura 14: Predicción del comportamiento de un alimento en función de sus procesos de hidratación 34 y desecación. Figura 16. Desarrollo de sabores 41 Figura 17. Estructura de una porción de Amilosa. 58 Figura 18: Estructura helicoidal de la amilopectina 59 Figura 19: Estructura de una porción de amilopectina. 60 Figura 20. Porción de una molécula de Pectina. 61 Figura 21. Porción de una molécula de celulosa. 63 Figura 22. Formación del enlace peptídico. 77 Figura 23. Ángulos de torsión del enlace peptídico 78 Figura 24. Estructuras secundarias de las proteínas: α -hélice y β-lamina 79 Figura 25. Organización terciaria y cuaternaria de proteínas. 80 Figura 26. Fórmulas de isómeros geométricos de los ácidos grasos. 118 Figura 27. Estructura general de los Acilglicéridos 119 Figura 28. Estructura de un fosfolípidos modelo 121 Figura 29 :Composición de la lecitina comercial 122 Figura 30. Representación esquemática de dos fases. 151 Figura 31:Variación PE con la Temperatura 165 Figura 32: Línea general de elaboración de jarabe. 185 Figura 33. Interacción proteína agua. 194 Figura 34. Efecto del ph sobre la solubilidad de algunas proteínas 195 Figura 35: Prueba de goteo para espumas 210 Figura 36: Hidrogenación de aceites. 217 Figura 37: Utilidad de las vitaminas 244 Figura 38. Rutas de degradación de la clorofila 260 Figura 39: Foto degradación de la clorofila 264 Figura 40: Sitio de oxidación de un triglicérido. 302 Figura 41: Reacciones de oxidación de los lípidos. 305 Figura 42: Esquema general de un análisis proximal 326 Figura 43: Precisión y exactitud 331 Figura 44: Equipos para la determinación de proteína bruta

8 Figura 45: Equipos para la determinación de fibra bruta. 342 Figura 46: Equipos para la determinación del extracto etéreo. 342 Figura 47: Equipos para la determinación de la cantidad de calorías. 343 Figura 48: Diferentes tipos de filtrado. 344 Figura 49: Elementos usados en la volatilización de muestras. 345 Figura 50: Diferentes tipos de Balanzas gravimétricas. 346 Figura 51: Elementos para las operaciones gravimétricas. 346 Figura 52: Mufla 347 Figura 53: Desecador o estufa. 347 Figura 54: Elementos usados en las determinaciones volumétricas. 351 Figura 55: Meniscos 353 Figura 56: Equipos para las propiedades reológicas de la harina de trigo. 355 Figura 57: Equipos para la medición de viscosidad 356 Figura 58: Equipos para la medición de textura. 357 Figura 59: Equipos usados en el análisis instrumental. 360 Figura 60: Balanza de humedad 362 Figura 61: Diferentes tipos de refractómetros. 373 Figura 62: Uso y lectura del refractómetro

9 INTRODUCCION El estudio de los alimentos se ha tratado como una ciencia aparte debido a la complejidad de su contenido. El desarrollo de esta ciencia tiene su aplicabilidad en la compresión y entendimiento de la química de alimentos que se encarga de profundizar los conceptos y mecanismos del comportamiento químico de los componentes de estos sistemas en los diferentes procesos y etapas a que son sometidos durante su transformación y elaboración. La química de alimentos se apoya en los conceptos fundamentales de la química general, bioquímica, nutrición y microbiología que la hacen una herramienta integradora en la formación profesional del ingeniero de alimentos. El módulo esta diseñado para estudiantes que realizan su proceso mediante la modalidad a distancia de forma clara y precisa en temas generales que constituyen la formación básica en química de alimentos. El contenido se divide en tres unidades didácticas. La primera unidad se denomina ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LOS ALIMENTOS; en ella se presentan los conceptos fundamentales relacionados con la estructura, características, propiedades de los componentes mayoritarios de los alimentos. Es de gran importancia este capítulo, porque el estudiante adquiere las bases teóricas fundamentales para la comprensión de los cambios físicos, químicos, sensoriales y nutricionales que presentan los alimentos y productos al ser sometidos a procesos industriales como también para la formulación de nuevas tecnologías y soluciones técnicas. La unidad didáctica dos. PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS: las temáticas van dirigidas a tener nociones del comportamiento y el cambio de las propiedades y estructuras de los alimentos para buscar cambios y características propias de determinados productos que solo se consiguen haciendo uso de estas mismas propiedades inherentes del alimento. El estudiante adquiere competencias en la transformación de las propiedades de los alimentos con el fin de presentar nuevas innovaciones en la formulación y desarrollo de nuevos productos, estandarización de procesos y así dar respuestas e innovar en la industria de alimentos. Se complementa el módulo con la tercera unidad VITAMINAS, MINERALES, PIGMENTOS, REACCIONES DE PARDEAMIENTO, DE DETERIORO QUIMICO Y MICROBIANO. Las vitaminas y minerales son componentes esenciales en la dieta diaria, es por eso que el estudiante debe manejar la parte nutricional paralelo a la tecnología para ofrecer alimentos que cumplan con los requerimientos nutricionales; además mantener y brindar productos con una apariencia 12

10 agradable al consumidor al conservar en los procesos los pigmentos que caracterizan a cada producto. Dentro de esta unidad, se analizan las principales reacciones de deterioro químico, microbiano y enzimático que sufren los alimentos y productos transformados. Se considera las reacciones de pardeamiento desde el punto no enzimático, detallando los mecanismos de reacción que conllevan a la formación de sustancias y coloraciones deseables y no deseables, dependiendo de las condiciones del producto final. El comportamiento de los lípidos y su composición, hacen que se consideren de manera individual entre las reacciones de deterioro porque generan en el producto características indeseables, produciendo alteración en las características físicas, químicas, nutricionales y organolépticas. El estudiante debe conocer los mecanismos de reacción y los productos finales para diseñar sobre estos mecanismos métodos y ensayos que prevengan la aparición y desarrollo de estas alteraciones y proporcionar alternativas de los métodos ya existentes. Este modulo presenta la Unidad 4: análisis de alimentos. El estudiante podrá relacionar la ciencia de los alimentos y los análisis que se pueden realizar a cada uno de los componentes de los alimentos. Por lo tanto los conceptos generales sobre análisis de alimentos, conocer los equipos más comunes y el análisis específico para grupos de alimentos, constituyen de esta unidad, parte fundamental de la formación del ingeniero de alimentos de la Unad. En cada una de las unidades, el estudiante puede encontrar actividades de complementación, se presentan actividades iniciales y finales. Las actividades iniciales busca activar la estructura cognitiva del estudiante y motivarlo para iniciar el proceso de aprendizaje. El estudiante debe realizar esta actividad sin apoyarse en fuentes bibliográficas. Las actividades finales, se busca realizar un cierre o balance de aprendizaje, cuando el compara los resultados de la actividad inicial con lo estudiado en la unidad, y en ese momento es donde él logra consolidar su proceso. Es importante aclarar que estas actividades son de carácter formtivo. Se presenta notas en recuadros de color azul opcionales para que el estudiante complemente con temas de actualidad su autogestión de aprendizaje, recuerde temas o se entere de la importancia y aplicación de las temáticas tratadas. Al igual enlaces virtuales que puede el estudiante consultar al tiempo que navega por el curso. Señor estudiante, el módulo Química y análisis de los Alimentos complementa su formación profesional. Su análisis, desarrollo y profundización de las temáticas planteadas lo conducirán a ser un competente profesional en el manejo y compresión en los fundamentos de la ciencia de los alimentos. 13

11 OBJETIVOS Analizar y determinar la composición y estructura de los carbohidratos, proteínas, enzimas, lípidos presentes en los alimentos. Conocer y analizar las propiedades y el contenido de agua en los alimentos Determinar y describir las propiedades funcionales de los componentes de los alimentos y determinar su uso en la industria de alimentos. Identificar los diferentes métodos que permiten modificar las propiedades funcionales de los alimentos. Establecer la estructura e importancia industrial de las vitaminas, minerales y pigmentos. Interpretar y analizar alimentos. las principales reacciones de deterioro en los 14

12 UNIDAD 1: ESTRUCTURA Y COMPOSICION DE LOS ALIMENTOS INTRODUCCION Conocer la estructura química de los componentes de los alimentos conlleva a la compresión de los cambios que sufre a lo largo de un proceso industrial. La disponibilidad y cantidad de estos componentes y su contenido de agua determinan las transformaciones en sus características y propiedades. Es importante determinar el contenido de agua en los alimentos, ya que este es un elemento primordial para las funciones metabólicas de las fuentes alimenticias. Este contenido favorece las características organolépticas de los productos finales; pero también es un medio que permite el deterioro de los alimentos. En los capítulos siguientes, se desarrollan los temas relacionados con la estructura y composición de los alimentos. Se determina la importancia de cada uno de ellos, la estructura, clasificación y las pruebas cualitativas y cuantitativas para ser caracterizados en el laboratorio. Es importante recalcar la importancia que tiene para el ingeniero de alimentos el conocer a profundidad los componentes de los alimentos y sus características para hacer uso de ellas y aplicarlas para el desarrollo o mejoramiento de técnicas industriales en la obtención de nuevos productos ó en el diseño de alimentos con propiedades funcionales dirigidos a poblaciones con deficiencias metabólicas o nutricionales ó simplemente para el mejoramiento de los procesos tradicionales ya existentes. Al conocer y hacer uso de los componentes se entiende y se comprende los cambios que experimentan los alimentos y productos transformados tanto de origen animal o vegetal y se debe tener en cuenta y estudiar los mecanismos que tiene los tejidos alimenticios innatos para protegerse de alteraciones naturales y proponer mecanismos para preservar la vida útil del alimento transformado teniendo en cuenta su composición. 4

13 JUSTIFICACION El desarrollo de esta unidad se hace necesario en el curso de Química de alimentos porque contiene las temáticas básicas para los estudiantes que toman cursos específicos del área de alimentos referentes a la compresión de contextos de las los cursos tecnológicos propios de la tecnología y ciencias de los alimentos. Es preciso el diseño de esta unidad porque se presentan los conceptos sobre la esturctura celular de cereales, fibras musculares y granos de cereal, los componentes que hacen parte de la estrucutra de los alimentos pero que no aportan al contenido nutricional y los compoentes estrucutrales con aportes nutricionales; temáticas que serán de gran importancia en el perfil profesional de los estudiantes de ingeniería de alimentos. Su estructuración permite al estudiante comprender los conceptos sobre las generalidades, formas y localización del agua en los alimentos, clasificación y estructura de aminoácidos, proteínas y enzimas; temas que en primera instancia no son fáciles de asimilar y se necesitan de la activación metacógnitiva de presaberes de cursos como química general, química orgánica y las respectivas tecnologías (cárnicos, cereales, lácteos, ect...). 5

14 OBJETIVOS Conocer la estructura, propiedades, formas y localización del agua en los alimentos Conocer la importancia de la actividad acuosa y el contenido de agua en los alimentos. Identificar la estructura química de los carbohidratos, su clasificación e importancia en la elaboración de alimentos. Distinguir las diferentes pruebas para la caracterización azúcares. Identificar la estructura básica y los niveles de estructuración de las proteínas. Distinguir las diferentes pruebas para la caracterización de amoniácidos y proteínas. Conocer proteica. y manejar los diferentes métodos para determinar la calidad Conceptuar la estructura, clasificación y principales enzimas presentes en los alimentos y sus usos. Identificar la estructura, composición química de los lípidos, su clasificación e importancia en la elaboración de alimentos y su identificación en el laboratorio. Conocer los diferentes métodos de extracción y refinación de los aceites comestibles. 6

15 CONTENIDO DE LA UNIDAD CAPITULO 1: ESTRUCTURA CELULAR DE LOS ALIMENTOS CAPITULO 2: COMPONENTES ESTRUCTURALES NO NUTRICIONALES CAPITULO 3: COMPONETES NUTRICIONALES ESTRUCTURALES 7

16 CAPITULO 1. ESTRUCTURA CELULAR DE LOS ALIMENTOS En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta la estructura microscópica las unidades formadoras del tejido muscular, del grano de cereal y la ubicación celualr de los componentes de los vegetales como la celulosa, hemicelulosa y la pectina. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, es estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 1, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Señor estudiante de acuerdo a las experiencias previas y /o conocimientos realice la siguiente temática. Mediante un mapa conceptual realice la clasificación de las proteíanas del tejido musucular, Mediante un mapa conceptual describa las partes de grano de trigo. Lección 1: Fibras Musculares El tejido muscular es el responsable de los movimientos corporales. Está constituido por células alargadas, las fibras musculares, caracterizadas por la presencia de gran cantidad de filamentos citoplasmáticos específicos. Las células musculares tienen origen mesodérmico y su diferenciación ocurre principalmente en un proceso de alargamiento gradual, son síntesis simultánea de proteínas filamentosas. De acuerdo con sus características morfológicas y funcionales se pueden diferenciar en los mamíferos tres tipos de tejido muscular: el músculo liso, estriado esquelético y cardiaco. 8

17 1.1 Músculo estriado o esquelético Está formado por haces de células muy largas (hasta de 30 cm.) cilíndricas y multinucleadas, con diámetro que varía de 10 a 100 um., llamadas fibras musculares estriadas. Las fibras musculares están organizadas en haces envueltos por una membrana externa de tejido conjuntivo, llamada empimisio. De éste parten septos muy finos de tejido conjuntivo, que se dirigen hacia el interior del músculo, dividiéndolo en fascículos, estos septos se llaman perimisio. Cada fibra muscular está rodeada por una capa muy fina de fibras reticulares, formando el endominsio. El tejido conjuntivo mantiene las fibras musculares unidas, permitiendo que la fuerza de contracción generada por cada fibra individualmente actúe sobre el músculo entero, contribuyendo así a su contracción. Este papel del tejido conjuntivo tiene gran importancia porque las fibras generalmente no se extienden de un extremo a otro del músculo. Las miofibrillas son estructuras cilíndricas, con un diámetro de 1 a 2 mu, y se distribuyen longitudinalmente a la fibra muscular, ocupando casi por completo su interior. Al microscopio se observan estriaciones transversales originadas por la alternancia de bandas claras y oscuras. La estriación es debida a repetición de unidades llamadas sarcómeros. Cada unidad está formada por la parte de la miofibrilla que queda entre dos líneas Z y contiene una banda A. Al corte longitudinal el músculo esquelético no es ramificado y se pueden identificar por los núcleos periféricos (teñidos de azul). Las grandes líneas verticales blancas son daños celulares a causa del corte seccionado con cuchillo. Tomado de: University of Kansas Medical Center 9

18 1.2 Músculo cardiaco Constituido por células alargadas, formando columnas que se anastomosan irregularmente. Estas células también presentan estriaciones transversales, pero pueden distinguirse fácilmente de las fibras musculares esqueléticas por el hecho de poseer solo uno o dos núcleos centrales. La dirección de las células cardíacas es muy irregular y frecuentemente se pueden encontrar con varias orientaciones, en la misma área de una preparación microscópica, formando haces o columnas. Esas columnas están revestidas por una fina vaina de tejido conjuntivo, equivalente al endomisio del músculo esquelético. Hay abundante red de capilares sanguíneos entre las células siguiendo una dirección longitudinal a éstas. La célula muscular cardiaca es muy semejante a la fibra muscular esquelética, aunque posee más sarcoplasma, mitocondrias y glucógeno. También llama la atención el hecho de que en los músculos cardiacos, los filamentos ocupen casi la totalidad de la célula y no se agrupen en haces de miofibrillas. Figura 1: Al corte longitudinal, en el músculo cardiaco se pueden identificar en el centro de cada celular los núcleos, las estrías de las fibras son ramificadas y en forma de discos intercaladas (flechas). Tomado de: University of Kansas Medical Center. 1.3 Músculo visceral o liso La fibra muscular lisa también está revestida por una capa de glicoproteína amorfa (glucálix). Frecuentemente los plasmalemas de dos células adyacentes se aproximan mucho formando uniones estrechas (Tight) y gap. Esas estructuras no sólo participan de la transmisión intercelular del impulso, sino que mantienen la unión entre las células. Existe un núcleo alargado y central por célula. La fibra 10

19 muscular lisa presenta haces de miofilamentos que cruzan en todas direcciones, formando una trama tridimensional. El músculo liso, recibe fibras del sistema nervioso simpático y para simpático y no muestra uniones neuromusculares elaboradas (placas motoras). Frecuentemente los axones terminan formando dilataciones del tejido conjuntivo. Estas dilataciones contienen vesículas sinápticas con los neurotransmisores acetilcolina (terminaciones colinérgicas) o noradrenalina (terminaciones adrenérgicas). Figura 2: Corte longitudinal del músculo liso: es identificado por largas fibras y delgadas, sus núcleos son centrales, es un tejido más disperso y hay ausencia de estrías. ). Tomado de: University of Kansas Medical Center 11

20 Lección 2: Estructura de cereales 1.4 Granos de cereales: La estructura anatómica de los granos de los cereales es básicamente similar, diferenciándose de un cereal a otro en ciertos detalles. Los granos de trigo, centeno y maíz son cariópsides desnudas, están formados por una cubierta externa denominada pericarpio y por la semilla. La semilla está conformada por una envoltura. El germen y el endospermo. Los granos de avena, cebada y arroz, son cariópsides cubiertas. Contiene, además del pericarpio, las glumas o cascarillas que constituyen la cáscara del grano. Al hacer cortes delgados longitudinales de algunos granos de cereales y teñirlos con colorantes específicos, se puede observar al microscopio la ubicación celular de algunos componentes nutricionales como la celulosa, hemicelulosa, ligninas, almidón y lípidos: Figura 3: Observación micróscopica grano de un cereal: unicación de Celulosa 12

21 El endospermo es el tejido nutricional formado en el saco embrionario y puede ser usado como fuente de nutrientes por el embrión durante la germinación. Está conformado por células muy apretadas y gránulos de almidón incrustados en una matriz, gran parte de ésta es proteína: Figura 4: Observación microscópica grano de un cereal: ubicación del almidón Los granos como el trigo, tiene alrededor de 3-5% de lípidos en el salvado, del 6-11% en el germen y de % en el endospermo. En las siguientes graficas se observa que los lípidos se concentran más hacia el germen del grano y la capa de aleurona. Figura 5: Observación microscópica grano de un cereal: ubicación de lípidos 13

22 Lección 3: Estructura microscópica de tejidos vegetales 1.3 Frutas y verduras Las células vegetales están rodeadas por una estructura rígida, la pared celular, que se asienta externamente sobre la membrana plasmática. La pared celular vegetal proporciona la forma y el soporte a la planta, ayuda a regular procesos fisiológicos, incluyendo la respuesta de defensa, y actúa de barrera física a la invasión de patógenos. Está compuesta por una mezcla compleja de carbohidratos, lignina y proteínas. La pared celular protege a la membrana celular. La pared celular es la responsable de la textura de los alimentos vegetales. La pared celular de las plantas superiores está formada por tres capas: lámina media, pared primaria y pared secundaria. La lámina media, primera capa que se deposita durante la división celular, está formada principalmente por polisacáridos pécticos y mantiene la unión entre las células adyacentes. Una vez completada la división se deposita la pared primaria, formada fundamentalmente por celulosa. La pared secundaria comienza a depositarse hacia el final del crecimiento de la célula y continúa cuando éste ha parado. Consiste básicamente en tres capas de microfibrillas de celulosa en menor proporción que en la primaria, con diferente orientación embebidas de lignina, que realiza un papel cementante. Contiene además otros polisacáridos tales como hemicelulosa. En conjunto, es una estructura más gruesa que la pared primaria, con una mayor rigidez y resistencia. Figura 6: Estructura de la pared celular. Fuente: Margarita Soriano (2004), Universidad de Barcelona. 14

23 Las células vegetales jóvenes, tiene solamente una pared celular primaria, por lo que son tiernas cuando se consumen. Según la planta crece, se forma una pared celular secundaria, la cual da al vegetal una textura similar a la madera cuando se consume. Dentro de la estructura microscópica, cuando se hacen cortes longitudinales y transversales de un vegetal y colorearlos con azul de metileno, se observara la ubicación de la celulosa, hemicelulosa que componen la pared celular. Además de la pared celular, al microscopio se puede observar otras estructuras que además de dar soporte dan protección como son las células de la epidermis, las cuales protegen al vegetal de los agentes externos y son reserva de agua, los cloroplastos los cuales son reserva de alimento y los leucoplastos y Amiloplastos: Señor estudiante: Recuerda la función de los cloroplastos? Que proceso bioquímico se realiza en ellos? Si no lo recuerdas, te invito a que repases tus apuntes de biología. 15

24 Figura 7: Estructura celular de algunos tejidos de alimentos Fuente: resultados laboratorio Curso Biología Unad Duitama LECCION 4: Ubicación celular de la celulosa y hemicelulosa Los vegetales están constituidos básicamente por holocelulosa, lignina, resinas, aceites volátiles, ceras, taninos, proteínas, lípidos, ácidos, minerales y agua. La holocelulosa está constituida por celulosa (40 al 60%) y hemicelulosa (15-35%) la cual es utilizada para fabricar papel. 16

25 La celulosa está ubicada en la pared primaria, mientras que la hemicelulosa está ubicada en la pared secundaria junto con la lignina y en menor proporción en la pared primaria. Es necesario tener en cuenta que la pared primaria es flexible y asociada a células vivas con disposición desordenada de fibrillas, mientras que la pared secundaria es gruesa y asociada a células muertas, con disposición de fibrillas en capas de manera ordenas y superpuestas. La celulosa es un polisacárido lineal y la hemicelulosa es un compuesto no glúcido ramificado. Para García, A. Riaño, C. (1999), en algunos frutos como el grano de café verde la mayor reserva de polisacáridos se encuentra en la pared celular constituida típicamente por microfibrillas de celulosa, envuelta por una fase continua de lignina, pectinas y hemicelulosas. Su fraccionamiento solo es posible mediante la ruptura de los enlaces físicos, que ocurre debido a fuerzas secundarias, a los efectos polares acumulados por largas cadenas de polisacáridos y de algunos enlaces químicos covalentes de los compuestos En la industria se utilizan métodos mecánicos, semi-químicos, químicos y biológicos para separar la celulosa de los otros componentes de la pared celular, según el uso y las características del material vegetal 1 En las observaciones microscópicas de productos vegetales al corte transversal, en estado fresco y cocido como por ejemplo espinacas se observa el estado de la pared celular por cambios en la composición de la celulosa en la pared primaria: 1 García, A. Riaño, C. (1999). Extracción de celulosa a partir de la borra del café. Manizales: Cenicafé. 17

26 LECCION 5. Ubicación celular de la pectina Las sustancias pécticas son mezclas complejas de polisacáridos que constituyen una tercera parte de la pared celular de las plantas dicotiledóneas y de algunas monocotiledóneas. Estas sustancias pécticas se encuentran en la mayor parte en tejidos vegetales parenquimatosos y meristemáticos. En ellos, las zonas más ricas corresponden a la pared primaria de las células y a la lámina media que las separa, siendo en la lámina media más abundante. La pectina se halla asociada a otros constituyentes de la membrana como la celulosa y la hemicelulosa, mediante uniones físicas y/ó químicas, actuando como cementante intercelular y dando rigidez a los tejidos. En la siguiente figura se muestra como podrían estar interconectados los dos componentes principales de la pared celular primaria. Las moléculas de hemicelulosa están unidas mediante enlaces de hidrógeno a la superficie de la microfibrillas que forman las células de celulosa. Algunas de las moléculas de hemicelulosa presentan puentes cruzados son moléculas de pectina mediante cortas moléculas de pectina neutra. Las glicoproteínas de la pared celular están enlazadas a moléculas de pectina. 2 Componenetes principales de la pared celular primaria Fuente: García, F. Santamaria, Ma P. (2006). Biología Botánica tomo I. Valencia: Universidad Politecnica de Valencia.. 2 García, F. Santamaria, Ma P. (2006). Biología Botánica tomo I. Valencia: Universidad Politecnica de Valencia.. 18

27 CAPITULO 2. COMPONENTES ESTRUCTURALES NO NUTRICIONALES El estudiante puede encontrar en el capítulo 2, de forma clara y ordenada los conceptos sobre agua su estructura, formación de puentes de hidrógeno, localización dentro de los alimentos, la forma de medirla y la importancia en la conservación de alimentos, este capítulo finaliza con la presentación de conceptos de enzimas, su clasificación y papel en la industrialización de alimentos. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 2, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Lección 6 : El agua Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Señor estudiante de acuerdo a las experiencias previas y /o conocimientos realice la siguiente temática. En general los alimentos son perecederos, por lo que necesitan ciertas condiciones de tratamiento, conservación y manipulación Su principal causa de deterioro es el ataque por diferentes tipos de microorganismos y reacciones enzimáticas. En una matriz, describa, sin consultar fuentes bibliografica, el papel del agua en los alimentos y los objetivos de aplicar métodos de conservación como la deshidratación, liofilización y la congelación. 6.1 Estructura y propiedades del agua Sus propiedades son únicas y excepcionales, especialmente en cuanto ellas se relacionan con los procesos vitales y los hechos alimentarios. Este carácter único y excepcional se hace evidente cuando dichas propiedades físicas se comparan con las de otras sustancias similares al agua en peso molecular o estructura química: CH 4, NH 3, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. Esta comparación nos permite comprobar que, frente a tales compuestos, el agua posee valores que en grado sorprendente son altos para sus puntos de fusión, y ebullición, su tensión superficial, constante dialéctica, calor especifico, calores de fusión, vaporización y sublimación, su densidad en estado líquido es moderadamente baja. Así mismo ofrece la extraña propiedad de dilatarse al solidificarse y una viscosidad que, a la luz de lo anterior, es raramente normal. Su conductividad térmica es grande, 19

28 comparada con la de otros líquidos, en tanto que la conductividad térmica del hielo es moderadamente grande en comparación con la de otros sólidos no metálicos. Pero esta conductividad térmica del hielo a 0º C es alrededor de cuatro veces la del agua a la misma temperatura, lo cual indica que el hielo conduce el calor a mayor velocidad que el agua inmovilizada, como seria el caso de un tejido biológico. La difusión térmica en el agua y en el hielo indica la velocidad a la cual estos dos estados físicos experimentan cambios en la temperatura. La difusividad térmica en el hielo es alrededor de nueve veces superior a la difusión en el agua, lo cual muestra que en un ambiente dado el hielo experimenta los cambios de temperatura a mucha mayor velocidad que el agua. Estas propiedades cumplen papel importante en el comportamiento del agua en los alimentos de los cuales ella es componente o a los que ella es incorporada durante la manipulación, conservación, procesamiento y elaboración. Por ejemplo la considerable diferencia entre la densidad del agua y del hielo pueden producir daños en la estructura física interna al congelar los alimentos. Los cambios en la densidad del hielo con la temperatura pueden generar tensiones en los alimentos congelados y, puesto que los sólidos son mucho menos elásticos que los semisólidos, pueden producirse daños estructurales ocasionados por tales temperaturas fluctuantes, aun en los casos en que esas fluctuaciones se presenten por debajo del punto de congelación. Los valores excepcionales y comparativamente altos en las propiedades calòricas del agua son de importancia para las operaciones de procesamiento de alimentos, tales como la congelación y el secado. Las diferencias en los valores de la conductividad y difusión térmica del agua y del hielo proporcionan buena base para explicar por qué los tejidos vegetales y animales se congelan mas rápidamente que se descongelan ante cambios iguales en la temperatura. La ciencia encuentra la razón de tal comportamiento en la estructura de la molécula del agua y en su consecuente capacidad para formar puentes de hidrogeno entre sus propias moléculas y con las moléculas de otros compuestos. La capacidad del agua para unirse tridimensionalmente, mediante puentes de hidrogeno, proporciona una explicación lógica a muchas de sus insólitas propiedades, tales como los grandes valores de su calor especifico y sus puntos de fusión, vaporización y sublimación, toda vez que se necesita energía adicional para romper los puentes de hidrogeno entre unas y otras moléculas de agua. 20

29 Señor estudiante: un razonamiento válido para explicar por qué los tejidos vegetales y animales se congelan con mayor velocidad que el proceso de descongelación podría ser la diferencia entre los valores de conductividad y difusividad térmica y su relación con su estructura molecular del agua en la capacidad de formación de puentes de hidrogeno entre moléculas para absorber grandes cantidades de calor. Esta de acuerdo? Anímese y redacte su propio criterio! El agua induce también la formación de enlaces hidrófobos o hidrofóbicos. Los compuestos orgánicos de los materiales biológicos y de los alimentos poseen radicales apolares que tienden a repeler el agua, por lo que su capacidad para unirse a ella y disolverse en ella es nula o muy baja. Los radicales hidrocarbonados representan el grupo más hidrofibico. Cuando dichos grupos se encuentran o son colocados en un medio acuoso, ellos tienden a asociarse entre si, uno a otro, mas bien que con las moléculas de agua. La unión de tales grupos constituye el enlace hidrofobico. En consecuencia el agua puede afectar la conformación de las macromoléculas de los alimentos cuando ella tenga algún efecto sobre cualquiera de los enlaces no covalentes que estabilizan la estructura de la gran molécula. Estos enlaces covalentes son de tres clases: puentes de hidrogeno, enlaces iónicos y enlaces apolares. En forma reciproca, las moléculas y los iones disueltos o dispersos en el agua ofrecen variables influencias sobre la estructura de dicho líquido, al igual que sobre la estructura del hielo cuando los alimentos, tejidos y fluidos biológicos son sometidos a congelación Bermudez, Silvia (1999). Presenta la estructura de la moléculas del agua tiene una forma en V con un ángulo de enlace de aproximadamente 105º (ver figura 8). 3 Figura 8. Molécula de agua Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. La alta densidad electrónica en la molécula hacia el átomo de oxigeno, produce una distribución desbalanceada de la carga eléctrica, haciendo que la molécula de 3 Bermudez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fé de bogotá: Unad. 21

30 agua sea altamente polar con una carga neta de cero, pero parcialmente positiva hacia los átomos de hidrogeno (+) y parcialmente negativa en el oxigeno (-). Cuando las moléculas de agua se aproximan, se produce una atracción electrostática entre los polos de diferente carga, produciéndose una redistribución electrónica en las moléculas que aumentan dicha interacción. Una unión de esta clase se denomina puente de hidrógeno. (Figura 9). Figura 9. Puente de hidrogeno entre moléculas de agua Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Debido a sus cargas parciales, cada molécula de agua tiene lugares que actúan como receptores y dos lugares que ejercen con donadores, por lo que las interacciones entre cuatro moléculas s de agua pueden originar estructuras tridimensionales de orientación tetraédrica y desarrollar grandes agregados moleculares. Cada molécula de agua es potencialmente capaz de formar cuatro puentes de hidrogeno. La formación de estos enlaces entre las moléculas de agua pura ocurre no solo en el estado liquido, sino también en el estado sólido. La cantidad de puentes de hidrogeno formados depende en parte de la temperatura, así a -183ºC existe el 100% de los enlaces posibles, a 0ºC el 50% y a 100ªC solo se forman unos pocos. Bello, José (2008). Se ha comprobado que la estructura del agua líquida, resulta extraordinariamente dinámica, puesto que de modo continuo se forman y se destruyen puentes de hidrogeno con un promedio de vida de segundos, así por ejemplo, a la temperatura de 0ºC cada molécula de agua líquida forma 22

31 interacciones a través de puentes de hidrogeno con un promedio de 4 moléculas de agua 4. Figura 10: Disposición tridimensional de los agregados de agua. Números de moléculas de agua unidas a partir de una sola molécula. Fuente: Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil. La diferencia básica entre la estructura física del agua líquida y la del hielo radica en la cantidad de enlaces de hidrogeno existentes y en la estabilidad de los mismo. El número de coordinación y las distancias entre sus átomos moleculares y los vecinos más próximos, justifican los cambios de densidad que se observan el e lagua, dentro de sus estados sólidos y líquidos. Las constantes físicas muestran que el agua presenta valores más altos que los de otras sustancias con pesos moleculares similares. Este comportamiento anormal del agua se atribuye a estos enlaces intermoleculares y a la energía adicional que se requiere para romperlos. El agua en los alimentos actúa como solvente. La estructura del agua en los alimentos está influida por los diferentes componentes que existen: Los electrolitos como el Na+, K+ y Cl- que están fuertemente hidratados en solución disminuyen el numero de enlaces intermoleculares formados; las sustancias con grupos no polares tienden a aumentarlos, mientras las moléculas que son capaces de formar puentes de hidrogeno, modifican o no la estructura del agua dependiendo de la compatibilidad que pueda haber con la red existente. 4 Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil. 23

32 El agua a su vez modifica las propiedades de los componentes en solución, tal es el caso de la estructura y propiedades de las proteínas. Debido a esta mutua influencia del agua con los diversos componentes de los alimentos, las propiedades del agua en los productos alimenticios parcialmente deshidratados aparecen profundamente modificadas. 6.2 Forma y localización del agua en los alimentos Los trabajos y estudios realizados por la ciencia indican que el agua puede estar presente en los alimentos bajo diferentes formas, de acuerdo con la estructura física y la composición química de los tejidos y productos alimenticios. Podemos pensar por ejemplo que en los alimentos líquidos, como una bebida, un jugo o la leche, las sustancias sólidas y sus moléculas y aun sus iones se encuentran disueltos o suspendidos dentro del agua rodeada de grandes proporciones de moléculas de agua por todas partes. Precisamente por esta razón se dice que en tales condiciones el agua constituye lo que se ha llamado la fase continua, fase dispersante o fase disolvente, mientras que las sustancias en ella suspendidas o disueltas constituyen la fase discontinua, fase dispersa o fase disuelta. La distinción entre las diferentes formas del agua en los alimentos no dispone aun de una terminología clara y precisa, lo cual proviene precisamente del hecho de no ser posible establecer tampoco una clasificación exacta y con limites definidos entre unas y otras formas del agua presente en los tejidos y fluidos biológicos y en los materiales alimenticios. Hay quienes por ejemplo, consideran que en los alimentos sólidos el agua se encuentra como agua libre embebida dentro de los tejidos vegetales y animales y al mismo tiempo como agua unida a diversos constituyentes orgánicos de los productos. Desde este punto de vista se distinguen entonces dos tipos generales de agua: agua unida o ligada y agua libre. El agua libre seria aquella que se comporta de modo igual o muy similar a como lo hace en su condición de agua pura. Por ejemplo ella fluiría libremente bajo la acción de una fuerza moderadora. Pero en variables grados toda el agua de los alimentos esta bajo la influencia de las estructuras biológicas o de los solutos y por tanto se comportara de manera diferente a como lo hace en su forma pura. El Agua ligada es la que se halla unida a los componentes del alimento por puentes de hidrogeno formando una monocapa, sus propiedades están profundamente modificadas en relación con las del agua pura. No actúa ni como solvente ni como medio de reacción y no se puede congelar. 24

33 Otros científicos y autoridades en la materia encuentran conveniente considerar tres tipos o formas de agua presente en los alimentos: agua capilar, agua de monocapa, agua débilmente ligada. El agua ligada puede ser fuertemente atraída y retenida luego de una forma rígida y ordenada, por lo cual no se congela ni es utilizable como solvente. Por tanto resulta difícil establecer una definición y distinción exacta del agua ligada, pues ello dependería de la técnica empleada para su medición. Estas consideraciones conducen a dos definiciones de agua unida o ligada: a) es aquella agua que permanece sin congelar a una temperatura determinada por debajo de 0º C, generalmente 20 º C; b) es aquella agua que, en un sistema dado, no puede ser utilizada como solvente. El agua incongelable, basada en los contenidos de proteína, ofrece ligeras variaciones entre uno y otro alimento. Un 8 a 10 % del agua total de los tejidos animales no es congelable. La clara de huevo, la yema de huevo, la carne y el pescado contienen alrededor de 0.4 gramos de agua incongelable por gramo de proteína seca, lo cual corresponde a 11. 4% del agua total en la carne magra. Otros autores distinguen, cuando menos, cuatro tipos formas de agua asociada a los alimentos: agua capilar, agua de solución, agua adsorbida, y agua de composición. El agua capilar es el agua retenida en la finísima red de espacios capilares extracelulares que se encuentran en los tejidos vegetales y animales alimentarios. Esta agua es integrante del fluido extracelular y tiene desde luego una presión de vapor marginalmente mas baja que la del agua libre. Esta disminución de la presión de vapor depende de las fuerzas de atracción y condensación capilar, las cuales a su vez dependen ante todo de las dimensiones de los capilares constituidos por los espacios intercelulares.por otra parte la presión de vapor de esta agua estará afectada por sustancias dispersantes o disueltas en el tejido intersticial o intercelular. El agua de solución corresponde fundamentalmente al agua del fluido intracelular de los tejidos animal y vegetal.la mayoría de los alimentos contienen muchas sustancias solubles en agua, tales como azucares, sales, minerales, ácidos orgánicos, aminoácidos, vitaminas y pigmentos. Estos componentes forman en el alimento soluciones más o menos concentradas, de acuerdo a las proporciones relativas de agua y de solutos. La presión de vapor de estas soluciones será obviamente mas baja que la presión de vapor del agua pura y el valor e intensidad de este descenso en la presión de vapor dependerá del grado de concentración de los compuestos disueltos. 25

34 El agua absorbida es el agua retenida y unida a los puntos electrostáticamente activos de las macromoléculas de los alimentos, tales como las proteínas o los carbohidratos complejos. Las moléculas de agua se van uniendo en creciente proporción, a medida que aumente la presión o concentración o cantidad de humedad, sobre la superficie de la macromolécula. Hay quienes consideran que llega un momento en el cual se ha formado una capa continua e interrumpida de un espesor de una molécula de agua. Es lo que se ha denominado el estado de capa molecular, de monocapa o de monopelicula. Sin embargo hoy parece más razonable y real considerar que cada que cada molécula de agua esta retenida por cada uno de los agrupamientos química y electrostáticamente activos presentes en la superficie de las macromolécula, con lo cual la capa monomolecular representa entonces el estado en que todos los puntos o grupos activos están ligados cada uno a una molécula de agua. Al aumentar la presión o concertación de agua, puede ir formándose sobre la primera película de moléculas de agua nuevas capas, pero cada capa sucesiva va siendo retenida con menos fuerza sobre la macromolécula, mientras simultáneamente va creciendo la fuerza de los enlaces de las moléculas de agua entre si, hasta llegar un momento en que las capas mas externas quedan retenidas por fuerzas no mayores de las de atracción capilar. Estas fuerzas de adsorción provienen de enlaces dipolo dipolo, puentes de hidrogeno, inducciones por enlaces dipolo-dipolo y fuerzas de dipolos transitorios de Van der Waals. El agua de composición es el agua combinada mediante unión química específica con las sustancias y componentes de los alimentos. Las proteínas alimentarías contienen gran parte de esta agua de composición y, cuando dicha agua es eliminada, ellas sufren cambios irreversibles en sus propiedades. Martinez, Nuria (2008). En un concepto más actual de los términos agua libre y agua ligada, en el contenido total de agua de un alimento, no todas las moléculas se encuentran interactuando con la misma intensidad con el (los) sustratos(s) sólidos(s). Una parte de las moléculas está muy fuertemente retenida y es incluso de difícil eliminación en los procesos de secado utilizados en la determinación analítica del contenido de agua del producto. El término agua ligada tiene un sentido relativo ya que su significado y magnitud varía según las propiedades físicas del alimentos y cómo este contenido se ve afectado por la técnica utilizada para su determinación. Dentro del alimento el agua ligada presenta propiedades como la no congelabilidad, la no disponibilidad como 26

35 disolvente, la menor presión de vapor que el agua pura a la misma temperatura, el mayor calor de adsorción 5. Por lo tanto, el término de agua ligada puede cubrir un amplio espectro de grados de unión. Puede utilizarse para hablar de agua fuertemente ligada como la humedad de la monocapa hasta agua muy poco ligada como la retenida en geles de macromoléculas. El criterio más ampliamente utilizado para definir el agua ligada es la no congelabilidad a bajas temperaturas (p.e -50ºC), pero no toda el agua no congelable está fuertemente ligada a los alimentos, ya que la no congelación responde más bien a problemas cinéticos de formación de cristales de hielo. En este sentido, está disponible para las reacciones químicas y el crecimiento microbiológico. Barreiro, José (2008). Es importante analizar los diferentes tipos de agua que se pueden identificar en el alimento y su relación a la composición química del alimento. Dependiendo de su producto y de su composición, se requieren distintos contenidos de humedad para lograr la misma Aw. Este fenómeno se puede explicar con base en los compuestos químicos presentes en los alimentos. Los alimentos contienen agua, proteínas, carbohidratos, vitaminas, lípidos, fibra, minerales. El mecanismo de adsorción superficial de agua se origina por la característica de la molécula de agua por ser dipolo polar con carga negativa y positiva. A su vez algunos componentes de los alimentos, como las proteínas, los aminoácidos y algunas sales minerales, presentan propiedades anfóteras y diversos grados de ionización, lo que origina cargas negativas (grupo carboxilo, hidroxilo, aniones) y positivas (grupos aminos, cationes ionizados). La grasa, la fibra y los carbohidratos, por no mostrar este fenómeno en forma marcada, retiene menos moléculas de agua. De lo anterior, se puede concluir que los alimentos ricos en proteínas, aminoácidos libres y sales ionizadas, podrán retener o ligar más agua adsorbida que los alimentos ricos en carbohidratos y en últimas los alimentos ricos en grasa. Entonces, las sales y las proteínas tendrán mayor capacidad de atar agua que los azúcares y la glicerina 6. 5 Martinez, Nuria (2008). Termodinámica y cinética de los sistemas alimentarios. Valencia: Universidad Pontificia de Valencia. 6 Barreiro, José (2008). Operaciones de conservación de alimentos a bajas temperaturas. Caracas: editorial EQUINICIO, Universidad Simón Bolívar. 27

36 Figura 11: Esquema del proceso de adsorción de agua en monocapa en los sitios activos de la superficie del alimento: el agua en su forma dipolar, orienta sus cargas negativas hacia las cargas negativas del alimento, y viceversa. Esto hace que el agua se ate a esta superficie, las primeras moléculas que se atan a la superficie del alimentos forman una capa de agua ligada, y cada molécula a la vez une otras moléculas de agua mediante puentes de hidrogeno con distancias de enlaces menores. Luego de esta capa, se unen más moléculas de agua ligada, pero la distancia de enlaces entre los puentes de hidrogeno se hacen mayores a medida que se alejan de la superficie del alimento predominando las fuerzas de Van der Waals. Fuente: alimento (Barreiro José, Operaciones de conservación de alimentos a bajas temperaturas, 2008, editorial EQUINICIO, Universidad Simón Bolívar, Venezuela LECCIÓN 7: Actividad acuosa (Aw) 7.1 Cinética de ganar y perder agua Del agua contenida en un alimento depende las propiedades reológicas y de textura de un alimento. La Aw de un alimento es responsable de los mecanismos principales de deterioro; química, microbiológica y enzimática, ya que el agua en estado ligada no interviene como reactante. El agua libre es entonces la responsable del deterioro, ésta se debe medir. Para medir la fracción de agua libre en el alimento se usa el término Actividad acuosa y representa: el grado de interacción del agua libre con los demás constituyentes ó la porción de agua que esta disponible en un producto. En base al valor numérico de la Aw se puede predecir la estabilidad del alimento. La Aw acuosa matemáticamente es: 28

37 Aw= Pw / Pº Aw= Presión de vapor de agua del alimento/presión de vapor del agua pura ó Aw = HR/100 La presión de vapor del agua en el alimento es siempre menor que la presión de vapor del agua pura, por lo tanto la actividad acuosa de los alimentos es siempre menor que 1. Es una forma practica de expresar el grado de disponibilidad del agua en un alimento; es la relación que existe entre la presión del vapor del agua en un alimento y la presión del vapor del agua pura a la misma temperatura. En otras palabras es el grado de disponibilidad de agua de un alimento y se relaciona con el porcentaje de humedad (HR) ó humedad del aire o atmósfera que rodea al alimento. Señor estudiante: es muy importante no confundir Aw con el contenido de agua de un alimento. Por qué? En un análisis más profundo; según Bello, José, En un sistema alimentario, la actividad de agua está íntimamente relacionada a la humedad relativa del espacio fisicoquímico que rodea al alimento. La humedad relativa hace referencia a la cantidad de vapor de agua contenida en un volumen específico de aire, comparado con la cantidad máxima de vapor de agua alcanzado por aire enfriado a una temperatura especifica. En realidad, la actividad de agua es igual al valor alcanzado por la humedad relativa de equilibrio del alimento, punto en el que no se gana ni se pierde agua. Como se puede apreciar en la ecuación, la Aw representa la humedad relativa ambiental (aire u otro gas que rodea al alimento) que se encuentra en equilibrio termodinámico con el agua presente en el alimento. Para Barreiro, José el proceso de alcanzar el equilibrio termodinámico puede tomar tiempo apreciable, dependiendo de las características físicas y de transporte del alimento, sus dimensiones y otros parámetros como la temperatura, y genralmente es gobernado por las leyes de difusión de masa. Por ejemplo: Si se coloca un grano de maíz con un contenido de humedad del 10% en una 29

38 cámara cerrada que contiene aire con una húmedad relativa del 70%, la cual permanece constante en tiempo y a una temperatura de 25ºC. Bajo estas condiciones el grano tenderá a ganar humedad hasta lograr el equilibrio termodinámico con el ambiente que lo rodea, el cual tiene una humedad relativa que corresponde a una Aw en equilibrio en el alimento de CONSULTA EL ENLACE EN VIRTUAL EN LA PAGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN BASE HUMEDA Y EN BASE SECA. Lección 8: Isotermas de sorción 8.1 Concepto de isoterma de sorción de agua 7 Una isoterma es una curva que describe, para una temperatura dada, la relación de equilibrio entre la cantidad de agua del alimento y la presión de vapor ó humedad relativa. El término de sorción, se usa para relacionar el comportamiento de un producto, dependiendo de su contenido inicial de humedad, el cual perderá o ganará (adsorber) agua durante el proceso de equilibrio con la atmosfera que rodea al producto. La isoterma de sorción de agua relaciona, a una temperatura constante, el contenido de húmedad con la actividad termodinámica del agua en el producto, en un intervalo dado de humedad o actividad. Es interesante recordar que en el equilibrio de la actividad de agua es igual a la humedad relativa del aire que rodea al producto a una temperatura determinada. Se puede graficar el contenido de agua (humedad) vs. Aw ó HR y dicha gráfica toma el nombre de isotermas de absorción y desorción. 7 Martinez, Nuria (2008). Termodinámica y cinética de los sistemas alimentarios. Valencia: Universidad Pontificia de Valencia. 30

39 La isoterma de sorción del agua, es una forma adecuada de analizar el grado de interacción del agua con el sustrato. Normalmente se puede dividir en tres intervalos en función de la Aw: Zona A. Agua fuertemente ligada correspondiente a una Aw de ó inferior: el agua se encuentra en forma monomolecular, que se desarrolla cuando una fracción de agua presente interacciona con la superficie del alimento. Zona B: Agua moderadamente ligada ( Aw= ) : es la más interesante, corresponde a multicapas de agua y presenta características muy particulares. Es una zona en la que un pequeño cambio en el contenido acuoso se traduce en grandes variaciones de los valores de su actividad. Zona C: Agua poco ligada: correspondiente a una Aw de y superior: el alimento presenta actividades bastantes próximas a la del agua pura. Se elimina con facilidad llegando sólo a un valor de 0.8 y es la responsable de cualquier tipo de reacción y crecimiento microbiano. Figura 12: Isoterma de sorción de agua y sus zonas A,B yc. Fuente: Bello, José: Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. 2008, editorial Díaz de Santos, Brasil. 31

40 Existen diversos modelos matemáticos, teóricos, semiempìricos y empíricos para la predicción y el ajuste de datos experimentales de sorción de humedad en función de la actividad de agua. La bondad de los ajustes depende de la naturaleza de los alimentos, el rango de actividad de agua y otros parámetros experimentales. Una de las primeras isotermas de sorción desarrolladas fue la del BET (Brunauer- Emett- Teller), la cual es válida para los valores bajos de actividad de agua. El conocimiento de las isotermas de sorción de un alimento es esencial para poder determinar su Aw, conociendo su contenido de humedad. 8.2 Isoterma de adsorción: Hace referencia al comportamiento de alimentos deshidratados almacenados a una HR atmosférica alta, tienden a ganar agua para equilibrar las presiones de vapor de agua tanto del alimento como de la atmósfera. 8.3 Isoterma de desorción: Hace referencia al comportamiento de los alimentos hidratados con Aw bajas y %HR bajas. Es la gráfica para alimentos que sufren pérdida de agua para equilibrarse con el las presiones de vapor de la atmósfera. Badui, Slavador, presenta este tipo de gráficas llamadas Isotermas de sorción nos muestra la actividad acuosa de un alimento en función del contenido de agua del mismo, a determinada temperatura. Las isotermas indican la cantidad de agua retenida por un alimento en función de la HR de la atmósfera que lo rodea bajo condiciones de equilibrio a una temperatura constante 8. Ver figura 13. Figura 13. Isotermas de adsorción y desorción Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 8 Badui, Salvador (2000). Química de los alimentos. Mexico: Pearson Educación. 32

41 Señor estudiante: se ha mencionado que conocer el valor de Aw de un alimento puede predecir su estabilidad. En el siguiente link podrás encontrar una lectura y desarrollo de ejercicio aplicativo sobre Aw en productos de confoteria: %20Agosto%2005/TECNOLOGIA%20La%20 Actividad%20Acuosa.htm?phpMyAdmin=aIj69rg0MYWn18mTYfYRyPHZ2T4. En cada punto, la ordenada (eje x) indica la actividad del agua del alimento en equilibrio con las presiones de vapor de agua del alimento y la atmósfera a temperatura constante. En el eje de las abscisas (eje y) el contenido de agua del alimento, gramos de agua / 100 gramos de materia seca. 8.4 El fenómeno de histéresis en las isotermas de sorción 9 Las curvas de adsorción y desorción no son superponibles, significa que los fenómenos de ganar o perder humedad no son reversibles en el alimento, la no coincidencia en ganar y perder agua sobre la isoterma se denomina histéresis. Los valores de humedad obtenidos de la curva de desorción son en teoría ligeramente superiores a los obtenidos en la curva de adsorción. Este fenómeno se denomina Histéresis. La histéresis puede ser explicada por la desnaturalización que puede ocurrir durante la desnaturalización que puede ocurrir durante la desorción de las proteínas, o la concentración de solutos en el alimento. Las proteínas desnaturalizadas reducen su capacidad de retención de agua una vez han sufrido fenómenos de desorción. 9 Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil. 33

42 Figura 14: Predicción del comportamiento de un alimento en función de sus procesos de hidratación y desecación. Fuente: Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil Para Bello, José en la figura 14, se aprecia muy raras veces las isotermas de un proceso de hidratación (fenómenos de adsorción) coinciden en su representación gráfica con las isotermas de los procesos de desecación (fenómenos de desorción). Esto significa que uno y otro proceso siguen caminos diferentes en los alimentos. Es decir, en esta zona de la isoterma, ambos procesos no son reversibles. Estas curvas de histéresis, pueden variar ampliamente para los diversos alimentos y, a menudo, alimentos idénticos pueden presentar patrones de isotermas diferentes cuando cambia la temperatura. Esta diversidad puede ser interpretada como una consecuencia de la variabilidad que acompaña a la concentración de los componentes químicos de los alimentos, así como a la incidencia de algunos cambios producidos en los factores de porosidad capilar, que caracteriza a cada alimento. Como consecuencia de estos fenómenos de histéresis puede ocurrir que para un mismo contenido acuoso del alimento, su actividad de agua sea muy diferente, según ser esté considerando la hidratación del producto o la desecación del mismo, pues en la zona intermedia de actividades, la isoterma sigue caminos diferentes. De aquí su importancia en la repercusión de la tecnología de alimentos, donde este fenómeno alcanza un gran interés de tipo práctico. Así, una vez conocidas las isotermas que caracterizan los procesos de hidratación y 34

43 desecación para la elaboración de un alimento concreto, es posible hacer predicciones acerca de su comportamiento, tanto en el tratamiento tecnológico como en su conservación. Explicando la grafica 14, cuando un alimento se ha deshidratado hasta un contenido acuoso de Ho, su situación en la isoterma corresponde al punto A, con una actividad acuosa Aw1. Si por diferentes causas pierde agua, como puede ocurrir en un mal almacenamiento o un control incorrecto en su proceso de desecación, al hidratarlo de nuevo para que alcance el contenido acuoso adecuado para su comercialización (Ho), en este caso, su situación sobre la isoterma corresponde al punto A2, que tiene una actividad de agua Aw2, que resulta mayor que la del punto A1. Por consiguiente, debido al fenómeno de histéresis, un alimento que ha tenido que ser rehidratado después de una desecación, contiene para un mismo nivel acuso una disponibilidad de agua bastante mayor (Aw2), que implica graves inconvenientes porque significa una mayor facilidad para que se pueda alterar. Señor estudiante: cómo elaboran las isotermas de sorción para un alimento dado en el laboratorio?. Le invito a iniciar esta investigación y exponer tus ideas en el WIKI del curso virtual. Para ellos avisa a tu tutor correspondiente. Lección 9: Enzimas 9. 1 Definición Actividad Inicial Actividad de Reconocimiento La siguiente actividad realizarla sin el uso de fuentes Bibliograficas. Elaborar ensayo del papel de las enzimas en la industria de alimentos y el mercado actual de las enzimas. Las enzimas, los llamados catalizadores de la vida, son sustancias de alta especificidad que permiten que las reacciones biológicas normalmente poco 35

44 probables se realicen y permiten el continuo movimiento reacciones vitales. y avance de las El nombre de enzima es de origen griego (en: dentro + zymèe: fermento). Básicamente, una enzima es una molécula de origen proteico cuya estructura le permite ligarse a una clase especifica de compuestos llamados sustratos, modificarlos, permaneciendo ella con la misma estructura una vez se ha finalizado la unión con los sustratos. Por ello desde el punto de vista estricto, es un catalizador, ya que no se consume durante la reacción y al final de ella permanece invariable tal como se alimento al inicio. 9.2 Nomenclatura y Clasificación Los nombres mas comunes para las enzimas se forman añadiendo el sufijo asa al nombre de los reactivos (sustratos). Así, la enzima tiroxinaza cataliza la oxidación de la tirosina; la celulosa cataliza la hidrólisis de la celulosa para formar glucosa. Estos nombres definen el sustrato pero no definen la reacción química. Todas las enzimas conocidas pueden clasificarse dentro de seis categorías. Cada enzima tiene un nombre internacional terminado en asa y un número de clasificación que consta de cuatro dígitos, cada digito se refiere a una clase y subclase de reacción, en la tabla 6 se presenta la clasificación y función principal de las enzimas: Tabla 1. Nomenclatura y clasificación de las enzimas Numero de clasificación 1 Clase de enzima Oxido reductasas 2 Transferazas 3 Hidrolasas 4 Liasas 5 Isomerazas 6 ligazas Tipo de reacción catalizada Sus funciones están básicamente relacionadas con las reacciones de oxido reducción, transferencia de electrones, casi siempre en forma de iones hidruro o átomos de hidrogeno. Existen dos subgrupos principales dentro de ellas: las deshidrogenasas y las oxidasas. Permiten el cambio de grupos específicos de una molécula a otra, transferencia de grupos funcionales. Su nomenclatura se basa en el sustrato que emplean y en el aceptor final. Ruptura de enlaces por hidrólisis. Permiten romper moléculas de alto peso molecular, haciéndolas reaccionar con moléculas de agua. Formación de dobles enlaces por eliminación de grupos o adición de grupos a un doble enlace. Los enlaces que rompen son C-C, C-O-C-N, C S. Transferencia de grupos dentro de una molécula para dar formas isomericas. Realizan modificaciones en una molécula. Permiten la unión de dos moléculas, valiéndose de la energía obtenida por la degradación del ATP. Generalmente crean enlaces C-C, C-O, C-N C-S. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Clasificación de la Unión Internacional Bioquímica. 36

45 Una segunda clasificación menos rigurosa esta a partir de su origen: Enzimas de origen vegetal: como la bromelina, la papaina, la ficina y la β- amilasas. Enzimas de origen animal: como las lipasas pancreáticas, pepsina y renina, tripsina y quimiotripsina. Enzimas de origen microbiano: las especies más usadas para la producción de enzimas son del género bacterias como el bacillus subtiles, y hongos como aspergillus Níger, rhizopus oryzae, y levaduras del tipo saccharomyces. 9.3 Principales enzimas en los alimentos Las enzimas que contienen los alimentos pueden provenir de diferentes fuentes Enzimas Endógenas. Provenientes de los mismos tejidos alimentarios, las cuales son formadas durante el desarrollo de la planta o el animal. Aislados o concentrados enzimáticos adicionados al alimento durante su elaboración. Enzimas provenientes del metabolismo de microorganismos y los cuales pueden estar presentes en los alimentos, por contaminación o han sido adicionadas como cultivos Enzimas Endógenas de los Alimentos Los efectos de las enzimas sobre los diferentes componentes de los alimentos son múltiples, muchos de ellos son de tipo degradativo, lo cual puede enmascarar los efectos beneficiosos que han desarrollado otras enzimas. La industria de alimentos en sus etapas iniciales dedico gran parte de sus esfuerzos al conocimiento de las enzimas endógenas de los diversos alimentos y a los factores que podrían utilizarse para controlar su actividad, con lo cual se buscaba disminuir los efectos de degradación y aumentar la vida útil de los productos perecederos. 37

46 La mayoría de las enzimas endógenas pertenecen al grupo de las oxidorreductasas y al de las hidrolasas. Las enzimas endógenas pueden producir diversos cambios en los alimentos que podemos agrupar en tres clases. a. Efectos altamente deseables: relacionados con los factores organolépticos que el consumidor espera al ingerir determinado producto, no solo en alimentos frescos como frutas y verduras, sino también en productos elaborados como el pan. En este grupo encontramos los cambios catalizados enzimaticamente durante: maduración de las frutas, cambios posmorten de la carne, desarrollo de sabores, panificación. b. Efectos degradativos: que conducen al deterioro de los alimentos, entre ellos el enranciamiento de los lípidos debido a la acción de las lipasas y la degradación de los vegetales debido a la acción de las peroxidasas. c. Disminución en el Valor nutricional: algunas enzimas producen la destrucción de nutrientes específicos, tales como: las tiaminazas, la ácido ascórbico oxidasa. A continuación se presenta ejemplos de los cambios anteriormente descritos: Maduración de las frutas: Por reacciones catalizadas enzimaticamente. Tabla 2. Cambios enzimáticos CAMBIO ORGANOLEPTICO Y/ O NUTRICIONAL EN LA TEXTURA EN EL SABOR EN EL COLOR CAMBIO ENZIMATICO Asociado con la actividad de las enzimas pecticas que actúan sobre los diferentes componentes pectidicos para transformar polímetros insolubles en agua a polímeros solubles. Dichos cambios están relacionados con la actividad de las amilasas que transforman el almidón en azucares. Las amilasas mas importantes son la α y la ß-, las cuales de la α es una endoenzima que hidroliza las uniones α- 1, 4 glicosidicas de una forma aparentemente al azar. La ß-, amilasa es una exoenzima, esto significa que solo ataca las uniones extremos de las cadenas de amilasa y amilopectina, separando a unidades de maltosa y dextrinas. La clorofilasa es la encargada de degradar la clorofila para que el color verde de la fruta desaparezca y los colores amarillos y rojos característicos de las frutas maduras aparezcan. 38

47 9.3.2 Cambios posmorten de la carne: Los cambios que sufren después de la matanza, pueden ser divididos en dos etapas secuénciales. Los cambios bioquímicos se relacionan en la tabla 8. a. Reacciones enzimáticos que llevan al desarrollo del rigor mortis del músculo. b. Maduración de la carne. Tabla 3. Cambios Bioquímicos ETAPA CAMBIO BIOQUIMICO Cuando el animal muere, la circulación sanguínea se detiene y el suministro de oxigeno cesa, como resultado la glicólisis aerobia en las células se detiene y da lugar la glicólisis anaerobia que produce ácido láctico. La cantidad de ácido formado depende de las reservas de glicógeno muscular en el momento de la muerte. RIGOR MORTIS La acumulación de ácido láctico implica que el ph descienda no menor a 5.3, ya que por debajo de este nivel las enzimas glicoliticas se inactivan. Los niveles de *ATP en los tejidos disminuyen con la glicólisis anaerobia, cuando la glicólisis cesa, la producción de ATP se ve interrumpida. Cuando se acaban las reservas de ATP, la actina y la miosina forman el complejo irreversible actomisina, lo cual conlleva al endurecimiento llamado rigor mortis. Tienen lugar una serie de reacciones enzimáticas que hacen que el músculo convertido en carne sea más tierno, jugoso y con mejor sabor. MADUREZ Los cambios se producen a nivel de los compuestos nitrogenados. Como resultado se incrementa el contenido de acetaldehído, diacetilo, acetona, sulfuro de hidrogeno y amoniaco. La temperatura juega papel importante en la maduración de la carne: para la carne de res por ejemplo mantenida a -1.5 ºC se requiere de 3 a 4 semanas, 15 días a 0ºC y tan solo 2 días a -20ºC. * ATP = adenosin trifosfato, molécula altamente energética. 39

48 Desarrollo de Sabores Los compuestos que confieren el sabor, en especial a las frutas y hortalizas, se desarrollan por conversión enzimatica de precursores, la formación de estos compuestos se realiza por diferentes mecanismos: Ver desarrollo de sabores figura Impacto actualde las enzimas en la tecnologia de alimentos Las enzimas intervienen en prácticamente todas las áreas involucradas en la tecnología de alimentos, por lo que el profesional en alimentos debe aprender a caracterizar y aplicar las enzimas exógenas. A activar o inhibir, dependiendo del alimento, enzimas endógenas, a aprovechar su termoestabilidad para asociar su desactivación con tratamientos térmicos y emplearlas como parámetros de control de calidad o simplemnte aprovecharlas como herramienta analítica. Señor estudiante: como futuro profesional en el área de alimentos, es importante que tengas reflexiones de este tipo: Impacto actualde las enzimas en la tecnologia de alimentos, características y limitaciones a la aplicación de enzimas en alimentos y el potencial de las enzimas en la biotecnología aliemntaria. Le invito a iniciar esta investigación y exponer tus ideas en el WIKI del curso virtual. Para ellos avisa a tu tutor correspondiente. En la tabla 4 se resumen las principales aplicaciones de las enzimas en el procesamiento de alimentos: 40

49 Figura 16. Desarrollo de sabores MECANISMOS BIOSINTETICOS - Se desarrollan después del proceso de la cosecha. - La síntesis de estos compuestos se estimula por la liberación de etileno. - Conversión de ácidos carboxílicos y ácidos grasos de C20 en esteres, alcoholes. - Biosíntesis de compuestos esteres que tienen como precursores a aminoácidos y ácidos grasos. MECANISMO ENZIMATICO DIRECTO DESARROLLO DE SABORES: - El ejemplo típico de este proceso es la cebolla, el sabor característico de produce por la acción directa de una enzima sobre un precursor. - El sabor y olor picante de la cebolla se atribuye a la formación de sulfuros que son liberados al romper el tejido y favorecer el contacto entre el sustrato y la enzima dando origen a compuestos sulfurados volátiles. MECANISMO OXIDATIVO - En la elaboración del pan y productos horneados, las materias primas deben contener ciertas enzimas como amilasas y proteasas. - las amilasas actúan sobre el almidón para producir dextrinas y azucares de bajo peso molecular. Estos compuestos son atacados por las levaduras durante la fermentación del pan dando volumen, color y corteza al producto. - Las proteasas hidrolizan las proteínas del trigo como el gluten para 41

50 42

51 ENZIMAS ORIGEN MECANISMO DE ACCION α- Amilasa Variedades de aspergillus Níger, aspergillus oryzae, rhizpus oryzae, bacillus subtiles, penicillium cebada malteada. Son glicosidasas extracelulares que catalizan endógenamente (cortan los substratos en el interior de la molécula) la hidrólisis de polímeros de unidades de glucosa, a través de enlaces α 1,4- glicosidicos. ß- Amilasa Cebada malteada, avena, maíz y sorgo. Son glicosidasas que catalizan la hidrólisis de polímeros de unidades de glucosa, a través de enlaces α 1,4- glicosidicos. Ácido ascórbico oxidasa. En frutos cítricos. En condiciones aerobias oxida el ácido ascórbico a ácido dehidroascorbico. Bromelina o bromelina Piñas: ananás comosus, ananás bracteatus. Es una enzima proteolitica que contiene grupos sulfhídricos, el grado de hidrólisis de esta enzima es solubilizar, en distinto grado las diversas fracciones de las proteínas cárnicas. Catalasa Variedades de aspergillus Níger, hígado bovino. Catalizan la dismutación del peroxido de hidrogeno. Celulasa (endo 1,3- ß- D- Glucanasa ) Variedades de aspergillus Níger trichoderma reeset. Cataliza la hidrólisis de la celulasa atacando los enlaces glicosidicos ß- 1,4.esta hidrólisis se puede incrementar la susceptibilidad introduciendo soluciones de NaOH al 0.5M. polifenoloxidasas Glucoamilasa (exo- 1,4- α-dglucosidasa) Agaricus bisporus (champiñón común), neurospora crassa. Variedades de aspergillus Níger, aspergillus oryzae y rhizopus oryzae. Todas las polioxifenoloxidasas oxidan los o-difenoles. Actúan sobre el almidón cortando unidades de glucosa a partir del extremo no reductor de las cadenas de glucosa. Glucosa isomerasa Actinoplanes missourienses, bacillus coagulans. Causa la isomerización de la glucosa a fructuosa. Glucosa oxidasa Variedades de aspergillus Níger Cataliza la oxidación reversible de numerosas aldosas a sus correspondientes lactosas. Invertasa (ß- D- fructofuranosidasa) Especie del genero saccharomyces Es la responsable de la hidrólisis de la sacarosa al romper específicamente el enlace C-O entre el átomo de oxigeno glicosidico y el carbono 2 de la fructuosa. Lactasa (ß- D- galactosidasa) Lipasa (triacilglicerol lipasa) Variedades de aspergillus Níger y aspergillus oryzae, especie de saccharomyces. Tejido pancreático y variedades de aspergillus Níger y rhizpus oryzae Corta la lactosa en glucosa y galactosa libres por incisión del enlace glicosidico. Necesita de un cofactor proteico, la colipasa, para ejercer su función catalítica. 43

52 Hidrólisis de acilgliceroles a ácidos grasos libres. Hidrolizan enlaces esteres de los glicéridos emulsionados en la interfase aceite-agua. lipoxigenasa Granos y semillas de soya, trigo y maíz. Oxigenación de ácidos grasos poliinsaturados. Enzimas poligalactorunasa pépticos Variedades de aspergillus Níger y rhizopus oryzae. Esta clasificada como una cistein proteinazas. Catalizan la hidrólisis de los enlaces α 1,4- glicosidicos de los restos no esterificados. Sus sustratos preferidos con las pectinas de bajo grado de metoxilacion. Pectinestearasa Variedades de aspergillus Níger y rhizopus oryzae. Es altamente especifica para los esteres metilicos del poligalacturonato. Pectatoliasa Variedades de aspergillus Níger y rhizopus oryzae. Catalizan la degradación de enlaces glicosidicos próximos a un grupo carboxilo libre, por un mecanismo de ß- eliminación. sus sustratos preferidos son los pectatos y pectinas de bajo grado de metoxilacion. Pepsina Estomago de cerdos u potros animales Es una carboxilproteinasa. Necesita de un precursor para ser activada, el pepsinogeno. Papaina Obtenida del látex de papaya Obtenida del latex de papaya, tiene marcada actividad sobre el tejido conectivo de la carne por lo cual tiene amplia aplicación como ablandador de carne. otra aplicación es en la prevención del enturbamiento de la cerveza fría. peroxidasas Vegetales, leche y leucocitos. Catalizan reacciones de oxidación llevadas a cabo por peróxidos. Causa perdida del color en los pigmentos. catalizan la degradación de los ácidos grasos insaturados para producir compuestos carbonilitos volátiles (rancidez) Proteasa alcalinas Cepas de bacillus, cepas de streptomyces y hongos Diferentes mecanismos de proteolisis según el sustrato. como aspergillus Níger Proteasa ácidas Cepas de bacillus, cepas de streptomyces y hongos como aspergillus Níger Proteasas de hongos análogas a la renina que se utilizan principalmente en la producción de queso y panadería. pululanasas Al igual que las pululanasas cortan enlaces α-1,6-glicosidicos de las cadenas laterales de los polisacáridos como almidón y la amilopeptina. Serin proteasa microbiana Variedad de aspergillus Níger. Pertenece al grupo de la serin- proteinasas, posee una serina activada que actúa como centro catalítico durante la proteolisis. Proteasas neura microbiana Variedades de aspergillus Níger y rhizopus oryzae, Diferentes mecanismos de proteolisis según el sustrato. Quimosina (Renina) Tripsina bacillus subtiles. Cuarto estomago de los rumiantes. Endothia parasitica, Nucor miehei, strptococcus lactis, S, cremoris y L. bulgaricus. Tejido pancreático. Tabla 4: Fuente: IUPAC-IUB enzima nomenclatura Produce hidrólisis sobre la caseína de la leche para producir la coagulación de la misma ; por unión del sitio activo de la enzima sobre la caseína K. Esta endoproteinasa necesita de un precursor para ser activada llamado tripsinogeno. Rompe enlaces entre los aminoácidos de lisina y arginina por el lado del grupo carboxilo. 44

53 9.4 Utilización de las enzimas en la industria de alimentos Las aplicaciones industriales se refieren a la producción de una transformación útil por alguna enzima, bien sea natural o añadida intencionalmente. Los principales procesos industriales donde tienen su aplicación son: Fermentación. La fermentación alcohólica es un ejemplo conocido de los procedimientos en que se efectúan alteraciones enzimaticas, cuando se agrega o se añade algún microorganismo vivo (levadura). Primero se calienta el grano amiláceo para gelatinizar el almidón, y luego se añade malta que contiene enzimas diastásicas, para convertir el almidón en azúcar fermentable (maltosa). Si el producto que se desea obtener es alcohol, se agrega levadura. El empleo de amilasa en forma de malta es indudablemente la mayor aplicación industrial que tiene las enzimas. La elaboración de vinagre con alcoholes es un proceso enzimático producido por el acetobacter aceti. El alcohol es oxidado y convertido en ácido acético por enzimas liberadas por este microorganismo y llevada a cabo en presencia del oxigeno de la atmósfera. Industria Láctea. En la fabricación de queso la operación mas importante es la coagulación de la caseína de la leche. Se puede coagular la caseína mediante la adición de ácido o de enzimas como la renina, esta tiene una acción proteolitica muy débil. La renina produce un coagulo elástico del que se exprime fácilmente el suero. No es la única proteinaza que se usa en la elaboración de queso, pues también reemplea mezclas de renina con pepsina. Asimismo se ha usado la papaina, y en este caso al parecer se asegura la proteolisis durante el añejamiento del queso. Las diferentes enzimas coagulantes hacen variar notablemente la naturaleza del queso. Actualmente empieza a ser importante la lactasa la cual hidroliza la lactosa, que es el azúcar de la leche. Muchas personas no pueden digerir este azúcar por lo que la leche les causa trastornos intestinales.. Panificación. Aun se discute el papel que desempeñan en la fabricación del pan las enzimas de la harina. La harina cruda contiene cantidad relativamente pequeña de muchas enzimas incluso una proteína del tipo de la papaina. La harina de trigo contiene 45

54 pequeñas porcentajes de amilasas alfa y beta hidroliza parte del almidón y lo convierte en maltosa, con lo cual suministra más azúcar para que fermente la levadura y genere mayor cantidad de dióxido de carbono. En esta actividad industrial se utiliza la lipoxidasa, simultáneamente como blanqueante de la harina y para mejorar su comportamiento en el amasado. La forma en la que se añade es usualmente como harina de soja o de otras leguminosas a veces se utilizan proteásas para romper la estructura del gluten y mejorar la plasticidad de la masa. Cervecería. A principios de este siglo se patento la utilización de la papaina para fragmentar las proteínas presentes en la cerveza y evitar que esta se enturbie durante el almacenamiento o la refrigeración, y este modo todavía se sigue utilizando Un proceso fundamental en la fabricación de la cerveza es la ruptura del almidón para formar azucares sencillos que luego serán fermentados por levaduras, este proceso lo realizan las amilasas presentes en la malta, que pueden añadirse procedentes de fuentes externas, aunque lo usual es lo contrario, que la actividad propia de la malta permita transformar aun mas almidón del que contiene. cuando esto es así, las industrias cerveceras añaden almidón de arroz para aprovechar al máximo la actividad enzimatica. Fabricación de zumos. A veces la pulpa de la fruta hace que los zumos sean turbios y demasiado viscosos, produciéndose ocasionalmente problemas de extracción y en su eventual concentración. Esto se debe a la presencia de pectinas que pueden destruirse por la acción de enzimas presentes en el propio zumo o bien por enzimas añadidas obtenidas de fuentes externas. Esta destrucción requiere la actuación de varias enzimas distintas, una de los cuales produce metanol, que es toxico, aunque la cantidad producida no llega a ser preocupante para la salud. Fabricación de glucosa y fructuosa a partir del maíz. Una industria en franca expansión es la obtención de jarabes de glucosa o fructuosa a partir de almidón de maíz. Estos jarabes se utilizan en la elaboración de bebidas refrescantes, conservas de frutas, repostería, etc. En lugar del azúcar de caña o remolacha. La forma antigua de obtener estos jarabes, por hidrólisis del almidón con hidrólisis ácida, ha sido prácticamente desplazada por la hidrólisis enzimatica, que permite tener un jarabe de glucosa de mucha mayor calidad y a un costo muy competitivo. Los enzimas utilizados son las alfa-amilasas y las 46

55 amiloglucosidasas. La glucosa formada puede transformarse luego en fructuosa, otro azúcar más dulce, utilizando la enzima glucosa-isomerasa, usualmente inmovilizada en un soporte sólido. Refinado del azúcar. La extracción de la sacarosa, a partir de la melaza de la remolacha azucarera puede complicarse por la presencia de rafinosa, un trisacarido que previene la cristalización. Para incrementar la recuperación del azúcar y mejorar el proceso, la rafinosa puede degradarse enzimanticamente. El resultado de esta degradación es doble; por un lado favorece la cristalización y, además produce sacarosa como uno de los productos de la hidrólisis. La enzima galactosidasa de origen fúngico es la enzima utilizada. La reacción hidrolitica se efectúa a ph superior a 5.0 para la inversión de la sacarosa catalizada por el medio ácido. Otras aplicaciones Las enzimas se utilizan en la industria alimentaría de muchas otras formas, aplicaciones menos importantes que las citadas anteriormente. Por ejemplo, en la fabricación de productos derivados de huevos, las trazas de glucosa presentes, que podrían oscurecerlos, se eliminan se eliminaron la acción combinada de dos enzimas, la glucosa oxidasa y la catalasa. Por otra parte, la papaina y la bromelina, enzimas que rompen las proteínas, se pueden utilizar, fundamentalmente durante el cocinado domestico, para ablandar la carne. Además de lo anterior las enzimas se emplean también para: Indicadores de los procesos térmicos Los procesos térmicos a los cuales se someten algunos alimentos fueron diseñados para disminuir los riesgos al consumidor, ciertos productos ampliamente utilizados como la leche, pueden ser portadores de microorganismos patógenos tan peligrosos como el que produce la tuberculosis, salmonelosis, brucelosis, etc. El agente causante de la tuberculosis, puede ser destruido mediante la pasterización. La relación que existe entre las enzimas y los microorganismos patógenos es nula. Las enzimas son inactivadas al someterlas a determinadas temperaturas y los microorganismos patógenos de paso son destruidos a esas temperaturas. Al analizar las temperaturas y tiempos necesarios para destruir las bacterias de la tuberculosís se observa que al pasteurizar a 59ºC es necesario un tratamiento por 30 minutos, mientras que si se efectúa la alta a 70ºC el tiempo requerido es solo 15 segundos. 47

56 Entre las diversas enzimas presentes en la leche: lipasa, fosfatasa ácida, peroxidasa, catalasa y fosfatasa alcalina, las mas termosensibles son la lipasa y fosfatasa alcalina. Cuando la leche se somete a un tratamiento térmico de 71ºC durante 15 segundos, a 61ºC por 30 minutos la fosfatasa alcalina es totalmente inactivada. Teniendo en cuenta las condiciones necesarias en los tratamientos térmicos para destruir la bacteria de las tuberculosis y las condiciones necesarias para inactivar la fosfatasa alcalina, es fácil concluir que si sometemos la leche a las condiciones requeridas para inactivar la fosfata alcalina estaremos seguros de que la leche estará libre de bacterias patógenas. En este caso, el que la leche pasteurizada no presente actividad de fosfatasa alcalina, indica que el tratamiento térmico ha sido adecuado. Se debe tener en cuenta que el objeto de la pasterización no es inactivar las enzimas presentes en la leche, sino el de destruir los microorganismos. Análisis de amilasas En algunas partes se comercializa los huevos en forma liquida. El mayor problema de esta clase de productos es la contaminación con salmonella, por lo cual se debe pasteurizarlos. En los huevos líquidos la eficiencia de la pasteurización se analiza mediante la evaluación de la actividad de la amilasa en el producto. Esta enzima se inactiva en tratamientos térmicos realizados a 64.4 ºC durante dos y medio minuto, condiciones suficientes para que los microorganismos de la salmonella sean destruidos. Análisis de la peroxidasa El escaldado que se realiza a vegetales tiene como objeto inactivar enzimas como lipasas, fenolasas, lipoxigenasas, clorofilazas, peroxidasa y ácido ascórbico oxidasa, que son las responsables del deterioro durante el almacenamiento. En este caso lo que se busca con el tratamiento térmico es inactivar el sistema enzimático por lo tanto la eficiencia se evalúa analizando la enzima mas termorresistente (la peroxidasa). Recuperación de subproductos de matadero Entre los mataderos quedan como subproductos entre otras cosas la sangre de los animales y la carne que queda adherida al hueso. La utilización de las proteasas ácidas para la obtención de concentrados proteicos ha sido relevante los últimos años. Las proteasas ácidas actúan cuando en el proceso se ajusta el ph entre 4.4 y 5.0 a una temperatura de 45ºC. 48

57 Producción de saborizante La utilización de enzimas en las industrias dedicadas a la preparación de saborizantes tiene diferentes objetivos, entre los mas comunes esta el de incrementar la producción y el de permitir la obtención de saborizantes nuevos. Aceites comestibles El porcentaje de aceite comestible obtenido de fuentes como el pescado o la soya, donde los lípidos se encuentran asociados con proteínas, se incrementa con el uso de proteasas. Se utilizan papaina o bromelina en niveles de 0.1 a 0.5% en relación con el peso del pescado macerado, el tratamiento se efectúa a una temperatura de 60ºC por un periodo que oscila entre minutos. Las proteínas y las enzimas se coagulan térmicamente, lo cual facilita la recuperación del aceite. Detección de tiaminasa, acido ascórbico oxidasa: Sí se detecta actividad enzimática de estas enzimas signfica deteriro nutricional de en términos de degradación de la tiamina y vitamina C. 9.5 Métodos para disminuir la actividad enzimatica endógena de los alimentos La reducción o inhibición de la actividad enzimatica endógena de los alimentos generalmente es el resultado de someter el alimento a algunos de los siguientes efectos: Tabla 5: Métodos para disminuir la actividad enzimatica endógena de los alimentos EFECTO RESULTADO -Las enzimas presentan una temperatura óptima en la cual la actividad es máxima. La actividad enzimatica disminuye si se aleja de ese rango de Tº máxima. Altas temperaturas - A una Tº determinada la enzima se inactiva como resultado de la desnaturalización de las estructuras secundaria y terciaria de la proteína. - Las enzimas endógenas tienen un rango optimo entre 30 40ºC y comienzan a desnaturalizan a Tº superiores a 50ºC. - Para preservar las características organolépticas y nutricionales al inactivar las enzimas se emplean temperaturas largas en tiempos cortos. 49

58 - Alimentos almacenados a Tº inferiores a la optima muestran una disminución en la actividad enzimatica. A Tº de congelación las enzimas se desnaturalizan. Temperaturas bajas - A Tº por debajo de los 0 ºC puede producir un aumento o disminución de la actividad enzimatica que dependen del alimento y las enzimas que contenga, debida a la cantidad de solutos dispersos en el agua no congelada lo que a su vez conlleva a un cambio de ph. La enzimas también presentan un rango máximo de ph y su inhibición Se puede lograr alejando a las enzimas de este rango máximo. ph ACTIVIDAD DEL AGUA La mayoría de las enzimas presentes en los alimentos, posee una actividad máxima en un rango de ph entre La reducción de la actividad enzimatica por un cambio en el ph del sistema, puede deberse a que la afinidad del sustrato por la enzima se vea modificada o a que la estabilidad de la enzima se vea afectada por el ph. La actividad de las enzimas se puede reducir aplicando procesos como la deshidratación por reducción del contenido del agua y por ende su actividad acuosa. Lección 10: Glosario enzimático CONSULTA EL SIGUIENTE LINK: CAPITULO 3: COMPONENTES NUTRICIONALES ESTRUCTURALES En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta la definición, estructura y clasificación de los monosacárido, disacáridos y polisacáridos, la formación de la estructura cíclica de los monosacáridos como hemiacetales, concepto fundamental para el entendimiento del comportamiento químico de los azúcares en solución. En este capítulo, también se analizan la definición y formación del enlace peptídico, concepto fundamental para el entendimiento de los níveles de estructura de proteínas, ya que el entendimiento de estos temas conducen al estudiante a entender el comportamiento y función biológica de las proteínas, las 50

59 propiedades fisicoquímica que condicionan junto con los niveles de estructuración la función de la proteínas en los tejidos animal y vegetal. El capítulo finaliza con los concpetos básicos de clasificación, estructura y genralidades de los lípidos, ya que como componentes de los alimentos condicionan muchos de los procesos tecnológicos y de conservación de los alimentos. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, ejercicios de práctica e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 3, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Lección 11: Carbohidratos Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Señor estudiante de acuerdo a las experiencias previas y /o conocimientos realice la siguiente temática Estructura y clasificación Los carbohidratos se clasifican en azucares y no azucares. 51

60 Azucares Carbohidratos dulces, con dulzura de variada intensidad, solubles en agua y con gran capacidad de formar jarabes, cristalizables a partir de sus soluciones acuosas, caramelizables a altas temperaturas reguladas, digeribles por el organismo, fácilmente fermentables por los microorganismos, cuyo crecimiento por lo contrario puede inhibirse cuando dichos azucares se e encuentran en alta concentración. De este grupo de carbohidratos forman parte los monosacáridos y disacáridos como: la sacarosa, lactosa, maltosa, la glucosa y la fructuosa principalmente Monosacáridos En forma sólida son de colores blancos, cristalinos, muy solubles en agua e insolubles en disolventes no polares. La mayoría tienen sabor dulce. Como hemos visto, no pueden ser hidrolizados en moléculas más sencillas. Son los azúcares más sencillos, son aldehídos (aldosas) o cetonas (cetosas) con dos o más grupos hidroxilo. Los monosacáridos pueden subdividirse en grupos según el número de átomos de carbono que poseen: Triosas (CH2O)3 Tetrosas (CH2O)4 Pentosas (CH2O)5 Hexosas (CH2O)6 Heptosas (CH2O)7 Octosas (CH2O)8 Pueden subdividirse, además, en aldosas y cetosas según tengan un grupo aldehído o cetona: Aldosas. Entre las principales aldosas presentes en los alimentos están: 52

61 Cetosas: Entre las principales cetosas presentes en los alimentos están: Los azúcares presentan estructura cíclica. El grupo carbonilo es un grupo muy reactivo y forma hemiacetales al reaccionar con un grupo OH propio o de otra molécula. En el caso de que la cadena del azúcar sea lo suficientemente larga (4-6 átomos de carbono), uno de los grupos hidroxilo de la misma molécula puede reaccionar con el grupo carbonilo para formar un hemiacetal cíclico, que se 53

62 halla en equilibrio con la forma de aldehído o de cetona libre. Los éteres de hidroxilo hemiacetálico reciben el nombre de glucósidos. De esta forma, por ejemplo la glucosa, el monosacárido más común, se puede representar de tres maneras: CONSULTA EL ENLACE EN VIRTUAL EN LA PAGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: ESTRUCUTRA CICLICA DE CARBOHIDRATOS Las estructuras cíclicas de estos monosacáridos pueden ser de tipo piranosa (anillo de 6 elementos) o de tipo furanosa (anillo de 5 elementos), la nomenclatura se debe a que son similares a los compuestos conocidos como pirano y furano: Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Algunos ejemplos de monosacáridos: 54

63 Nombre D-fructosa D-glucosa D-galactosa Carácterísticas Se encuentra especialmente en las frutas, además lo contiene la miel. La D-fructuosa es un carbohidrato reductor, levo-rotatorio. Se encuentra libre en pequeñas cantidades en la mayoría de los tejidos vivos bien sea de animales, ya que es el principal carbohidratos presente en el torrente sanguíneo o en los vegetales como componente de la savia. La D-glucosa es un monosacárido reductor, dextrorotatorio que se obtiene industrialmente mediante la hidrólisis ácida del almidón. Este monosacárido es uno de los componentes de la lactosa, los carbohidratos que contiene la leche. La D-galactosa también se encuentra como componente de algunos polisacáridos de origen vegetal como en gomas, mucílagos y el agar agar. Señor estudiante: Realice la actividad de profundización para monosacáridos y disacáridoa que hay final de este capitulo Disacáridos Los disacáridos son azúcares compuestos por dos residuos de monosacáridos unidos por un enlace glucosídico (éter), con pérdida de una molécula de agua al realizarse dicha unión. El enlace glucosídico es la formación de un acetal entre el - OH anomérico de un monosacárido y un -OH de otro monosacárido; es estable frente a la acción de las bases, sin embargo se hidroliza frente a los ácidos. Podemos hablar de dos grandes grupos de disacáridos dependiendo de la existencia o no de un -OH anomérico libre (es decir, si no entra o si entra a formar parte del enlace glucosídico): Los oligosacáridos contienen de dos a nueve monosacáridos por lo cual se suelen denominar de acuerdo con el número de unidades que contienen como disacáridos, trisacáridos, tetrasacáridos, etc. Entre los disacáridos los más utilizados en alimentos son los disacáridos sacarosa, maltosa y lactosa. Los enlaces glicosídicos de los oligosacáridos se pueden hidrolizar por acción de ácidos minerales diluidos o por enzimas específicas. Algunos ejemplos de disacáridos: 55

64 Nombre Característica Estructura Sacarosa La sacarosa llamada comúnmente azúcar de mesa, se produce en mayores cantidades que cualquier otro producto orgánico manufacturado como compuesto puro. Está constituida por una molécula de glucosa y una de fructuosa, unida mediante un enlace α- D- (1,2). La sacarosa es un disacárido no reductor, dextro rotatorio que se encuentra ampliamente distribuido en el reino vegetal, tanto en frutas como en hierbas, tallos y raíces. Se obtiene comercialmente de la caña de azúcar y remolacha. El proceso de obtención, con cualquiera de los dos productos, básicamente es el mismo, como podemos observar en la figura 5; aunque el rendimiento por área cultivada es mayor en el caso de la caña de azúcar que en el de la remolacha. El proceso de refinación consiste básicamente en eliminar los residuos de melazas que quedan adheridos a los cristales de sacarosa obteniéndose un producto blanco cristalino de alta pureza. La sacarosa se hidroliza fácilmente en soluciones acuosas ácidas, dando origen a una mezcla de glucosa y fructosa que es levo rotatoria, por lo cual se denomina comúnmente sacarosa o azúcar invertida. Lactosa Maltosa La lactosa o azúcar de la leche es un disacárido reductor soluble en agua presente en la leche de vaca en un 4% y el 6% en la leche humana. Esta formado por una molécula de D-galactosa y una D-glucosa, unidas por un enlace ( -1,4). Es dextrorrotatoria y experimenta mutarrotación. La hidrólisis ocurre en medio ácido o por acción de la lactasa, enzima del intestino delgado. Recibe el nombre de azúcar de malta o cebada. La maltosa es un disacárido formado por dos moléculas de glucosa, unidas por un enlace alfa- 1,4 que se hidroliza por acción de la maltasa o mediante calentamiento de ácidos diluidos. Es un disacárido reductor saludable, que no cristaliza fácilmente y se fermenta para producir etanol. La maltosa no se encuentra libre en la naturaleza; es obtenida de los alimentos que contienen almidón en especial de la cebada germinada la cual genera una enzima llamada amilasa que hidroliza el almidón presente en la semilla, produciendo maltosa 56

65 La deficiencia de disacaridasas intestinales en el hombre da lugar a la intolerancia digestiva a ciertos carbohidratos en especial algunos disacáridos. Resulta interesante investigar a que puede deberse las deficiencias de lactosa, galactosa, fructuosa y las alternativas tecnologicas que existen como solución a este problema de salud pública, como por ejemplo la tecnología de la hidrólisis de la lactosa, ya que una porción considerable de la población mundial presenta intolerancia a la lactosa y, por lo tanto, no puede beneficiarses del valor nitricional de la leche. De esta tecnología se obtienen productos como: leches con lactosa reducida para las personas con intolerancia a la lacotsa, bebidas lácteas con lactosa hidrolizada que acentúan las propiedades edulcorantes, suero hidrolizado como fuentes de edulcorantes, etc. Para ello, señor estudiante, lo invito a investigar este tema y exponer tus ideas en el WIKI del curso virtual. Avisa a tu tutor correspondiente. Bibliografía que puedes consultar: Daniels M. Low-cost process for lactose hydrolisis with inmobilized lactase. Food Technology 39(10): No azucares Se conocen también como oligosacáridos y polisacáridos dependiendo del numero de moléculas de monosacáridos que los compongan; carbohidratos insípidos, que tienen como composición molecular moléculas repetitivas de glucosa u otro monómero. Se subdividen en tres grupos: Almidón 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. Tanto el almidón como los productos de la hidrólisis del almidón constituyen la mayor parte de los carbohidratos digestibles de la dieta habitual. Del mismo modo, la cantidad de almidón utilizado en la preparación de productos alimenticios, sin contar el que se encuentra presente en las harinas usadas para hacer pan y otros productos de panadería. El almidón se diferencia de todos los demás carbohidratos, en la naturaleza se presenta como complejas partículas discretas (gránulos). Los gránulos de almidón son relativamente densos, insolubles y se hidratan muy mal en agua fría. Pueden ser dispersados en agua, dando lugar a la formación de suspensiones de baja viscosidad que pueden fácilmente mezcladas y bombeadas, incluso a concentraciones mayores del 35%. El trigo, el centeno y la cebada tienen dos tipos de granos de almidón: los grandes lenticulares y los pequeños esféricos. En la cebada, los granos lenticulares se forman durante los primeros 15 días después de la polinización. Los pequeños 57

66 gránulos, representando un total de 88% del número de granos, aparecen a los días posteriores a la polinización. Químicamente es una mezcla de dos polisacáridos muy similares, la amilosa y la amilopectina; contienen regiones cristalinas y no cristalinas en capas alternadas. Puesto que la cristalinidad es producida por el ordenamiento de las cadenas de amilopectina, los gránulos de almidón céreo, tienen parecido grado de cristalinidad que los almidones normales. La disposición radial y ordenada de las moléculas de almidón en un gránulo resulta evidente al observar la cruz de polarización (cruz blanca sobre un fondo negro) en un microscopio de polarización cuando se colocan los polarizadores a 90 entre sí. El centro de la cruz corresponde con el hilum, el centro de crecimiento de gránulo. Amilosa es el producto de la condensación de D-glucopiranosas por medio de enlaces lineales glucosídicos α- D-1,4 (ver figura 6). Que establece largas cadenas lineales con unidades y pesos moleculares hasta de un millón; es decir, la amilosa es una a-α--(1,4)-glucana cuya unidad repetitiva es la a- maltosa. Figura 17. Estructura de una porción de Amilosa. Tiene la facilidad de adquirir una conformación tridimensional helicoidal, en la que cada vuelta de hélice consta de seis moléculas de glucosa. El interior de la hélice contiene sólo átomos de hidrógeno, y es por tanto lipofílico, mientras que los grupos hidroxilo están situados en el exterior de la hélice. La mayoría de los almidones contienen alrededor del 25% de amilosa. Los dos almidones de maíz comúnmente conocidos como ricos en amilosa que existen comercialmente poseen contenidos aparentes de masa alrededor del 52% y del 70-75%. 58

67 Figura 18: Estructura helicoidal de la amilopectina Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Cuando se observa a través de un microscopio el aspecto de la amilosa en solución, ésta semeja una cinta larga. Al adicionar yodo a una solución de amilosa, ésta ocluye el yodo formando un complejo de color azul, lo cual sirve como indicador en las valoraciones de almidón o de amilosa. Amilopectina (Figura 19.) Se diferencia de la amilosa en que contiene ramificaciones que le dan una forma molecular a la de un árbol; las ramas están unidas al tronco central (semejante a la amilosa por enlaces α-d-(1,4)) por enlaces α--d-(1,6), localizadas cada unidades lineales de glucosa. Su peso molecular es muy alto ya que algunas fracciones llegan a alcanzar hasta 200 millones de daltones. La amilopectina constituye alrededor del 75% de los almidones más comunes. Algunos almidones están constituidos exclusivamente por amilopectina y son conocidos como céreos. Señor estudiante, que es un dalton? 59

68 Figura 19: Estructura de una porción de amilopectina. La amilopectina es una molécula más grande que la amilosa, cuyo tamaño depende de la fuente vegetal de donde provenga. El análisis de almidón de diferentes vegetales muestra que se encuentra en los tejidos en forma de gránulos cuya forma y tamaño son características para cada vegetal. En la tabla 1. Se indican las características de los almidones más usados. Dentro de los gránulos de almidón las moléculas lineales (amilosa) y las ramificadas (amilopectina) se disponen, en algunas variedades, radialmente en capaz concéntricas. La proximidad de los componentes puede generar asociaciones entre las ramas más externas de la amilopectina o asociaciones entre las moléculas paralelas de amilosa debido a la formación de puentes de hidrógeno. La presencia de dichas asociaciones en el gránulo da origen a regiones cristalinas o miscelas que coexisten con otras zonas amorfas. Tabla 6. Características del gránulo de almidón proveniente de diferentes fuentes alimenticias ORIGEN FORMA TAMAÑO DEL GRANULO µm Maíz Cebada Arroz Trigo Yuca Papa Haba Poliédrica Lenticular Poliédrica Lenticular, poliédrica Hemisférica, esférica Elipsoidal Ovoide

69 El ordenamiento de las moléculas de amilosa y amilopectina dentro del gránulo le confiere la propiedad de difractar la luz polarizada por lo cual se dice que los gránulos son birrefrigentes o que poseen birrefrigencia Pectinas. Un grupo de sustancias de gran importancia, conocidas en tecnología de alimentos son las pectinas y están en los tejidos vegetales jóvenes, especialmente en frutos, las pectinas se encuentran presentes en cantidades tan abundantes que a menudo forman canales anchos apartando las células. Las pectinas (Figura 20.) Forman coloides hidrofílicos, por esto tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de agua. Esta capacidad permite que las sustancias pécticas aparentemente juegan un papel en las primera etapas del desarrollo de los tejidos. Las sustancias pecticas absorben agua rápidamente y las transfieren a las células con mayor facilidad que la que podría lograrse por ósmosis en las células mismas. Como constituyente natural de los tejidos vegetales, las sustancias pécticas son responsables en buena medida de la firmeza y textura de los frutos y de las hortalizas, el ablandamiento del tejido del fruto durante la madurez, la rotura de la estabilidad coloidal en los jugos de fruta, los cambios de consistencia en los purés y los concentrados de fruta. Estos cambios pueden atribuirse a menudo a modificaciones en las sustancias pécticas. Como aditivos intencionales, las pectinas son valiosos agentes espesantes y de formación de geles. Figura 20. Porción de una molécula de Pectina. La pectina es entonces un coloide hidrofílico reversible; la pectina cruda comercial contiene una cantidad de impurezas, tales como hemicelulosa, pentosanos, galactosanos y otros compuestos, pero puede purificarse mediante sucesivas precipitaciones. Químicamente, esta formada en cadenas largas y no ramificadas de ácido poligalactúronico, con los grupos carboxilo parcialmente esterificados con alcohol metílico, las uniones entre las unidades de ácido galacturónico son (α-d-(1,4).- 61

70 Las pectinas de acuerdo a su composición química se pueden dividir: Sustancias pécticas Dentro de esta clase se encuentran polisacáridos conformados por unidades de ácidos anhidro galacturónico, con algunos de los grupos carboxilo esterificados por grupos metilo y parcialmente neutralizados por bases. Protopectinas Son polisacáridos insolubles en agua y que por hidrólisis ácida controlada producen pectina o ácidos pectínicos. Ácidos pectínicos Carbohidratos insolubles en agua formados por ácidos galacturónico, donde la mayoría de los grupos carboxilo no están esterificados. Pectinas Son ácidos pectínicos hidrosolubles con una porción variable de grupos carboxilos esterificados, generalmente por ésteres metílicos. Dependiendo de la cantidad de grupos esterificados podemos tener pectinas de alto metoxilo, con alrededor del 80% de los grupos carboxilo de la molécula esterificados y pectinas de bajo metoxilo, con menos del 40% de grupos. Del grupo de sustancias péctica, las más utilizadas en la industria de alimentos son pectinas. Generalmente se extraen de los residuos obtenidos de la preparación de jugos cítricos, en especial de las cáscaras Celulosas El material estructural de todo el reino vegetal consiste básicamente en celulosa. Químicamente, la celulosa es un polímero lineal de unidades de D-glucosa ligadas por uniones β-(1,4). 62

71 Figura 21. Porción de una molécula de celulosa. Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. La unión glicosídica β-(1,4) confiere a la molécula de celulosa una configuración extendida y rígida que se aproxima a la de segmentos lineales rectos. La celulosa es insoluble en agua y en todos los disolventes orgánicos Pruebas Cualitativas y caracterización de los Azucares 10 Si apelamos a las reacciones químicas y a ciertas propiedades físicas o fisicoquímicas características de los carbohidratos, tal vez dispondremos de medios para detectarlos y determinarlos en los alimentos y materias primas alimenticias. Por tanto, deberemos previamente revisar algunos principios, hechos y conceptos básicos que la ciencia ha establecido en relación con el estudio y discernimiento de la naturaleza, propiedades, utilidad y aplicabilidad de estos compuestos y de todo el grupo de los carbohidratos. Al estudiar las propiedades químicas de estos compuestos y tratar de establecer sus estructuras moleculares, los investigadores encontraron que tales sustancias ofrecían diversas reacciones características de la serie de los aldehídos y cetonas. Finalmente se llego a la conclusión de que los carbohidratos integran en su conjunto una serie de compuestos que van desde estructuras moleculares pequeñas y sencillas hasta moléculas de alta complejidad. Los múltiples grupos hidroxilos determinan varias propiedades de los carbohidratos. Entre dichas propiedades están la isometría óptica, la solubilidad y cristabilidad en el agua, su capacidad para formar puentes de hidrógeno, su capacidad de absorción de agua y probablemente la dulzura de los azúcares. 10 Fundamentos de Ciencia Alimentaria (1998). Bogotá: Universidad Nacional. 63

72 La isomería óptica explica la existencia por ejemplo de varias hexosas y pentosa, cada una de ellas con su específica rotación de la luz polarizada. Las hexosas más comunes en los tejidos biológicos y en los alimentos son la glucosa y la fructuosa seguidas por la galactosa, la mañosa y la sorbosa, mientras que de las pentosas podríamos a caso mencionar la arabinosa y la xilosa. La solubilidad reviste gran importancia para la aplicación adecuada de azucares en la elaboración de alimentos que requieren altas concentraciones de dichos ingrediente. A temperatura ambiente la fructuosa es más soluble, seguida de la sacarosa, glucosa, maltosa y lactosa. Esta última presenta una solubilidad tan baja que la hace poco aprovechable como ingrediente. Al producirse el enfriamiento o si se añade azúcar, pueden producirse cristales de la lactosa muy duros y afilados que dan en la boca la sensación de polvillo o arena ásperos, particularmente cuando se trata de helados. La solubilidad guarda estrecha y directa relación con la absorción de agua y la higroscopicidad. En consecuencia la fructuosa será la más higroscópica, seguida de la sacarosa, maltosa, glucosa y lactosa. Las mieles, que contienen proporciones más bien elevadas de fructuosa, frecuentemente actúan como humectante en el horneo casero, debido a su capacidad para absorber humedad de la atmósfera. Deshidratación ácida La formula estructural de la glucosa contiene varios grupos de hidroxilos, mientras que su grupo carbonilo esta protegido en el ciclo, se puede pensar en la posibilidad de una deshidratación o eliminación sucesiva de moléculas de agua a partir de los radicales OH. El ácido sulfúrico produce este tipo de reacción compleja y progresiva para dar el compuesto conocido como fufural o algún derivado de éste, como el hidroximetilfufural, que con alfa-naftol general el color característico: Todos los carbohidratos que puedan producir aun trazas de furfural o algún derivado suyo responden positivamente a esta prueba: monosacáridos, oligosacaridos algunos polisacáridos y glucoproteínas. Estas complejas 64

73 reacciones de deshidratación se producen también bajo la acción de temperaturas por encima de los 100 ºC dentro de los procesos de caramelizacion de los azúcares, destinados a dar color y aroma a ciertos productos alimenticios. Reacción de molisch: El ácido sulfúrico concentrado hidroliza enlaces glicosidicos para dar monosacáridos que pueden ser luego deshidratados dando fufural y sus derivados. Estos productos se combinan luego con alfa- sulfonato originando un complejo púrpura. Esta reacción sigue el mecanismo químico de la deshidratación ácida. El reactivbo de Molish contiene ácido súlfurico y alfa-naftol. Mediante la acción del ácido sulfúrico, se forma fufural a partir de las pentosas e Hidroximetilfufural a partir de las hexosas, que al combinarse con el reactivo de molish se condensan y forman el color purpura característico. La acción del ácido es deshidratar intermolecularmente a los monosacáridos para formar: Reacción con el reactivo de barfoed y Benedict: Los azucares denominados monosacáridos pueden, de acuerdo con sus estructuras moleculares, actuar como polihidroxialdehidos de cadena abierta, con un grupo carbonilo libre, por lo cual ellos se oxidan rápidamente y por ende 65

74 reducen otras sustancias, como inclusión de iones metálicos diversos, como el Ion cuprico. Este ion reducido a ion cuproso produce el precipitado rojo de oxido cuproso: La oxidación del grupo carbonilo da origen a los compuestos genéricamente llamados ácidos aldonicos. Sea el caso del ácido gluconico, que corresponde a la oxidación del carbonilo de la glucosa. Por otra parte el reactivo de Barfoed no es apreciablemente reducido por los azucares llamados disacáridos, como si lo es con facilidad por los monosacáridos. Lo cual hace que el pueda ser aplicado para detectar e identificar a estos compuestos en presencia de los disacáridos, siempre y cuando no haya exceso de estos últimos, ni de ácido acético, ni de calentamiento. El reactivo de Benedict sigue el mismo principio químico de Barfoed. Reacción con el reactivo de fehling Todo azúcar que posea un grupo carbonilo libre puede reducir el reactivo de Fehling y otros diversos que constituyan variantes del mismo principio de reducción, mientras él mismo se oxida rápidamente al respectivo ácido aldonico. Todos los monosacáridos son reductores. Los más comunes son la glucosa y la fructuosa. La maltosa y la lactosa son reductores, la sacarosa no lo es. Ello significa que no posee un grupo carbonilo libre. Pero si se le hidroliza por algún medio, por ejemplo con intervención del ácido clorhídrico, ella se descompone en productos que son reductores. La hidrólisis de la sacarosa nos revela que su molécula no esta constituida por una cadena única y continua de carbonos, sino por la unión o condensación de dos hexosas y la perdida del equivalente de una molécula de agua. La maltosa y la lactosa se forman por unión análoga de dos moléculas de monosacáridos, uniones que son rotas por la acción hidrólitica. Si realizáramos pruebas especificas para identificar los productos de esta hidrólisis, encontraríamos que de hecho la 66

75 sacarosa se desdobla a glucosa y fructuosa, la lactosa se descompone a glucosa y galactosa y la maltosa se hidroliza a glucosas. Lo anterior nos llevan a concluir que procesos de biosíntesis de estos azucares se han efectuado mediante la unión entre las respectivas hexosas con eliminación de una molécula de agua por cada enlace Determinación Cuantitativa de Carbohidratos y polisacáridos Carbohidratos. Método de la antrona La reacción de la antrona constituye la base de un método rápido y conveniente para la determinación de las hexosas, aldopentosas, bien sea que estén libres o formando parte de los polisacáridos. La solución azul verdosa muestra una absorción a 620 nm, aunque algunos carbohidratos pueden dar otros colores. Esta reacción no es adecuada si en la muestra también se hallan presentes proteínas que contengan grandes cantidades de triptofano, puesto que en este caso se obtiene una coloración roja. 67

76 Determinación de azucares reductores por el método de Somogy Nelson Si se calienta el azúcar en una solución alcalina de tartrato de cobre produciendo así oxido cuproso, que reacciona con arsenomolibdato para dar azul de molibdeno, el color azul intenso originado se mide en un espectrofotómetro. En la mezcla de reacción se incluye sulfato de sodio para minimizar la entrada de oxigeno atmosférico a la solución, lo cual podría cuasar la reoxidación del oxido cuproso. La curva de calibración obtenida depende en cierto grado del azúcar determinado, así que el método no es apropiado para la determinación de una mezcla compleja de azucares reductores. Se deben remover las proteínas antes de su determinación. Esto se hace utilizando hidróxido de zinc como agente de precipitación de proteínas para obtener una solución neutra libre de proteínas Polisacáridos Se ha encontrado que la serie de los carbohidratos hasta el nivel de los oligosacáridos redesarrolla mediante la condensación o polimerización de bloques unitarios o unidades químicas constitutivas representadas por los monosacáridos, se puede pensar que los polisacáridos están igualmente integrados por muchas moléculas de monosacáridos. En efecto esto es lo que la ciencia estableció y continúa día a día precisando. Como algunos de estos carbohidratos constituyen reservas acumuladas en ciertos tejidos de muchas plantas, es posible obtener muestras bastantes puras, relativamente fáciles de someter a análisis y pruebas de caracterización. Son los casos predominantes de los almidones y el glucógeno. Otros carbohidratos macromoleculares, en particular las celulosas, dado su papel de componentes básicos de la estructura física del tejido y las paredes celulares, pueden encontrarse fuertemente unidos y asociados con otras sustancias de carácter también glúcido o pertenecientes a otra clase de compuestos. La hidrólisis ácida completa conduce a la disgregación del almidón y del glucógeno hasta su unidad constitutiva que es la glucosa. Si la hidrólisis del almidón es cuidadosa, la disgregación puede detenerse en el disacárido maltosa, que constituye así punto intermedio tanto en la formación como desdoblamiento hidrolitico del almidón. El almidón se degrada parcialmente a dextrinas, por la acción del calor y los ácidos. El primer paso o producto de la degradación es la amilodextrina o almidón soluble, que todavía produce color azul con el yodo. El avance en la hidrólisis 68

77 degrada el almidón hasta la eritrodextrina, que da color rojo con el yodo. Por ultimo se llega a la acrodextrina, que ya no da coloración alguna en la solución de yodo. Si la hidrólisis sobrepasa este nivel de degradación, se obtendrá maltosa y por ultimo glucosa. El grado de desdoblamiento o despolimerización se expresa como equivalente de glucosa (EG) o equivalente de dextrosa (ED) y se define como la cantidad de azucares reductores totales expresada en términos de dextrosa y calculada como porcentaje respecto de la materia seca total. La inversión por el proceso ácido tiene un límite de 55 ED, ya que por encima de este valor el producto o jarabe empieza a tornarse negro y amargo. De acuerdo con el tipo y condiciones del proceso hidrolitico, es posible obtener ciertos productos de variada aplicación en la industria alimenticia. El llamado jarabe de glucosa es una solución concentrada de azucares derivados de la hidrólisis de almidón, con un ED de 20 o mas. Si este equivalente es inferior a 2, el producto se denomina maltodextrina. Si la hidrólisis es producida por enzimas como las amilasas libres de otras enzimas interferentes, se obtiene maltooligosacaridos que impiden la cristalización de la glucosa y proporciona consistencias adecuadas y propiedades humectantes a los almidones. La hidrólisis del almidón puede conducir también a la producción de glucosa monohidratada o anhidra cristalizadas. La necesidad de obtener jarabes con mayor poder edulcorante y menor tendencia a cristalizarse esta llevando hacia la producción comercial de jarabes con alto contenido de fructuosa, mediante un proceso en que interviene una enzima isomerante de la glucosa. Lección 12. Aminoacidos Actividad Inicial Actividad de reconocimiento De acuerdo a sus conocimientos y o experiencias previas realice la siguiente temática sin consultar fuentes bibliograficas: 1. Defina aminoácido 2. defina proteina 3. Dibuje la estructura general de un aminoácido e indique las características más sobresalientes. 4. como se forman las proteinas? 5. realice una lista con los aminoácidos que intervienen directamente en la transformación de alimentos en los siguientes campos: Potenciadores de sabor Edulcorantes artificiales Reacciones de pardeamiento no enzimáticos 69

78 12.1 Los aminoácidos como estrucutras básicas de las proteínas Los aminoácidos son las unidades estructurales básicas de las proteínas. Un aminoácido consta de un grupo amino, un grupo carboxílico, un átomo de hidrogeno y un grupo distinto R, enlazado al átomo de carbono que se llama el carbono α (alfa), el grupo R se refiere a la cadena lateral que serán la identificación del aminoácido en la cadena proteica. Veinte tipos de cadenas laterales de aminoácidos que varían en tamaño, forma, carga, capacidad de enlace de hidrogeno y reactividad química, se encuentran comúnmente en las proteínas Los aminoácidos se encuentran unidos en la molécula de la proteína por enlaces peptídico (- CO-NH-) que se forman por condensación de α- COOH de un aminoácido con el α-nh 2 de otro. Cuando varios aminoácidos se unen para dar un polímetro de bajo peso molecular éste se conoce como polipéptido, mientras que el término proteína se usan generalmente para polímeros de peso molecular grande. Las propiedades de las proteínas están en función de su composición y conformación de los aminoácidos que las componen de ahí que se deba tener especial atención en las propiedades químicas y físicas de tales compuestos. Se debe recordar que los aminoácidos en disolución (propiedades ácido-básicas), a ph neutro, son predominante iones dipolares (zwitteriones). En la forma dipolar de un aminoácido el grupo amino esta protonado y el grupo carboxilo esta disociado: Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. El estado de ionización de un aminoácido varía con el ph y en relación su Pka. (Tabla 2). En disolución ácida por ejemplo a un ph 1.0 el grupo carboxílico no esta disociado pero el grupo amino si esta protonado (- NH + 3 ). En disolución alcalina por ejemplo a ph 11.0 el grupo carboxilo esta ionizado (- COO - ) y el 70

79 grupo amino esta desprotonado. En una forma mas clara mencionemos el caso de la glicina donde posee un pka de 2.3 para el grupo carboxílico y un pka 9.6 para el grupo amino, esto quiere decir que el punto medio de la primera ionización ocurre a ph = 2.3 y el de la segunda esta a ph = 9.6. Se debe tener presente lo concerniente al punto isoeléctrico de los aminoácidos. Los aminoácidos migran en un campo eléctrico y esta propiedad constituye la base de uno de los métodos para su separación. La dirección y magnitud de la migración depende en gran de la parte de la forma iónica predominante del aminoácido en solución, la cual a su vez esta determinada por el ph del amortiguador usado para electroforesis. El ph al cual la carga neta es cero y no ocurre migración en un campo eléctrico se conoce como punto isoeléctrico. Para los aminoácidos este es usualmente el mismo punto isoionico, definido como el ph al cual las cargas positivas y negativas son iguales, cuando se considera solamente el equilibrio de grupos cargados con H +. En el caso de las proteínas estos dos puntos no son siempre los mismos, puesto que a los aminoácidos pueden unirse diferentes al H+. Para aminoácidos que contienen solamente un grupo -COOH y un NH 2 como grupos ionizable, el punto isoeléctrico (pi) se encuentra en la mitad de los valores de pka para estos grupos. Así, pues, para el caso de la alanina: pi = ½ ( ) = 6.1 Cuando se hallan presentes estos grupos cargados el cálculo del pi no es tan simple, pero como regla general, el punto isoeléctrico se encuentra en la mitad de los valores de pka correspondientes a grupos similares. Cheftel, Jean presenta las siguientes propiedades de los aminoácidos 11 : 11 Cheftel, Jean (1998). Proteínas alimentarías. España: Acribia. 71

80 Tabla 7. Propiedades físicas de los aminoácidos AMINOÁCIDO ABREVIATURA LETRA Pka 1 (α- COOH) Pka 2 α-nh 2 Pka R R= cadena lateral Alanina Ala A Arginina Arg R Asparagina Asg N Ácido Aspartico Asp D Cisteina Cys C Fenilalanina Phe F Glutamina Glu Q Ácido glutámico Glu E Glicina Gli G Histidina His H Isoleucina Ile I Leucina Leu L Lisina Lys K Metionina Met M Prolina Pro P Serina Ser S Tirosina Try Y Treonina Tre T Triptofano Trp W Valina Val V Fuente: Cheftel Jean- Claude. Proteínas alimentarías: bioquímica, Propiedades funcionales, valor nutritivo, modificaciones químicas. Valores de pka y pi de loa aminoácidos a 25 ºC. pi El aspartame es el resultado de dos aminoácidos o componentes ricos en proteínas, que son el ácido aspártico y la fenilalanina. Estos bloques productores se obtienen en todos los alimentos que producen proteínas como los granos y las carnes, por lo que el cuerpo humano lo asimila de la misma manera que lo hace con los alimentos proteicos. Que propiedades químicas presentan estos aminoácidos que le atribuyen la capacidad edulcorante? Bueno saberlo! 12.2 Clasificación de los aminoácidos Gerardo Pérez, presenta la clasificación de los aminoácidos de acuerdo a la relación de grupos COO-/NH3+, o considerando criterios que tienen que ver con su polaridad, presencia o no de cargas positivas y negativas; todo a lo cual este comportamiento depende de la naturaleza de la cadena lateral o grupo (R) Aminoácidos no polares o hidrófobos: Son aminoácidos que sus cadenas laterales presentan baja polaridad por la naturaleza de sus enlaces: 12 Peréz, Gerardo. Navarro, Yolanda. (2005). Bioquímica. Bogorá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia. 72

81 Nombre Alanina Estrucutra Valina Leucina Isoleucina Cisteina Prolina 73

82 Fenilalanina Triptófano Metionina Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill Aminoácidos polares no cargados: sus cadenas laterales poseen atómos que forman enlaces de alta polaridad, lo que les confiere alta solubilidad en solventes polares: Glicina Nombre Estrucutra Serina 74

83 Treonina Tirosina Asparagina Glutamina Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill Aminoácidos básicos: Aquí se clasifican los aminoácidos que poseen más de un grupo amino, por lo tanto le dan carácter básico: 75

84 Nombre Histidina Estrucutra Lisina Arginina Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill Aminoácidos Acidos: se caracterizan porque su grupo R tiene más de un grupo carboxilo: Nombre Acido aspártico Estrucutra Acido Glutamico 76

85 Lección 13: Proteínas 13.1 Niveles de estructuración en la arquitectura de las proteínas Al estudiar la arquitectura de las proteínas se citan frecuentemente cuatro niveles de estructuración. La estructura primaria se refiere a la secuencia de aminoácidos y localización de los puentes disulfuros, si los hubiere. Así pues, la estructura primaria comprende las uniones covalentes de la proteína. En una visión mas clara la estructura primaria corresponde a la secuencia de sus residuos de aminoácidos ligados entre si por enlaces covalentes. Las cadenas más cortas conocidas corresponden, por lo menos, de 20 a 100 residuos de aminoácidos y la mayoría entre ellas La composición en aminoácidos de las proteínas se establece, después de la hidrólisis de los enlaces peptídicos, mediante el análisis de los aminoácidos liberados. La estructura primaria se puede considerar formada por la unión de los aminoácidos que componen una proteína. Escondes afirma que dicha estructura tiene su base en la formación del enlace peptídico. El enlace peptídico se forma por la condensación del α-cooh de un aminoácido con el α-nh2 de otro aminoácido: Figura 22. Formación del enlace peptídico. Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. El enlace peptídico posee especiales características: Es polar, plano y esta estabilizado por resonancia. Es un híbrido de resonancia; el enlace C-N del enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace, por esta razón no hay libertad de movimiento. El doble enlace entre el carbono y el oxigeno del grupo carbonilo, busca la estabilidad electrónica de la molécula. 77

86 Se ha mencionado que el carácter parcial de doble enlace no hay libertad de movimiento, Pero de quien? La presencia de un doble enlace parcial ocasiona la presencia de isomeros geométricos de la forma trans en el oxigeno del grupo carbonilo y el hidrogeno del grupo amino participantes en el enlace peptídico. La presencia del doble enlace parcial del enlace peptídico ocasiona que no haya libertad de movimiento entre el enlace C N, sino que el movimiento se de a nivel de N- Cα con un ángulo de torsión ø (phi) y entre Cα-C con un ángulo de torsión Ψ (psi). En la grafica siguiente se evidencia lo expuesto. Figura 23. Ángulos de torsión del enlace peptídico Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. La estructura secundaria esta relacionada con el ordenamiento espacial de los residuos de aminoácidos próximos entre si, en la secuencia lineal. La estrucutra secundaria se forma cuando 3 a 4 residuos de aminoácidos se alinean entre si y forman puentes de hidrogeno entre el oxigeno de grupo carbonilo de un primer aminoácido y el hidrogeno del nitrogeno de grupo amino del cuarto o tercer aminoácido. Algunas de estas relaciones estericas son de naturaleza regular, originando una estructura periódica. Esta estructura corresponde a la disposición espacial adoptada por la cadena polipeptídica. A causa de la libre rotación de los carbonos α entorno de los ejes formados por los enlaces de covalencia simple, son numerosas las posibilidades de conformación de una cadena polipeptídica: 78

87 Sin embargo, en las condiciones normales y mas concretamente de ph y temperatura, cada cadena polipeptídica posee una conformación especifica, que se llama nativa o natural. Termodinámicamente corresponde a un sistema estable y organizado con un mínimo de energía libre G. esta conformación depende fundamentalmente de la polaridad, hidrofobicidad y del conjunto esterico de las cadenas laterales R. las principales estructuras secundarias encontradas en las proteínas son. Las α- hélices, α-, 3 10, hojas plegadas ß y curvaturas ß, existe también una estructura mal definida, sin plan ni eje de simetría, calificada como estructura sin orden estadístico o random coil. La estructura terciaria se refiere al ordenamiento espacial de los residuos de aminoácidos alejados de la secuencia lineal. Esta estructura corresponde ala organización tridimensional de la cadena polipeptídica conteniendo zonas de estructuras secundarias bien definidas o random coil. Figura 24. Estructuras secundarias de las proteínas: α -hélice y β-lamina Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill. En la mayoría de las proteínas globulares de estructura terciaria conocida y soluble en agua, los aminoácidos hidrófobos tienden a colocarse hacia el interior de la molécula, mientras que los aminoácidos polares se reparten, especialmente, en la superficie de una manera bastante uniforme. En el interior de la estructura 79

88 proteica, existen numerosos enlaces de hidrogeno que contribuyen a la estabilidad de la estructura. Las proteínas que poseen más de una cadena polipeptídica pueden presentar un nuevo nivel de organización estructural. A cada cadena polipeptídica de una proteína así se le denomina subunidad. La estructura cuaternaria se refiere al ordenamiento espacial de tales subunidades y a la naturaleza de sus contactos mutuos. La estructura cuaternaria de las proteínas es el resultado de las asociaciones no covalentes de unidades proteicas. Estas subunidades pueden identificarse o no y su organización no es necesariamente simétrica. Las fuerzas o enlaces que estabilizan las estructuras cuaternarias son los mismos que los que estabilizan las estructuras terciarias, con excepción de las uniones disulfuro. Figura 25. Organización terciaria y cuaternaria de proteínas. Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill. Señor estudiante: Cual cree que sea la incidencia y la relación de la conformación y composición de las proteínas para el empleo en la industria alimentaría? Le invito a iniciar esta investigación y exponer tus ideas en el WIKI del curso virtual. Para ello avisa a tu tutor correspondiente Interacciones y enlaces implicados en la estructura proteica 80

89 Se conocen varias interacciones y enlaces, dada su contribución a la formación de estructuras secundarias, terciaria y cuaternaria. Las contracciones estericas: Por su estructura, los enlaces peptídicos poseen una libertad de rotación, que en ausencia de bloqueamientos esteáricos, le permiten a los ángulos Φ y Ψ alcanzar todos los valores comprendidos entre 180 y Sin embargo para la mayoría de los residuos de aminoácidos resultan imposibles algunos ángulos de torsión, debido a la presencia de cadenas laterales más o menos voluminosas. Las interacciones de Van Der waals Estas son fuerzas débiles comparadas con otro tipo de interacciones. Entre estas interacciones están las fuerzas atractivas y repulsivas, depende de la distancia ente los átomos y en el caso de las proteínas también de los ángulos de torsión en torno a los átomos de carbono α. Con grandes distancias las interacciones son inexistentes, pero a medida que la separación disminuye, aparece una fuerza atractiva y cuando esta distancia se acorta aun más, surge una fuerza repulsiva. Las interacciones electrostáticas Las proteínas pueden considerarse como polielectrolitos. Los valores de pka de los grupos ionizables de las cadenas laterales, pueden variar en más de una unidad según lo que le rodea. En solución acuosa, la mayoría de los grupos ionizables de las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos, se sitúan en la superficie de la proteína. Durante la valoración de una proteína de la forma aniónica a la forma cationica, estando en ambas formas policargada, existe un ph para el cual la carga media es nula: es el punto isoeléctrico (pi). Las propiedades iónicas de las proteínas se utilizan para su purificación, por métodos tales como electroforesis, cromatografía de intercambio iónico y electroenfoque. Estas propiedades contribuyen a la estructura de las proteínas alimenticias y a las diversas interacciones de las que son fundamento. Los grupos ionizables originan fuerzas atractivas o repulsivas que contribuyen a estabilizar la estructura secundaria o terciaria. Varias interacciones proteína- Ion contribuyen a estabilizar las estructuras proteicas cuaternarias. Así, las interacciones electrostáticas, del tipo proteína - Ca ++ - proteína ayudan a la estabilidad de las micelas en la caseína de la leche. Enlaces de Hidrogeno 81

90 En las proteínas, los enlaces de hidrogeno pueden aparecer entre el oxigeno de un grupo carbonilo de un enlace peptídico y el hidrogeno del NH de otra unión polipeptídica. Este tipo de enlaces tiene una función fundamental en la estabilización de estructuras secundarias, tales como el alfa- hélice, hojas plegada beta.y asimismo en la estabilización de estructuras terciarias. Los grupos polares de los aminoácidos, situados en la superficie de las proteínas, pueden formar con las moléculas de agua, un gran número de enlaces hidrogeno contribuyendo así a la estructura específica y a la solubilidad de algunas proteínas. Interacciones Hidrófobas la estructura natural de las proteínas depende del disolvente en que se encuentre. La hidrofobicidad de la cadena lateral de los residuos de aminoácidos se debe a su estructura química apolar; estas cadenas laterales no interfieren con moléculas polares tales como las del agua. Tienen así tendencia a asociarse (interacciones hidrófobas) en las regiones hidrófobas internas de las proteínas. Uniones covalentes disulfuro El establecimiento de uniones covalentes entre residuos de cisteina limita el número de estructuras proteicas posibles y contribuyen a su estabilización. Así, las moléculas proteicas que contengan de 5 a 7 uniones disulfuro para un centenar de aminoácidos, son estables, sobre todo bajo las condiciones que conducen, para la mayor parte de las proteínas, a una desnaturalización irreversible. 3.3 Pruebas cualitativas y cuantitativas para determinar aminoácidos y proteínas en laboratorio. CONSULTA EL ENLACE EN VIRTUAL EN LA PÁGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: CARCTERIZACION DE PROTEINAS Aminoácidos. Las pruebas cualitativas para la determinación de las propiedades generales delos aminoácidos se relacionan a continuación de acuerdo a Plummer, David (2000) 13 : 13 Plummer, David (2000). Bioquímica práctica. Londres: mcgraw- Hill Latinoammericana S.A. 82

91 Reacción de la Ninhidrina Reacción Xantoproteica Reacción de Millón La ninhidrina (hidrato de triceohidrindeno), un agente oxidante poderoso, reacciona con todos los aminoácidos a un ph entre 4-8 para dar un compuesto de color púrpura. Esta reacción se efectúa con aminas primarias y amoniaco pero sin desprendimiento de CO 2. La reacción es muy sensible y es ideal para la detección de aminoácidos en cromatografías y su determinación cuantitativa en fracciones de columnas. Los aminoácidos que contienen un núcleo aromático (triptofano y fenilalanina), forman nitroderivados de color amarillo cuando se calientan con ácido nítrico concentrado. Las sales de estos derivados son de color naranja. Los compuestos que contienen el radical hidroxibenceno (la tirosina) reaccionan con el reactivo de millón formado compuestos rojos. Los únicos aminoácidos fenolicos son la tirosina y sus derivados y solamente ellos dan una reacción positiva. Reacción de ácido glioxilico para triptofano Prueba de Pauly Reacción de Ehrlich Prueba de nitroprusiato Reacción de Sakaguchi El grupo indolico del triptofano reacciona con el ácido glioxilico en presencia del ácido sulfúrico concentrado dando un color púrpura. El ácido acético glacial que ha sido expuesto a la luz contiene ácido glioxilico. El ácido sulfanilico diazotizado se une con las aminas de la arginina y la lisina, fenoles como el de la tirosina e imidazoles como la histidina para dar compuestos azo fuertemente coloreados. Este reactivo reacciona con un buen número de compuestos orgánicos tales como índoles, aminas aromáticas y compuestos ureicos para dar compuestos coloreados. Los grupos tioles reaccionan con nitroprusiato de sodio ( Na 2 Fe(CN) 5 NO) en presencia de un exceso de amoniaco para dar un color rojo. El único aminoácido que contiene grupos guanidinios es la arginina; esta reacciona con alfa-naftol y un agente oxidante tal como el agua de bromo dando un color rojo Métodos cualitativos para la determinación de las proteínas. prueba de biuret para enlaces peptídicos El sulfato alcalino de cobre reacciona con compuestos que contienen dos o mas enlaces peptídicos dando un complejo de coloración violeta. La intensidad del color obtenido es una medida del número de enlaces peptídicos presentes en la proteínas Métodos Cuantitativos de aminoácidos y proteínas 83

92 Determinación cuantitativa de los aminoácidos usando la reacción de la ninhidrina El desarrollo del color no es el mismo en todos los aminoácidos. Los aminoácidos como la prolina e hidroxiprolina dan un color amarillo, así que ellos se leen a 440 nm. Método de folin lowry para determinación de proteínas Las proteínas reaccionan con el reactivo de Folin para dar un complejo colorado. El color que se forma es debido a la reacción del cobre alcalino con la proteína, tal como sucede en el ensayo de biuret y la reducción de fosfomolibdato por la tirosina y el triptofano presentes en la proteína. La intensidad del color depende del número de aminoácidos aromáticos presentes y cambiaran según la clase de proteína Calidad de las proteínas 14 La calidad de una proteína alimenticia depende de la naturaleza y cantidades de aminoácidos que contiene, lo que representa una medida de la eficiencia de cómo el organismo puede utilizarla. El valor proteico de los alimentos, depende de los siguientes factores: Contenido proteico Entre los alimentos que se consumen usualmente en nuestro país, el aporte proteicos de carnes, huevos y leguminosas es superior al 10%; el de los cereales entre 7 y 12% mientras que el de los tubérculos es menor del 3% (ver tabla 4). De acuerdo con estos valores y teniendo en cuenta los requerimientos de proteínas de los seres humanos (ver el módulo de Principios de Nutrición) queda fácil concluir que para satisfacer el requerimiento de sustancias nitrogenadas o sea el de proteína, se puede lograr mediante el consumo de cantidades no muy altas de leguminosas, carnes o huevos; por ejemplo: un poco más de media libra de carne al día, es suficiente para un adulto. Mientras que con los tubérculos y plátanos es necesario ingerir entre 3 y 6 kilos al día para consumir la proteína requerida. De acuerdo con los diferentes aportes proteicos que puede suministrar un 14 Ana Silvia Bermudez Y Rosa Guzman. Química de Alimentos. Unisur

93 alimento podemos clasificarlos con un valor proteico bueno, regular o malo; incluyendo a este último grupo todos los alimentos que contienen menos de un 3% de proteína como son los tubérculos, los plátanos y las frutas en general Calidad proteica La utilización de la proteína por los organismos que la ingieren depende de su balance" de aminoácidos en especial de los llamados esenciales. Así podríamos disponer, por ejemplo de un alimento con un 30 % de proteína pero que en su composición de cantidad de lisina sea prácticamente despreciable; esto haría que el organismo no pueda sintetizar las proteínas que requieren lisina y por lo tanto diríamos que la calidad proteica de dicho alimento es mala, lo que nos lleva a un valor proteico muy bajo. La calidad proteica entonces dependerá de la naturaleza y cantidad de aminoácidos que la constituyen y representa la eficacia con que un organismo puede utilizarla. Como se puede prever la calidad proteica además variará con el organismo que las consuma, ya que el requerimiento de aminoácidos no será necesariamente igual por ejemplo para un elefante que para un niño de cinco años. En este módulo se estudian los alimentos con miras al consumo humano, por lo tanto las referencias en cuanto a contenido de aminoácidos se harán en relación al patrón provisional de aminoácidos establecidos por la FAO - OMS en 1973 (ver tabla 3) Y el cual indica los requerimientos de aminoácidos necesarios para los seres humanos. Tabla 8. Composición del patrón provisional de aminoácidos Aminoácidos Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina + cisteína Fenilalanina + tirosina Treonina Triptófano Valina Mg / g proteínas Las proteínas de los alimentos de origen animal en general presentan en su composición un contenido de aminoácidos similar o superior al patrón provisional de la FAO - OMS. Por el contrario las proteínas de los alimentos vegetales son 85

94 deficientes en diferentes aminoácidos, así tenemos que los cereales son deficientes en lisina y el maíz en triptófano; las leguminosas son deficientes en metionina y las semillas de oleaginosas son deficientes tanto en metionina como en lisina. Esto significa que las proteínas de origen vegetal son de una calidad inferior o sea que el organismo las utiliza menos eficientemente que las de origen animal. La calidad de las proteínas vegetales se incrementar mediante suplementación o complementación. En la suplementación se adiciona el aminoácido o aminoácidos, que se encuentran por debajo de los requerimientos establecidos mediante el patrón de aminoácidos. Así tenemos por ejemplo que a los cereales se les incrementa el contenido de lisina mientras que a las leguminosas se les agrega metionina. La suplementación no se debe hacer si no se conoce el contenido de aminoácidos de la proteína, ya que una suplementación excesiva puede conducir a antagonismos entre el metabolismo de los aminoácidos o a una toxicidad. Los problemas causados por una excesiva suplementación son más comunes en alimentación animal y en especial en avicultura, lo que puede llevar a una reducción en el crecimiento, a una baja ingestión de alimentos por lo tanto a una disminución en la productividad como resultado de un exceso de metionina, tirosina, triptófano e histidina en el concentrado. Una ingestión excesiva de lisina produce una disminución en la utilización de la arginina, mientras que un exceso de leucina baja la utilización de triptófano y de isoleucina, siendo la suplementación más común la de la lisina, el antagonismo lisina - arginina es también el problema más frecuente. La complementación se refiere al uso de proteínas con diferente deficiencia, por ejemplo el consumo de leguminosas y cereales simultáneamente. La complementación óptima no significa que necesariamente se deban consumir en cantidades iguales los dos alimentos, así se ha podido observar que las proteínas del arroz se complementan adecuadamente adicionando una pequeña cantidad de fríjol rojo, mientras que lo contrario o sea fríjoles con una pequeña cantidad de arroz, la complementación es deficiente Disponibilidad de los aminoácidos Las proteínas ingeridas requieren de un proceso de digestión enzimático que rompa los enlaces peptídicos y libere los aminoácidos para, en esta forma, ser absorbidos. El proceso de digestión no necesariamente es completo, lo cual implica que la disponibilidad de los aminoácidos presentes en la proteína disminuye. De los 86

95 aminoácidos presentes en la proteína animal usualmente se absorben alrededor del 90% mientras que los de la proteína vegetal se absorben entre el 60 y el 70%. Estas diferencias en la digestibilidad de las proteínas y por ende en la disponibilidad son causadas por diferentes factores, entre los cuales tenemos: Presencia de factores antinutricionales que pueden ser de origen proteico, con inhibidores de tripsina y las lectinas o hemaglutininas. Los inhibidores de tripsina como su nombre lo indica interfieren con la actividad de la tripsina, proteasa secretada por el páncreas, con lo cual se disminuye el rompimiento de los enlaces peptídicos. Las lecitinas interfieren aparentemente con el proceso de absorción de los aminoácidos en las vellosidades intestinales. Conformación de las proteínas: Las proteínas insolubles y las de baja solubilidad son atacadas más lentamente por las proteasas que las proteínas solubles. Los procesos a los que se someten los alimentos pueden inducir la formación de complejos entre las proteínas y otros ingredientes para formar complejos que son difíciles de digerir Métodos para evaluar la calidad proteica Entre los diversos factores que influyen sobre el valor proteico de los alimentos el más difícil de evaluar es la calidad proteica, la cual nos indica la eficiencia con que el organismo la puede utilizar. Existen diferentes métodos para evaluar la calidad de las proteínas y sus resultados nos permiten: - Clasificar las proteínas de acuerdo con su valor nutricional - Prever la cantidad de proteína o mezcla de proteínas que es necesario suministrar a una persona para satisfacer sus requerimientos de aminoácidos. - Determinar la influencia de los procesos tecnológicos sobre las propiedades nutricionales de las proteínas alimentarías. Con base en el parámetro que se emplea para evaluar la calidad nutricional de las proteínas, los métodos empleados se clasifican en: 87

96 Existen otros métodos cuya medida está basada en los parámetros anteriormente nombrados, además de los métodos clínicos en los cuales se mide la eficiencia de la proteína a un componente específico, por ejemplo, la capacidad de la proteína para elevar los niveles proteicos del plasma en animales desnutridos. Señor estudiante: Estudiar a profundidad los métodos más empleados en la evaluación de la calidad proteica haría extensivo este capitulo, pero no es tema que se deba dejar sólo con esta introducción, debido a la importancia que representa el conocer el valor nutricional de las proteínas en el momento de someterlas a los procesos tecnológico y de transformación. El complemento de este apartado se presenta en el el libro debermudez, Silvia (1995), Quimica de alimentos. Este tema sería muy interesante complementarlo en el WIKI del curso virtual! 13.5 Clasificación de las proteínas Las proteínas son clasificables según su estructura química en: Proteínas simples: Producen solo aminoácidos al ser hidrolizados. Albúminas y globulinas: Son solubles en agua y soluciones salinas diluidas (ej.: lactoalbumina de la leche). 88

97 Glutelinas y prolaminas: Son solubles en ácidos y álcalis, se encuentran en cereales fundamentalmente el trigo. El gluten se forma a partir de una mezcla de gluteninas y gliadinas con agua. Albuminoides: Son insolubles en agua, son fibrosas, incluyen la queratina del cabello, el colágeno del tejido conectivo y la fibrina del coagulo sanguíneo. Proteínas conjugadas: Son las que contienen partes no proteicas. Ej.: nucleoproteínas. Proteínas derivadas: Son producto de la hidrólisis. En la tabla 9. Se indican los nombres de las proteínas de acuerdo con la solubilidad en diferentes solventes y también los nombres que se les asignan de acuerdo con su composición, lo cual nos facilitará el estudio de las proteínas de cada grupo. Tabla 9. Clasificación de las proteínas según la solubilidad y composición. Clasificación Características Ejemplo Por solubilidad Albúminas Solubles en agua y soluciones salinas α - Lactoalbúmina Globulinas Poco solubles en agua y solubles en soluciones salinas. Miosina Proláminas Solubles en etanol al 70% Gliadina del trigo Glutelinas Insolubles en agua y etanol, solubles en soluciones ácidos débiles (acético 0,1 M) o básicas débiles. Glutelina de alto peso Insolubles en las soluciones anteriores molecular Por composición Simples Formadas solo por aminoácidos Insulina Conjugados Contiene una fracción no proteica Mioglobina Metaloproteínas Contienen metales como el hierro γ - Globulina Glicoproteínas Contiene carbohidratos como lactosa, manosa, siálico Casinas Fosfoproteínas Contiene grupos fosfato Lipoproteínas Contiene fosfolípidos, colesterol o lípidos neutros Lipovitelinas Nucleoproteínas Contiene ácidos nucleicos. Ribosomas Fuente: Bermúdez Silvia. Unad

98 Lección 14: COMPLEJOS PROTEICOS EN LOS ALIMENTOS Las proteínas constituyen alrededor del 50% del peso seco de los tejidos y no existe proceso biológico alguno que no dependa de la participación de este tipo de sustancias. Las funciones principales de las proteínas son: - Ser esenciales para el crecimiento. Las grasas y carbohidratos no las pueden sustituir, por no contener nitrógeno. - Proporcionan los aminoácidos esenciales fundamentales para la síntesis tisular. - Son materia prima para la formación de los jugos digestivos, hormonas, proteínas plasmáticas, hemoglobina, vitaminas y enzimas. - Funcionan como amortiguadores, ayudando a mantener la reacción de diversos medios como el plasma. - Actúan como catalizadores biológicos acelerando la velocidad de las reacciones químicas del metabolismo. Son las enzimas. - Actúan como transporte de gases como oxígeno y dióxido de carbono en sangre (hemoglobina). - Actúan como defensa, los anticuerpos son proteínas de defensa natural contra infecciones o agentes extraños. - Permiten el movimiento celular a través de la miosina y actina (proteínas contráctiles musculares). - Resistencia. El colágeno es la principal proteína integrante de los tejidos de sostén. - Energéticamente, estas sustancias aportan 4Kcal por gramo de energía al cuerpo Complejo proteico de origen animal Proteínas de la leche Composición de las proteínas de la leche de vaca La composición global de la fracción proteica en una leche normal, el contenido de proteína es de g por litro, lo que representa el 95% del nitrógeno total de la leche. El 80% de las proteínas, se encuentra bajo la forma de complejos macromoleculares, conteniendo una parte mineral (especialmente fosfato de calcio) que se conoce con el nombre de micelas de caseína Caseínas 90

99 Son proteínas ácidas, por se ricas en ácido glutámico y aspártico. La composición en aminoácidos le confiere una hidrofobicidad media. Las caseínas son fosfoglucoproteínas que precipitan a ph 4.6 y 20ºC, de esto se desprenden varias conclusiones que se relacionan con sus propiedades físicas y químicas. Dentro de este grupo de proteínas se distinguen cinco isoenzimas: caseína Fracción (g/l) Fuente: Cheftel JC. Proteínas alimentaría.1989 Las caseínas se precipitan de la leche por la adición de ácidos en presencia de iones calcio, con lo cual se obtiene los caseínatos de amplia utilización en la industria alimentaría. Las propiedades de hidratación de los caseínatos, en especial la capacidad de absorción de agua, los hacen muy útiles en la preparación de embutidos, con lo cual se mejora la cocción de los productos cárnicos. Además, presentan buenas propiedades espumantes y emulsionantes. Los caseínatos son productos que no poseen sabor, por lo cual se deben emplear en la preparación de productos condimentados Proteínas de Lactosuero α s α s β 9-11 κ 3-4 ץ 1-2 Hacen parte del grupo de proteínas solubles de la leche. La glándula mamaria sintetiza las dos proteínas principales del lactosuero:β- lactoglobulina y la α- lactoalbúmina. Su composición en aminoácidos es muy diferente al de la caseína, contienen menos ácido glutámico y prolina pero son más ricas en aminoácidos azufrados (císteina y metionina). Las fracciones se presentan: proteína Fracción (g/l) α -lactoalbúmina β-lactoglobulina 2-4 seroalbúmina Inmunoglobulinas Fuente: Cheftel JC. Proteínas alimentaría

100 Desde el punto de vista nutricional las proteínas del lactosuero son un complemento adecuado para las proteínas deficientes en aminoácidos azufrados como las de las leguminosas (fríjol, soya, etc) ya que ellas son ricas en aminoácidos azufrados, con un buen porcentaje de grupos sulfíhidrilo. Las proteínas de la lactosuero se separan industrialmente del suero que queda como subproducto de la manufactura de los quesos mediante la adición de agentes precipitantes como polifosfatos, con lo cual se obtiene un concentrado proteico que en base seca contiene entre 35 y 60% de proteínas. Estas proteínas se emplean en la elaboración de muchos productos alimenticios debido en especial a las buenas propiedades emulsificantes y a su baja capacidad de absorción de agua, lo cual permite emplearlas en una cantidad relativamente alta en los alimentos sin un incremento excesivo de la viscosidad. Se utilizan también en la preparación de espumas Efectos de los tratamientos tecnológicos sobre las proteínas de la leche. a) Tratamiento térmico Cheftel, Jean (2000), explica los efectos de las altas temepraturas sobre el complejo proteico de la leche 15 : Las caseínas y las proteínas del lactosuero sufren en el curso del calentamiento, modificaciones cuya naturaleza e intensidad dependen de numerosos factores ( ph, temperatura y duración del tratamiento térmico; naturaleza y concentración de los constituyentes minerales y orgánicos presentes, etc.). A temperaturas moderadas (100ºC) que corresponden a las que se alcanzan en la pasterización y concertación de la leche, se observa, especialmente, una desnaturalización de la B- lasctoglobulina. A partir de 80ºC la proteína en solución se polimeriza y puede formarse un gel; el grupo tiol libre, inicialmente englobado en el centro de la molécula, se libera a causa del desdoblamiento de la estructura globular y puede reaccionar con otros grupos tiol o con enlaces disulfuro por intercambio intra o intermolecular. En la leche también son posibles los cambios intermoleculares con otras proteínas que posean radicales cisteinil o cistinil. También se forman complejos entre las proteínas solubles desnaturalizadas y los constituyentes azufrados de la micela. Si la temperatura se eleva por encima de los 100ºC se puede encontrar ligada a las micelas de la caseína una gran parte de las proteínas del lactosuero. Entonces su superficie resulta modificada, lo que 15 Cheftel, Jean (1998). Proteínas alimentarías.. España: Acribia. 92

101 motiva una mayor resistencia a las proteasas (en particular a la quimosina). Estas reacciones de desnaturalización y asociación favorecen si se mantienen la leche a 90 ºC varios minutos durante las operaciones de precalentado. El complejo b. lactoglobulina-caseínas así formado estabiliza las proteínas de la leche frente ala posterior esterilización a ºC, o frente a la coagulación enzimatica. Se debe resaltar que no todas las proteínas estabilizan las micelas de caseína frente al calentamiento o coagulación. Algunas, como la lisozima, sensibilizan las micelas a la acción de la quimosina. A partir de ºC, la estabilidad de la fase proteica de la leche depende acusadamente del ph. Puede distinguirse dos tipos de leche: las del tipo A que manifiestan un mínimo de estabilidad a 140ºC, alrededor de ph 6.8 y las leches de tipo B cuya estabilidad se aumenta de forma continua con el ph ( ). A pesar del alto contenido en agua, la esterilización origina reacciones de maillard y hace no utilizables una parte de los residuos de lisina. Esto se confirma por la reducción del 15 %de la capacidad de fijación del color observado después del calentamiento de la leche a un ph 6.7 a 140ºC durante 20 min. Los grupos ε- aminados de la lisina, están vinculados al fenómeno de coagulación, en efecto, la modificación química de los residuos de lisina, inhibe la fase secundaria de la coagulación por la quimosina. También parece que las reacciones de pardeamiento están implicadas en el fenómeno de la gelificación de las leches UHT durante el almacenamiento. b) Efectos de la refrigeración El almacenamiento de la leche a baja temperatura (2-6ºC) motiva fundamentalmente dos tipos de modificaciones: la desestabilización de las micelas y una proteolisis limitada. El frío modifica los equilibrios salinos (P y Ca) entre micelas y la fase soluble: los contenidos del suero en Ca, P y caseína aumentan y el ph se eleva ligeramente. Resulta así modificada las propiedades tecnológicas: aumento destiempo de coagulación, modificación de la consistencia de la cuajada y de la sinéresis, la disminución del rendimiento quesero puede alcanzar hasta un 10%. Es posible restaurar sus propiedades iniciales por una premaduración una adición de CaCl 2 o por ajuste de ph inicial. Parece apropiado un tratamiento térmico (calentamiento a 60ºC durante 30 min) para conseguir la reabsorción de la casina en las micelas. Además el frío aumenta la degradación de la caseína beta y gama. Según la temperatura y duración del almacenamiento en frío, se observa una gran 93

102 variabilidad del contenido de la leche en las caseínas gama. En efecto las caseínas Beta, al emigrar en la fase soluble se hace más accesible y más hidrolizables por las proteasas naturales de la leche o por bacterias psicrofilas. c) tratamiento mecánico los tratamientos de homogenización disminuyen la estabilidad de las micelas en la leche entera sobre todo cuando el tratamiento se realiza a 60ºC y solo tiene un efecto mínimo sobre las micelas de la leche descremada Proteínas de la carne En su aspecto anatómico la carne corresponde a los músculos. Es a nivel del tejido muscular donde la energía química se transforma en trabajo mecánico. Desde el punto de vista alimenticio, se considera que algunas propiedades organolépticas, tales como la textura, el comportamiento a la cocción o a la conservación están estrechamente ligados a la estructura proteica del músculo y a las reacciones bioquímicas que en él se realizan. Los músculos se clasifican de acuerdo con su estructura en: estriados que contribuyen del 30 al 40% en peso del animal; los lisos que se encuentran en los intestinos y en los vasos sanguíneos y el cardíaco que, como su nombre Io indica, se encuentra en el corazón. La definición de carne hace referencia la conversión del músculo en carne por efecto de los cambios bioquímicas que ocurren después de la muerte. Las proteínas musculares que constituyen del 17,6 al 23,0% en peso del tejido - libre de grasa, pueden clasificarse en tres grupos de acuerdo con su solubilidad Proteínas sarcoplásmicas Son solubles a ph neutro cuando la fuerza iónica es menor de 0,1 formando soluciones muy viscosas. Esta fracción que constituye del 30 al 35% de la proteína total presente en el músculo, está formada al menos por 100 proteínas diferentes todas ellas globulares. Las proteínas sarcoplásmicas contribuyen muy poco a que la carne sea blanda. Las principales proteínas sacoplasmáticas son: - Enzimas mitocondriales y proteínas solubles - Mioglobina 94

103 - Hemoglobina - Citocromo - Flavoproteínas La mioglobina es una heteroproteína y es el principal determinante del color en las carnes. La concentración en mioglobina varía según las especies de animales, del tipo de músculo y otros parámetros. Los principales derivados de la mioglobina son los siguientes: - La oximioglobina corresponde a un complejo mioglobina Fe ++ - O 2, se trata de un derivado rojo vivo, relativamente estable cuando la presión parcial del oxigeno es elevada, tal como ocurre en la superficie de la carne fresca. La oximioglobina, constituye para el músculo una reserva de oxigeno y los transporta hasta el nivel de los tejidos la hemoglobina sanguínea. - La desoximioglobina es el pigmento natural de la carne, posee un átomo de hierro bajo la forma de hierro ferroso (Fe++) en el hemo oxidado. Este derivado rojo púrpura esta presente cuando la presión parcial en oxigeno es baja; también se encuentra en el interior de las carnes recién cortadas. - La metamioglobina es una forma oxidada de la mioglobina en el cual el hierro esta en estado ferrico (Fe+++). Se trata de un pigmento oscuro que, por lo general, es indeseable en la carne y en los productos carnicos. La oxidación de la oximioglobina en metamioglobina y la reacción inversa (reducción) se produce de una forma continua en el músculo durante cierto tiempo después del sacrificio. Por lo tanto la preservación del color de la carne fresca, necesita condiciones en las cuales predomine la forma reducida. - Los hemocromos son mioglobinas o metamioglobinas en las que la globina fue desnaturalizada por el calor. - Los derivados nitrosos (nitrosomioglobina, nitrosohemocromo) presentes en las carnes y los productos carnicos tienen un color rojo vivo o rojo rosado. - Los derivados carboxi (carboximioglobina, carboxiferrohemocromo) se obtienen tratando las carnes y los productos carnicos por atmósferas que contengan oxido de carbono. - La colemioglobina verde se obtiene a partir de la metamioglobina por reducción seguida de oxidación; la sulfomioglobina también verde, resulta del tratamiento de la mioglobina o de la metamioglobina en un medio oxidante. 95

104 - El ácido nicotínico y su amida con la mioglobina un complejo rojo estable. En conclusión el color rojo de la carne fresca viene determinada por la estructura que toma la mioglobina. En presencia de oxigeno (atmósfera normal) la mioglobina se transforma en oximioglobina que alcanza algunos milímetros de espesor. Sin embargo, la carne expuesta a la luz y temperatura ambiente, pierde su color rojo vivo en 1 ò 3 días, por auto oxidación de la mioglobina en metamioglobina. La velocidad de esta reacción varia con la naturaleza de la carne y la temperatura; así la coloración de la carne de vaca permanece estable unos 10 días a una temperatura superior a la de congelación (-1ºC). la desnaturalización de la globina por el calor o a ph bajos favorece la auto oxidación y por lo tanto la aparición de un color oscuro y desviado Proteínas miofibrilares Las principales proteínas miofibrilares son: Miosina Tropo miosina Proteína M Alfa-actina Actina Troponinas Proteína C B-actina Las proteínas miofibrilares representan más del 50% de las proteínas totales del músculo. Su solubilidad es inferior a las proteínas sarcoplasmatica, pero superior a las proteínas del estroma. Las proteínas miofibrilares contienen proteínas contráctiles que son el complejo actina-miosina y proteínas reguladoras de la contracción que son la tropomiosina, troponinas la alfa y beta- actina, proteína M y proteína C. La molécula de miosina contiene 40 grupos sulfhídricos SH, pero sin uniones disulfuro. Bajo la acción de la tripsina la molécula se escinde en dos partes dando como resultado la meromiosina pesada y la meromiosina ligera. La miosina posee una actividad ATPbásica que, en ausencia de actina, resulta activada por los iones Ca. La miosina presenta la propiedad de ligarse reversiblemente a la actina; en presencia de Mg++ el complejo actina. Miosina se disocia específicamente por el ATP, pirofosfato y algunos polianiones. La actina, contiene una sola cadena polipeptídica de estructura terciaria globular llamada G-actina. La molécula de G- actina tiene una molécula de ATP y un Ion Ca++. En condiciones bien determinadas (concentración en iones de Ca++ o Mg++ superiores a mm) la G-actina se polimeriza en F-actina. 96

105 Las troponinas están distribuidas periódicamente y espaciadas a los largo de la F- actina. Existen tres troponinas llamadas T.I y C. La troponina T esta ligada reversiblemente ala tropomiosina; la troponina esta ligada a la vez a la troponina T, a la troponina C y débilmente a la actina La tropomiosina contiene dos cadenas polipeptídicas de estructura alfa- helicoidal. La molécula de tropomiosina esta asociada a dos filamentos de F- actina y las moléculas de tropomiosina están enganchadas en los extremos por enlaces de tipo iónico. Cada molécula de la tropomiosina posee un sitio de fijación de la troponina T al nivel de su único residuo de cisterna Proteínas del estroma. Son las proteínas menos solubles del músculo. Esta fracción proteica muscular contiene las proteínas del sarcolema, del retículo endoplasmatico, membranas mitocondriales así como las proteínas del tejido conjuntivo. El tejido conjuntivo contiene los fibroblastos, las fibras de colágeno, de reticulita y elastina. Las dos proteínas principales del tejido conjuntivo son el colágeno y la elastina que representan más del 50% de las proteínas del estroma. El colágeno se encuentra no solamente formando parte del músculo estriado sino también como principal elemento de todas las estructuras de soporte del animal; huesos, tendones, dientes y piel. El colágeno se encuentra formando fibras que difieren en su grado de entrecruzamiento posee la tendencia a hincharse en soluciones ácidas y alcalinas o en soluciones concentradas de sales neutras. El colágeno se convierte en gelatina soluble mediante un tratamiento térmico fuerte o por un tratamiento con ácidos o bases, seguido de una extracción con agua caliente. Las principales fuentes de gelatina comestible son los huesos de los mamíferos. El colágeno, a diferencia de la gran mayoría de las proteínas de origen animal, presenta un valor biológico bajo ya que aproximadamente la cuarta parte de sus aminoácidos son prolina e hidroxiprolina, no contiene cisteína y la cantidad de metionina es muy baja. La elastina, se encuentra en una proporción mucho menor que el colágeno y su valor biológico también es bajo, debido al contenido de hidroxiprolina. La elastina también se ablanda por calentamiento en agua, pero no en el mismo grado que se puede lograr con el colágeno. En general, las proteínas de estroma reducen el valor nutricional de la carne y su presencia causa problemas en los productos alimenticios ya que disminuye la 97

106 capacidad emulsificante de la carne debido a su poca solubilidad. Además, disminuye la capacidad de retención de agua de la carne debido a que están formadas especialmente por prolina, lo cual reduce la presencia de aminoácidos hidrofílicos. Dependiendo del grado de entrecruzamiento de las proteínas de estroma, llamadas también tejido conectivo, su presencia en el músculo estriado puede incrementar la dureza de la carne. La composición y propiedades de los músculos estriados de los diferentes animales que se emplean en la alimentación son básicamente similares, varían esencialmente en factores como el color, por ejemplo el de pollo, pertenece a las llamadas carnes blancas denominadas así por su bajo contenido de mioglobina. Los músculos de un mismo animal varían en su tamaño, forma y longitud, lo cual implica además diferencias en la blandura de la carne y la capacidad de retención de agua. La carne de las aves presenta variaciones en cuanto al contenido de tejido conectivo, en los animales viejos este tejido aumenta y la carne es más dura y menos jugosa que la carne de las aves jóvenes Influencia de los tratamientos tecnológicos sobre las proteínas musculares a) Influencia de la temperatura Cheftel, Jean (2000), explica los efectos de las altas temepraturas sobre el complejo proteico de la carne 16 : Durante la cocción intervienen numerosas modificaciones sobre las proteínas musculares, algunas se traducen por un aumento en la dureza pero otras, por el contrario, por una mayor blandura. Así, la carne de vaca presenta durante la cocción dos fases distintas de endurecimiento: entre 40 55ºC se produce una desnaturalización del sistema contráctil y entre 65 70ºC una retracción del colágeno se desnaturaliza. Las importancias relativas de estas diferentes fases durante la cocción son función de la naturaleza de la carne de la proporción y edad del colágeno y el grado de rigidez cadavérica alcanzado. Además influye sobre la calidad de las carnes la duración y temperatura de calentamiento. Una cocción lenta favorece el ablandamiento, en torno al 60ºC los fenómenos de maduración se aceleran y hacia los 90ºC se solubiliza el colágeno. 16 Cheftel, Jean (1998). Proteínas alimentarías.. España: Acribia. 98

107 influencia de la temperatura sobre las proteínas sarcoplasmáticas La mayor parte de las proteínas sarcoplasmáticas se desnaturalizan y formas agregados entre 40 60ºC. La desnaturalización de la mioglobina es el origen de los cambios de color de las carnes durante la cocción de rojo a parduzco. El principal pigmento formado es el ferrihemocromo pardo. Hasta 50ºC la carne conserva su color, entre 50 70ºC se hace blanquecina (precipitación de las proteínas sarcoplasmáticas) y suelta un jugo rojizo, por encima de 70 ºC se oscurece y el jugo pierde su color a causa de la desnaturalización de la mioglobina. Influencia de la temperatura sobre las proteínas del tejido conjuntivo La primera modificación sufrida por el colágeno durante el calentamiento se caracteriza por un acortamiento de la longitud de la molécula en aproximadamente en un tercio. Este fenómeno aparece hacia los 55ºC y la mitad de las fibras de colágeno lo presentan en torno a los 61ºC. Esta modificación rápida va seguida de la solubilización de esta proteína, solubilización que aumenta con la temperatura (entre AC); se forma gelatina. influencia de la temperatura sobre las proteínas miofibrilares La solubilidad de las proteínas miofibrilares disminuye acusadamente entre 40 y 60 ºC; se produce un desplazamiento de las cadenas polipeptídicas que se asocian y se coagulan. Con temperaturas a 75ºC, se producen reacciones de desulfuración de hidrogeno. Este último puede causar el ennegrecimiento de los envases de conservas de carne. La cocción provoca una disminución de la capacidad de retención de agua de las proteínas miofibrilares; así una gran porción del agua muscular que se libera durante la cocción forma el jugo y el resto se incorpora a la gelatina. La cocción de las carnes se traduce por numerosas modificaciones de las cualidades organolépticas. La producción de sulfuro de hidrogeno y de compuestos azufrados contribuyen al sabor de las carnes cocidas. Las reacciones de maillard aparecen claramente en torno a los 90ºC que conjuntamente con las reacciones de pirolisis de los glúcidos, contribuyen al oscurecimiento de las carnes cocidas. b) Influencia de la congelación La congelación es un medio excelente para conservar las carnes; sin embargo, frecuentemente, va seguida del deterioro de algunas de sus cualidades. Esto se debe principalmente a los daños que sufren las proteínas musculares y membranas celulares, cuyas modificaciones se acusan sobre todo por una 99

108 perdida de agua durante la descongelación, unida a un descenso de la jugosidad y cambios de textura ligados al endurecimiento de los carcomeros y desnaturalización de las proteínas. La congelación de las carnes comienza entre 1 y 2ºC; a -1ºC el 2% del agua se encuentra bajo la forma de hielo y a -2 ºC el 50%. La concentración de solutos aumenta en el agua no congelada, lo que rebaja su temperatura de congelación. La congelación puede dañar las estructuras celulares. Durante una congelación lenta se forman grandes cristales de hielo en el medio extracelular, debido probablemente, a que su presión osmótica inicial es inferior a la del medio intracelular. A causa de esto se produce una transferencia ligada a la diferencia de presión osmótica de las fases acuosas de estos dos compartimientos. Las lesiones celulares permiten que las lipasas se pongan en contacto con sus sustratos y en el medio aparecen ácidos grasos libres. Durante una congelación rápida se forman numerosos cristales de hielo en carne y son mínimas las transferencias de agua entre los medios extra e intracelular; por estola desnaturalización de proteínas resulta mínima. La principal consecuencia de la desnaturalización de las proteínas es un descenso de su capacidad de retención de agua, lo que produce la descongelación durante la descongelación un fuerte exudado, que contiene vitaminas, sales minerales y aminoácidos, aunque el descenso del valor nutritivo es muy bajo, la perdida de peso en la carne puede ser muy importante y además la textura puede hacerse seca y fibrosa. c) Influencia de la deshidratación La deshidratación de las carnes (incluida la liofilización) va unida a una disminución de su capacidad de retención de agua después de la rehidratación y a un endurecimiento de su textura. Estas modificaciones son el resultado de interacciones entre moléculas de actiomisina por intermedio de numerosas uniones salinas. La presencia de sacarosa atenúa este fenómeno Proteínas del huevo Proteínas del albumen Es relativamente fácil separar el albumen ó clara de la yema. La operación se realiza a escala industrial. Para preparar claras y yemas de huevo liquidas. 100

109 Los diferentes constituyentes proteicos del albumen, pueden separarse por precipitación fraccionada en sulfato de amonio, por cromatografía de intercambio iónico o electroforesis. Estas operaciones no se realizan en la industria. La albúmina de huevo posee dos propiedades funcionales útiles comercialmente, difícilmente imitables por otras proteínas de los constituyentes de loa alimentos. Las proteínas de la clara son glicoproteínas que se constituyen en el 10.8% de la clara. Las más importantes son: La ovoalbúmina: La desnaturalizada por tratamientos térmicos a temperaturas entre 72 y 84ºC y también por efectos de superficie. Esta proteína posee buenas propiedades gelificantes que también puede ayudar a la estabilización térmica de las espumas.. la ovoalbúmina es muy sensible a la desnaturalización superficial, lo que también le permite estabilizar las espumas formadas en frío. La ovomucina: posee una estructura alargada y fibrosa, que a su vez es responsable de la viscosidad de la capa espesa gelificada del albumen.esta proteína es insoluble en el agua, es soluble en soluciones salinas de ph superior o igual a 7.0. es relativamente termoresistente, también estabilizan las espumas, en frió. La ovomucina es capaz de formar con la lisozima un complejo insoluble en agua. La disociación de este complejo actúa durante el almacenamiento de los huevos, a medida que su ph se eleva y sería el responsable de la licuefacción progresiva del albumen. La conalbúmina: es conocida como uvotransferina. Durante la cocción de los huevos, la albúmina se coagula entre 60 y 66ºCpor desnaturalización de la conalbúmina y gelificación ovoalbúmina; esta gelificación permite utilizar frecuentemente el huevo como agente ligante. Contiene 0,9% de D-manosa y 1,7% de glucosamina. Se desnaturaliza más fácilmente que la ovoalbúmina cuando se somete a tratamientos térmicos (57º a 65ºC), pero es menos sensible a la desnaturalización por agentes de superficie. El ovomucoide contiene entre 0,5 y 4% de D-galactosa, 7 a 8% de D- manosa y del 10 al 18% de glucosalina. Es termorresistente salvo cuando se encuentra en medio alcalino. En medio neutro ácido puede ser calentada hasta por una hora a 100ºC sin que se desnaturalice ni disminuya su solubilidad y con ligeros cambios en la viscosidad. 101

110 Proteínas de la yema Las partículas presentes en suspensión en la yema, contiene tres tipos de proteínas asociadas bajo la forma de un complejo; las lipovitelinas y la fosfovitina constituyen la base de es complejo, al cual se unen, por intermedio de la fosvitina, las lipoproteínas de baja densidad. Las lipovitelinas se separan en dos fracciones α y β, las cuales contienen hasta un 20% de lípidos, la mayoría de ellos son fosfolípidos y el resto lípidos neutros. La fracción lipoproteína de la yema es la que contribuye a la estabilización de las espumas formadas con clara de huevo, especialmente en la preparación de tortas. La capacidad de estabilización de las espumas se incrementa cuando los huevos se han congelado previamente, ya que este proceso contribuye a la agregación de las lipoproteínas con lo cual sus propiedades enlazantes y acomplejantes se mejoran. Otra característica importante de la yema de los huevos es la capacidad emulsificante de las lectinas que son lipoproteínas, las cuales contribuyen a la estabilización de productos como la mayonesa. Las proteínas del huevo entero son de un alto valor nutricional y durante mucho tiempo su contenido de aminoácidos esenciales fue utilizado como patrón de comparación para evaluar el cómputo químico de las otras proteínas. Las fosvitinas son fosfoproteínas que se caracterizan por el alto contenido de fósforo y serina y la carencia de prolina. Las fosfovitina es una fosfoproteina que contiene mucha serina. Algunos de estos residuos están esterificados por el ácido fosfórico. La fosofvitina es capaza de fijar iones de hierro; los complejos así formados son solubles y constituyen una reserva de hierro Complejo proteico de origen vegetal Cereales Las proteínas de reserva del grano de trigo y de otros cereales se sintetizan al nivel del retículo endoplasmático de las células del albumen o endospermo en un 810% esencialmente prolaminas y glutelinas, entre 3 y 12 % aparecen en el germen y el resto en la cascarilla. La cantidad y naturaleza de cada una de las proteínas de reservas acumuladas en el albumen durante la maduración del grano (sobre el de Trigo), determina el contenido total de proteína. 102

111 Los granos de los cereales constituyen en el mundo uno de los mayores aportes de proteína comestibles. Las variedades de cereales consumidas difieren un poco en cada país, pero el de mayor aceptación es el trigo cuya proteína permite preparar una gran diversidad de productos. Todos los cereales contienen albúminas, globulinas y prolaminas, aunque la proporción en cada grano es muy diferente. Sin embargo las propiedades funcionales de cada cereal dependen de la composición de sus diversas fracciones proteicas Proteínas del trigo Dadas sus propiedades fisicoquímicas, las proteínas del trigo permiten la preparación de una gran variedad de alimentos: los más consumidos son los diversos tipos de pan y pastas alimenticias. El trigo y el centeno son los dos únicos cereales cuyas proteínas se presentan bien para panificación. Desde los trabajos de Osborne en 1907, las proteínas de los cereales se clasifican según sus características de solubilidad. En la mayoría de los cereales (salvo en la avena), las proteínas de reserva localizadas en el albumen, es decir, las prolaminas y las glutelinas representan como ya se ha mencionado el 80% de las proteínas totales del grano. Las proteínas de reserva del trigo, gliadinas (que es una prolamina solubles en alcohol diluido) y gluteninas (que son glutelinas parte insoluble en alcohol), constituyen la parte del gluten, materia lipoproteica cohesiva, viscoelástica. Estas proteínas son las responsables de la extensibilidad (gliadinas ) y de la elásticidad (gluteninas) de masas para panadería. Las gliadinas y gliteninas están caracterizadas por un alto contenido de glutamina (40-50%). Las glutelinas del trigo, a diferencia de las de los otros cereales, contienen una proporción considerable de proteínas de alto peso molecular que son insolubles en ácido acético 0,1M. El centeno contiene una pequeña cantidad de dichas proteínas, mientras que el arroz, la cebada, el maíz y la avena no las contienen. Estas diferencias en la composición proteica, hacen que solo el trigo y el centeno puedan ser empleadas para la fabricación del pan. En algunos países el gluten del trigo se extrae para ser utilizado en la fabricación de alimentos a base de carne y pescado. Además, por sus propiedades emulsificantes se emplea en la elaboración de ciertos tipos de queso. 103

112 El gluten del maíz puede ligar agua en una cantidad equivalente hasta tres veces y grasas en una cantidad similar a su peso, el gluten se mezcla con leguminosas ricas en lípidos como la soya y el maní. Las proteínas de los cereales son deficientes en lisina, siendo este el aminoácido limitante; de los otros aminoácidos la deficiencia en el segundo es diferente para cada cereal, por ejemplo en el maíz es el triotófano. El grano de trigo también posee albúminas y globulinas, frecuentemente poseen actividad enzimática y se citan como proteínas solubles Leguminosas La mayor parte de las proteínas de las legumbres, el contenido de los aminoácidos esenciales lisina y leucina, junto con la arginina, es substancial., mientras que el de metionina, cisterna y triptofano es pequeño. Sin embargo en las proteínas de la harina de soja, el contenido de lisina y treonina es bajo. Las legumbres proporcionan aproximadamente el 2% de las necesidades totales del hombre. En programas de suplementación alimentaría, es importante realizarla con harinas de cereales y legumbres lo cual hace incrementar el valor nutricional del alimento. Por ejemplo el valor nutricional del pan puede mejorarse mediante la suplementación de la harina de trigo harina de legumbres. Se ha mencionado que los cereales como el trigo son deficientes en lisina, triptofano y treonina y ricos en aminoácidos azufrados., mientras que las legumbres son ricas en lisina, leucina y arginina y deficientes en metionina, cisteina y triptofano. Señor estudiante sería interesante formular una suplementación para incrementar el contenido nutricional del pan con harinas de leguminosas de su región.! Entre las proteínas de legumbres más usadas esta la de soya. Debido a la capacidad de adsorción y de ligazón de agua, se emplea esta harina en la elaboración de salchichas, productos cárnicos, donuts y panes con lo cual se logran obtener alimentos con la humedad requerida, que no gotean y además por la capacidad emulsificante y la de adsorción de la grasa los productos son más estables, previene la separación de la grasa y mejora la adhesión entre los ingredientes Fuentes no convencionales de proteínas Es evidente que la producción mundial de proteínas debe aumentar y bajo este 104

113 aspecto se expondrá, en las páginas siguientes, la posibilidad que ofrece la química y tecnología moderna para nuevas fuentes proteicas. El empleo de las fuentes no convencionales, tiene gran aceptación entre los nutricionistas aunque no necesariamente ese punto de vista sea compartido por los consumidores. El problema radica en la preferencia de grandes sectores de la población mundial por los alimentos de origen animal, los cuales generalmente tienen un costo mayor que dificulta su compra por personas de bajos recursos económicos. Además, muchas de las mezclas proteicas vegetales suministradas por los gobiernos, se les conoce como "alimento para pobres" y los alimentos nuevos son difíciles de aceptar, en especial cuando las personas no están habituadas a consumirlos Proteínas unicelulares El término de proteína unicelular se debe a la C.L.Wilson, del Instituto de Tecnología de Massachussets, ideado por él en 1966 para denominar a las proteínas producidas por microorganismos con aplicaciones en la alimentación humana y animal. Numerosos microorganismos han sido utilizados desde tiempos remotos en la obtención de productos alimenticios como la cerveza, queso, yogurt, vino., etc., pero en estos alimentos los nutrientes principales no son las proteínas propias de dichos microorganismos. Fue a partir de la Segunda Guerra Mundial cuando comenzó ha investigarse el cultivo de determinados microorganismos como fuente de proteínas para su uso como alimentos. Muchos de los estudios llevados a cabo con diferentes microorganismos en distintos medios de cultivo fueron sonoros fracasos en cuanto a la productividad, costo, rendimiento en la producción de proteínas unicelulares. y su posible aplicación a tal fín. Determinadas especies de microorganismos como es el caso de Spirulina máxima, eran consumidos con frecuencia, como en lagos de aguas alcalinas del Chad en África, y también los Aztecas en Méjico antes del descubrimiento del nuevo continente. En Alemania durante la Primera Guerra mundial ( ), la levadura Saccharomyces cerevisae fue cultivada en melazas aireadas en presencia de sales de amonio para su posterior uso como alimento, y más tarde en la Segunda Guerra mundial otra especie Cándida utilis fue utilizada para igual fin. 105

114 Las especies de microorganismos objeto de estudio para la producción de proteína unicelular pertenecen a algas, bacterias, levadura, mohos y hongos superiores. El inconveniente que surgió, es que la mayoría de estos sistemas requieren grandes inversiones de capital e instalaciones relativamente complicadas e inadecuadas para países pobres es precisamente donde se necesita este tipo de alimento. Sin embargo, la Spirulina, sin grandes complicaciones técnicas y sin costosas inversiones puede ser la solución para ellos Producción de proteína a partir de algas Navas, Gillermo 17 (2004) Uno de los problemas nutricionales actualmente, es la ausencia de proteínas en la alimentación de amplios sectores de la población mundial. Según la Organización de las Naciones Unidas el mundo tiene, a partir del 12 julio de 1988, 5 mil millones de seres humanos, y los cálculos de las organizaciones especializadas indican que, por lo menos, la mitad de ellos están mal alimentados y que cada 24 horas mueren niños a raíz de su mala alimentación. Las vitaminas y proteínas de las algas constituyen un complemento nutritivo de gran valor que puede contribuir a las deficiencias proteicas. Las algas han sido utilizadas por la humanidad desde hace miles de años; en China y otros países de Asia se consumen como alimento y también se emplean para fabricar medicamentos. En el mundo occidental, su aprovechamiento industrial se inició en el siglo XVIII para extraer de ellas sosa, yodo y otros compuestos químicos. En el planeta, las algas forman una inmensa población de individuos de estructura celular simple, se conocen aproximadamente 110 mil especies, reunidas en cuatro grandes grupos, que son: las "cianofitas" (Cyanophyceae) o algas azul-verdosas, las "clorofitas" (Chlorophyceae) o algas verdes; las "feofitas" (Phaephyceae) o algas pardas, y las "rodofitas" (Rhodophyceae) o algas rojas. Las algas azul-verdosas y las verdes se encuentran tanto en agua marina como dulce, mientras que las de los otros dos grupos son casi exclusivas de ambientes marinos. Las algas han sido cultivadas bajo condiciones de iluminación solar ó artificial en el caso de algas autótrofas y en la oscuridad en especies de metabolismo heterótrofo, aunque la mayoría de las producciones en masa han sido bajo condiciones fotosintéticas. Investigaciones japonesas han dirigido su estudio a la 17 Navas, Guillermo (2004). Producción de Proteína Unicelular. Consultado en Julio 6, 2006 en 106

115 identificación de especies con metabolismo heterótrofo en completa oscuridad, utilizando el carbono orgánico como fuente energética. Las especies seleccionadas para la producción de proteínas unicelulares son: Chlorella sorokiniana, - Scenedesmus acutus, - Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus obliquus, -Spirulina máxima, y - Spirulina platensis. Se cultivan en: cultivos puros y cultivos mixtos. En cultivos mixtos abiertos en estanques, se observa la tendencia al dominio de una de las especies. Variando la especie predominante en función del medio de cultivo utilizado. El factor limitante en cultivos abiertos por algas es la iluminación, que depende de la duración del día, de la climatología propia del lugar, y de la intensidad lumínica, fijándose como límite geográficos para el cultivo en estanques de algas, las latitudes comprendidas entre los 35º Norte y Sur. El cultivo de Chlorella sorokiniana, Shuler y Affeus (1.970) consigue rendimientos máximos, en cuanto a la conversión de energía lumínica en energía química, en torno al 12% con iluminación artificial. Estos resultados terminaron convenciendo que el cultivo de algas con luz artificial no era económicamente rentable, otros estudios se realizaron en estanques abiertos a expensas de la luz solar. Las algas utilizan como fuente de carbono CO2 en el caso de organismos fotosintéticos; pero el problema que se plantea es que el aire presenta valores bajos de CO2 debiéndose enriquecer el medio con CO2 por lo que se utilizó el CO2 desprendido de la combustión de gases, en el cultivo de Spirulina máxima. Aunque, se observa que la Spiriluna máxima crecía en aguas alcalinas donde abundaba el Na2CO3 y por tanto, no era necesario el enriquecimiento en CO2. También se ve que un exceso en CO2 y de amoniaco NH3 liberado en aguas residuales por distintas bacterias limitaba el crecimiento de dichas algas. En el caso de cultivos de algas con metabolismo heterótrofo, la fuente de carbono debe ser de origen orgánico y como fuente representativa se utilizó Chlorella regularis en cultivos en ausencia de luz. Para la síntesis proteica de estos organismos es necesaria una fuente de Nitrógeno, el medio de cultivo debe presentar sales de amonio o nitratos, fósforo y otros nutrientes minerales. El crecimiento de algas en estanques se caracteriza porque las condiciones asépticas no son mantenidas durante el tiempo que se desarrolla el cultivo; 107

116 existiendo peligro de contaminación del cultivo por otras especies de algas, bacterias patógenas y virus, viéndose aumentado en el caso de determinadas especies que excretan sustancias al medio que son nutrientes para estos posibles invasores. Uno de los principales problemas que presenta cualquier cultivo de microorganismos es la recolección final del producto, sobre todo si son necesarias grandes cantidades de medio de cultivo ("agua y sustrato") y si además su densidad de población está entorno a 1 ó 2 gramos de peso en seco por litro como ocurre con la Chlorella, Scenedesmus, ya que su crecimiento no es muy rápido en comparación con bacterias, por lo que se hace necesario concentrarlos mediante evaporación o secado, también se han probado floculantes, sulfato de aluminio, hidróxido de calcio. pero estos floculantes no pueden ser retirados posteriormente y el uso del producto como alimento no sería factible. Pero las algas podrían autoflocular en la superficie si subimos el ph por encima de 9,5. El uso de resinas de intercambio iónico son un buen método para separar las algas si se trabaja en un rango de ph de 2,8-3,5, aunque el uso de ácido clorhídrico o sulfúrico para este fin hace que el proceso no sea económicamente deseable; al igual que el coste que supone el uso de métodos combinados o no de concentración por centrifugación y floculación. Para el caso de Spirulina máxima esto no se hace necesario puesto que flota de forma natural en la superficie formando grupos cuando alcanza su máxima población y por tanto, puede ser recolectada con una mayor facilidad y menor coste. Las algas se han usado tradicionalmente como alimento y como fertilizante; con el desarrollo de la industria cada día se emplean más para extraer compuestos químicos de gran valor económico, como los ficocoloides llamados agar, carragenano, furcelarano y algina. En México el consumo del alga de agua dulce spirulina, ha tomado nuevo impulso, su riqueza en vitaminas permite ser mezclada con mijo, para la elaboración de harina para galletas Producción de proteína a partir de bacterias Las bacterias tienen interés en la producción de proteína unicelular debido a que presenta un tiempo de desarrollo y crecimiento reducido entorno a los minutos de generación en comparación con las 2 ó 3 horas en levaduras y 16 horas o más en algas, mohos y hongos superiores. 108

117 Las bacterias utiliza diversas fuentes de carbono dependiendo de la especie que se trate, tales como: hidratos de carbono, hidrocarburos, procedentes de desechos de industrias papeleras, licoreras o petroquímicas. Son varios los factores que han determinado la selección de determinadas bacterias para su aplicación en la producción de proteína unicelular como son el tipo de sustrato, ph en el que se desarrollan, temperaturas, estabilidad genética, requerimiento de aireación, que sean susceptibles a bacteriófagos así como su nula patogeneidad frente al hombre, animales o plantas por infección directa o por producción de determinadas toxinas, como ocurriría con enterobacterias que presentan enterotoxinas que las hacen no deseables para su uso en alimentación, junto con la relativa facilidad para hibridarse con el consecuente riesgo de que aparezca un híbrido patógeno. Durante el crecimiento el ph debe estar entre unos valores de 5-7 que es el ideal para el desarrollo de la mayoría de las bacterias así como la temperatura que ha de estar entre unos valores estables, sobre todo en bacterias productoras de proteínas unicelular que utilizan como fuente de carbono hidrocarburos o alcoholes, como por ejemplo en el caso del metano donde el calor generado es de unas 10 kcal por gramo de célula con un rendimiento de célula de 1.0 gramo de célula por gramo de metano (Hammer 1.975), por lo tanto, se hace necesario el uso de refrigeradores para mantener estable la temperatura entorno a los 35-45º C según la especie. Es también importante la cantidad de oxigeno disponible en la producción de proteína unicelular en bacterias aeróbicas que usan como fuente de carbono hidrocarburos, metanol o etanol. Mateles (1.971) presentó una relación empírica para determinar el oxigeno requerido para la producción masa celular basado en los componentes elementales tanto de la célula como de la fuente de carbono. La bacteria de interés en la producción de proteína unicelular es Methylophilus methylotrophus (Pseudomonas). En el que se utilizó un fermentador con micro aireación que tiene la ventaja de proporcionar una alta transferencia de oxigeno, disipar el calor generado y proporcionar una homogeneización del líquido, así como una alta productividad y escasa contaminación a diferencia de los fermentadores convencionales. Actinomycetes como Streptomyces han sido también ensayados en metanol pero sólo a escala de laboratorio. Debido al aumento de precio que han sufrido últimamente los derivados del petróleo como también el metanol por lo que se han utilizado como sustratos azucares procedentes de industrias madereras, azucareras y otros residuos ricos en estos componentes, como por ejemplo: Brevibacterium y Cytophaga en desechos de maderas. 109

118 Pseudonomas dentrificans en vinazas de licoreras Bacillus y Lactobacillus en productos ricos en almidón. Estudios sobre Rhodospeudomonas gelatinosa, una bacteria fotosintética, en Cultivo continuo en un medio con salvado de trigo como sustrato produjo cantidades significativas de proteínas y vitaminas, pero no fueron del todo satisfactorias, por lo que no se desarrolló el cultivo Producción de proteína a partir de levaduras Son numerosos los medios de cultivo que se han utilizado en levadura para su posterior aplicación alimenticia Las especies de principal interés son: Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces carlsbergensis. S.cerevisiae se utilizó como comida durante la Primera Guerra Mundial en Alemania; esta levadura no utiliza ventosas y requiere suplementos con aminoácidos y vitaminas B tiamina, niacina, piridoxina, ácido pantoténico e inoxitol presentes en melazas y restos de caña de azúcar. En la Segunda Guerra Mundial Candida utilis fue producida como alimento en Alemania cultivándola en restos de madera que eran ricos en pentosas, además, estas no requerían aminoácidos o vitaminas para su desarrollo y se utilizaban sales de amonio como fuente de nitrógeno. Fue después cuando se produjo el verdadero desarrollo de su cultivo. Los criterios de selección en levadura para la producción de proteína unicelular son semejantes al de bacterias. Teniendo en cuenta que la mayoría de las levaduras no son patógenas para el hombre, animales y plantas, las hacen potencialmente interesantes para tal fin. La composición de algunas proteínas unicelulares obtenidas por el cultivo de bacterias y levaduras se encuentra relacionada en la tabla 5. Estos resultados indican que el contenido proteico de los productos obtenidos varía entre 50 y 77%; sin embargo, en aquellos donde el contenido de proteína es mayor, la proporción de ácidos nucleicos que también forma parte de dicha fracción es mayor. Por lo tanto si analizamos el contenido de proteína descontando el contenido de ácidos nucleicos, la diferencia en la cantidad de proteína se disminuye siendo prácticamente igual para levaduras, bacterias y algas. El análisis de las proteínas celulares, muestra que son deficientes en aminoácidos azufrados tanto la producida por bacterias como la producida por levaduras pero son ricas en lisina. Entre los investigadores existía el temor que los microorganismos producidos con medios como las parafinas y el petróleo crudo, pudiesen contener sustancias 110

119 nocivas para los monogástricos. Sin embargo, los análisis toxicológicos realizados con diferentes especies como ratas, perros, gallinas, cerdos y micos no presentan ningún indicio de toxicidad, como tampoco de factores carcinogénicos, mutagénicos o teratogénicos. Se han presentado algunos apuntes importantes de las fuentes no convencionales de proteínas. En nuestro país esta tomando auge la helicicultura. Señor estudiante: Cual sería su aporte para el desarrollo de nuevas tecnologías en la obtención de proteínas a partir de moluscos terrestres como el caracol? Tabla 10. Composición química y calidad proteica de algunas proteínas unicelulares Parámetros Algas Levaduras Bacterias Chlorella Scenedemus Spirulina Sobre parafina Alcohol sobre parafina pyreneidosa ocutus máxima % % % % % % Proteína cruda (Nx 6,25) 55, ,0 50,5 77,5 67,0 Grasa 7, ,5 10,6 5,5 21,0 Carbohidratos 17, ,0 26,5 10,5 8,0 Fibra cruda 3, Ácidos Nucleicos - - 4,1 6,5 16,5 15,5 Humedad 7,0 4,8 7,0 4,4 4,8 3,5 Cenizas 8, ,6 9,0 7,0 6,5 Digestibilidad 86,0 83,0 83, Valor Biológico - 68,0 73, Utilización Neta de Proteínas - 57,0 61, Coeficiente de eficiencia proteica 2,0 2,7 2,8 2,5-2, Proteína de hojas Las proteínas cumplen funciones estructurales y esenciales en los seres vivos, por lo que es necesario su continuo aporte al organismo. Sin embargo estas fuentes proteicas son de diversa calidad y en lo que respecta al ser humano se suma 111

120 además su diferente costo. Las proteínas animales de buena calidad son de costo elevado mientras que las proteínas vegetales de menor calidad, son más asequibles a la economía de la población. Por esta razón la investigación bioquímica y nutricional trata de estudiar e incorporar nuevas fuentes de proteínas de diverso origen incluyendo a los vegetales. Un recurso que parece útil para este propósito es la hoja de coca (Eriythroxylum coca) que se cultiva tanto para fines de su uso en el tradicional hábito de la masticación de ella como para fines ilícitos. En este sentido, se podría utilizar este recurso como fuente de proteínas, dándole así otro uso alternativo a esta especie. En la actualidad varios investigadores del Perú y otros países están contribuyendo al conocimiento del valor proteico que tendría la hoja de coca. Es así, como la hoja de coca constituiría un buen recurso biológico para la obtención de su proteína que pueda ser útil, previo estudio de las condiciones de su extracción, purificación y caracterización, al entendimiento de la fisiología del coqueo así como para su utilización en la alimentación humana y/o animal. Es por eso que se hace necesario probar el valor nutricional de la proteína de la hoja de coca a través de la experimentación animal, hasta la fecha no se han realizado estudios respectivos. Para ello se extrae y aísla las fracciones proteicas de la hoja de coca (proteína de la coca) según metodología estándar del laboratorio del Centro de Investigación de Bioquímica de la IUPAC. Las hojas verdes son las mayores fuentes de proteína en el mundo. Sin embargo, debido a que la hoja está compuesta básicamente de agua es necesario extraerla para obtener un producto que aporte cantidades apreciables de proteína. Las plantas que se prefieren para la extracción de proteínas, son aquellas que presentan abundante follaje, tienen una respuesta positiva a la fertilización con productos nitrogenados la emplean nitrógeno atmosférico, que sintetiza rápidamente las proteínas y lignifica lentamente. Entre las plantas que dan buen rendimiento se encuentran el tabaco y la alfalfa. La hoja contiene proteína soluble e insoluble en agua. La fracción insoluble consiste principalmente de proteínas, asociadas con clorofilas, carotenoides y lípidos. Alrededor del 50% de la fracción soluble está constituida por la enzima que fija el CO2 durante el proceso fotosintético. Las proteínas insolubles llamadas cloroplásticas son de color verde oscuro y poseen un fuerte sabor a grasa. Las proteínas solubles llamadas citoplasmáticas son insaboras, inodoras y de color blanco o crema. 112

121 Lección 15: Lípidos Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Señor estudiante de acuerdo a las experiencias previas y /o conocimientos realice la siguiente temática Estructura Las grasas se utilizan extensamente en la industria de los alimentos para la fabricación de margarina, manteca, cremas, productos de repostería y fritos. En la dieta de los animales, las grasas y los aceites cumplen una variedad de funciones igualdad de peso, las grasas suministran mas del doble de energía (9 Kcal por g ). La mayoría de los adultos ingieren hasta 150 g de grasa por día y desgraciadamente una ingesta energética excesiva da lugar a que la grasa se almacene como reserva alargo plazo con el consiguiente incremento de peso, ya que el glicógeno se utiliza como primera fuente en el metabolismo energético. Las grasas y los aceites son importantes en la alimentación puesto que suministran los ácidos grasos esenciales que el hombre no puede sintetizar, transportan las vitaminas A, D, E, K, son parcialmente responsables de la estructura de las membranas celulares, aumentan la suavidad y cremosidad de la masa durante la fabricación de productos de repostería, del pan y de las pastas y también influyen en el aroma de los alimentos. Los términos grasa y aceite se han utilizado como sinónimos, puesto que ambas sustancias poseen la misma estructura química básica. Además, la mayoría de las grasas de semillas vegetales, liquidas a temperatura ambiente, son aceites. 113

122 Los lípidos deben estar en principio constituidos por combinación entre el glicerol u otro alcohol con ácidos grasos. Los enlaces de esta molécula son entre el ácido graso y el alcohol por medio de una esterificación, esto es mediante una formación de esteres glicéricos de los ácidos grasos. El glicerol es un alcohol provisto de tres grupos hidroxilos distribuidos en los tres carbonos de su molécula, mientras los ácidos grasos son moléculas dotadas cada una con un grupo carboxilo unido a una simple cadena hidrocarbonada de variado numero de carbonos. Estos compuestos de glicerol y ácidos grasos han sido denominados glicéridos. Ahora bien, la esterificación puede producirse entre una sola molécula de ácido graso y un hidroxilo del glicerol, lo que resulta que nos da un monoglicerido. Si la unión es entre dos moléculas de ácido graso y dos hidroxilos del glicerol se obtienen un diglicérido. Es una característica importante de los lípidos que caracterizan por ser anfipolar ya que se puede distinguir la parte hidrofilica (esqueleto de glicerol) y la parte hidrofílica, la parte de la cadena carbonada (parte amarilla en la gráfica): 15.2 Clasificaron de los lípidos La serie de compuestos que cumplen las características de un lípido, es muy amplia y se distinguen entre ellos dos grandes grupos, los cuales a su vez comprenden varias divisiones y subgrupos: Lípidos relacionados con los ácidos grasos. Son aquellas sustancias grasas que por hidrólisis liberan ácidos grasos o compuestos metabòlicamente emparentados con los ácidos grasos. Estos lípidos se subdividen así: Lípidos sencillos, simples o neutros: son únicamente ésteres de ácidos grasos y alcoholes y a su turno comprenden dos subgrupos: glicéridos: ésteres de ácidos grasos con el glicerol ceras: ésteres de ácidos grasos con alcohol diferente al glicerol Lípidos compuestos: son sustancias que, además del grupo éster proveniente de la unión entre el ácido graso y el glicerol, poseen otras funciones químicas pertenecientes a otras series o clases de compuestos. Ellos comprenden ellos siguientes subgrupos: Fosfolípidos o fosfátidos: Ésteres que contienen ácidos grasos, ácido fosfórico y otros grupos o funciones generalmente nitrogenadas. Glicolípidos: Compuestos que contienen ácidos grasos, funciones nitrogenadas y una parte formada por un carbohidratos en enlace glicosídico, pero carecen de ácido fosfórico. Entre estos están: cerebrósidos y los gangliósidos. Esfingolípidos: Compuestos de igual manera complejos en que la unión con un ácido graso se efectúa mediante un enlace amido y en los cuales interviene el ácido fosfórico; ejemplos: fosfatidilcolina. 114

123 Lípidos no relacionados con los ácidos grasos Son un grupo heterogéneo de moléculas, presentes en todos los seres vivos, pocos polares y precipitan en la acetona fría. Se subdividen en: Lípidos isoprenoide; entre los que sobresalen: terpenoides; son ejemplos: la vitamina A, la vitamina E, la vitamina K. carotenoides; son ejemplos el betacaroteno o provitamina A. esteorides; a este grupo pertenecen las hormonas esteroideas, sales biliares y los esteroles como el colesterol y el ergosterol. Lípidos pirrólicos: complejos compuestos que se estudian como integrantes de las proteínas conjugadas, sobretodo con calidad de grupos prostéticos de biomoléculas como la hemoglobina, los citocromos y la catalasa Composición de los lípidos Reacción de formación Los lípidos ó acilgliceroles es el producto de la reacción de esterificación entre un ácido carboxílico y un alcohol, tal como se presenta en la ecuación. El producto de dicha esterificación corresponde a la definición de química de estos compuestos los cuales son ésteres del glicerol y ácidos de cadena carbonada larga sí que los componentes principales de estos compuestos son los ácidos grasos. Señor estudiante: es evidente que se debe manejar varios conceptos de química orgánica. Si ha encontrado dificultad para interpretar las definiciones de lípidos y su reacción de formación es necesario que repase la función química de esteres y las reacciones de alcoholes y acidos carboxílicos. 115

124 15.4 Ácidos grasos Los componentes esenciales de los lípidos son ácidos carboxílicos alifáticos, conocidos como ácidos grasos. Esto se divide en dos grupos principales: ácidos grasos saturados y ácidos grasos insaturados Ácidos grasos saturados Se les denomina saturados a aquellos ácidos grasos en las cuales presentan a lo largo de toda su cadena enlaces covalentes sencillos. Por esta razón son mucho mas estables a los diversos mecanismos oxidativos de deterioro de las grasas; sin embargo, en condiciones de temperatura muy alta ( más de 200 ºC), llega a suceder en la operaciones de freído y en presencia de oxigeno, puede sufrir reacciones de oxidación. En la tabla 10 aparecen los nombres de ácidos grasos que se encuentran en la mayoría de las grasas alimenticias, con los nombres científicos y la fórmula. Las propiedades físicas varían según el número de átomos de carbono, como en toda serie homologa. Los ácidos con menos de 12 átomos de carbono reciben convencionalmente el nombre de ácidos volátiles ya que pueden se destilados con vapor. Su punto de fusión aumenta con el peso molecular o tamaño de las moléculas; así los de c4 a c8 son líquidos a 25ºC, mientras que los c10 en adelante son sólidos. Su solubilidad en agua es inversamente proporcional al peso molecular. Tabla 11. Ácidos grasos saturados más comunes en alimentos Nombre Nombre Fórmula Fórmula A Trivial Científico Condensada Butírico Butanoico C3H7COOH C4:0 Caproico Hexanoico C5H11COOH C6:0 Caprílico Octanoico C7H15COOH C3:0 Cáprico Decanoico C9H19COOH C10:0 Láurico Dodecanoico C11H23COOH C12:0 Mirístico T etradecanoico C13H29COOH C14:0 Palmítico Hexadecanoico C15H31COOH C16:0 Esteárico Octadecanoico C17H35COOH C18:0 Araquídico Elicosanoico C19H39COOH C20:0 Palmitico Hexadecanoico C15H29COOH C16:0 116

125 Un aspecto muy importante es la relación con la salud del individúo.; se considera que un consumo excesivo puede ser la causa de problemas de arteroesclerosis, por lo oque se recomienda que no representen más de 10% de las calorías de una dieta Ácidos grasos insaturados A este grupo pertenecen aquellos ácidos grasos que a lo largo de su cadena carbonada presentan más de un doble enlace. Y estos a la vez pueden ser conjugados o no conjugados. Los ácidos grasos más comunes se encuentran relacionados en la tabla 10. Un ácido graso insaturado es conjugado cuando intermedios: no existen grupos metilos -CH=CH-CH=CH- sistema de dobles ligaduras conjugadas Un ácido graso insaturado es no conjugado cuando intermedio: existen un grupo metilo -CH=CH-CH 2 -CH=CH- sistema de dobles ligaduras no conjugadas La mayoría de los aceites vegetales contienen ácidos grasos insaturados. Este grupo contiene generalmente ácidos grasos de cadena no ramificada con número par de átomos de carbono desde C10 a C24. la posibilidad de que entre ellos existan isómeros se debe fundamentalmente a: Cantidad de uniones dobles insaturadas Su posición en la cadena La posibilidad de configuración cis ó trans Badui Salvador (1999) afirma que en esta clase de ácidos insaturados se pueden encontrar isomeros geométricos con e configuración cis donde las dos fracciones de la molécula (que no son hidrógenos) vecinas al doble enlace están a un mismo lado o trans cuando se encuentren en planos distintos, lo que se denomina isómeros geométricos, por ejemplo 18 : 18 Salvador, Badui (1999). Química de alimentos. Mexico: Perason educación. 117

126 Figura 26. Fórmulas de isómeros geométricos de los ácidos grasos. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. La mayoría de los ácidos grasos insaturados en la naturaleza son de configuración cis, excepto los provenientes de algunos rumiantes. Cuando las grasas se someten a procesos de hidrogenación se forman isómeros de configuración trans, que presentan un punto de fusión más alto que los cis. En este grupo se pueden encontrar monoinsaturados como poliinsaturados. en el caso de los monoinsaturados, la doble ligadura la tienen generalmente entre los carbonos 9 y 10. Por su parte en forma natural, los poliinsaturados tienen sus dobles ligaduras como no conjugadas Los ácidos grasos poliinsaturados en la naturaleza son en su mayoría isómeros cis con enlaces no conjugados. Entre estos, los más importantes son: el ácido linoléico y el ácido linolénico, que se denominan ácidos grasos esenciales ya que el hombre no los puede sintetizar y requiere ingerirlos en su dieta. Debido a la presencia de instauraciones, estos compuestos tienen una gran reactividad química ya que están propensos a transformaciones oxidativas y de isomerización. Son muy abundantes en los aceites naturales y marinos. Su temperatura de fusión disminuye con el aumento de las dobles ligaduras Tabla 12. Ácidos grasos insaturados más comunes en alimentos Nombre Nombre Fórmula Trivial Científico Condensada palmitoleico Hexadeca-9-enoico C15H29COOH Oleico Octadeca-9-enoico C17H33COOH Linoleico Octadeca-9:12-dienoico C17H31COOH 118

127 Linolénico Octadeca-9:1215-trienoico C17H29COOH Araquidónico Eicosa-5:811:14-tetraenoico C19H31COOH Veccénico Octadeca-11-enoico C17H32COOH Gadoleico Eicosa-11-enoico C19H37COOH Erúcico Docosa-13-enoico C21H40COOH Brasídico Docosen-13-enoico C21H40COOH cetoleico Docosen-11-enoico C21H40COOH Los lípidos de los alimentos, salvo muy raras excepciones, contienen Ácidos Grasos de cadena lineal saturados o insaturados. Algunos AG están presentes en todas las grasas y aceites y otros lípidos. Especial importancia han adquirido el linoleico (Ω 6) y el linolénico (Ω 3). Es interesente saber en detalle el efecto sobre la salud de estos AG y el desarrollo de fuentes alternativas para la suplementación nutricional con ácidos grasos omega-3 y Acilglicéridos Figura 27. Estructura general de los Acilglicéridos Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Los acilglicéridos son los compuestos formados por la reacción de esterificación del glicerol con ácidos grasos: Los principales constituyentes de los lípidos en la naturaleza, son los triacilgliceroles (triglicéridos). 119

128 Dependiendo del número de enlaces esterificados, se forman mono, di o triacilgliceroles cuando reaccionan con una, dos o tres moléculas de ácidos grasas respectivamente. Estos nombres son equivalentes a los que se usaban tradicionalmente de mono, di y triglicéridos y que actualmente se tratan de cambiar a la nueva nomenclatura; sin embargo muchísimos autores aún los llaman de la forma tradicional. En este módulo usaremos las tres nomenclaturas indistintamente. Las propiedades de los acilgliceroles, tanto físicas como químicas, dependerán de los ácidos grasos que contengan y de la forma en que se distribuyan en la molécula. Los análisis de triacilglicéridos han demostrado que la distribución de los ácidos grasos sobre la molécula de glicerol es completamente al azar siendo la posición 1 y 3 equivalente. En las grasas animales se han encontrado que en la posición 1, los triacilglicéridos normalmente poseen a un ácido saturado; en la 2 uno de cadena corta insaturado y finalmente en la 3, un ácido de cadena par. En la manteca de cerdo y en los aceites de pescado se encuentra una gran proporción de ácido palmítico en la posición Fosfoglicéridos o fosfolipidos Son diacilgliceroles que contienen una molécula de ácido fosfórico unida al glicerol mediante un enlace ester; a su vez el ácido graso se enlaza a una base nitrogenada, a un aminoácido ó a un alcohol como el inositol: Los Fosfolipidos son los componentes principales de la membrana celular. Son moléculas anfipolares compuestas por una región hidrofílica o cabeza polar y una región hidrofóbica compuesta por dos cadenas hidrocarbonadas de ácidos grasos que constituyen la región apolar o colas apolares. 120

129 Figura 28. Estructura de un fosfolipido modelo Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. En el siguiente cuadro se presentan los principales fosfolipidos presentes en la composición de los alimentos. Lehniger (2004) 19 : Los fosfoglicéridos especialmente la lecitina, desempeña un papel importante en las propiedades de textura de los alimentos; actúa como emulsionante debido a que su molécula contiene las propiedad anfipolar:el grupo fosfato y la base nitrogenada interaccionan con la fase acuosa, mientras que las cadenas hidrocarbonadas lo hacen con la lípidica, con lo cual se logra un contacto físico más estrecho entre las dos fases inmiscibles Comercialmente la lecitina se obtiene como subproducto de la refinación del aceite de soya; en realidad es una mezcla de diversos fosfolipidos. Su uso más importante es como antioxidante y emulsionante, sobre todo en productos infantiles y de confitería. La composición de la lecitina comercial consta de fosfatidilcolina, fosfatidiletalonamina, fosfatidilinositol. 19 Biochemistry Lehniger (2004). Estados Unidos: MacGraw Hill. 121

130 Figura 29: composición de la lecitina comercial: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill Ceras Las ceras son esteres formados por una molécula de alcohol monohidroxilado de cadena larga y una de ácido graso. Son muy resistentes a la hidrólisis, funcionan como agentes protectores en la superficie de tallos y hojas al igual que en los frutos. Estos compuestos generalmente están asociados a parafinas, alcoholes, cetonas y otras sustancias de alto peso molecular. Entre las ceras más importantes tenemos la lanolina y la cera de abejas. 122

131 15.7 Pruebas cualitativas y caracterización de los lípidos Si se observa la estructura general de los triglicéridos, sobresale que las diferencias en los ácidos grasos se derivan primer término del tamaño de los radicales R, esto es del número de carbonos que forman parte de dichos radicales y que corresponden a la serie de los ácidos orgánicos lineales monocarboxilos. Los radicales R corresponden a hidrocarburos alifáticos, unido por uno de los extremos de su cadena lineal al grupo carboxilo. Como es obvio habrá ácidos grasos de número par de carbonos y ácidos grasos de carbonos impares. Los ácidos grasos de de mas de 24 carbonos se dan muy raramente en los triglicéridos, pero sí pueden ser componentes normales de las ceras. Naturalmente los puntos de ebullición y de fusión de los ácidos grasos dependerán del tamaño de sus moléculas y estas características serán transmitidas por cada ácido al glicérido de que forma parte. Por tanto los ácidos iniciales y de menor peso molecular tenderán a ser líquidos a temperaturas ordinarias, con puntos de ebullición tan bajos que los hará fácilmente volátiles. Tablas 13: Pruebas cualitativas y caracterización de los lípidos Puntos de Fusión Indice de refracción PARAMETROS FISICOS Aumentaran al crecer los pesos moleculares de los ácidos grasos de la serie. De modo igual los puntos de fusión aumentaran al avanzar los pesos moleculares en la serie de tales componentes de los triglicéridos. Los puntos de fusión de los glicéridos son muy concretos y precisos, en tanto que la composición variable de las grasas naturales y las transformadas, debido a que ellas son ante todo mezclas de triglicéridos, presentan márgenes e intervalos más amplios en sus respectivos puntos de fusión. Por ello se toma normalmente como punto de fusión de la grasa la temperatura a que toda la muestra se ha fundido y que corresponde al componente de más alto punto de fusión. El conocimiento de los puntos de fusión de las grasas animales, las mantecas vegetales y otras grasas transformadas y acondicionadas reviste especial importancia para determinar el uso que puede y darse a cada producto. Por ejemplo los puntos de fusión de las grasas destinadas a confitería deben variar dentro de márgenes mas bien reducidos en tanto que los puntos de fusión de las grasas destinadas a freír y otros usos análogos admiten márgenes o rangos mas amplios en sus puntos de fusión. esto es el grado de reflexión o desviación de un rayo de luz al atravesar un medio transparente, se mide en los aceites y grasas por la rapidez y exactitud en su lectura y por representar un valor característico de tales productos, lo cual lo hace muy útil en la identificación de la calidad de los mismos. Las lecturas suelen hacerse a 25ºC para los aceites. 123

132 El índice de refracción decrece a medida que la temperatura aumenta por otra parte su valor aumenta con el crecimiento de la longitud de la cadena hidrocarbonada del grupo R si igual que con su grado de instauración. El título de las grasas Pun to de humo Densidad o gravedad especifica Es una constante que depende del carácter o estado de las sustancias analizadas. El índice de refracción esta relacionado con el peso molecular y el grado de insaturación. La presencia de acidos grasos libres baja el índice de refracción. El valor numérico oscila ente a a 15ºC. es un parámetro útil para seguir los procesos de hdiergenación y ayudar a determinar el índice de yodo. Es una expresión de su dureza y constituye así un criterio para distinguir, desde un punto de vista comercial, entre sebos y grasas. Las grasas animales de diversos orígenes cuyo título sea 40 o más se denominan sebos, mientras que aquellas que poseen valores inferiores a 40 reciben el nombre especifico de grasas. Las grasas poseen temperaturas características de calentamiento por encima de los cuales ellas se descomponen. Se produce entonces humo, el glicerol se convierte en acroleína de olor distintivo y la proporción de ácidos grasos aumenta. Las grasas son utilizadas en el freído de los alimentos porque evitan que ellos en la sartén, transmitan el calor y produzcan olor y sabor característicos desagradables. El tenue humo azuloso es indeseable porque imparte olor repulsivo al producto. Depende de la naturaleza de la grasa, de la forma en que esta ha sido utilizada y del método para efectuar la prueba. Los emulsificantes como los monogliíceridos, agregados a las grasas, disminuyen los puntos de humo, si bien ellos mejoran la calidad para producir pasteles y tortas. La experiencia recomienda que las temperaturas para freír la mayoría de los alimentos deban oscilar entre 177 y 196ºC. En la elaboración de ciertos productos la temperatura puede llegar hasta 201ºC. Sobrepasado el punto de humo o de ahumado, las grasas comienzan a sufrir cambios profundos que pueden alterar su valor nutritivo y afectar la salubridad. Se define como la temperatura más baja a la cual se desprenden los porductos gaseosos de descomposición de los lípidos cuanod son sometidoa a altas Tº. El punto de humo varía de manera inversa con el índice de acidez. Los aceites sin refinar con índices de acidez mayores a 1% presentan puntos de humos bajos. Los aceites refinados con indeces de acidez menores que 1% presentan puntos de humo altos. Es una constante que no varía mucho cuando el aceite es puro y fresco. Este valor se afecta por la edad y la rancidez. Los valores obtenidos se deben a diferentes acidos grasos. Su valor oscila entre La densidad aumenta al aumetar el peso molecular de la cadena carbonada de igual forma aumenta al aumentar el número de unsaturaciones. Se habla de peso específico o gravedad específica a la relación entre la densidad de la sustancia con la densidad del agua. 124

133 PARAMETROS QUIMICOS de la hidrólisis de las grasas por acción de enzimas que desde luego pueden ser La rancidez hidrolítica desnaturalizadas y por ende inactivadas mediante la acción del calor, como es el caso de la adecuada pasteurización de la leche. También puede producirse la hidrólisis sobre la base nitrogenada de las lecitinas, con liberación del compuesto denominado trimetilamina, que comunica a la grasa cierto sabor y olor ha pescado. Por su parte, la rancidez oxidativa se debe a que los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados constituyen centros activos que, entre otras cosas, pueden reaccionar con el oxígeno, reacción que conduce a la formación de diversos productos primarios, secundarios y terciarios de la oxidación. Tales productos hacen inadecuadas para el consumo las grasas o alimento que las contengan, por lo general, al comienzo la grasa absorbe poco oxígeno durante un lapso denominado periodo de inducción, pero después la oxidación aumenta de modo ostensible. Indice de yodo Es el grado medio de insaturaciones de una grasa (NTC 283). También se puede denifir como el # de gramos de yodo absorbidos /100 gramos de aciete o grasa. Ëste índice esta relacionado con el índice de refracción y la densidad: a mayor I 2 mayo índice de refracción; a mayor I 2 mayo Densidad. Los valores oscilan entre El índice de yodo sirve para seguir el control de calidad de los procesos de hidrogenación. Indice de Saponificación Se conoce también como índice de Koehstorfer. Se define como el peso molecular medio (NTC 335); los valores oscilan entre El índice de saponificación es inversamente proporcional a los pesos moleculares de los acidos grasos de los triglicéridos. Indice de Acidez Es el contenido de acidos grasos libres (AGL). Es uno de los praámetros más importantes a controlar en procesos como en la refinación. Su valor según la NTC-218 ( mqkoh) es de %. Es indispensable determinarlos en aceites crudos para poder planear la neutralización, de igual manera en control de calidad para frescurar y deterioro. Indice de peróxidos Durante el almacenamiento de los acietes y grasas los enlaces insaturados absorben oxígeno dando lugar a los peróxidos. Se expresa en meq de O 2 /kg de aceite, el cual debe oscilar para un aciete de buena calidad entre es un parámetro importante a controlar en el almacenamiento despúes de la refinación. Materia no saponificable Es el contenido de esteroles químicamente inertes como el fitosterol, carotenos, tocoferoles, alcoholes. Su contenido debe estar entre %. Cantidad de Antioxidante Determina el nivel máximo de antioxidantes como: BHA, BHT, TBHQ. Su rango segín NTC 198 es de: 0.01% para mantecas y 0.02% para aceites refinados. Determinación de Se determina por el método del ácido tiobarbiturico, el cual es un producto manolaldehido sintentizado a partir de la polimerizacón de los hidroperóxidos provenientes de la oxidación de los ácidos linoleico y araquidónico y su cuantificación es la base de algunos análisis para detectar el deterioro. 125

134 Las siguientes pruebas son específicas para grasas, aceites y ceras Prueba de coloración de las grasas: entre las cuales se destacan: Estabilidad y rancidez de la grasa OTROS ANALISIS DE INTERES Microscópia de las grasas y aceites Prueba de frío Emulsificación de las grasas Coloración con Sudán Prueba de Server Prueba de Welmann Prueba de Ludwig Haup Prueba de Schaal Prueba de Davies Prueba de Kreis- Kerr Métodos de extracción y refinación de los aceites comestibles Varios cientos de plantas producen semillas oleaginosas, aunque solamente una pocas se utilizan comercialmente, principalmente por la industria alimentaría. Los aceites pueden recuperarse de las semillas descascarilladas por estrujado mecánico o mediante extracción con solventes como el hexano. Los métodos de extracción son diferentes de acuerdo con la fuente de donde se vaya a extraer la grasa. Los métodos más empleados son de tres clases aunque con pequeñas variaciones para cada tejido: fusión, presión y extracción de solventes. Las grasas y los aceites de uso comercial en alimentos provienen de diferentes fuentes, pero existen muchas materias primas de donde se pueden extraer estos lípidos. Después de procesos para extracción de los tejidos adiposos de animales y los granos de oleaginosas, por medio de prensado o por diferentes solventes se obtiene los aceites de consumo. Excepto algunos finos, como los de oliva extra virgen, los aceites contienes impurezas que deben ser eliminadas. Es por eso que tienen que ser sometidos a diferentes procesos y serie de operaciones para eliminar las impurezas y conseguir mejores propiedades organolépticas. Es necesario someterle a dichos procesos para liberarlos de fosfátidos, ácidos grasos libres, pigmentos y sustancias que produzcan mal olor y sabor. Señor estudiante: Para profundidad del tema puedes visitar los siguiente enlaces :http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/alimento/apuntes/t CAC-T5-Refinacion-aceites.pdf 126

135 A continuación se describe los pasos para el refinamiento de aceites: Tablas 14: refinamiento de aceites Etapa Desgomado Descripción Es la primera etapa en el proceso de refinado. El aceite crudo o virgen se trata con una solución diluida de ácido fosfórico para hidratar y precipitar los fosfolipidos al hacerse insoluble en la grasa. Este proceso se realiza en tanques dotados de un agitador, se incorpora agua en un 2% v/v a una temperatura de 70ºC. El aceite pasa después a una centrifuga a gran velocidad en donde son removidos los fosfolipidos y el agua del aceite desgomado. Las gomas son deshidratadas o tratadas con peróxidos para la obtención de lecitinas, las cuales se utilizan en diversas industrias alimenticias. El aceite de semilla de algodón no es desgomado. Neutralización Es el proceso por el cual se eliminan ácidos grasos libres de los aceites, pero también reduce los monoacilglicéridos y fosfátidos que pudieron haber quedado después del desgomado. La neutralización puede hacerse en caldera por cargas o en proceso continuo. Cuando es por cargas, se hace añadiendo al aceite una solución de sosa al 12 15%, en la proporción estequiométrica deducida de una valoración previa. Esta operación se lleva a cabo en una caldera provista de un agitador y calefacción con vapor. La lejía se añade lentamente y se forma una emulsión en el aceite que luego se rompe. La emulsión, conforme aumenta la temperatura, se une en forma de pasta. La mezcla pasa a los decantadores donde se separa el jabón y el aceite. En la operación se producen perdidas por saponificación. El aceite decantado retiene residuos de jabón que debe someterse a un lavado, cuidando que no se forme emulsiones. En las instalaciones continuas, el aceite disuelto en hexano, entra en un reactor de neutralización con agitación, junto con NaOH acuoso y alcohol. De allí pasa a un decantador donde se separan las fases y se recupera el aceite. La neutralización de aceites con más de 12% de ácidos grasos libres es complicada, por que la abundante pasta formada es difícil de separar y las pérdidas son grandes. El proceso para la neutralización es entonces una destilación a vacío elevado. El procedimiento se basa en que los ácidos grasos libres pueden destilarse a un vacío elevado. Para eliminar la totalidad de los ácidos grasos, sin deteriorar el aceite, se utiliza un vacío de hasta 5 mmhg y calentándolo a una temperatura de ºC. Los aceites bien neutralizados contienen menos de 0.1% de ácidos grasos libres. Esto es recomendable especialmente si los aceites se utilizarán para el proceso de hidrogenación. Decoloración (Blanqueo). Mediante las formulas estequiométricas dadas en el American Oils Chemist s Society y utilizando el valor del contenido de ácidos grasos libres (ACG) del aceite crudo, se calcula la cantidad de hidróxido de sodio necesario para la neutralización. El aceite neutro y lavado se decolora añadiendo tierras adsorbentes (arcillosa o silícea). Las arcillas son tratadas con ácido clorhídrico o sulfúrico diluidas. El aceite y la tierra se agitan, a temperaturas máximas de 90ºC. La cantidad de tierra necesaria 127

136 depende de la cantidad de color del aceite y del grado de decoloración que se quiera obtener. A veces se utilizan mezclas de tierras y carbón activado (5-10%) para obtener mejores resultados. El aceite decolorado se filtra mediante filtro prensa y la tierra usada se desecha. (La clorofila se fija bien a las arcillas y los carotenoides oxhidrilados son absorbidos por las tierras neutras y básicas, mientras que los betacarotenoides y el gosipol no lo hacen así.) Desodorización Winterización En las instalaciones modernas la decoloración se hace en proceso continuo y al final se utilizan dos filtros prensa, uno en uso y otro en limpieza alternativamente. El color de los aceites disminuye considerablemente durante la hidrogenación, debido a la desaparición de grupos cromóforos, debido a la reducción de enlaces pi. El aceite decolorado se desodoriza, a vacío, en un recipiente donde se caliente a ºC, mientras se la pasa una corriente de vapor directo. Las sustancias volátiles son arrastradas, dejando el aceite libre de olores y con sabor suave. En los desodorizadores continuos el aceite cae en láminas delgadas, dentro de una torre de calefacción, a vacío y a vapor de agua a contracorriente. Hay que evitar todo contacto con el oxigeno, pues produce oxidaciones indeseables; el vapor que se utiliza debe estar desaireado, no debe de haber entradas de aire y el vacío debe ser muy elevado. A veces se añaden secuestradores (esteres de ácido cítrico) para impedir la acción catalítica de los iones metálico. En la operación se destruyen también los peróxidos. Los aceites con un índice de yodo (IY) de aprox. 105 contiene glicéridos de puntos de fusión lo suficientemente altos como para depositarse en forma de cristales sólidos cuando se mantienen a temperaturas moderadamente bajas. Esto perjudica las propiedades del aceite. El aceite de mesa debe mantenerse claro y brillante sin enturbiarse o solidificarse a temperaturas de refrigeración. Para lograrlo es necesario precipitar previamente los componentes de punto de fusión altos, separándolos por filtración. La mayor dificultad del proceso reside en conseguir el crecimiento de los cristales del glicérido de forma que al separarlos, retenga la menor cantidad posible de aceite líquido. Por esto, conviene que durante el proceso se formen cristales grandes, bajando lentamente la temperatura. Algunos aceites contienen una cantidad considerable de sustancias cristalizables. La precipitación se hace en grandes depósitos, mantenidos en cámaras refrigeradas. La cristalización se hace con la solución en hexano, y en este caso los sólidos precipitados cristalizan en forma más compacta, dura y fácil de separar. Una vez que se forma la nucleación, el aceite en cristalización se mantiene en reposo, para evitar la desintegración de los cristales. La masa separada se conoce como estearina. Las grasas de punto de fusión alto retiradas pueden utilizarse en la elaboración de otros productos 128

137 ACTIVIDAD FINAL UNIDAD #1: ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN Señor estudiante: en esta sección, encuentra pregutnas de análisis relacioanda con cada uno de los capítulos de la Unidad. El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). Capítulo1: 1. La pared celular de las plantas superiores está formada por tres capas: lámina media, pared primaria y pared secundaria. Los polisacáridos pécticos y la hemicelulosa se ubica en: 2. Las membranas que envuelven a las fibras musculares, denominadas epimisio, perimisio y endomisio corresponde a: Capitulo 2: 1. La gráfica que se observa, corresponde a una isoterma de sorción. Este tipo gráficas es útil para analizar: 2. En los procesos de pasteurización de ovoproductos (huevos líquidos pasteurizados, por ejemplo), se debe utilizar la tecnología enzimática para eliminar la glucosa presente en huevos y evitar reacciones de pardeamiento. La enzima que se use debe catalizar la siguiente reacción: En la reacción, la glucosa se convierte en una lactona. La enzima usada es: capitulo 3: 1. Desde el punto de vista químico, los aminoácidos se pueden clasificar en ácidos, básicos, polares y no polares, esto, de acuerdo a la naturaleza de un grupo de átomos que se conoce como cadena lateral R. Las siguientes estructuras corresponden a dos aminoácidos: Que se puede deducir de las gráficas? 129

138 2. En una práctica de laboratorio, de una muestra de harina de maíz, se quiere extraer las principales proteínas; para ello, la extracto se le adiciona una solución de Na 2 SO 3 al 0.25% en medio básico, luego se centrifuga por 15 minutos. Es de esperar que el tipo de proteínas que se encuentran en el sobrenadante y en el precipitado corresponden, de acuerdo a su solubilidad a: 3. En un estudio realizado en la Unad, en el curso de Tecnología en productos Cárnicos, sobre la determinación de los contenidos (%), de ácidos grasos totales y libres en cuatro embutidos tradicionales colombianos, se evidenciaron los siguientes resultados: Butifarra Albóndiga salchicha salchichó n C C C C 20 0, C 16: C 18: C 18: C 18: C 20: Los mayores porcentajes corresponden a los ácidos grasos C 18:2 insaturado y C 16 saturado, cuyos nombres son: 4. Cuando un alimento posee una gran cantidad de proteasas, es frecuente que se genera una gran cantidad de aminoácidos libres. Sí a este alimento se le varía el ph, estos aminoácidos se pueden encontrar en algunas formas de ionización, si el ph es modificado a 3.0 y luego a 10.0, qué estructuras adoptan? 5. Si se observa detalladamente la siguiente secuencia de reacciones, se analiza que : ADVERTENCIA: El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). 130

139 AUTOEVALUACION UNIDAD 1 1. el empimisio hace parte de: a. fibras musculares b. músculo estriado esquelético c. musculo cardiaco d. músculo liso 2. Es una de las capas en la estructura morfológica del grano a. capa de aleurona b. sistema simpático c. sarcoplasma d. dermis 3. parte de la grano de un cereal en donde actúa como tejido nutricional para el embrión en formación. a. endospermo b. capa de aleurona c. epidermis d. escutelo 4. La ubicación celular de los lípidos puede observarse al teñir el grano de trigo con: a. azul de metileno b. sudan III c. Lugol d. azul de bromotimol. 5. La pared celular de las plantas superiores está formada por tres capas: lámina media, pared primaria y pared secundaria, la pectina se ubica en: a. entre la lámina media y secundaria b. lámina media c. pared secundaria d. pared primaria. 131

140 6. En algunos frutos como el grano de café verde la mayor reserva de polisacáridos se encuentra en la pared celular constituida típicamente por microfibrillas de celulosa, envuelta por una fase continua de lignina, pectinas y hemicelulosas. Su fraccionamiento solo es posible mediante la ruptura de los enlaces físicos, que ocurre debido a: a. Fuerzas secundarias moleculares b. Efectos polares acumulados por largas cadenas de polisacáridos y de algunos c. enlaces químicos covalentes de los compuestos. d. El estado y edad de la planta e. Ninguna de las anteriores. 7. La pectina se halla asociada a otros constituyentes de la membrana, mediante uniones físicas y/ó químicas, actuando como cementante intercelular y dando rigidez a a. Celulosa b. Hemicelulosa c. Lípidos d. Colesterol 8. De la ubicación celular de la celulosa y hemicelulosa podemos afirmar: a. La celulosa está ubicada en la pared primaria, b. La hemicelulosa está ubicada en la pared secundaria junto con la lignina c. La hemicelulosa también se ubica en la pared primaria pero en menor proporción d. La hemicelulosa no es parte de la pared celular de los vegetales 9. Las células vegetales jóvenes, tiene solamente una pared celular primaria, por lo tanto, a esta estructura se le atribuye una de las siguientes características: a. Dureza b. Turgencia y frescura c. Textura d. Pigmentación verde 10. Debido a sus cargas parciales, cada molécula de agua tiene lugares que actúan como receptores y dos lugares que ejercen con donadores, por lo que las interacciones entre cuatro moléculas s de agua pueden originar estructuras tridimensionales de orientación tetraédrica y desarrollar grandes agregados moleculares, gracias a la formación de: 132

141 a. Puentes de Hidrógeno b. enlaces dipolares c. enlaces covalentes d. enlaces iónicos 11. En la práctica es conveniente determinar el contenido de agua en porcentaje de humedad sin analizar los parámetros cinéticos del producto de perder y ganar agua porque el contenido de agua de un alimento no relaciona otros parámetros como la humedad relativa y la temperatura del ambiente. a. falso b. Verdadero 12. Una isoterma de sorción la usa para: a. encontrar la Aw de un producto en función de su % de humedad a una Tº constante. b. Encontrar el contenido de agua de un producto en función de la Aw a una Tº constante. c. Encontrar la Tº ideal de perder y ganar agua d. ninguna de las anteriores. 13. De una isoterma de sorción se puede predecir si un producto dado perderá o ganara agua a una temperatura definida. Falso Verdadero 14. La despigmentación de ciertos vegetales durante el escaldado se debe a que las temperaturas aplicadas pueden favorecer la actividad enzimática de algunas de estas enzimas: a. glucosidasas b.pectiniasas c. clorofilasas d. polifenoloxidasas 15. Enzima responsable de la hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa libres por incisión del enlace glicosidico: a. ß- D- fglucofuranosidasa b. ß- D- galactosidasa c. endo 1,3- ß- D- Glucanasa d. Proteasas microbianas 133

142 16. Los monosacáridos pueden subdividirse en grupos según el número de átomos de carbono que poseen, pueden subdividirse, además, en aldosas y cetosas según tengan un grupo aldehído o cetona, es ejemplo de cetosa y hexosa a la vez: a. glucosa b. galactosa c. fructosa e. maltosa 17. Disacárido que posee enlaces alfa-d-(1,2) a. fructosa b. sacarosa c. lactosa d. maltosa 18. la diferencia entre la amilosa y la amilopectina radica en la naturaleza de sus enlaces glicosídicos: Falso Verdadero 19. Analice el fundamento químico de las siguientes pruebas: a. Prueba de Fehling b. Prueba de Molisch 20. La clasificación de los aminoácidos en ácidos, básicos, polares y no polares, van de acuerdo a: a. clase proteína donde se encuentren b. A la polaridad y naturaleza de la cadena lateral o grupo R c. a la cantidad de aminoácidos que tenga una proteína d. a la relación de COO-/NH+ que posee junto al carbono alfa. 21. Son ángulos de torsión presentes en el enlace glucosídico: a. los átomos de las cadenas laterales b. Entre los oxígenos e hidrógenos de la estructura general de los aminoácidos c. ángulo de torsión ø (phi) entre el carbono alfa y el carbono de la función carboxilo y el ángulo de torsión Ψ (psi) entre el Nitrógeno y el carbón alfa. d. ángulo de torsión ø (phi) entre Nitrógeno y el carbón alfa y el ángulo de torsión Ψ (psi) entre e carbono alfa y el carbono de la función carboxilo. 134

143 22. Si una proteína es soluble en Solubles en etanol al 70%, se tratará de proteínas del tipo: a. albúminas b. Prolaminas c. globulinas d. glutelinas 23. Analice el efecto del tratamiento térmico sobre la leche a Tº superiores a 100ºC en la industria quesera. 24. Los fosfolípidos son ejemplos de: a. lípidos sencillos b. lípidos esteroidales c. lípidos compuestos d. lípidos mixtos 25. Una de las consecuencias de la presencia de dobles ligaduras en los ácidos grasos es: a. mayor actividad química b. formación de isómeros geométricos Cis- Trans c. formación de isómeros de posición Cis- Trans d. formación de isómeros ópticos Cis- Trans. 26. Dentro de las características físicas de las grasas esta: a. índice de peróxidos b. índice de yodo c. hidrogenación d. punto de fusión. 27. En la refinación de aceites es necesario la separación de los fosfolípidos de la torta oleaginosa por medio de un proceso conocido como: 1. Neutralización b. decoloración c. desgomado d. desodorización 135

144 ENLACES VIRTUALES DE INTERES %20Agosto%2005/TECNOL OGIA%20La%20Actividad%20Acuosa.htm NUEVO ENLACE: 136

145 BIBLIOGRAFIA UNIDAD 1 Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Barreiro, José (2008). Operaciones de conservación de alimentos a bajas temperaturas. Caracas: editorial EQUINICIO, Universidad Simón Bolívar. Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Berk Z. (1990). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México: Manual Moderno S.A. Braverman. J (1999). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México DF: Manual Moderno S.A de CV. Bello, José (2008). Ciencia Bromatológica. Principios generales de los alimentos. Brasil: editorial Díaz de Santos, Brasil. Biomodel-3 (2007). Bioquímica estructural para enseñanza secundaria. Consultado en 07, 25,2008 en "http://www2.uah.es/biomodel/model3j/inicio.htm Brownsell,V. (1998). La ciencia aplicada al estudio de los alimentos. México DF: Editorial Diana. Charley H (2001). Procesos físicos y químicos en la preparación de alimentos: Noriega. Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. Cheftel Jean (1990). Proteínas alimentarias. Zaragoza: Acribia. Coultate, TP (2007). Manual de química y bioquímica de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Dendy (1990). Cereales y productos derivados. Zaragoza: Acribia. Dominic, Wong (1990). Química de alimentos. Mecanismos y Teoría. Zaragoza: Acribia. Fennema, O (2000). Química de alimentos, segunda edición. Zaragoza: Acribia García, A. Riaño, C. (1999). Extracción de celulosa a partir de la borra del café. Manizales: Cenicafé. García, F. Santamaria, Ma P. (2006). Biología Botánica tomo I. Valencia: Universidad Politecnica de Valencia.. Instituo de ciencia y tecnología de alimentos "ICTA" (1998). Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Juárez, N, Olano, A, Morais, F (2005). Alimentos Funcionales. Madrid: Rumagraf. S.A. Martinez, Nuria (2008). Termodinámica y cinética de los sistemas alimentarios. Valencia: Universidad Pontificia de Valencia. Monteagudo, José (2004). Actividad Acuosa y efectos de confiteria. Consultado en 07,25, 2008 en %20Agosto%2005/TECNOLOGIA%20La%20Actividad%20Acuosa.htm. 137

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147 UNIDAD DIDACTICA 2: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS 139

148 INTRODUCCIÓN En esta unidad, el estudiante tiene la posibilidad de profundizar en el estudio de los componentes de los alimentos, conocer los métodos de manejo y cambios que experimentan dichos componentes cuando son sometidos a los diferentes métodos y procesos existentes para la obtención de productos alimenticios, en busca de una cualidad o característica deseada. Es necesario antes de conocer individualmente las propiedades funcionales de las carbohidratos, proteínas y lípidos, presentar una visión general de los sistemas coloidales presentes en los alimentos, ya que éste esta formado por varios elementos como polisacáridos, proteínas y lípidos que ayudan a propiciar tales propiedades, tan importantes en la producción diaria de alimentos. El conocimiento general del comportamiento y estabilidad de los coloides permiten comprender las propiedades funcionales y sus modificaciones. Se presenta las propiedades que ofrecen los carbohidratos para la obtención de compuestos que ayuden al sabor, aroma y desarrollen características para el mejoramiento en sus propiedades y presentar al consumidor nuevas alternativas en alimentos de consumo diario. Saber aprovechar y conocer las propiedades funcionales de la proteínas, permite al ingeniero de alimentos tener una visión más amplia de la utilización de las proteínas como alternativa de innovación de nuevas líneas de producción. Las propiedades funcionales de los lípidos constituyen una parte importante para la industria en este sector; los productos derivados de estos son el resultado de las transformaciones en sus estructuras básicas, generando productos que en el mercado son innovación y permiten que el ingeniero desarrolle y aplique nuevas técnicas semejantes a la hidrogenación o transesterificación. 140

149 JUSTIFICACION El desarrollo de esta unidad se hace necesario en el curso de Química de Alimentos porque contiene las temáticas básicas e importantes para los estudiantes del área de los alimentos como es el estudio de las propiedades funcionales de los alimentos. Es preciso el diseño de esta unidad porque se presentan los conceptos sobre propiedades funcionales de los azúcares, proetínas y lípidos; temáticas que son útiles en el entedimiento del comportamiento de estas sustancia en la fabricación de alimentos, ya que de este comportamiento depende las carácterísiticas tecnologícas y sensoriales deseables para elboarar productos con calidad técnica. La estructuración de la unidad permite al estudiante comprender como actúa cada propiedad según el componente en la elaboración y fabricación y así el estudiante puede analizar la importancia de la unidad en el desarrollo de su perfil profesional. 141

150 OBJETIVOS. Comprender y analizar los conceptos básicos de espumas, soles, geles y emulsiones. Conocer, identificar y describir las propiedades funcionales de los carbohidratos y la importancia en los procesos alimentarios. Analizar las modificaciones de las propiedades funcionales de los carbohidratos Identificar y describir las propiedades funcionales y los factores que influyen sobre èstas en los sistemas proteicos de los alimentos. Conocer las propiedades fisicoquímicas de los lípidos y su relación con las modificaciones de las propiedades funcionales. Distinguir los métodos para modificar las características de las grasas y aceites. 142

151 CONTENIDO DE LA UNIDAD CAPITULO 4: ESTADO COLIDAL DE LOS ALIMENTOS CAPITULO 5: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS CARBOHIDRATOS CAPITULO 6: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS PROTEINAS Y LIPIDOS 143

152 CAPITULO 4: ESTADO COLOIDAL DE LOS ALIMENTOS En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta la definición, estructura y clasificación des estado coloidal presentes en los alimentos. En este capítulo, también se analizan la definición y formación de cada estado de dispersión y ejemplos de sistemas alaimentarios para cada caso. En este capítulo se analiza los parámetros físicos y químicos que definen la estabilidad de las emulsiones, geles, soles y espumas.. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 4, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Lección 16: Generalidades de los coloides Actividad Inicial Actividad de reconocimiento De acuerdo a la experiencia y/o conocimientos, el estudiante debe dar una definición de gel, emulsión, sol y espuma. En cada una de ellas citar alimentos que se clasifiquen dentro de estos sistemas coloidales. Al estudiar y caracterizar diversos componentes de los alimentos y de los tejidos vegetales y animales alimentarios, se ha notado que la ciencia agrupa muchas de tales sustancias bajo el distintivo de coloides, es decir desustancias que al ser dispersas en un medio dado bajo determinadas condiciones forman con dicho medio de dispersión un sistema con características físicas similares a la cola, gelatina o jalea. Ejemplo de esto, se han encontrado que las proteínas y pectinas generan también suspensiones coloidales cuando se encuentran dispersas en agua, el medio biológico y alimentario natural, también se ha observado que las grasas y los aceites son unas suspensiones especiales denominadas emulsiones. La formación de geles constituye un proceso de gran importancia en la ciencia y la industria alimentaría. Casi todos los productos alimenticios contienen sustancias en forma coloidal, por lo cual los fenómenos coloidales revisten considerable importancia en la ciencia de los alimentos, ya que ellos guardan 144

153 estrecha relación con los cambios que ocurren durante preparación de los alimentos. la elaboración y Todos los componentes de los alimentos se encuentran en uno de los siguientes estados de dispersión: a) dispersión molecular o verdadera solución b) dispersión coloidal c) dispersión gruesa. La diferencia entre ellos se basa fundamentalmente en el tamaño de las partículas de sus moléculas. La verdadera solución esta formada por una sola fase constituida por moléculas de bajo peso molecular, como sales, y los azucares que se disuelven rápidamente y de manera homogénea en el agua. Los polímeros como el almidón y las proteínas no se disuelven sino que crean un sistema heterogéneo llamado coloide, compuesto por dos fases distintas. El tercer estado de dispersión es lo que se llama dispersión gruesa; las partículas son de tamaño mayor y tienden a la sedimentación. Los coloides se caracterizan por estar integrados por dos o más fases: una discontinua, también conocida como fase dispersa y otra llamada continua, fase dispersante o externa, que puede ser agua, una solución acuosa o un aceite. Las partículas de mayor tamaño producen la fase dispersa y se encuentran distribuidas entre las moléculas de peso molecular bajo de la fase dispersante. Para que un sistema de este tipo tenga características coloidales típicas, el tamaño de las partículas de la fase dispersa debe estar dentro de las dimensiones correspondientes, que van de 10 a 1000A. Estos límites no son muy precisos; existen partículas de mayor tamaño que continúan presentando propiedades de coloides, como sucede en el caso de muchas proteínas. Los coloides que están formados por dos fases se llaman simples y pueden ser producidos por ocho combinaciones distintas. Ver tabla

154 Tabla 15. Formación de coloides. Nombre discontinua Fase dispersa o interna Fase continua fase dispersante o externa Ejemplo Sol Sólido Líquido Proteínas en agua, leche descremada. Espuma Gas Líquido Cremas batidas Espuma sólida Gas Sólido Helados, pan Emulsión Líquido Líquido Mayonesa, leche Gel Líquido Sólido Gelatinas Aerosol (humo) Sólido Gas humo para productos cárnicos Aerosol ( nube) Sol sólido Líquido sólido Gas sólido poco importantes poco importantes En la naturaleza existen estos sistemas, pero en alimentos sólo son importante algunos de ellos; los soles, las espumas, los geles y las emulsiones son las más comunes. Un tipo de coloide simple muy importante en los alimentos es aquél cuyas partículas de la fase dispersa se encuentra en contacto unas con otras de tal manera que mantienen una red tridimensional que engloba a la fase dispersante y que origina un sistema semisólido llamado gel. Los coloides complejos se caracterizan por tener dos o tres fases dispersas en una continua, como es el caso de las cremas batidas, los aderezos y las mayonesas; en éstos existen líquidos, sólidos y gases dispersos en un líquido integrando una combinación de emulsión, sol y espuma, respectivamente. Por esta razón muchos productos no se pueden considerar de manera aislada como emulsión, gel, sol o espuma, dado que presentan las tres dispersiones simultáneamente, sobre todo cuando se tienen lípidos, proteínas, hidratos de carbono y gases como fase dispersa, y agua como dispersante. Los coloides en los alimentos se pueden formar a través de diversos métodos, pueden ser mecánicos, químicos y enzimáticos; muchos productos comerciales tienen este estado de dispersión que se puede lograr con el uso de las materias primas apropiadas y por medio de algunos de los métodos indicados. Una de las propiedades más importantes de los coloides que los diferencia de otros sistemas es el tamaño reducido de sus partículas que hacen que adquieran 146

155 una enorme superficie específica (área / volumen ó área / masa); esto repercute en que sus propiedades físicas y químicas sean muy distintas alas del resto de los sistemas que se encuentran en los alimentos. Estas condiciones hacen que exista una gran área de contacto entre las fases dispersas y dispersantes que genera una elevada energía interfasial sobre la superficie que los separa. La estabilidad de los coloides depende directamente de la formación y de la naturaleza de las interacciones que ocurren en dicha superficie. Es interesante e importante recodar acerca de los diversos tipos de enlaces y puentes posibles sobre la superficie y gran área superficial de las macromoléculas constitutivas de los alimentos y los tejidos biológicos. En general las propiedades de la mayoría de los sistemas coloidales pueden enmarcasen dentro de dos líneas generales de comportamiento, que dependen de las relaciones que existen entre la fase dispersa y la fase dispersante. Sobre esta base tendremos dos tipos de coloides: Coloides Liófilos: Aquellos que tienen afinidad o atracción por el medio dispersante. Sí este medio es agua, el coloide es hidrófilo. Las partículas coloidales muestran una fuerte atracción por el agua dispersante, la embeben o adsorben en cantidad y esto hace que ellas se hidraten o solvente por completo. En otras palabras, ellas se rodean de una especie de capa protectora integrada por moléculas de la fase continua. Este proceso hace que el coloide retenga el agua en forma que la viscosidad del sistema aumenta. Si la mezcla de coloide y agua se deja en reposo, ella produce un gel o jalea, con un grado tal de rigidez o firmeza que puede conservar la forma del recipiente en que ha sido preparado. Un ejemplo de estos coloides es la gelatina y la pectina. Estos coloides hidrófilos y los coloides hidrófobos liofilizados representan las diversas formas coloidales bajo las cuales tienen lugar los procesos de la vida, la alimentación y la nutrición. Coloides liófobos: Aquellos que tienen muy poca o ninguna afinidad o atracción por el medio dispersante. Si tal fase continua es el agua, el coloide es hidrófobo. En consecuencia, para que dichas partículas coloidales se dispersen y se mantengan dispersas en el agua se requieren someterlas a un tratamiento especial, como es el caso de aplicarles un coloide protector, que es una sustancia que por una parte es hidrófila y por otra puede ser adsorbida sobre la superficie de la partícula hidrófobica, lo cual le confiere a esta última propiedades dispersivas y liofílicas. Un ejemplo de coloide hidrófobo está en las partículas de caseína de la leche individualmente consideradas y en las diminutas porciones de grasa dispersas de la leche homogenizada. 147

156 Las características y el comportamiento de los sistemas coloidales han llevado a los investigadores a concluir que el estado de suspensión de partículas sólidas en un medio líquido depende ante todo de los siguientes factores: El tamaño de las partículas, su área superficial y su proximidad. El movimiento browniano, determinado por la energía térmica movimiento de las moléculas dentro del sistema. Las cargas electrostáticas de las moléculas. Propiedades físicas del medio dispersante. La presencia de gases, líquidos o sólidos adsorbidos. del Lección 17: Soles Uno de los principales sistemas coloidales que se encuentran en los alimentos son los soles, integrados por la dispersión de un material sólido en uno líquido; las moléculas que intervienen son fundamentalmente polímeros, tales como polisacáridos y proteínas, que pueden crear dos tipos de coloides ya mencionados: hidrófobos e hidrófilos. La superficie de los soles coloidales posee una carga eléctrica positiva o negativa, según sea el ph del sistema. Dichas cargas eléctricas generan fuerzas de repulsión entre los coloides, con lo que el sistema se estabiliza. Si la fuerza de repulsión no existiera, se induciría la agregación de macromoléculas con su consecuente precipitación. La carga eléctrica de los coloides depende directamente de la naturaleza química de los grupos funcionales expuestos hacia el exterior, en contacto directo con el medio dispersante. Esto conlleva a considerar los dos posibles mecanismos de generación de dicha carga. a) Ionización directa de los grupos químicos (proteínas, lípidos, etc.) de la propia molécula del coloide, según al ph en que se encuentren. b) Adsorción de iones de la solución. La carga del coloide también esta determinada por los iones que provienen del medio dispersante en que se encuentran. La intensidad de esta interacción con los iones depende directamente de la temperatura del sistema, del ph y la fuerza iónica de la solución dispersante Propiedades Reológicas de los soles La disolución de las macromoléculas coloidales aumenta la viscosidad del medio que las contiene, y ésta es una de las principales finalidades que se persiguen cuando se emplean gomas y otros polímeros en la elaboración de los diferentes 148

157 alimentos. La viscosidad es una propiedad muy característica de cada sistema coloidal que se puede modificar de acuerdo a las necesidades; el incremento de ésta favorece la estabilidad de las dispersiones y retarda la velocidad de separación de la fase dispersa del suero de la dispersante. La viscosidad es la resistencia que una sustancia presenta para fluir libremente, y el resultado de la fricción interna que se genera entre las capas del líquido. De acuerdo con su comportamiento reológico ( que es el comportamiento o respuesta de un líquido frente a una fuerza o esfuerzo aplicado), los líquidos se han divido en newtonianos y no newtonianos: los primeros ( típicamente agua) son los que presentan una relación proporcional entre el esfuerzo de cizallamiento o esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de corte o rapidez de deformación. En los alimentos la mayoría de los alimentos son no newtonianos, y sólo los soles con concentraciones muy bajas de coloides pueden presentar comportamiento newtoniano; las propiedades de los primeros dependen de las características moleculares y estructurales de los coloides que los componen: La forma y el tamaño de las partículas, al igual que el grado de interacción y el ordenamiento que existe entre ellas determinan en gran medida este comportamiento. Los fluidos no newtonianos se dividir en pseudo plásticos, plásticos y dilatantes. La medición de la viscosidad de un alimento con propiedades de dispersión se lleva a cabo según sea su comportamiento reológico. Los sistemas newtonianos pueden ser evaluados por viscosímetros de flujo capilar. Los no newtonianos, como los dilatantes y los seudo plásticos, se estudian con viscosímetro rotatorio en los que el cilindro gira dentro del recipiente que contiene la dispersión. Lección 18: Espumas Este estado de dispersión se puede definir como una dispersión de burbujas de gas suspendidas en el seno de un líquido viscoso o de un semisólido, y se produce por una adsorción de moléculas reactivas en la interfase gas líquido; el fluido que se localiza entre los glóbulos del gas se designa con el nombre de lamela y sirve como estructura básica. La mayor estabilidad de las espumas se obtiene cuando la lamela, o la distancia entre burbujas, es del orden de 0.2 ųm; cuando ésta es menor de 0.05 ųm, el sistema se vuelve muy inestable debido a que existe una difusión de gas a través de las paredes de las burbujas, lo que ocasiona su ruptura. Por estas razones la estabilidad y la densidad de las espumas dependen en gran medida de las características que presente la lamela, así como la presión de 149

158 vapor y de la tensión superficial de la fase discontinua; la adición de sustancias que ayuden a darle una mayor rigidez a la interfase mejora la estabilidad de las espumas. Las espumas más comunes en los alimentos se forman al disminuir la tensión superficial en la interfase gas líquido por medio de gentes tensoactivos, proteínas o, en algunos casos, ciertos hidratos de carbono; las mas conocidas son los merengues, las cremas y las mantequillas batidas, los pasteles, el pan y la producida por la cerveza; esta ultima se forma por la presencia de algunas sustancias presentes en el lúpulo que se utiliza en la manufactura de esta bebida. La albúmina del huevo es una de las proteínas es una de las proteínas más empleadas en la fabricación de alimentos que requieren de espumas. La formación de espumas con proteínas implica un proceso de desnaturalización controlado, este polímero se tiene que desdoblar para orientar sus aminoácidos hidrófobos hacia el interior de la burbuja y los hidrófilos hacia el exterior, en contacto con la fase acuosa. En algunos casos un calentamiento drástico de estos polipéptidos reduce su capacidad de espumado por excesiva desnaturalización. No, obstante, en el caso de la albúmina del huevo, un calentamiento gradual hasta alcanzar una temperatura elevada puede estabilizar la espuma, ya que la proteína coagula en forma de película, estableciéndose una lamela más resistentes, casi sólida. Esto se aplica en la fabricación de productos, tales como soufflé, merengues, betunes o cubiertas para pastel, así como dulces. En todos estos alimentos, a la clara de huevo batida y espumada se le añade lentamente un chorro delgado de solución de azúcar a una temperatura de 120 C. Una vez fría, la espuma resultante es sólida y resistente: El alimento es algo chicloso pero al mismo tiempo muy terso, ya que la alta viscosidad que prevalece y las pequeñas burbujas de aire que quedan atrapadas impiden el crecimiento de cristales de azúcar. La estabilidad de las espumas mejora, se aumenta la viscosidad del sistema con pequeñas cantidades de gomas, proteínas, glicerol y sus derivados, así como alcoholes y azúcares que imparten además un determinado sabor a estos productos. Lección 19: Emulsiones Estos sistemas de dispersión están constituidos por dos líquidos inmiscibles en los que la fase dispersa se encuentra en forma de pequeñas gotas, entre 0.1 y 10 ųm distribuidas en la fase continua o dispersante: Son inestables, y si se les permite reposar por algún tiempo, las moléculas de las fases dispersas tienden a asociarse para constituir una capa que puede precipitar o migrar a la superficie 150

159 según la diferencia de densidades entre las dos fases. La producción de emulsiones estables requiere necesariamente de agentes emulsionantes que reduzcan la tensión superficial entre ambas fases. La mayoría de las emulsiones que se encuentran en los alimentos están compuestas por aceite y agua, pero pueden contener otros compuestos que no necesariamente se es encuentran emulsionados. Según las concentraciones del aceite y del agua, las emulsiones sencillas son de aceite en agua (mayonesa, leche, aderezos y cremas),o de agua en aceite. Figura 30. Representación esquemática de dos fases. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Las emulsiones ordinarias son sistemas coloidales en las que las dos fases constitutivas son inmiscibles entre sí. El caso más corriente entre los alimentos está en la emulsiones de aceite en agua. De los líquidos uno se encuentra disperso en forma de pequeños gotas dentro del otro. Si mezclamos íntimamente los dos líquidos y luego los dejamos en reposo, ellos terminan separándose en dos capas. Si incorporamos a este sistema una tercera sustancia denominada emulgente o emulsionante, capaz de localizarse en torno a las partículas de tamaño coloidal de la fase dispersa, lograremos que dichas partículas no se unan ni se agreguen entre sí para separarse del medio dispersante. De esta manera obtendremos una emulsión más estable, que tardará más tiempo o para descomponerse en sus dos fases inmiscibles. Las emulsiones se indican por una relación entre la fase dispersa u oleosa (O) y la fase dispersante o acuosa (A) y viceversa. Sean los ejemplos y casos más corrientes de emulsiones alimenticias: - leche (O/A) - mantequilla (A/O) - nata (O/A) - margarina (A/O) 151

160 - mayonesa (O/A) - salsas para ensaladas (O/A) - crema no láctea (O/A) - helados (O/A) - embutidos (O/A) la importancia de las emulsiones en la formulación y elaboración de alimentos radica en la posibilidad que ellas abren por ejemplo para incorporar vitaminas, colorantes y aromatizantes en la fase oleosa del sistema, o para dar a los productos cierto color y opacidad deseables, para lograr una plasticidad requerida mediante incremento en la producción del aceite disperso, o para introducir la grasa en el alimento sin darle sensación oleosa como es el caso de las mayonesas Entre las superficies o caras del medio dispersante y de las películas dispersas se genera una tensión interfacial. Es un fenómeno de tensión superficial. Las moléculas del interior de un líquido homogéneo son igualmente atraídas en todas las direcciones por las moléculas circundantes. Son libres de moversen en todas las direcciones. En cambio las moléculas de la superficie del líquido son atraídas hacia abajo y hacía los lados mas no hacia arriba, salvo como consecuencia de la poca atracción de las moléculas del aire sobre el líquido. Por tanto estas moléculas de la superficie no son tan libres de moverse como sí lo son las del interior. Ellas se mantienen unidas unas a otras y de este modo forman una membrana sobre la superficie del líquido. La fuerza con que estas moléculas superficiales son retenidas y aglutinadas se denomina tensión superficial del líquido. Y ella es tanto mayor cuanto más fuerte es la atracción intramolecular. En las soluciones coloidales hay tensión superficial o interfacial en el límite o interfaz entre la partícula y el líquido. La tensión superficial es por tanto responsable de que las moléculas de la fase dispersante prefieran unirse entre ellas y no con las moléculas de la fase dispersa y que otro tanto acontezca con las moléculas de esta segunda fase. Es un fenómeno de tensión superficial, la fase dispersa tiende a reducir su propia área superficial al mínimo, si agitamos con vigor un poco de aceite en agua y así logramos dispersarlo en diminutas partículas dentro de dicho dispersante. La tensión superficial del aceite en agua determina en esas diminutas gotas la tendencia a unirse entre si para reducir su área superficial al mínimo posible. En consecuencia la estabilidad de una emulsión va estar en gran parte condicionada por la intensidad de esta tensión superficial y por la eficiencia de posibles mecanismos presentes a aplicables para controlar dicha tensión. Es decir que la existencia y estabilidad de la emulsión tiene como fundamental requisito la reducción de la tensión interfacial, sin que ello implique 152

161 necesariamente que por este solo hecho se asegura la estabilidad de la emulsión dada. Los emulsificantes tienen entonces la misión de reducir la energía o tensión superficial de la fase dispersa respecto de la fase dispersante y de este modo dificultar la agregación de esas partículas dispersas. La estabilización de las emulsiones se genera de tres mecanismos: Formación de una capa o película fuerte de emulgente alrededor de las gotitas individuales del líquido suspendido. Existencia o formación de una capa electrostáticamente cargada en la superficie de las gotitas individuales. Incremento en la viscosidad del medio de dispersión. Al aumentar la viscosidad del dispersante, el movimiento browniano se hace más lento, las posibilidades de las partículas para aglomerarse son menores y por tanto se reduce la probabilidad de sedimentación de las partículas o formación de la crema o nata por flotación. En las emulsiones alimenticias el papel emulsificante estabilizador es desempeñado por una diversidad de sustancias, tales como proteínas nativas y desnaturalizadas, almidones, fosfolípidos y otros variados emulgentes. Los emulsificantes son compuestos tensoactivos que tienen la capacidad de reducir la tensión interfacial entre los líquidos del sistema. Esta propiedad es el resultado de la estructura de las moléculas formadas por dos porciones, una hidrófila o polar y otra lipófila o apolar, los alimentos contienen muchos emulsificantes naturales, de los que los fosfolípidos son los más comunes. El mejor ejemplo de este tipo de acción emulgente es la estabilización de los glóbulos de grasa en la leche, como consecuencia de la formación de una película compleja de fosfolípidos, colesterol, otros esteroides, proteína y agua ligada. La yema de huevo constituye otro ejemplo de emulgente en muchos alimentos, como consecuencia de la notable acción emulsificante de las lipoproteínas. En la mayonesa, que contiene una alta proporción de aceite, la dilución de la yema con la clara de huevo o la total sustitución de la yema con clara conduce a la formación de un producto menos viscoso y menos estable que el obtenido solo con yemas de huevo. El proceso industrial de glicerólisis de las grasas produce una mezcla de mono, di, triglicéridos. Los monogliceridos son los únicos emulgentes activos. El almidón contribuye a la emulsificación de las grasas en algunos alimentos como las salsas y las compotas. Día a día crece la utilización de las gomas de origen vegetal, denominadas hidrocoloides, en la formulación de diversos alimentos, toda vez que entre sus variadas funciones dichas gomas pueden actuar como emulgentes. 153

162 En los productos cárnicos la emulsión esta constituida de igual manera por una fase continua, el agua, y una fase discontinua, la grasa, con un agente emulsificante representado por las proteínas solubles dentro del procesamiento, especialmente en presencia de la sal. La formación y estabilidad de las emulsiones alimenticias depende por tanto de variados factores, tales como la estructura molecular del emulsificante, la temperatura durante la emulsificación y el almacenamiento, el tamaño de las partículas de grasa, el ph, la concentración del emulgente, la viscosidad de la emulsión, la presencia y proporción de estabilizadores e ingredientes que favorecen la acción de los emulgentes, el equipo utilizado, el procedimiento seguido. El tamaño de los glóbulos de grasa, el ph, la presencia de sal y las concentraciones del emulsificante son igualmente factores importantes en la elaboración de una emulsión. Son factores que actúan guardando entre si cierto grado de dependencia. Al aumentar la subdivisión de los glóbulos grasos cada vez más pequeños, su área superficial total crece, lo cual exigirá una mayor proporción del emulsificante para poder envolver y recubrir los diminutos glóbulos, de lo contrario los glóbulos no recubiertos pueden dar origen a una emulsión inestable El papel del emulsificante 20 Para Cubero. N. Monteferrer J. (2007), la función de los emulsificantes es impedir o retaradar los fenómenos naturales de separación de las dos fases de la emulsión: Formar una película protectora alrededor de las gotitias dispersas Disminuir la tensión interfaial Impartir a las paerticulas cargas eléctricas de igual signo a fin de favorecer la repulsión entre las mismas. 20 Cubero. N. Monteferrer J. (2007). Aditivos Alimentarios: colección Tecnología de alimentos. Mexico: 154

163 Una vez formada la emulsión es necesario mantener el estado de gotitias de fase dispersa. Para ello el emulsificante se situúa en la zona de interfase proporcionando una película molecular y semirrígida alrededor de los globulos impidiendo el fenómeno de cualescencia. Gracias al carácter dipolar, la molecula emulsificante puede orientarse de dos formas diferentes en la zona de interfase, dando lugar a los dos tipos de emulsiones A/O, O/A, tal como se observa en la siguiente gráfica: Fuente: Berk Z. (1990). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México: Manual Moderno S.A. Durante la práctica de formación de una emulsión (elaboración de mayonesa), se pudo evidenciar que el método de batido afecta también la estabilidad de la emulsión. En una de las prácticas de laboratorio del curso, se realizaron varios ensayos de formación de una emulsión y se concluyó que el mejor método de batido es cuando se usa la batidora, ya que hay buena mezcla de los ingredientes con el emulgente, aquí también se comprobó el papel fundamental de los emulsificantes: 155

164 Tipo de batido emulsificant e batidora Yema de huevo batidora Clara de huevo Resultado del batido No presente cualescnecia si presente cualescnecia Observacion microscopica Analisis Se observa que el sistema de fases es homogeneo( todas las particulas estan del mismo tamaño) y con el tiempo está emulsión no presenta separación de fases porque se ha reducido su tensión nterfacial por la acción de los compuestos anfipolares de la yema como la lecitina. En esta imagen se observa que los globulos de grasa son de mayor tamaño que las partículas de la fase acuosa, esto conduce al hecho de que a mayor área superficial mayor la agregación de partículas. Esta emulsión sufirira separación de fases, ya que las proteínas de la clara de huevo no presentan propiedades anfipolares. batidora Leche líquida Licuadora Yema de huevo No presente cualescnecia No presente cualescnecia En la imagen al microscopio de la emulsión realizada con batidora se observa que la leche al adicionarla como emulsificante no reduce la tensión interfacial de la fase lipidica, los globulos de mayor tamaño son del aceite los cuales tiene mayor área superficial lo que conducirá a la separación de fases. Se observa un comportamiento semejante al batido con batidora en cuanto a la organización de las partículas, hay reducción de las distancias interfaciales, pero la mayonesa a los 8 dias presento separación de fases. 156

165 Licuadora Clara de huevo No presente cualescnecia Se disminuyó el tamaño de los glóbulos de grasa pero aún se observa distancias interfaciales que conducen a laseparación de fases. Licuadora leche No presente cualescnecia No hay un resultado satisfactorio en esta observación. Se observa grandes agregaciones de la fase lipidica y acuosa. Tabla 16: Observación micro de emulsiones. Fuente: Laboratorio curso Química de Alimentos I-09. Cead Duitama Lección 20: Geles Son sistemas creados por una red continua de macromoléculas interconectadas y entrelazadas en una estructura tridimensional en la queda atrapada la fase continua de agua. Se puede concebir como un estado en el que las macromoléculas coloidales se orientan formando fibrillas que al interaccionar establecen un cuerpo básico o esqueleto que sirve de soporte para retener el agua mediante puentes de hidrogeno. Los diferentes geles que se encuentran en los alimentos presentan diversos grados de elasticidad y de rigidez, depende de muchos factores, como el tipo del polímero y su concentración; también influyen la concentración de sales, el ph y la temperatura del sistema. Los coloides hidrófilos producen geles más rápidamente que los hidrófobos, ya que tienen más afinidad por las moléculas de agua que los rodean. Las sales divalentes como el calcio y el magnesio aceleran la gelificación de polímeros 157

166 como las pectinas y algunas proteínas, mientras que los monovalentes, como el potasio, lo hacen con la carragenina. A medida que se reduce la temperatura se acelera el establecimiento del gel, mientras que las altas temperaturas inducen la licuefacción. Los geles presentan el fenómeno de histéresis durante su formación y licuefacción ya que los perfiles de temperatura a los que se les lleva a cabo estos dos procesos son diferentes. La sinéresis es un fenómeno que se presenta comúnmente en los geles y consiste en una exudación de la fase acuosa que elimina parte del agua constituyente del gel. El líquido exudado está compuesto en parte por las propias moléculas coloidales en forma diluida. La sinéresis implica una contracción del gel, lo que origina la expulsión del agua. Esta contracción se debe a un reacomodo físico de las macromoléculas que adquieren una estructura más estable y provocan un ajuste en la interacción soluto- solvente. La sinéresis está influenciada por factores como la concentración del coloide, el ph, la temperatura o los cambios de ésta y la presencia de otros agentes que la puedan acelerar o inhibir. Ejemplos de estos coloides son el almidón, la gelatina y la pectina Comportamiento coloidal de los almidones Al someter una suspensión de almidón al calentamiento, se llega a una temperatura característica o a un rango de característico de temperatura dentro del cual se produce un súbito hinchamiento de los gránulos de almidón. Esta temperatura constituye la temperatura de gelatinización. Se habla de un rango de temperatura debido a que todos los gránulos de un almidón dado no se hinchan a una temperatura definida. El cambio en la apariencia de los gránulos se produce en tres etapas; 1. En agua fría, se caracteriza por la simple imbibición de un 25 % de agua, es un proceso reversible ya que el almidón puede ser desecado sin que en él se presente cambio alguno ni en su estructura ni en la viscosidad de la suspensión. 2. Ocurre alrededor de los 65 C para la mayoría de los almidones. Los gránulos comienzan a hincharse rápido y a absorber una gran cantidad de agua. Los gránulos cambian de apariencia y las moléculas más dispersas van siendo retiradas de la superficie de los gránulos. Esta etapa es irreversible. 3. Se caracteriza por un mayor hinchamiento. El gránulo se hace enorme, a menudo se ahueca, más moléculas las dispersan, el gránulo puede 158

167 terminar desgarrándose, mas el almidón pasa entonces al líquido circundante, la viscosidad del fluido aumenta en alto grado, los gránulos se unen entre sí y ya no pueden separarse. Al enfriar la dispersión, la viscosidad aumenta sea que se forme el gel o engrudo. Por otra parte la gelificación o formación del gel se produce sin que en ello tenga que ver el agente gelificante por si mismo. El almidón gelifica solo cuando la pasta se ha enfriado. En otras palabras la gelatinización debe preceder a la gelificación. Al aplicar calor, la energía térmica incorporada hace que cierta cantidad de agua atraviese la malla molecular de la superficie del gránulo. Al continuar el calentamiento, el nivel de energía es suficiente para romper los enlaces de hidrógeno en las áreas en que las moléculas han generado estructuras de carácter cristalino dentro del gránulo. El ablandamiento de la estructura total del gránulo permite que la absorción de agua avance con facilidad y rapidez. La apertura de la superficie del gránulo permite que las cadenas lineales de amilosa abandonen el gránulo y pase a formar una dispersión coloidal. Este es el motivo para que las pastas espesas de almidón se logren calentando hasta el punto de ebullición, pues de este modo se asegura una máxima gelatinización. Al enfriar la dispersión, los gránulos que no se han roto se unen y se aglutinan más entre sí por enlaces de hidrógeno, ayudados por la presencia de la amilosa libre, las cuales pueden establecer puentes de hidrógeno no sólo entre ellas sino también con las ramificaciones de las amilopectinas proyectadas hacía afuera de las superficies granulares. El resultado neto de estos fenómenos es la formación de una malla tridimensional continua de gránulos hinchados. Desde el punto de vista alimentario, la digeribilidad del almidón aumenta con la gelatinización. El contenido de amilosa y el tamaño molecular de la fracción de amilosa influyen sobre la tendencia de los soles de almidón a espesarse o gelificarse por el enfriamiento. La opacidad del engrudo se origina en las moléculas de amilosa que se asocian mediante puentes de hidrógeno. La retrodegradación depende igualmente del peso molecular, esto es de la longitud de la cadena de tamaño medio para la amilosa. La sinéresis es el proceso inverso de la gelatinización, concluida la completa gelificación del sol de almidón y, al continuar dicho gel en reposo, se van produciendo nuevos enlaces entre las cadenas lineales de amilosa. Esta creciente asociación hace que la malla tridimensional del gel se encoja y ellos determinen la expulsión del agua o exudación. Es la sinéresis. Al seguir 159

168 aumentando la asociación por el añejamiento del gel, algunas moléculas de cadena recta de amilosa pueden reorganizarse y unirse de una manera cristalina en determinadas zonas del sistema coloidal. Es la retrodegradación. El ph es el segundo factor más importante dentro de la gelatinización y de las propiedades de la pasta. El descenso en el ph, o sea el incremento en la acidez, causa cierta fragmentación o disgregación de los gránulos y la hidrólisis parcial de lagunas moléculas de amilosa liberadas sobre la superficie granular. Las consecuencias de una mala hidrólisis son las sinéresis y la retrodegradación durante el almacenamiento de los productos almacenados. Los rangos normales del ph para cocción de almidones caen entre Por debajo de ph 5.0 aumenta la hidrólisis ácida del almidón y decrecen por tanto la viscosidad de la pasta y la firmeza del gel. La temperatura y el calentamiento constituyen el tercer factor de importancia en la gelatinización de los almidones. Los gránulos de mayor tamaño comienzan a gelatinizar primero y a menores temperaturas que los gránulos de menor tamaño. La agitación y el batido durante la cocción constituyen un cuarto factor de la gelatinización de los almidones. En general la experiencia indica la conveniencia práctica de agitar en las primeras etapas del calentamiento, a fin de obtener una mejor pasta. La adición de terceras sustancias al sistema coloidal constituye el quinto factor de importancia en la gelatinización y gelificación de los almidones. El tratamiento previo de los almidones representa el sexto factor de incidencia en la gelitinización. Si el almidón es tratado con calor seco, con ácido o con enzimas, sus macromoléculas se degradan a dextrinas y aun a estructuras menores. Estas sustancias así formados no dan la misma viscosidad ni gelifican en grado igual. Sin embargo las propiedades de estos almidones pueden modificarse para obtener ciertos productos adecuados para fines específicos en la industria alimenticios trata de los llamados almidones modificados. La modificación debe desde luego conducirse bajo estricto control. Al gelatinizar este almidón así modificado, se forma una dispersión o pasta de baja viscosidad. Resultados similares pueden lograrse con almidones tratados con enzimas. Los productos de este tratamiento enzimático son coloides claros, de rápida ebullición, que dan pastas de baja viscosidad pero conservan la capacidad de formar geles. 160

169 20.2 Comportamiento coloidal de las pectinas Las pectinas son polisacáridos denominados sustancias pectinas. Ellas cumplen un papel muy importante en los alimentos por dos razones fundamentales: 1. Su influencia en situ sobre la textura o consistencia de los tejidos vegetales, en particular muchas frutas frutas y hortalizas de las que ellas son componentes naturales. 2. El amplio uso que, en su calidad de agentes gelificantes o espesantes, dichas sustancias pépticas tienen en la industria alimenticia y en la preparación de alimentos. El grupo de sustancia pépticas esta conformada por carbohidratos complejos de carácter coloidal, presentes en las plantas que contienen gran proporción de unidades de ácido galacturónico unidas entre si para dar una estructura lineal. Alguna de estas cadenas contienen todos sus radicales carboxilos libres o solo unos pocos de ellos se encuentran esterificados con alcohol metílico. Estas estructuras son los llamados ácidos pépticos, característicos de las frutas maduras, solubles en agua, dotados de un carácter ácido y por ende capaces de formar geles. El término corriente de pectina se halla por lo general asociado con el producto distribuido en el comercio y corresponde y corresponde a los ácidos pectínicos, solubles en agua, que poseen variadas proporciones de grupos esterificados con metanol y forman geles bajo adecuadas condiciones. Suele distinguirse una clasificación de las pectinas de acuerdo a su contenido de de grupos esterificados: - pectinas de alto grado de esterificación (GE), en esta más del 50% de los grupos carboxilos se encuentran esterificados con metanol. Son pectinas capaces de formar jaleas en presencia de concentraciones relativamente elevadas de azúcar y de ácido. El grado de esterificación determina las relaciones de tiempo y temperatura requeridas para la gelificación. Existe una subdivisión de acuerdo a lo anterior y se pueden disponer de: - pectinas de rápida gelificación, con grados de esterificación superiores al 68%. 161

170 - Pectinas de lenta gelificación, con grados de esterificación cercanos al 60%. Estas pectinas tienen grados GE entre 30 y 50% y pueden formar geles en presencia de cationes como el calcio, sin que para ellos requieran azúcar y ácido. Cuando la pectina se halla en un estado soluble o de dispersión coloidal, ella se encuentra estabilizada por moléculas de agua adsorbidas por atracción electrostática. Al agregar azúcar, el sistema coloidal se desestabiliza pues dicho sustancia tiende a deshidratar las partículas de pectina. Con elevadas concentraciones de azúcar la deshidratación es bastante completa, de manera que al adicionar el ácido los iones hidronio completan la desestabilización y se forma la estructura o matriz de la jalea. Así mismos existe la posibilidad que el azúcar, mediante sus grupos hidroxilos, establezca enlaces de hidrógeno con la pectina. A medida que el grado de esterificación de la pectina decrece hasta cierto nivel óptimo, aumenta el número de carboxilos que puede contribuir con puentes de hidrogeno, la cual aumenta la efectividad del azúcar y hace que la cantidad de este ingrediente requerido para producir la jalea se menor. La firmeza de las jaleas pépticas depende de diversos factores: a) la concentración de la pectina b) el peso molecular de las pectinas c) el porcentaje de esterificación con metanol d) el ph e) la concentración de azúcar. La firmeza y calidad de las jaleas también está condicionada por la concentración de azúcar, generalmente la sacarosa. La formación de los geles de pectina exige una mínima concentración de azúcar. Las cantidades óptimas de azúcar se sitúan alrededor del 65%. Este requerimiento de azúcar nos lleva al concepto del grado de jalea, entendido como el número de unidades de azúcar requeridas por unidad de pectina para producir una jalea satisfactoria. Un alimento procesado donde se une más de dos sistemas coloidales es el helado. A pesar de la simplicidad de los ingredientes, la interacción entre los componentes del helado es bastante compleja debido a que es una emulsión, una espuma y una dispersión al mismo tiempo. Consulte la siguiente pagina virtual y encontrara una interesante lectura donde aplicará los conceptos que acaba de aprender? 162

171 CAPITULO 5: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS CARBOHIDRATOS Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Tome al azar 10 productos industrializados del supermercado e identifique que tengan dentro de sus ingredientes monosacáridos y polisacaridos. Trate de establecer el motivo por el cual estan dentro de la formulación del producto. Las propiedades que presenta un componente alimentario diferentes a las propiedades nutricionales y que influyen sobre su utilización son las denominadas Propiedades Funcionales. Las propiedades funcionales de los carbohidratos se pueden estudiar más fácilmente si las agrupamos en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta las propiedades funcionales de los monosacáridos, los cuales presentan comportamientos químicos en disolución muy diferentes a los disacáridos. Este comportamiento condiciona la calidad técnica de los alimentos edulcorados y de confitería al igual que su vida útil en estantería. En este capítulo también se analiza el comportamiento de polisacáridos como el almidón, la pectina y la celulosa, ya que estos de acuerdo a sus modificaciones estructurales en su estrucutra química ayudan a impartir en el producto final características deseables. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 5, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Lección 21: Propiedades funcionales de los monosacáridos De acuerdo a otros autores las principales propiedades funcionales de los monosacáridos se pueden relacionar con el poder edulcorante, solubilidad, hidroscopicidad, produccion de aromas, cristalización Solubilidad de monosacáridos 163

172 El comportamiento de los monosacáridos con el agua se explica químicamente por las interacciones intermoleculares que establecen por medio de fuerzas atractivas como puentes de hidrogeno los grupos reactivos de la molécula del azúcar como es el grupo carbonilo (función aldehído, cetona) y los grupos hidroxilo (función alcoxi) con los átomos de oxigeno e hidrogeno del agua; esto favorecido por las características químicas y físicas ( como tautomeria y mutarrotación) de cada grupo del monosacárido que presenta reactividad en el sistema. La estructura química de la fructosa favorece la formación de fuerzas atractivas con las moléculas del agua resultando una mayor interacción entre el solvente y soluto por lo que se considera mas soluble seguido de la sacarosa y la glucosa mientras que la lactosa es el menos soluble por lo que el cristaliza más fácilmente. Todos los azucares son solubles en agua pero cada uno de ellos presenta una solubilidad diferente. A temperatura ambiente el más soluble de los azucares es la D-fructosa seguida de la sacarosa y el menos soluble es la lactosa. La solubilidad de los azucares se incrementa al aumentar la temperatura. Cual es el razonamiento lógico para establecer una relación directamente proporcional entre la solubilidad y la temperatura. Que modificaciones a nivel molecular Inter e intra puede ocasionar el flujo de calor aplicado? Buen tema para expnerlo en el wiki del curos con tú grupo. Avisa a tu tutor si estas interesado en iniciar la construcción de este tema! 21.2 Poder edulcorante Una de las características principales que identifican los a los azucares de bajo peso molecular (monosacáridos y disacáridos) es ser dulces con un poder edulcorante que depende de diversos factores: 1. cuando se encuentran en solución acuosas sufren cambios de reordenamiento aldosa- cetonico conocido como tautomeria produciendo mezcla de epimeros al igual que formación de isomeros α y β en la propiedad de mutarrotación. Estos cambios favorecen la aparición de isomeros de posición de los grupos hidroxilo (-OH) de la molécula del azúcar por lo que la interacción de los grupos OH del carbohidratos con los quimiorreceptores de las papilas gustativas no será siempre igual. 2. salvador, Badui (1999). El dulzor de los azucares varía con la temperatura a la cual se haga el análisis. Así se observa que cuando se compara el sabor de 164

173 soluciones de D-fructosa y de sacarosa de la misma concentración, la D-fructosa es más o menos 1,4 veces más dulce que la sacarosa cuando las soluciones están a 5 C, mientras que si están a 40 C son igualmente dulces y a 60 C la D- fructosa es solo 0,8 veces tan dulce como la solución de sacarosa. Esta propiedad de la D- fructuosa se aprovecha en la elaboración de bebidas refrescantes que se consumen normalmente. El comportamiento del efecto de la temperatura sobre el poder edulcorante se puede analizar de la gráfica El poder edulcorante está influenciado además, por la presencia de otros componentes en el medio. Así tenemos que el etanol aumenta el poder dulce de la sacarosa mientras que la carboximetil-celulosa, que es un aditivo utilizado ampliamente, lo enmascara. Las sustancias amargas, los ácidos y las sales interfieren con el sabor dulce. La presencia de de maltol y de étil-maltol aumenta el poder edulcorante de la sacarosa; el primero reduce el 50% del umbral mínimo de percepción de los disacáridos. Gráfica 31: Variación PE con la Temperatura Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Dentro de los azucares se establece una escala de referencia del poder edulcorante. El valor numérico de la escala es valorado subjetivamente por paneles de evaluación sensorial. Todos los azúcares libres presentan sabor dulce, aunque cada uno de ellos con diferente intensidad. En la tabla 17. Se presenta el dulzor o poder edulcorante de diversos azúcares tomando como patrón la sacarosa. 21 Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. Mexico: Pearson educación. 165

174 Los valores que aparecen en la tabla muestran que la fructosa es más dulce que los otros azucares, lo cual significa que cuando se preparan soluciones de diversos azúcares a la misma concentración, la sensación de dulzor que capta la persona que lo ingiere es más acentuada con fructosa y mínima con lactosa Debido a que la fructuosa es hasta 1.8 veces más dulce que la sacarosa, su uso se ha intensificado, ya sea en forma de azúcar invertido o en jarabes producidos por acción de la glucosa isomerasa. En nivel experimental se ha producido este monosacárido por la hidrólisis controlada de la inulina, polímero lineal de moléculas de glucosa unidas β (2,1) y que se encuentra en algunas plantas como el maguey y la alcachofa. 22, 23 Tabla 17. Poderedulcorante de azucares. AZÚCAR PODER EDULCORANTE Sacarosa Glucosa Fructosa Lactosa Maltosa Jarabe de Glucosa Jarabe de Maíz (rico en fructosa) (segúnla temperatura) Fuente: Bermúdez Silvia. Unad.1995 Es indudable que las diferencias en el grado de dulzor de los azucares radica en sus propiedades químicas. Recuerda usted que es la reacción de mutarrotación y epimerización de glúcidos y reacciones de tautomeria de aldehídos y cetonas de su química orgánica? Vale la pena repasar estos temas para elucidar los interrogantes que se han generado! 21.3 Cristalización Los azúcares pueden cristalizar, influyendo en la textura de los productos. Específicamente en la repostería. Cuando la lactosa cristaliza en helados y leches condensadas da un efecto negativo. La confección de los diversos tipos de dulces se basa principalmente en el proceso de cristalización de los azucares y las formas como se puede controlar. 22 Bermudez, Silvia y Guzman Rosa (1995). Química de los alimentos. Santa fe de Bogotá: Unisur. 23 Robinson, David (1991). Bioquímica y el valor nutritivo de los alimentos. Zaragoza: Acribia.. 166

175 Para formar solución sacarosa-agua se concentran por ebullición y al bajar luego la temperatura se presenta la cristalización. El proceso de cristalización se puede redactar o inhibir mediante la adición de sustancias ácidas como ácido acético, ácido cítrico. Lo cual provoca la hidrólisis o inversión de parte de la sacarosa, produciéndose glucosa y fructosa que son más solubles que la sacarosa Estado amorfo: Pueden permanecer en estado no cristalino (amorfos) por lo que tienen la capacidad para formar soluciones sobresaturadas (jarabes, almíbar de frutas en conserva) o estados vítreos (caramelo duro). Los azúcares tienen la capacidad de presentar el fenómeno del poliformismo consiste, en que un mismo compuesto puede cristalizar en diversas formas. El ejemplo típico es la lactosa que produce los isómeros α y β, cuyos cristales tienen solubilidades y tamaños diferentes. En la elaboración de productos lácteos condensados se alcanza una concentración del disacárido muy cercana a la saturación, lo que hace relativamente fácil su cristalización; esto, es una determinada proporción es bueno para que imparta las propiedades sensoriales deseadas, pero si ésta es deficiente se tendrá un cuerpo débil, y si está en exceso, conferirá una textura arenosa. Igualmente, en la leche en polvo es muy importante que la lactosa de encuentre como β que es más soluble en agua que la α. Con el control adecuado de algunos parámetros, como la temperatura, las concentraciones, se puede inducir la formación de un determinado tipo de cristal, que se toman en cuenta en los procesos industriales de lácteos y de la confitería. Debido a que la fructuosa es soluble en agua, difícil de cristalizar y a que, además, ejerce un efecto inhibidor sobre la cristalización de mono y oligosacáridos, los jarabes invertidos se emplean en confitería. Por ejemplo en los chocolates puede ocurrir una migración y que se provoque la concentración de sacarosa en una zona determinada que llegue hasta la saturación y por consiguiente a la cristalización. En este caso aparecen pequeños cristales blancos que dan una presencia desagradable; esta situación se corrige se si se utiliza el azúcar invertido. La textura y el lustre o brillantez de los chocolates y los dulces se debe en gran medida a la relación de concentraciones de los azúcares amorfos. 167

176 El poliformismo de los azucares lo conducen a formar estados vítrios como el que presentan los caramelos deduzca que le pasaría al caramelo si lo deja por varios días sin empaque a las condiciones de humedad y temperatura ambiente? Qué puede aportar al tema de las transiciones vitrias relacionada con los productos de confitería? palabras claves: transición vitriastemperaturas de transición vítrea en alimentos Higroscopicidad (hidratación) Tienen capacidad de captar el agua del ambiente a través de cualquier OH del azúcar por puentes de hidrógeno con el Oxígeno del agua o el oxígeno del -OH del azúcar con un hidrógeno del agua. Esto da por ejemplo aspecto brillante a la mermelada o aspecto húmedo a bizcochos o magdalenas. En otros casos es negativo debido al apelmazamiento que dificulta la solubilidad. La higroscopicidad de una forma similar a la solubilidad varía con el tipo de azúcar, siendo más giroscópica la D-fructosa y menos giroscópica la D-lactosa. El que sean hicroscópicos los azucares, crea problemas para su almacenamiento, ya que si se mantienen humedades relativas superiores al 70% se forman pegotes debido a la absorción del agua. Badui, Slavador (1999).Esta higroscopicidad de los azúcares está directamente relacionada con la hidratación y se explica por la facilidad que tienen los grupos hidroxilos (-OH) de cada átomo de carbono del azúcar para establecer puentes de hidrógeno con el agua, y varía considerablemente entre los distintos monos y disacáridos. En algunos azúcares, como la mezcla de α y β- lactosa, no se presenta una buena hidratación, ya que las dos formas anoméricas actúan entre sí por puentes de hidrógeno, lo que reduce su capacidad de hacerlo con moléculas de agua 24 La selección de azúcar para uso específico debe hacerse tomando en cuenta el grado de higroscopia que éste tiene, ya que este fenómeno es indeseable en los productos deshidratados, como la leche en polvo. Sin embargo, esta propiedad es muy útil cuando se preparan alimentos que deben mantener su humedad como es el caso de los productos horneados ( galletas, ponques, etc.) ya que si se secan se desmenuzan, por lo tanto se utilizan en su preparación fructosa o productos que lo contengan como la miel debido a su alta higroscopicidad (retenedores de humedad). Por el contrario en los alimentos que 2424 Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. Mexico: Pearson educación. 168

177 es necesario mantener secos para evitar que se apelmacen, como polvos instantáneos, es preferible adicionar maltosa o lactosa cuya higroscopicidad es baja. En la tabla 18 se relaciona la variación del grado de hidratación de algunos azucares. Tabla 18. Variación del grado de hidratación de algunos azucares. AZÚCAR Moles H 2 O/mol azúcar 21.6 Producción de aromas Glucosa 3.7 +/-0.2 Manosa 3.9+/-0.4 Ribosa 2.5+/-0.4 Maltosa 5.0+/-0.5 sacarosa 6.6+/-0.7 La producción de aromas esta relacionada con el proceso de transformación que sufren los productos ricos en azúcares sometidos a tratamiento térmico a altas temperaturas. Por su poder adsorbente, la lactosa se utiliza en la industria para retener compuestos que imparten sabores, aromas y colores y, al igual que la maltosa, se emplea en la panificación, pues interacciona fácilmente con proteínas para producir compuestos de bajo peso molecular derivados del fufural e hidroximetilfufural como lo es el maltol e isomaltol productos responsables del aroma del pan, provenientes de reacciones de Maillard y de caramelizacion. En general todos los monosacáridos y disacáridos con extremos libres reductores sufren reacciones de condensación con grupos aminos libres para formar una serie de complejos que dan como resultados la producción de esteres, aldehídos, cetonas, responsables del aroma de muchos productos alimenticios. Existen en la naturaleza otra fuentes de carbohidratos como las inulinas ricas en fructuosa, el Konjac tan utilizada en el Japón como konyaku. En donde se encuentran, podrían ser fuente directa de azúcares reductores, tan apetecidos en está década para la producción de etanol como nueva fuente de energía?. Cuál sería su aporte en alimentos funcionales bajo en calorías? Temas interesantes y de actualidad para el futuro Ingeniero en alimentos Lección 22: Propiedades Funcionales de los polisacáridos 22.1 Celulosa No es una fuente nutricional para el hombre, pero es fundamental en la dieta ayudando en los procesos digestivos.la celulosa es el componente mayoritario de 169

178 los tejidos vegetales. Se utiliza en la industria de alimentos en forma microcristalina y en forma de derivados químicos como estabilizantes y material de relleno. Si observamos detenidamente la estructura de la celulosa podemos establecer diferencias con los polisacáridos constituidos por moléculas lineales de glucosa como el almidón y las pectinas presentes también en los vegetales. La diferencia radica en la unión glucosidica de los monómeros los cuales se realizan por medio de enlaces β-d- (1,4), mientras que la pectina sus enlaces glucosidicos son α-d-(1,4) y el almidón compuesto por amilosa α-d-(1,4) y amilopectina α-d- (1-6) Modificación química de la celulosa Celulosa microcristalizada La celulosa, y especialmente algunos de sus derivados se utiliza ocasionalmente en tecnología de los alimentos como aditivos. La llamada celulosa microcristalina se obtienen con hidrólisis parcial con ácido clorhídrico, que afecta a las regiones amorfas de las fibras liberando partículas cristalinas de un tamaño de unas dos décimas de micra. Se utiliza como carga en alimentos bajos en calorías. La celulosa microcristalina en forma de polvo, se emplea en la preparación de alimentos dietéticos como fuente de sólidos no degradadles por enzimas del tracto gastrointestinal. La celulosa microcristalina en forma coloidal se emplea en la estabilización de espumas y emulsiones estables a altas temperaturas, como modificadores de textura para controlar la formación de cristales de hielo en postres congelados Celulosa modificada químicamente La metilcelulosa, hidroxipropilcelulosa y carboximetilcelulosa son derivados artificiales, solubles en agua (las cadenas laterales introducidas en ellos impiden la organización típica de la celulosa), y se les conoce como gomas de celulosa, utilizados a veces como estabilizantes, generalmente mezclados con otros polisacáridos, o como sustitutos de la grasa para obtener alimentos bajos en calorías. La carboximetilcelulosa estabiliza disoluciones de proteínas, por lo que 170

179 se utiliza en materiales que contienen leche, especialmente en helados. Produce soluciones muy viscosas con una proporción pequeña de polisacárido. La sustitución química se basa en la sustitución de los tres grupos hidroxilos de cada una de las moléculas de glucosa de la estructura de la celulosa: Metilcelulosa La celulosa orto-metilada es estable dentro de un amplio intervalo de ph ( ); exhibe la propiedad poco habitual, de gelificar en caliente. La mayor parte de las metilcelulosas gelifican a un rango de temperatura que va de 50-70ºC. El fenómeno de la termogelificación se puede explicar en términos del efecto estructural que las moléculas del polisacárido ejercen sobre el agua. Se obtiene al hacer reaccionar grupos metilos: Hidroxipropilmetilcelulosa Se obtiene al sustituir los OH por grupos hidroxipropilmetilo. Gelfica cuando se calienta y precipita a temperaturas elevadas. Durante la reacción de sustitución, los grupos hidroxipropilo no sólo se une a los grupos hidrófilo de los restos de la glucosa sino que algunos se condensan entre sí para formar cadenas laterales de propilenglicol: Carboximetilcelulosa Se obtiene al sustituir los grupos OH por grupos carboximetilos. Está dotada de propiedades muy diferentes de los dos derivados ya descritos. Aquí, el grupo sustituyente contiene un grupo carboxílico hidrófilico que tiende a incrementar la solubilidad en agua del polisacárido: En los alimentos se adiciona la carboximetilcelulosa para ligar agua o incrementar la viscosidad de la fase acuosa, evitar la sinéresis en productos gelificados, mejorar la textura y controla el crecimiento de cristales de hielo en los helados de crema. 171

180 En la tabla 19 se encuentra las modificaciones químicas de la celulosa en la industria de alimentos y en la tabla16 se relacionan las Clases de CMC que se encuentran en el mercado Tabla 19. Modificaciones químicas de la celulosa en la industria de alimentos. DERIVADO EMPLEO EN ALIMENTACIÓN SUSTITUYENTE CARBOXIMETILCELULOSA (CMC) Soluble en forma de sales de sodio. Estabilizante en helados, ingrediente en substitutos de la nata, reductor de sinérisis en los geles de almidón, espesante y emulsionante, agente de volumen en alimentos ditéticos junto con celulosa microcirstalina. -COO - Na + METILCELULOSA Soluble en agua fría, forma geles reversibles a temperaturas elevadas; películas impermeables por extrusión. - CH3 HIDROXIPROPILCELOLOSA Soluble en agua fría, buen estabilizante y emulsionante. -CH2CHCH3OH 22.2 Pectinas Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Las pectinas son un grupo especial de substancias responsables de la formación de geles en mermeladas, conservas y postres de frutas, ayudando a consevar por mas tiempo el producto al restringir la difusión del agua y otras substancias en un medio ácido de baja actividad de acuosa. La pectina es en esencia un polímero lineal compuesto por residuos de ácido galacturónico esterificado unidos mediante enlaces glucosídicos α-d-(1,4). 172

181 Modificación química de la pectina Las pectinas pueden desesterificarse mediante ácidos o álcalis diluidos o mediante enzimas (pectín esterasas) dando ácido pectico y químicamente la esterificación del grupo carboxilo por grupos metoxi: Las pectinas pueden clasificarse de acuerdo con su grado de esterificación en: Pectinas ricas en grupos metoxi (HM) Contienen alrededor del 80%(DE=80%) de los grupos carboxilo metilados. Para formar geles requieren de un ph ácido de 2.8 a 3.2 en un medio con un contenido de sólidos solubles superiores al 55%, que generalmente es azúcar. Pectinas pobres en grupos metoxilos (LM) Con un grado de esterificación (DE) inferior al 50%. Su gelificación se controla introduciendo iones de calcio en el sistema y tiene lugar a ph 2.5 a 6.5 en un medio con 10-20% de sólidos solubles. Estas pectinas permiten obtener geles adecuados a concentraciones entre 0.5% y 1.5% Gelificación Los grupos carboxilo de las pectinas cuando estas se encuentran en soluciones a ph mayores de 3 están en forma ionizada (COO), mientras que a ph menores de 173

182 3 pueden estar en forma no ionizada, (COOH) o bien metilados. La forma en que se encuentran los grupos carboxilo en los alimentos determinan la capacidad de interacción de los carbohidratos con los otros constituyentes, siendo la reactividad de los grupos ionizados. En general, las pectinas de alto metoxilo para formar geles requieren un ph ácido (2,8 a 3,2); una cantidad de azúcar y agua. El medio ácido hace que la mayoría de los grupos carboxilo se presenten en forma no ionizada, con lo cual se debilita la interacción de estos grupos con el agua y por lo tanto su solubilidad. El azúcar por ser un compuesto hidrófilo, reduce la posibilidad de que la pectina se hidrate ya que compite por el agua. Cuando una dispersión de esta clase se enfría, la pectina menos hidratada forma un gel. El gel es reversible y se licua cuando se calienta. El mecanismo de gelificación de las pectinas HM y LM exige la aproximación de las cadenas del polisacárido para formar zonas de unión. El gel de pectina HM se estabiliza por medio de interacciones hidrofóbicas de los grupos éstermetílico y mediante la formación de enlaces de hidrogeno intermoleculares. En los geles de pectinas poco metiladas (LM) las zonas de unión se estabilizan mediante puentes de calcio incatenarios en los que están implicados átomos de oxigeno los carbonos C5 y C6 y carbono dos C2 de una cadena y los C2y C5 de la cadena adyacente. Entre las pectinas de alto metoxilo, existen las de gelificación rápida y las de gelificación lenta. Las de gelificación alta poseen un porcentaje mayor de grupos metoxilo que las de gelificación lenta. Por lo tanto, para la preparación de mermeladas se emplean las pectinas de gelificación rápida con lo cual se evita que los trozos de frutas se vayan al fondo de los recipientes y en cambio queden uniformemente repartidas. Las pectinas de bajo metoxilo gelifican en presencia de cationes divalentes como el calcio con los que forman enlaces a través de los grupos carboxilos libres. Estas pectinas no requieren de la adición de azúcares para gelificar y el ph en el cual se forma el gel esta ácido pero con un rango de menor acidez. La adición de una pequeña cantidad de azucares mejora la consistencia de estos geles. Las pectinas de bajo metoxilo se utilizan en la preparación de alimentos dietéticos o en aquellos que es necesario excluir el uso de azúcar, como salsas y jugos de.vegetales. Las pectinas, en general, se emplean no solo para preparar geles sino también para aumentar la viscosidad de los productos debido a sus características de espesantes. Dependiendo del alimento en que se adicionan, las pectinas se emplean en cantidades que oscilan entre el 0,1 y 2% del producto final. 174

183 22.3 Almidón 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. Tanto el almidón como los productos de la hidrólisis del almidón constituyen la mayor parte de los carbohidratos digestibles de la dieta habitual. Del mismo modo, la cantidad de almidón utilizado en la preparación de productos alimenticios, sin contar el que se encuentra presente en las harinas usadas para hacer pan y otros productos de panadería. Los almidones comerciales se obtienen de las semillas de cereales, particularmente de maíz, maíz céreo, maíz rico en amilosa, trigo, varios tipos de arroz, y de algunas raíces y tubérculos, particularmente de patata, batata y tapioca. Tanto los almidones como los almidones modificados tienen un número enorme de posibles aplicaciones en los alimentos, que incluyen las siguientes: adhesivo, ligante, enturbiante, formador de películas, estabilizante de espumas, agente antienvejecimiento de pan, gelificante, glaseante, humectante, estabilizante, texturizante y espesante. El almidón se puede obtener de manera comercial mediante la llamada molienda húmeda que se hace con el maíz y que consiste en los siguientes pasos: Molienda húmeda La primera etapa del procedimiento es la inspección y limpieza, destinada a eliminar los materiales extraños que acompañan al maíz. Posteriormente, el cereal limpio se macera con agua a 50º C en tanques de acero inoxidable durante 30 a 40 horas. En esta etapa la humedad se incrementa del 15 al 45 %. Asimismo se debilitan los enlaces del gluten y se libera el almidón. Posteriormente el grano macerado se tritura groseramente para despegar el germen de los otros constituyentes. El resultante de la molienda, suspendido en una corriente de agua, se hace pasar por hidrociclones donde se separa el germen. Éste se destina posteriormente a la extracción de aceite. El almidón, gluten y fibra contenidos en la suspensión son sometidos a una molienda fina. Por sus características, la fibra es menos afectada por la molienda y puede ser separada mediante tamizado. Este subproducto se conoce como gluten feed y se destina a la producción de alimentos balanceados. El gluten y almidón que permanecen en la corriente de agua presentan diferente densidad, lo que permite separarlos mediante centrifugación. El gluten, o gluten mal separado, también se emplea en alimentación animal. El almidón, que se purifica hasta alcanzar una concentración de 99,5 %, puede secarse y 175

184 comercializarse como almidón nativo o ser sometido a procesos posteriores para obtener edulcorantes nutritivos (jarabes, dextrosa). En resumen, por cada 100 Kg. de maíz procesado (en base seca) se obtienen: 67 Kg. de almidón; 9 Kg. de germen; 16 Kg. de gluten feed y 8 Kg. de gluten meal Molienda seca El proceso de molienda seca consiste en la reducción del tamaño del grano y su posterior cernido y clasificación a fin de separar las diferentes fracciones. De esta molienda se obtiene también una importante variedad de productos, entre ellos cereales para desayuno, harinas y sémolas. Estas últimas pueden destinarse a la producción de cerveza, snack o bien para la preparación de polenta. La harina de maíz se emplea en la elaboración de productos panificados. El germen, al igual que en la molienda húmeda, se separa y se destina a la extracción de aceite. La industria de la molienda seca de maíz exige granos duros, que rindan grandes proporciones de fracciones gruesas. Por tal motivo existe una preferencia por los maíces del tipo comercial Flint, que se adaptan adecuadamente al proceso Gelatinización Los gránulos de almidón son insolubles en agua fría, pero pueden embeber agua de manera reversible hasta cierta temperatura (hasta 50ºC); es decir, pueden hincharse ligeramente con el agua y volver luego al tamaño original al secarse. Sin embargo cuando se calientan en agua, los gránulos de almidón sufren el proceso denominado gelatinización, que es la disrupción de la ordenación de las moléculas en los gránulos. Durante la gelatinización se produce la lixiviación de la amilosa, la gelatinización total se produce normalmente dentro de un intervalo más o menos amplio de temperatura, siendo los gránulos más grandes los que primero gelatinizan. En la siguiente secuencia de ilistraciones se aprecia la confrontación de la teoría y la practica; se sometieron granulos de almidón de papa a diferentes temperaturas y se hizo el seguimiento microscópico al tenir las placas con lugol para observar el hinchamiento de los granos y la lixiviación de la amilosa y amilopectina al medio se solución: 176

185 Obsevación/ Comentario Temperatura ambiente: Los gránulos de almidón se presentan sin ninguna modificación. Recuerde que el almidón reacciona con el lugol dando una coloración azul. Temperatura 40ºC los gránulos se hinchan debido por el calor absorbido, observe que estos pasan de un estado homogéneo a un estado de deformación, pero aún se tiñen de azul, es decir aún esta el almidón dentro de ellos. Temperatura 50ºC: los gránulos se han hinchado aún más, observe la deformación y fragmentación que permitirán más adelante al aumentar la Tº la liberación del almidón al medio de solución. 177

186 Temperatura 60ºC: los gránulos se han deformado y fragmentado totalmente. Observamos que la coloración azul es menos que en las anteriores gráficas, debido a que el almidón se ha liberado de los granulo gradualmente a medida que aumenta la Tº. Temperatura 70ºC y 80ºC: Se observan gránulos de color transparente, lo que significa que no hay presencia de almidón en ellos. Fuente: Laboratorio curso Química de Alimentos I-09. Cead Duitama Los diversos estados de gelatinización pueden ser determinados utilizando un microscopio de polarización. Estos estados son: la temperatura de iniciación (primera observación de la pérdida de birrefrigerancia), la temperatura media, la temperatura final de la pérdida de birrefrigerancia (TFPB, es la temperatura a la cual el último gránulo en el campo de observación pierde su birrefrigerancia), y el intervalo de temperatura de gelatinización. Al final de este fenómeno se genera una pasta en la que existen cadenas de amilosa de bajo peso molecular altamente hidratadas que rodean a los agregados, también hidratados, de los restos de los gránulos. Si se prolonga el calentamiento se produce la desintegración de los granos de almidón y disminuye la viscosidad. 178

187 Es importante el empleo de un lenguaje técnico. Señor estudiante sabe usted el significado literario y técnico de lixiviación y birrefrigerancia? Retrogradación Se define 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. La retrogradación esta directamente relacionada con el envejecimiento del pan, las fracciones de amilosa o las secciones lineales de amilopectina que retrogradan, forman zonas con una organización cristalina muy rígida, que requiere de una alta energía para que se rompan y el almidón gelatinice Gelificación A continuación se presentan algunas de las características físicas del gel de almidón de maíz y trigo: Tipo de almidón % Amilosa Forma del gránulo Tamaño (micras ) Temperatura de gelatinización C Características del gel Maíz 27 Angular poligonal, esférico Tiene una viscosidad media, es opaco y tiene una tendencia muy alta a gelificar Trigo 24 Esférico o Lenticular Viscosidad baja, es opaco y tiene una alta tendencia a gelificar Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. 179

188 El almidón influye definitivamente en las propiedades sensoriales de los alimentos que están determinadas por las interacciones que tenga con los otros componentes. Para complementar los conocimientos de está sección es importante saber que la influencia del agua, las sales, proteínas, azúcares, ph y lípidos, hacen que este hidrato de carbono pueda cambiar su temperatura y su velocidad de gelatinización. Interesante.! Lección 23: La industria alimentaría en la modificación del el almidón 23.1 Modificación de sus propiedades funcionales A partir de este hidrato de carbono se obtienen distintos derivados, como la glucosa, las dextrinas y el almidón modificado, todos ellos ampliamente usados en la elaboración de alimentos e incluso en otras industrias de productos no comestibles. Los principales productos derivados del almidón al modificar sus propiedades funcionales son: Productos de la hidrólisis del almidón Si partimos del almidón gelatinizado podemos hidrolizarlo tratándolo con ácidos o utilizando enzimas hidrolíticas. Se obtiene una serie de productos muy comunes en la industria alimentaría como ingredientes de los alimentos: - Glucosa pura cristalizada: es un polvo fino que se obtiene cuando el almidón se hidroliza lo máximo posible hasta que la glucosa cristaliza. Este producto se puede utilizar en alimentos que tengan que ser solubilizados rápidamente ya que esta glucosa es muy soluble. -Jarabes de glucosa: a diferencia de la anterior, estos son almidones hidrolizados que no cristalizan. En función de las condiciones de hidrólisis vamos a obtener distintos productos en función de la proporción en glucosa lo que denominaremos equivalentes de dextrosa (ED). Cuánto más hidrolizado esté el almidón tendremos más proporción de dextrosa. -Otros productos de la hidrólisis del almidón menos utilizados serán las ciclodextrinas, que tras hidrolizarlo se trata con una enzima que forma ciclos de seis o siete restos de glucosa, y los jarabes ricos en fructosa o jarabes isomerizados que se obtienen por el tratamiento mediante enzimas que isomerizan la glucosa a fructosa obteniéndose así un sabor más dulce. 180

189 Todos estos productos de la hidrólisis de la almidón son muy importantes ya que obtenemos sabores dulces de forma más baratas que a partir de la sacarosa Almidón modificado Se puede someter a modificación química el almidón natural para usarlos en un determinado fin. Habrá varias formas de modificación: Todos los almidones modificados se pueden combinar con otros tipos de almidón consiguiéndose así un almidón más resistente y con características apropiadas para nosotros. Todos estos almidones son seguros e inocuos por lo que están admitidos ya que se metabolizan como los hidratos de carbono normales. Las modificaciones no se metabolizan sino que se elimina. Se utilizan como aditivos y no está limitada la cantidad de estos almidones modificados en los alimentos. Lección 24: Procesos para modificar la estructura del almidón 24.1 Almidones Precocidos o Pregelatinizados Es el modificado más simple. Se obtienen a partir de un almidón que sólo ha llegado a gelatinizarse. Se calienta hasta que se forma la pasta y luego se deseca hasta conseguir un polvo fino y seco que se utiliza como ingrediente en industrias que no realizan la gelatinización. Es decir, este almidón ha sido gelatinizado pero no gelificado. El método consiste básicamente en la cocción de los almidones con agua o con vapor y luego la deshidratación por medio de rodillos calientes o por atomización. El mayor o menor grado de precocción depende del contenido de material del tamaño de la muestra, de la temperatura y de las presiones empleadas. Variando alguno o algunos de estos parámetros se pueden obtener desde alimentos instantáneos como cremas y bebidas hasta expandidos. Los almidones precocidos o pregelatinizados se diferencian de los almidones nativos o no tratados, especialmente en que se dispersan en agua fría, lo cual les permite ser utilizados en una gran variedad de alimentos, como pudines instantáneos. Estos almidones presentan mejor retención de sabores 4.2 Almidones tratados térmicamente en presencia de reactivos químicos Almidón entrecruzado o reticulado 181

190 Mediante reactivos se forman enlaces covalentes entre las moléculas de almidón modificando su estructura aunque poco, ya que se forman estos enlaces cada muchos restos de azúcar. El resultado es un gel más estable a la temperatura y al medio ácido pero tiene algunos inconvenientes como que es más caro debido a los reactivos, tampoco son tan resistentes como para ser estables durante la congelación ni en almacenamientos muy prolongados. En esta modificación los almidones formando suspensiones a causas y a una temperatura inferior a la gelatinización, se hacen reaccionar con sustancias di o poli funcionales de dos moléculas vecinas. De esta manera se introducen fosfatos o glicerilos como puentes o entrecruzadores entre las moléculas. Los almidones entrecruzados permiten una mayor estabilidad de las pastas calientes a la ruptura y las perdidas de viscosidad durante la cocción pero no presentan diferencias en cuanto a la estabilidad durante el almacenamiento Procesos para reducir el tamaño molecular del almidón 25 Almidones Fluidizados por Ácidos Las suspensiones acuosas del almidón se acidifican empleando ácidos minerales diluidos como HCI 2N Y luego se someten a un tratamiento térmico suave ( 50 A 55 C), durante varias horas hasta obtener la solubilidad requerida. Después se lavan, se concentran y se secan. El ácido produce la hidrólisis de algunos enlaces glicosidicos del almidón dando un producto más soluble con características gelificantes más fuertes que la de los almidones sin tratamiento. Los almidones modificados con ácidos se utilizan en la preparación de gelatinas y gomas Preparación de dextrinas Blancas Las dextrinas blancas se obtienen por tratamiento del almidón seco con trazos de ácidos minerales, realizando el proceso a una temperatura entre 95 y 120 C. Esta modificación es similar a la anterior pero más fuerte, el número de enlaces hidrolizados es mayor. El producto obtenido es más soluble y menos viscoso que los alimentos sin modificar, posee un sabor neutro. Dextrinas Amarillas 25 Ana Silvia Bermúdez Y Rosa Guzman. Química de Alimentos. Unisur

191 Las dextrinas amarillas se tratan con ácido mineral pero con cantidades menores para la obtención de dextrinas blancas, sometiendo el producto a un tratamiento térmico entre 120 y 22 C. Cuando el contenido de humedad baja a una cantidad inferior del 3% el proceso hidrolitico se detiene. En lugar de esto las moléculas fragmentadas se combinan para dar estructuras mucho más ramificadas. La recombinación de los fragmentos es al azar y por lo tanto se producen enlaces 1-2, 1-3, 1-4, etc. Las dextrinas amarillas poseen ramas muy cortas lo que no les permiten presentar el fenómeno de retrogradación. Las dextrinas amarillas se emplean como diluyentes para colorantes y aromas y en recubrimiento de pasteles y confites. Almidones Oxidados Almidón oxidado: se consigue mediante reacciones que introducen grupos carboxilos en los polímeros de glucosa. Las cadenas lineales se doblan dejando de ser lineales. Esto impide la formación de zonas de Unión grandes, impidiendo así la retrogradación del almidón. Los almidones oxidados se obtienen tratando las suspensiones acuosas de almidón con hipoclorito de sodio, lo cual introduce grupos carboxilo (-COOH) y carbonilo (-CO-) en las moléculas de almidón. Simultáneamente la oxidación produce rompimiento de las moléculas. Los almidones oxidados son más solubles, menos sujetos a la retrogradación, con temperatura de gelatinización y viscosidades menores que las de los almidones naturales. La estabilidad de las pastas en el enfriamiento los hace útiles en la preparación de alimentos donde es necesario evitar la gelificación. Almidón sustituido Se forman en su estructura ésteres al reaccionar con determinados compuestos. Si reacciona con anhídrido acético se formará acetato de almidón. Estos almidones son resistentes a medios ácidos. 183

192 La papa es una de las materia primas que más abunda para la obtención de almidón. En esta década hay muchas investigaciones publicadas en portales virtuales acerca de las modificaciones de las propiedades funcionales de éste polímero. Una de ellas es el incremento en el contenido de almidón para disminuir la absorción de aceite en los procesos de fritura, disminución del contenido de amilosa por modificación genética (biotecnología) para controlar la retrodegradación. Señor estudiante, si no esta actualizado en estos temas aun esta a tiempo de enterarse para saber los avances de la ciencia alimentaría. Lección 25: Elaboración de jarabes La suspensión acuosa de almidón puede tratarse con ácido o con enzimas, lo que permite reducir las grandes moléculas de almidón a unidades más pequeñas. Este proceso, conocido como hidrólisis, puede realizarse en forma parcial o bien total para obtener azúcares simples. De esta manera el procedimiento se adapta para obtener edulcorantes con diferente dulzor (jarabes) y propiedades físicas. Los diferentes grados de dulzor del jarabe obtenido por el grado de hidrólisis aplicada se miden y se clasifican en términos de EQUIVALENTES DE DEXTROSA (DE). Que se define como el porcentaje de azúcares reductores de un jarabe, calculado como dextrosa en base seca. Los equivalentes de dextrosa no suministran información acerca de la composición de los jarabes. Figura32: Línea general de elaboración de jarabe. Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. 184

193 25.1 Clases de jarabes. 1. El jarabe de glucosa es un producto cristalino y viscoso resultante de una hidrólisis parcial. Esta solución contiene alrededor de 20% de dextrosa en base seca. Se utiliza, junto con azúcar, en caramelería, elaboración de dulces y mermeladas, helados, productos lácteos, panificación y galletería. Se lo emplea por su propiedad anticristalizante, higroscopicidad, cuerpo, textura y poder humectante. 2. Jarabe de maltosa. De la hidrólisis enzimática del almidón también puede obtenerse maltodextrina. Es un polvo blanco, rico en polisacáridos y triosas (moléculas de tres unidades de azúcar simple). Se utiliza en alimentos para bebés, 185

194 bebidas cítricas en polvo, caramelos, pastelería, sopas y caldos y productos lácteos. Sus cualidades están referidas a su baja higroscopicidad, buena solubilidad y bajo poder edulcorante. 3. La dextrosa se obtiene cuando el almidón se hidroliza en forma completa y posteriormente se refina y cristaliza. Tiene numerosos usos en la industria alimenticia, tales como refrescos, jugos y productos lácteos, así como en especialidades medicinales. 4. Un proceso adicional consiste en el tratamiento enzimático para transformar la glucosa en fructosa, de mayor poder endulzante. Los productos comerciales obtenidos presentan 42 y 55 % de fructosa. Los jarabes de maíz de alta fructosa se utilizan como sustitutos del azúcar de caña, en bebidas, gaseosas, jugos, licores y en general en todo proceso industrial que utiliza azúcar en fase líquida. En la elaboración de galletas o tortas, no sólo se lo usa por su poder edulcorante sino por sus cualidades como humectante y agente texturizadores Usos de los jarabes. Los hidrolizados de almidón son por lo general de DE superior o igual a 30, con perfiles glucídicos muy variados y específicos para cada aplicación. De 30 a 45 aprox. se habla de débil DE, de 45 a 60 mediano DE y de 60 a 96 DE altos. También están los jarabes de glucosa-fructosa, en la cual todos los productos contienen fructosa, un isómero de D-glucosa obtenido por reacción enzimática o por hidrólisis de inulina de achicoria. Esta molécula se utiliza por su elevado valor azucarado, gran solubilidad y poder depresor de la actividad del agua. Los jarabes de glucosa-fructosa se clasifican según diferentes composiciones glucídicas (contenido en fructosa entre 9 y 42%,...) en función de su utilización: 186

195 Confiteria Caramelos proceso clásico y caramelos depositados : Los caramelos son soluciones de azúcares transformados por una viscosidad muy fuerte, en una estructura vítrea. Los jarabes de glucosa de bajo DE permiten obtener y mantener esta estructura aumentando la viscosidad e impidiendo la cristalización de la sacarosa. Aumentan igualmente el tiempo de conservación de los productos limitando que se humedezcan gracias a su débil higroscopicidad. Es aconsejable el uso de los productos ricos en maltosa, que permiten porcentajes de incorporación de glucosa más elevados. Gelificados Los productos gelificados se componen principalmente de materias azucaradas, agua, gelificante que puede ser gelatina, pectina y/o almidones modificados para las gomas blandas y opcionalmente goma arábiga para las gomas duras. Los jarabes de glucosa y los jarabes de glucosa-fructosa de alto o medio DE favorecen la formación y la estabilidad de la estructura y prolongan el período de conservación, limitando el endurecimiento. Los productos de alto DE favorecen la gelificación disminuyendo la viscosidad de la mezcla. Caramelos blandos y confiterías aireadas Estos productos se caracterizan por la presencia de materias grasas que confieren una textura blanda y flexible. Los caramelos blandos, contienen igualmente aire ocluido y el azúcar es, en general, cristalizado parcialmente con el fin de obtener una textura corta. Los jarabes de glucosa participan en la textura facilitando la formación de una red gelificada así como un buen rendimiento del producto. Los productos aconsejados son los jarabes de glucosa de bajo DE. Para los productos más fuertemente aireados, los jarabes de glucosa y los jarabes de glucosa-fructosa de DE más elevados dan unos excelentes resultados. 187

196 Chocolates Los caramelos contienen materias grasas y proteínas (lácteas) que, asociadas a los azúcares reductores de los jarabes de glucosa, permiten formar aromas específicos por la reacción de Maillard durante la cocción de los productos. Los jarabes de glucosa participan en la formación de aromas y textura de los caramelos. Los jarabes de glucosa de bajo y medio DE son perfectamente adecuados ya que aportan suficientes azúcares reductores y estabilidad en el producto. Fondants Panaderia Los fondants se caracterizan por la presencia de una fase cristalina dispersada en una solución de azúcares y su textura depende del equilibrio entre estas dos fases. La elección del jarabe de glucosa que influencia la cristalización y la viscosidad de la fase líquida determina las propiedades del fondant. Los productos utilizados son jarabes de glucosa de bajo DE, con un porcentaje de incorporación limitado para permitir una cristalización suficiente de la sacarosa. Bebidas sin alcohol En las bebidas no gaseosas de frutas, néctares, sodas, la utilización de jarabes de glucosa de alto DE y contenido más o menos elevado en fructosa (9 a 42%) permite sustituir una parte importante sino la totalidad de sacarosa. Un poder azucarado elevado, una potenciación de los aromas de fruta, gracias a la fructosa.. En los jarabes de fruta, al poder endulzante se puede añadir cierta viscosidad que dará el cuerpo ideal al producto final. Un contenido medio en fructosa (9 a 28%) conferirá, gracias a la sinergía con la glucosa y la sacarosa, un poder endulzante 188

197 Bebidas con alcohol Cerveza: En función del tipo de cerveza deseado, es posible utilizar un jarabe de glucosa de alto DE, rico en dextrosa de rápida fermentación, o un jarabe con gran contenido en maltosa cuya composición glucídica está muy cercana a la del mosto. Los jarabes de glucosa presentan la ventaja de constituir una excelente fuente de azúcares fermentescibles directamente utilizados en calderas de lupulado o antes del trasiego. En consecuencia permiten aumentar fácil y rápidamente la capacidad de elaboración de la cerveza. Durante la elaboración, el Almidón de trigo puede incorporarse directamente en la cuba de la masa con el fin de enriquecer el mosto, hasta el 30% del peso de la malta, generando entonces mejor rendimiento. El almidón tiene un bajo contenido en proteínas y materias grasas, lo cual permite la obtención de cervezas más claras y más estables Vinos Recientes estudios enológicos han puesto en evidencia el interés tecnológico del gluten de trigo hidrolizado en el proceso de clarificación de los vinos. Utilizado como producto de coagulación durante esta importante etapa de la vinificación, los primeros ensayos han demostrado la eficacia de estas proteínas vegetales, y las investigaciones en curso deberían confirmar que ofrecen una alternativa Helados y sorbetes Heladeria Los helados y sorbetes son espumas heladas en las cuales las materias edulcorantes aportan un sabor azucarado y participan en la textura modificando el punto de congelación influyendo en las propiedades de la fase líquida. Los jarabes de glucosa-fructosa con DE medio (bajo peso molecular) permiten obtener texturas más ligeras y aptas para tomar con cuchara, mientras que los jarabes de glucosa son más apropiados para productos que necesitan texturas más duras, como por ejemplo los sorbetes. Gráfica 20: Uso de los jarabes: Fuente: www. Chamtor.s.a.ar 189

198 25.2 Gomas Son polisacáridos de alto peso molecular que tienen la capacidad de actuar como espesantes y gelificantes y que además presentan algunas propiedades funcionales tales como la emulsificación, estabilización, etc. Las gomas semisintéticas se elaboran a partir de un polímero que se somete alguna transformación física o química; en esta categoría están los almidones modificados al igual que los distintos derivados celulósicos. El uso de las en la industria alimentaría es muy amplio: en helados, confitería, jugos de frutas, cerveza, vinos, mayonesa, quesos mermeladas, embutidos, productos dietéticos, etc. en cada caso las gomas desempeñan un papel muy característico gracias a las propiedades funcionales que desarrollan: Función Inhibidos de la cristalización Emulsionante Encapsulante Formador de películas Agente floculante Estabilizador de espumas Agente gelificante Estabilizador Agente espesante Aplicación Helados Salsas y bebidas Sabores, vitaminas Productos cárnicos Vino, cerveza Cerveza, cremas Postres Mayonesa, cerveza, bebidas Salsas, mermeladas Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Dentro de las principales gomas utilizadas en alimentos están: 190

199 Goma arábiga Goma tragacanto Goma de algaborro Goma Baraya Agar Goma guar Goma de alerce Carrageninas Goma xantano Alginato Una de las preocupaciones de este nuevo siglo es el medio ambiente. Por tal razón las investigaciones en este campo avanzan con rapidez. Uno de los aportes de éstas investigaciones es la que presenta la Escuela de Ingeniería de Antioquia y su línea de investigación sobre empaques y películas biodegradables y/o comestibles para alimentos, en el cual presentan las materias primas de tales empaques entre los que se encuentran polisacáridos de alto peso molecular como el almidón, el alginato, carragenanos, pectinas celulosa y sus derivados. Consulta el portal virtual: Para obtener más información. Palabras claves. Producción de películas poliméricas combustibles. Empaques biodegradables. 191

200 CAPITULO 6: PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS LIPIDOS PROTEÍNAS Y Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Señor estudiante tome como referencia los conocimiento de tecnología de carnes y elabore un diagrama de flujo de un producto donde se evidencia la formación de la emulsión. Trate de determinar la función dentro de ella de los diferentes ingredientes y además determine los parámetros y variables que permiten la formación de la emulsión. En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta las propiedades funcionales de las proteínas y los lípidos, Kinsella, J.E. (1976. Las propiedades funcionales de las proteínas se definen como cualquier propiedad fisicoquímica de los polímeros que afecta y modifica algunas características de un alimento y que contribuyen a la calidad final del producto 26 Las propiedades funcionales dependen de factores intrínsecos propios de las moléculas y de factores extrínsecos del medio que los rodea y que se pueden o no modificar (ph, temperatura, Aw, y otros.) Las propiedades funcionales de las proteínas pueden ser clasificadas en tres grupos según el tipo de interacción que predominen: 26 kinsella,j.e. (1976). Propiedades funcionales de las proteinas. Crit. Rev. Food Sci Nutr., 7,

201 Finalizando este capítulo, se estudia las principales propiedades tecnológicas otrogadas por los lípidos en la manufactura de productos alimenticios, para ello se analiza las propiedadades fisicoquímicas que presentan los lípidos y que de ellas depende el comportamiento dentro del alimento durante y después de la elaboración. De igual forma, las modificaciones que a nivel de estructura molecular pueden sufrir los lípidos tipo acilgliceroles para buscar propiedades técnicas deseables como mejor cristalización, solidifcación, estabilidad a la oxidación, etc. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 6, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. 193

202 Lección 26: propiedades de hidratación dependientes de las Interacciones proteína agua: Solubilidad. La conformación de una proteína en solución depende fundamentalmente de sus interacciones con el agua. El agua es el disolvente biológico por excelencia. En disolución acuosa, los residuos hidrofóbicos de las proteínas se acumulan en el interior de la estructura, mientras que en la superficie aparecen diversos grupos con carga eléctrica, en función del ph del medio (Figura 33). En torno a los grupos cargados, los dipolos del agua se orientan conforme a la carga eléctrica de cada grupo, de tal manera que la proteína presenta una capa de solvatación formada por el agua de hidratación, que es el agua retenida por las cargas eléctricas de la superficie de las proteínas, donde interaccionan con el agua mediante puentes de hidrógeno: Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Figura 33. Interacción proteína agua. La solubilidad de una proteína en agua depende de numerosos parámetros. Para que una proteína pueda solubilizar será necesario que reaccione con todo lo posible, con el disolvente. Se menciono que la solubilidad una propiedad que depende en gran parte de la interacción proteína-agua, se verá favorecida por los factores que incrementan esta interacción. Esto significa que para evaluar la solubilidad de una proteína es necesario tener en cuenta el efecto del ph, la fuerza iónica y de los tratamientos térmicos previos a que ha sido sometida. El conocer las características de solubilidad es muy útil para la determinación de las condiciones óptimas de extracción y purificación y como una indicación de los usos potenciales de una proteína. En general podemos decir que una proteína que es muy poco soluble o que es insoluble, no se puede adicionar a bebidas o a alimentos que para su consumo se deban dispersar. 194

203 Se ha explicado la interacción molecular del agua y las proteínas. Se han mencionado términos claves como residuos hidrófobos de las proteínas. Señor estudiante puede explicar sin consultar previamente cuales son los residuos hidrófobos de las proteínas y por que experimentan éste comportamiento en medios acuosos? La solubilidad depende fundamentalmente de: (Factores que afectan propiedades de hidratación) las ph: Al variarlo se modifica el estado de ionización y la carga neta de la molécula proteica. Esta variación trae como consecuencia una alteración de las fuerzas atractivas y repulsivas entre las cadenas laterales de los aminoácidos de las proteínas. Esta pérdida de fuerzas conduce a una pérdida de la capacidad de asociarse con las moléculas de agua. Figura 34. Efecto del ph sobre la solubilidad de algunas proteínas Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. En el punto isoeléctrico las interacciones Proteína- Proteína son máximas. Las proteínas se asocian y se replegan sobre ellas mismas manifestando el mínimo de hidratación o hinchamiento. Valores inferiores o superiores al pi tienen cargas + ó - que pueden reaccionar con moléculas de agua. Una representación gráfica de % de solubilidad Vs p, se obtiene una gráfica en V ó U, en la cual el mínimo de solubilidad corresponde al pi. 195

204 Señor estudiante: tómese un minuto más paras analizar la grafica de las S vs ph. Que conclusiones podríamos obtener. Como se explicaría la relación que hay entre ionización, ph pi y pka de una proteína y su relación con la solubilidad? Para esto tiene que recordar su química analítica y consultar cualquier bioquímica que este a su alcance Influencia de la temperatura (a ph y fuerza iónica constante) Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan. Así mismo, un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de la proteína desnaturalizada. Como regla general, la solubilidad de las proteínas aumenta, cuando la temperatura se eleva de 0 a 40 50ºC. Por encima de 40 50ºC el movimiento de las moléculas es suficiente para romper los enlaces implicados en la estabilización de las estructuras secundaria y terciaria. Esta desnaturalización va seguida, frecuentemente, de una agregación y la solubilidad de la proteína desnaturalizada llega ser inferior a la de la proteína natural Influencia de la fuerza iónica Los iones con sales neutras, con molaridades comprendidas entre 0.5 y 1.0 M, pueden aumentar la solubilidad de las proteínas, efecto que se conoce como Salting in o salazón, los iones de las sales reaccionan con las cargas de las proteínas y rebajan la atracción electrostática entre las cargas opuestas de grupos próximos de la misma proteína. Los cationes y los iones de las sales neutras reaccionan con las cargas de los residuos de los aminoácidos de las cadenas laterales y este efecto hace que disminuyan las interacciones proteínaproteína (disminución de las fuerzas repulsivas y un aumento de las fuerzas atractivas). Si la concentración de las sales neutras es superior a 1.0 M, la solubilidad de las proteínas decrece y puede conducir a una precipitación. Este efecto se conoce como Saltin out, desalado; este efecto resulta de la competencia entre la proteína y los iones salinos por las moléculas de agua necesarias para su solvatacion respectiva. Con una fuerte concentración salina, no hay bastantes moléculas de agua disponibles para la solvatacion de la proteína porque la mayor parte del agua esta fuertemente ligada a las sales. En estas condiciones, las interacciones proteína proteína resultan mas importantes que las interacciones 196

205 proteína agua y esto puede conducir a una agregación seguida de una precipitación de las moléculas proteicas. CONSULTA EL ENLACE EN VIRTUAL EN LA PAGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: SOLUBILIDAD DE PROTEINAS Capacidad de Sorción de agua Indica la actitud del material de adsorber agua espontáneamente cuando se expande a una atmósfera de HR constante. Se inicia como un fenómeno superficial que de desplaza al interior llevando el producto eventualmente a su total solubilización, si la extensión de la hidratación es suficiente. La retención de aguase refiere a la fuerza en contra de la gravedad que puede presentar el material para no perder el agua que contiene. Estudios de los procesos de sorción utilizan las isotermas de sorción y desorción en las que suelen observarse histérisis. Estas graficas permiten, por ejemplo, optimizar las condiciones durante los procesos de deshidratación Capacidad de absorción de agua y retención de agua. Cuando la proteína absorbe agua liquida, el sistema alcanza un equilibrio. Es una propiedad muy importante en el estudio de proteínas carnicas y en los procesos de panadería porque afecta directamente la textura y viscosidad del producto. Este equilibrio puede verse afectado si se trata de proteínas de altísima solubilidad, caso en el cual, se presenta un descenso en la curva de ml agua /g de muestra seca vs tiempo (minutos), lo que indica que se llega a un punto en el que se solubiliza en exceso la proteína, baja la viscosidad (resultados del artículo KINETICS OF WATER UPTAKE BY FOOD POWDERS, J.food Sci , 1995). El ph afecta la capacidad de absorción de agua (CAA) de una proteína. Cerca al punto isoelectrico (pi), la CAA disminuye y la velocidad de absorción. Industrialmente es importante tener en cuenta este punto, ya que primero se debe hacer los procesos de hidratación y luego agregar el azúcar o las sales de formulación La retención de agua 197

206 Se refiere a la fuerza en contra de la gravedad que puede presentar el material para no perder el agua que contiene. Un método muy utilizado para cuantificar esta capacidad es: Suspensión de proteína 10-20% en agua Centrifugación 30 A rpm Separación Secar (liofilizar) Sobrenadante Pesar- diferencia es agua * puede también pesar el sobrenadante y calcular cuánta proteína queda en él. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación Viscosidad La viscosidad de un fluido refleja su resistencia al desplazamiento; viene expresada por el coeficiente de viscosidad (µ) que es la relación entred la fuerza de corte o cizallamiento y la velocidad relativa de corte o cizallamiento (ó velicidad de deslizamiento). El factor principala que influye en el comportamiento de la viscosidad de las proteínas, es el diámetro aparente de las moléculas o partículas dispersas. Este diámetro depende de los siguientes párametros: Caracteríticas intrínsicas de la molécula proteica, tales como masa, tamaño, volumen, estructura, asimetría molecular,cargas electricas,facilidad de deformación ( algunos factores ambientales como ph, fuerza iónica o la 198

207 temperatura pueden modificar las carácter titicas debido al desdoblamiento de la molécula). Las interacciones proteína- disolvente, ya que influyen en la hinchazón, solubilidad y esfera de hidratación que rodea a la molécula. Las interacciones proteína-proteína, que determina el tamaño de los agregados. Generalmente, los ingredientes proteicos se utilizan en concentraciones elevadas en las que predominan las interacciones proteína-proteina. Señor estudiante: sería muy provechoso que incluyerá en su estudio la explicación de fuerzas atractivas y repulsivas, las covalentes y no covalentes existente entre proteínas. Lección 27. Propiedades dependientes de las interacciones proteina proteina Gelificación La proteína gracias al calor se convierten en un excelente agente gelificante. Un gel es un material formado por una red sólida tridimensional continua que embebe agua (solvente) y los otros componentes y los inmoviliza. Durante esta especie de polimerización de las proteínas en la red tridimensional el líquido viscoso se tranforma en una matriz viscoelástica. Los geles exhiben propiedades microestructurales y mecanicas diversas: pueden ser muy blandos (sólido soft) que se ruompen y fluyen fácilmente por aplicación de fuerzas pequeñas y los geles strong. Siempre se ha considerado que es más fácil reconoer el gel que definirlo y los estudios siempre apuntan a diferenciar mejor lo que es un líquido viscoso que un gel. Otra definción de gel proteica consiste en la agregación ordenada de moléculas desnaturalizadas, para dar origen a una red continúa. El mecanismo a través del cual se forman los geles proteicos se ilustra en la siguiente ecuación: 199

208 La primera etapa de la formación de un gel proteico la constituye la desnaturalización y la segunda cosnsnte en la agregación de las moléculadesnaturalizadas. Antes de continuar es importante la siguiente nomenclatura ya que puede ayudar en el manejo de los términos adecuados con el tema: Asociacion Reacciones que afectan a llegan a modificar el nivel de estructuración de las proteínas. Agregacion Implica la capacidad de formar complejos de gran tamaño. Precipitacion Incluyen reacciones de agregación solubilidad. que conducen a una perdida total de la Floculacion Reacciones de agregación desordenada en las cuales no hay desnaturalización de la estructura proteica. Cuagulación Reacciones de agregación desordenada en las cuales hay desnaturalización de la estructura proteica Gelificacion Cuando las moléculas desnaturalizadas se agregan para formar una red proteica ordenada. Las caracteríticas del gel vienen esencialmente impuestas por el tipo y la naturaleza de los enlaces cruzados intra o intermoleculares, implicados en su formación. Estos enlaces pueden ser covalente y no covalentes. Entre los enlaces no covalentes implicados se encuentran los enlaces de hidrogeno e interacciones hidrofobicas y, entre los covalentes, los puentes disulfuro. Los puentes disulfuro contribuyen a la formación inicial y a la ordenación de la red del gel, en tanto que los no covalentes participan en la estabilización y fortalecimiento de la estructura del mismo. La gelificación se ve influida, entre otras circunstancias, por el calentamiento, ph, la fuerza iónica y la concentración proteica. En la mayoría de los casos es indispensable el tratamiento térmico para conseguir la gelificación. el calentamiento desnaturaliza y despliega las moléculas proteicas y facilita el intercambio disulfuro, formandose así nuevos enlaces cruzados de este tipo. 200

209 Algunas proteínas no presentan poder gelificante, pero pueden cogelificar con aquellas que si lo hacen, por ejemplo, con la gelatina o la caseína. El agua presente en el gel es, retenida físicamente, lo cual significa que no está unida fuertemente a la molécula protéica y por lo tanto puede ser eliminada fácilmente del gel, aunque no fluye libremente de él. La retención de agua en el gel aumenta en las condiciones que se favorece la ionización de los grupos funcionales que ayudan a mantener el agua en el interior de la estructura; si el ph del gel está cerca al punto isoeléctrico de la proteína, las fuerzas de atracción aumentan a tal grado que el gel tiende a contraerse lo cual conlleva a que se expulse parte del agua retenida, fenómeno conocido como sinéresis. Cuando el ph ha ajustado antes de que se forme el gel, las dispersiones con ph cercano al punto isoeléctrico forman un gel menos hidratado, mientras que por el contrario las dispersiones con un ph lejano del punto isoeléctrico permiten obtener geles con una gran carga de agua retenida. La aptitud a la gelificación es una propiedad funcional muy importante para muchas proteínas. Tiene un papel fundamental en la preparación de numerosos alimentos. La gelificación proteica no se aplica solamente para la formación de geles sólidos viscoelásticos, sino también para mejorar la absorción de agua, el espesado, la unión de partículas (adhesión) y para estabilizar emulsiones y espumas. El poder o capacidad gelificante de las proteinas es una de las propiedades funcionales que determinan su empleo en la preparación de variados alimentos. Las proteínas con capacidad gelificante son usadas para mejorar la absorción de agua, la adhesión de partículas y contribuyen a estabilizar las emulsiones y espumas Redes protéicas Lo descrito anteriormente se puede esquematizar hipotéticamente así La formación de la red proteica se considera como resultado de un equilibrio entre: Interacciones proteína- proteína 201

210 Interacciones proteína disolvente Fuerzas atractivas y repulsivas entre cadenas polipeptídicas próximas Condiciones del medio Etapas de calentamiento y enfriamiento Las cuales se pueden agrupar: Asociaciones físicas: Dadas básicamente por formación de puentes de hidrogeno, se caracteriza por la formación de dobles enlaces y triples hélices, son uniones termoreversibles y retienen agua. Asociaciones ordenadas de partículas: Estas asociaciones pueden ser simples agregados de partículas o llegar a conformar el modelo denominado de perlas, la agregación implica obtención de materiales más opacos. Durante el proceso de formación de geles se estabiliza los siguientes tipos de enlaces: covalente, puentes de hidrogeno, interacciones hidrofóbicas e iónicas. El mejor ejemplo de lo anterior se evidencia en la formación del gluten: este se forma durante el amasado; las glutelinas y las gliadinas se desnaturalizan y establecen uniones disulfuro, hidrófobas e hidrófilas que hacen que estos polímeros se orienten longitudinalmente: El amasado inducen a un intercambio de grupos azufrados entre las multiples cisteínas. El resultado de este proceso es la formación de una red elástica y cohesiva necesaria para el esponjamiento ocasionado c por la presión del CO 2. En la práctica es muy fácil verificar las propiedades funcionales del gluten del trigo, En los registros fotograficos que ha continuación se presentan, se puede analizar el comportamiento de la interacción entre gliadinas y glutelinas al evaluar el tiempo de la elongació en tres masas diferentes: 202

211 Tabla 21: Propiedades funcinales del gluten. Fuente: Laboratorio curso Química de Alimentos I-09.Duitama Lección 28. Propiedades de Superficie 28.1 Propiedades emulsionantes Son dispersiones en dos líquidos no miscibles, de los cuales uno se encuentra bajo la forma de pequeñas gotitas dispersas y el otro bajo la forma de una fase continua dispersante: En la formación de espumas y emulsiones el agente de interfase disminuye la tensión que se establece entre líquidos no miscibles. Es necesario que este agente tenga porciones hidrofóbicos e hidrofilicas (anfipolar) en su estructura. Los agentes más utilizados son las proteínas, los monoglicéridos y ésteres de ácidos grasos. Una proteína con alta hidrofobicidad reduce mejor la tensión y se comporta como un buen agente de interfase. De manera general, se tiene que los agentes 203

212 de interfase presentan un buen balance hidrofílico-lipofílico y se tiene que la mejor relación es la doble absorción de agua con respecto a la de aceite. Numerosos productos alimenticios son emulsiones (leche, cremas, helados, mantequilla, queso fundido, mayonesa, carnes finamente picadas para salchichas, etc). Donde los constituyentes proteicos tienen, frecuentemente, un papel preponderante en la estabilización de estos sistemas coloidales. Las proteínas se adsorben en la interfase entre las gotitas de aceite disperso y la fase acuosa continua y aportan propiedades físicas y reológicas (espesamiento, viscosidad, elasticidad- rigidez) que determinan la resistencia a las gotitas a la coalescencia. Así mismo según el ph, se puede producir la ionización de las cadenas laterales de aminoácidos y esto aporta fuerzas de repulsión electrostática que favorecen la estabilidad de la emulsión. Las emulsiones son inestables y se separan en dos fases como resultado de: DESCREMADO Separación de las gotitas dispersas en la fase continua y dependiendo de su densidad flotan o se sedimentan. FLOCULACIÓN Por modificación del ph y/ó de las fuerza iónica, hacen que disminuyan las fuerzas atractivas (electrostáticas) y aumenten las repulsivas (interacción proteina-proteina). Las gotitas se aglomeran de manera irregular. COALESCENCIA Ocurre después de la floculación, en un proceso espontáneo. Hay fusión de las gotitas entre sí Estabilidad de las emulsiones Para incrementar la estabilidad de las emulsiones se emplean agentes emulsionantes como las proteínas que debido a su carácter anfiprótico (anfipolar) pueden formar películas sobre las gotas de aceite. Las proteínas que presentan propiedades emulsionantes se utilizan para estabilizar emulsiones de aceite en agua: El uso de Moléculas tensoactivas (como las proteínas), de estructura anfipolar (sustancias que poseen en sus estructuras extremos hidrófobos e hidrófilos) proporcionan estabilidad a la emulsiones. Las sustancias anfipolarers se orientan 204

213 de tal forma que colocan sus extremidades hidrófobas e hidrófilas a los dos lados de la interfase aceite / agua: Los emulsionantes disminuyen considerablemente la tensión interfacial. Las proteínas que presentan propiedades emulsionantes utilizan para estabilizar emulsiones Ac/Ag(O/W). Las propiedades emulsificantes de una proteína se pueden evaluar de acuerdo a Bermudez Silvia: La capacidad emulsificante La estabilidad de la emulsión La capacidad emulsificante indica los mililitros de aceite que pueden ser emulsionados por gramo de proteína sin que se produzca la inversión de la emulsión. Para determinar la capacidad emulsificante se prepara una dispersión acuosa dispersión salina de la proteína en estudio, a la cual se le adiciona a velocidad constante, el aceite o grasa fundida, mientras la dispersión se va agitando. La inversión de la emulsión produce un cambio en el color, lo cual se puede observar más fácilmente si se agrega un pigmento liposoluble. La inversión de la emulsión se puede verificar también midiendo la viscosidad, ya que cuando se llega a la inversión se produce una caída brusca de la viscosidad. La estabilidad de la emulsión en la cual se valora la capacidad de la proteína a incrementar el tiempo entre la formación de la emulsión y su rotura. Entre los métodos empleados para determinar la estabilidad de la emulsión tenemos aquel en que se pesan cinco mililitros de la emulsión recién preparada y se meten en una estufa a 105 C para valorar el porcentaje de agua presente. Después de transcurridas 24 horas del momento en que se preparó la emulsión, se toman otros cinco mililitros del fondo y se procede a determinar el contenido de humedad como se efectuó la primera vez: 205

214 La estabilidad de la emulsión se calcula de la siguiente forma, expresándola como rata de estabilidad: Estabilidad de la Emulsión = % H2O después de 24 horas % H2O muestra final Fuente: Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Procedimiento en esta forma se puede valorar el efecto de las proteínas y de la concentración sobre la estabilidad de una emulsión. Las características de las emulsiones dependen no solo de la naturaleza del emulsificante que puede ser diferente de las proteínas sino de otra serie de factores que no son objeto de estudio en este módulo como es el tipo de equipo empleado en su preparación, la velocidad de la adición del aceite, etc., lo cual dificulta la interpretación de los resultados obtenidos. Los procesos emulsificación y de estabilidad de las emulsiones se ven favorecidas con la utilización de proteínas solubles, existiendo una correlación positiva entre las propiedades emulsificantes y la solubilidad de las proteínas. Las proteínas insolubles o no disueltas como las de las carnes, contribuyen muy poco a la formación de emulsiones. En alimentos como las salchichas donde el ph y la fuerza iónica favorecen la solubilidad de las proteínas miofibrilares y el desdoblamiento o disminución de la estructura secundaria o terciaria, la aptitud emulsificante de las proteínas de la carne es mayor. La influencia del ph sobre las emulsiones es de diferentes clases, por un lado cuando el ph es cercano al punto isoeléctrico la solubilidad disminuye, por lo tanto la capacidad emulsificante disminuye pero de otro lado la disminución de cargas eléctricas en el medio hace que las fuerzas de repulsiones se hagan menores. Lección 29: Propiedades espumantes Las espumas son sistemas bifásicos que involucra una interacción agua-aire. Al incorporarse el aire por batido, agitación manual o inyección de aire se crea una interfase debido a la no disminución de los componentes de la espuma. Son dispersiones de gotitas de gas en una fase continua liquida o semilíquida que contiene un surfactante soluble (tensoactivo). En las espumas o batidos, hay una 206

215 fase continua de capas líquidas delgadas, llamadas laminillas, que separan las burubujas de aire.las burbujas de aire de una espuma pueden variar mucho de tamaño, oscilando un diámetro de 1 µm a vario cma cuasa de numerosos factores como la tensión superficial y viscosidad de la fase líquida, el aporte de enrgía, etc. Habitualmente, una distribución uniforme de burubujas pequeñas, da al alimento suavidad y ligereza, así como un aumento de la dispersión y perceptibilidad de aromas. En la mayoría de las espumas alimentarias, la fase gaseosa es el aire y la fase líquida es una suspensión acuosa que contiene la proteina. Las espumas o batidos pueden obtenerse por batido o agitación de una solución acuosa de proteína en presencia de una gran masa gaseosa. En la mayoría de los casos, para los productos alimenticios se prefiere el batido para hacer espumas. Una diferencia significativa entre las emulsiones y las espumas está en el hecho que en éstas la fracción de volumen ocupada por la fase dispersa (gas), varía en una escla mucho mayor que con las emulsiones y son más inestables porque contienen una mayor superficie en la interfase. La capacidad de las proteinas para formar espumas esta relacionada con la naturaleza anfipolar de sus moléculas que le permiten actuar como agentes tensoactivos (disminución de la tensión superficial). La formación de la espuma depende de la solubilidad de las proteinas. Las proteinas que comúnmente se emplean como agentes de interfase son caseínas, gluten, clara de huevo y soya.la capacidad de espumado de una proteina depende en gran parte de la rapidez con que actúe. La rapidez con que la proteina disminuya la tensón superficial está vinculada a: Habilidad de difundirse en la interfase Ancla ó se absorbe en la interfase Poder que tenga para reordenarse de manera que aumente la cantidad de puntos de inserción entre las partes. La molécula proteica debe ser flexible, pequeña y es preferible que posea alta hidrofobicidad superficial Propiedades de espumado Propiedades de estabilidad 207

216 El estudio de la estabilidad de las espumas tiene que ver con el análisis de el colapso causadfo por el cremado, desproporción, ruptura del film, drenaje del liquido y la deformación de las burbujas. El caso de cremado más fácilmente imaginable es la pérdida de espuma de la cerveza que depende del diámetro de las burbujas y de la diferencia de densidad entre las fases. El drenaje es el escurrimiento del agua de la espuma y depende de la viscosidad, del diámetro de las burbujas, de la densidad y de la capacidad de retención de agua que tenga la proteína. La desproporción tiene que ver con la incorporación de burbujas pequeñas a las grandes. La formación y la estabilidad de las espumas son influenciadas por la presencia de sales en el medio, azúcares, lípidos, solubilidad de la proteína, ph, la concentración de la proteína y los tratamientos térmicos previos a que han sido sometidas las proteínas y las espumas. La influencia de las sales es variable, así tenemos que usualmente el cloruro de sodio reduce la estabilidad de las espumas mientras que las sales de calcio la incrementan. Cuando los azúcares se adicionan a las dispersiones antes de formar la espuma, el volumen obtenido es menor pero su estabilidad es mayor. Por lo tanto en las espumas alimentarias que requieren de azúcares, como la sacarosa, se obtienen mejores resultados si ésta se agrega después de que el proceso de formación de la espumas se ha terminado lográndose la estabilización del producto pero sin reducir su volumen, en esta forma se presentan los merengues. Las proteínas que contienen lípidos aunque sea en cantidades muy pequeñas, presentan una capacidad espumante muy baja, así tenemos que la yema de huevo no puede formar espumas. Por lo tanto la mayoría de proteínas que presentan buenas propiedades espumantes han sido sometidas a una etapa previa de eliminación o separación de los lípidos, es el caso de los concentrados protéicos de soya exentos de fosfátidos, las proteínas clarificadas del suero de leche o los aislados protéicos del suero de leche pobre en lípidos. La mayoría de trabajos realizados hasta el momento muestra que las propiedades espumantes de las proteínas están relacionadas con una buena solubilidad lo cual produce una buena estabilidad de la espuma; sin embargo parece que la presencia de partículas insolubles como sería en caso de las proteínas fibrilares de la carne, ayuda a la estabilización de las espumas. La preparación de espumas alimentarias se efectúa usualmente a ph diferentes al punto isoeléctrico de las proteínas presentes, lo cual permite obtener un producto 208

217 más estable. La cantidad de proteína empleada en este tipo de productos es generalmente entre el 2 y el 8% con lo cual se logran espumas estables y de buen volumen. Un incremento superior al 10% en la concentración de la proteína, lleva a un aumento en la estabilidad pero el volumen es menor. Los tratamientos térmicos moderados pueden mejorar las propiedades espumantes de algunas proteínas como la de la soya (60 a 70 C), suero de leche (40 a 60 C); por el contrario el calentamiento de las espumas provoca una expansión del aire con lo cual se puede llevar a un rompimiento de las burbujas y de la red, a menos que las proteínas se gelifiquen y puedan de esta forma aumentar la estabilidad de la espuma. Las propiedades espumantes de una proteína pueden ser evaluadas desde diferentes parámetros, los más importantes son: Capacidad espumante, indica la cantidad de espuma en mililitros que pueden obtenerse de 100 ml de dispersión protéica. Existen diferentes condiciones de agitación y tiempo empleadas por los diferentes investigadores, lo mismo que la concentración de proteína y los ph a los cuales se trabaja, para evaluar la capacidad espumante. Quaglia y Alessandroni recomiendan emplear 50 ml de una dispersión que contenga 0,3 mg de nitrógeno (proveniente de la proteína) por ml, la cual se coloca en agitador horizontal por un minuto y luego de 30 segundos en reposo, se mide el volumen de la espuma formada. Para evaluar el efecto del ph sobre la capacidad espumante, las dispersiones se preparan en buffer de citrato o fosfato, para obtener el ph deseado. Estabilidad de la espuma, se determina en la espuma obtenida de la capacidad - espumante, midiéndose el volumen de la espuma dos minutos, 30 minutos y dos horas después de haber sido preparada la espuma. En los registros fotográficos se observa el cálculo de tiempo de batido para producir espumas más estables a diferentes tiempos de batido y luego realizar la prueba de goteo: 209

218 Grafica 35: Prueba de goteo para espumas: Fuente: Laboratorio curso Química de Alimentos I-09. Cead Duitama De acuerdo a los resultados obtenido en la tabla de resultados de la grafica 35, El tiempo de batido condiciona la estabilidad de b atido, ya que a mayor tiempo mayor incorporación de aire al sistema. La ovomucina y la ovoalbúmina son las responsables del espumado en las proteínas de la clara de huevo; la la ovomucina es la que da la resistencia a la espuma y la avoalbúmina es la responsable de la cantidad de espuma formada. La clara de huevo contiene una 210

219 cantidad apreciable de agua, al batir se forman burbujas de aire rodeadas por una fina capa de agua enalzada por puentes de hidrgoeno, el bastido tiene por objeto producir la ruptura mecánica de algunos de los enlaces de las proteinas de la clara dehuevo, con lo cual las ptoeínas que en principio se presentan como un ovillo se desenrollan parcialmente y forman nuevos enlaces entrecruzados, dejando expuestos grupos hidrofílicos y polares que interacción con otros residuos de proteínas dando origen a una malla tridimensional donde queda atrapado el aire incoroporado. A mayor tiempo de batido mayor efecto mecanico para construir la red tridimensional. Otro parámetro es la densidad de la espuma, para lo cual se pesa el volumen de la espuma obtenida en condiciones similares a las que se determinó la capacidad espumante. Se pueden medir otros parámetros como el tiempo necesario para obtener un volumen dado de espuma cuando se realiza por batido de la dispersión o el porcentaje de aire en la espuma en relación con la cantidad burbujeada cuando se prepara la espuma por inyección. Otra característica importante de las espumas es su firmeza que se valora por viscosidad. Algunos países avanzan en investigaciones sobre obtención de proteínas glicosiladas. El cual tiene como objeto explorar las posibilidades que tiene la aplicación de las altas presiones, los fluidos supercríticos y condiciones de baja actividad de agua en la síntesis de proteínas glicosiladas a partir de diferentes substratos. Puede tener mas información consultando glicosiladas. Investiga estos temas de actualidad como complemento de su formación profesional! 29.2 Desnaturalización de proteínas La desnaturalización proteica puede definirse como cualquier modificación de su conformación (a nivel de su estructura secundaria, terciaria y cuaternaria) que no vaya acompañada de la ruptura de los enlaces peptidicos implicados en la estructura primaria. Se analiza en esta sección ya que es necesario conocer los mecanismos de la pérdida de estas estructuras en las cuales se basan las propiedades funcionales de las proteínas. Los efectos de la naturalización no es solamente la pérdida de estructuras, de propiedades funcionales sino también: 211

220 a. El descenso de la solubilidad resultado del desbloque de grupos hidrófobos b. La alteración de la capacidad de la alteración de agua c. La perdida de actividad biológica d. El aumento de la sensibilidad al ataque de las proteasas, debido al desbloqueo de enlaces peptidicos correspondientes a los sitios de acción especificas de las proteasas. e. Aumento de la viscosidad intrínseca f. Su incapacidad de cristalización. Los agentes que causan desnaturalización se clasifican: Agentes Fisicos: Calor, frió, tratamiento mecánico, presión hidrostática, irradiación e interfases Agentes Quimicos: Acidos y bases, metales, disolventes orgánicos y soluciones acuosas de compuestos orgánicos. La composición de las proteínas o sea la naturaleza de los residuos de aminoácidos a lo largo de la cadena polipeptídica, determina su interacción con las moléculas que lo rodean y por lo tanto las características del alimento que las contienen. Lección 30: Propiedades funcionales de los lipidos Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Tome a la azar 10 productos industrializados del supermercado de carácter graso (margarinas, mayonesa, productos de panaderia) e identifique dentro de sus ingredientes sustancias de naturaleza lípidica. Trate de establecer el motivo por el cual están dentro de la formulación del producto y el proceso industrial para obtener dicho producto alimenticio.. El uso de las propiedades funcionales de los lipidos tanto de origen vegetal como animal da como resultado el que sean empleados en diversas preparaciones culinarias e industriales para otorgar al producto términado caracteríticas tenológicas y sensoriales requeridas. Fundamentalmente, los lípidos se emplean directamente sobre las formulaciones de los alimentos ó como medio de tranferenciade calor en el caso de los procesos de fritura. 212

221 Los aceites y grasas usados para fines comestibles pueden dividirser en dos clases claramente distintas: - Aceites líquidos - Grasas plásticas En la preparación de algunos alimentos no tiene importancia que él producto usado sea líquido o sólido; pero en otros la consistencia del producto graso usado es de importancia. De acuerdo a sus características físicas, químicas, genéticas, los lípidos son usados especialmente en: En la industriade la confiteria En la indutria del chocolate Productos horneados y panadería Productos emulsionados Elaboración de aderezos y salsa Industria dela fritura El entendimiento de las propiedades funcionales de los lípidos se puede llevar a cabo a partir del estudio de las caracteríticas fisicoquímicas Caracteríticas fisicoquímicas Temperatura o punto de fusión Es una constante física de cada grasa que es preciso conocer, sobre todo en el caso de las que se emplean para la elaboración de alimentos. Los lípidos tanto los aceites y las grasas están constituidas por mezclas de triglicéridos por lo cual no presetan un punto de fusión definido, esta variabilidad hace que esta propiedad sea de especial atención en la industria manufacturera ya que no se tiene un valor definido sino un rango de temperatura el cual dependerá de la clase de ácido graso, la longitud de la cadena carbonada y el grado de instauraciones del acido graso. El punto de fusión de los ácidos grasos se relaciona con las fuerzas intermoleculares exitentes entre el ácido graso y el glicerol y esta última con la temperatura aplicada para el rompimiento de enlaces intermoleculares, así 213

222 podemos decir: cuando la fuerza intermolecular es mayor el punto de fusión es alto, a mayor temperatura se dice que las fuerzas intermoleculares son fuertes. El punto de fusión para los ácidos grasos saturados aumenta a medida que aumenta el número de carbonos en la cadena del ácido, en general cadenas largas y saturadas mayor punto de fusion. Cadenas cortas y mayor cantidad de acidos saturados puntos de fusion intermedios El punto de fusion para los acidos grasos insaturados presentan gran interes debido a la presencia de insaturaciones, estos compuestos presetan isomerizacion geometrica cis trans, los cis presentan temperaturas de fusion menores que los correspondientes trans para el mismo tamaño de molécula. Los Acidos grasos que poseen mayor cantidad de insaturaciones en la cadena poseen puntos de fusion bajos. Hay que tener en cuenta que los puntos de fusion deseados modificadas o sinteticas los acidos grasos que las constituyen temperatura corporal. en las grasas fundan a la Se puede conluir que en los acidos grasos saturados el punto de fusion dependera de la longitud de la cadena carbonada y encontraremos puntos de función altos. En los acidos grasos insaturados el punto de fusion dependera de el grado de las insaturaciones principalmente y de las isomerizaciones geometricas y de posición que presenten, siendo generalmente más bajos que los saturados Temperatura de solidificacion La temperatura a la cual solidifica un Iípido es mucho más baja que la temperatura a la cual funde y esta determinada fundamentalmente por lacomposicion del acido graso y el grado de insaturaciones. La diferencia entre las dos, usualmente es grande. Por ejemplo: una muestra de mantequilla funde a 34,5ºC y se solifica a 22,7ºC. Esta diferencia corresponde al gradual ablandamiento durante la transición del lípido sólido a líquido. Cuando se presenta un alto contenido de ácidos grasos saturados, la temperatura de solificaciçon es mayor que cuando se tienen un alto porcentaje de acidos grasos insaturados Poliformismo Badui, Salvador (1999). Cuando los aceites y las grasas se enfrian por debajo de su punto de solidificacion son capaces de adquirir diferentes formas de cristales. Esto se entiende que al solidificarse cristalizan en más de una forma. Cada forma 214

223 o cada cristal presenta la misma composicion quimica diferentes estructura, tamaño, punto de fusion y diferente solubilidad. Esta tranformacion depende de diversos factores pero principalmente de la velocidad de enfriamiento y de la temperatura final 27. Se van a producir diferentes clases de cristales cuando: Al enfrialos por debajo de la temperatura ambiente, se formara cristales de la forma α, con un punto de fusion menor. El cristal en forma α se calienta por debajo de su punto de fusion se transforma en un cristal de la forma β, que presenta el punto de fusion mas alto. Si el lipido fundido se enfria solo unos cuantos grados por encima de la temperaturade fusion de la forma α se induce la formación del cristal en forma β Acidez La hidrólisis de los triglicéridos se suele producir por presencia de lipasas o por presencia de calor y agua. Los ácidos grasos libres son más susceptibles a sufrir oxidaciones y enranciamientos que los que están esterificados en triglicéridos aunque ello no quiere decir que no sea posible que se produzcan oxidaciones en ácidos grasos que se encuentran en los triglicéridos. Para el control del contenido de ácidos grasos libres se aplica el calculo del índice de acidez. Se realiza la valoración con Hidróxido potásico. El índice de acidez se calcula como mg. de K OH / g. de grasa y el grado de acidez con porcentaje siendo habitual obtener valores menores de 0,2% en grasas sin freír y mayores a esta cifra en aceites usados Temperatura de formación de humos o punto de humo Es la temperatura a la cual se producen compuestos de descomposición en una cantidad suficiente para volverse visible. Los procesos tecnológicos de refinación de aceites pueden otorgar puntos de humos altos que los no refinados, ya que durante el proceso de refinado se eliminan los ácidos grasos libres. Es importante hacer énfasis que el punto de humo de un aceite depende de la composición de ácidos grasos, el grado de insaturaciones y los isomeros geométricos y de posición. 27 Badui, Slavador (1999). Química de los alimentos. Mexico: Pearson educación. 215

224 Señor estudiante recuerda que es isomería de posición y geométrica referente a cadenas carbonadas insaturadas? Prueba de frío y plasticidad de las grasas Se aplica fundamentalmente para determinar el grado y la capacidad de enturbiamiento de un aceite. Los triacilgliceroles o lípidos de alto punto de fusión son los responsables de este enturbiamiento durante el enfriamiento. En productos que requieran refrigeración este defecto tecnológico deberá evitarse. En terminos generales, si el aceite se mantiene transparente durante cinco horas y media reconsidera el aceite de calidad. El resultado se expresa en horas. Existen un gran número de análisis para evaluar las características físicas y químicas de las grasas. Los resultados ofrecen información para predecir el comportamiento en procesos tecnológicos, el control de variables y el tiempo de vida útil durante el almacenamiento, los cuales son: índice de acidez, índice de Reichert-Meissel,índice de saponificación, índice de solidificación de ácidos grasos libres, índice de yodo, índice de peróxidos. Complemente sus conocimientos en saber en que consiste cada uno de estos análisis. En cuanto a la plasticidad de las grasas se refiere, es la propiedad de comportarse como sólidos, resistiendo a la acción de pequeñas fuerzas y, en cambio ser dúctiles y fluir como un líquido cuando se someten a fuerzas de deformación superiores a un valor limite mínimo. Las grasas como la manteca de cerdo y las grasas plásticas para repostería tienen la apariencia de sólidos blandos más o menos homogéneos. Observados al microscopio, se ve que constan de una masa de pequeños cristales empapada de gran cantidad de aceite liquido. Si se examina mas cuidadosamente con la ayuda de equipos apropiados se ve que los cristales no están unidos formando una estructura continua sino que están separados en forma de unidades discretas, capaces de moverse bajo fuerzas de apropiadas, independientes uno de otros. Es decir que las grasas tienen la estructura característica de un sólido plastico Principales modificaciones de las propiedades funcionales de los lípidos Los lípidos obtenidos por la tecnología de la extracción y refinamiento pueden someterse a ciertas transformaciones químicas que modifican sus propiedades originales para adquirir otras mas funcionales que le otorguen al producto final las 216

225 características deseadas dependiendo el tipo de producto a elaborar como determinado tipo de cristal, untuosidad, determinados puntos de fusión. Dentro de estas modificaciones químicas se tiene: Hidrogenación Transesterificación Hidrogenación Se basa fundamentalmente en el principio de reacción química de adición de alquenos para la obtención de alcanos. El objetivo primordial sobre la molécula de los lípidos es actuar sobre las cadenas carbonadas insaturadas de los ácidos grasos del lípido para obtener un grado de saturación de los dobles enlaces bajo condiciones de reacción específicas como temperaturas entre 140 a 225 C, cantidad de catalizadores como niquel entre 0.03 a 0.10 por ciento., presión entre 1-4 atmósferas y agitación constante. (Ver figura 36). Es muy importante controlar la intensidad de la hidrogenación el exceso provoca la formación de grasas duras y quebradizas por un alto grado de saturación. Figura 36: Hidrogenación de aceites. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Durante la hidrogenación ocurren cambios químicos importantes: Saturación de una porción determinada de las dobles ligaduras Isomerización geométrica cis-trans de otra parte de dichos ácidos La isomerización posicional de dichas insaturaciones 217

226 Figura 37. Transformación del ácido oleico por hidrogenación. (1) Isomeración geometrica, (2) saturación y (3) isomeración posicional. Fuente: Badui salvador Quimica de alimentos Existen dos tipos de hidrogenaciones, cuyas aplicaciones son diferentes: hidrogenación selectiva e hidrogenación parcial o total Hidrogenación Selectiva: En este proceso los ácidos grasos insaturados son más afines al catalizador y, por lo tanto se convierten primero; el linolénico (triinsaturado) se transforma en linoleico (diinsaturado) antes de que este segundo se vuelva oleico (monoinsaturado) y, éste último se convierte en esteárico sólo después de que desaparece el linoleico. La reacción se caracteriza por tener un alto grado de isomeración cis-trans y una caída en el índice de yodo. Hay catalizadores, como el ttricarbonilo de cromo, que hidrogenan selectivamente sin causar mucha isomeración. La selectividad se favorece cuando: a) la concentración de hidrógeno se mantiene baja en la superficie del catalizador; b) se utilizan temperaturas de 160 a 200ºC; c) se emplea una mayor cantidad de catalizador; d) se agita lentamente; e) la presión es baja, del orden de0.5 a 1.0 atmósferas) se emplean catalizadores muy específicos, tales como algunos derivados carbonilos de cromo y cobalto. El aceite de soya, sometido a este proceso presenta una disminución del índice de yodo de 130 a Hidrogenación Parcial o Total: Este tratamiento tiene como finalidad el incremento del punto de fusión de los lípidos, para obtener grasas sólidas a la temperatura ambiente que sirvan de base en la preparación de margarinas. El aceite de soya sometido a un proceso de hidrogenación total, disminuye el valor del índice de 218

227 yodo a tan sólo 40. La intensidad con que se presenten cada una de estas reacciones dependerá las características físicas y químicas de los lípidos hidrogenados. En su forma natural los lípidos se encuentran en posición cis en condiciones de hidrogenación parcial, un doble enlace puede cambiar de configuración cis a trans (isomerización geométrica) o cambiar de posición dentro de la cadena de átomos de carbono (isomerización posicional). Ambos tipos de isomerización se dan frecuentemente en un ácido graso sometido a hidrogenación Tranesterificación Es uno de los métodos mas empleados para la modificación de lípidos y así lograr características deseadas de estabilidad. La tranesterificación hace parte de tres mecanismos químicos conocidos como interesterificación, resumidos a continuación. INTERESTERIFICACION ÁCIDOLISIS ALCOHOLISIS TRANESTERIFICACION Se efectúa entre un ester y un ácido graso. Entre esteres de grasa y alcoholes. Intercambio de grupos acilo de una muestra de esteres. Este mecanismo se lleva cabo por : Intertransesterificación intratransesterificación Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Este método implica un cambio en la posición de los ácidos grasos del lípido y en la movilización de los radicales de acilo de los lípidos. El objetivo de este método, es obtener una grasa con un punto de fusión alto y que presente una mayor plasticidad. Esta modificación es menos drástica que la hidrogenación. Se realiza en un medio seco, en ausencia de oxígeno, a temperaturas bajas o frías y en presencia de catalizadores como estaño, plomo, zinc o con metales alcalinos y alcalinotérreos, siendo muy eficaz una aleación líquida de sodio y potasio. En la intransesterificacion permite no sólo cambiar el punto de fusión de los Lípidos, sino también otras propiedades como la formación de determinado tipo de cristal, lo cual influirá en la cantidad de aire absorbido durante el batido de las 219

228 tortas, lo mismo que el tamaño de las burbujas. Controlando el proceso de transesterifcación, adecuadamente se pueden preparar grasas con propiedades diferentes. Una de las aplicaciones más comunes es la de obtener grasas plásticas. A partir de un aceite líquido rico en ácidos grasos insaturados, por ejemplo, el de algodón o soya, interesterificando con una pequeña cantidad de lípido sólido que posee ácidos grasos saturados, por ejemplo: sebo Intertraneesterifcacion Esta reacción solo sucede entre dos o más triacilglicéroles: Intratranesterificación Esta reacción solo se lleva a cabo en un solo triacilglicerol. Por medio de la transesterificación se logra la elaboración de un gran numero de grasas, principalmente la de cerdo, en la cual siempre tiende a cristalizar en forma β indeseables, de tamaño grande y son los responsables de causar textura 220

229 arenosa a los productos, es por eso que en manejo de las propiedades funcionales de los lípidos de debe tener suma importancia en el manejo de las propiedades de poliformismo; dependiendo de los controles establecidos se puede inhibir la formación de los cristales β y favorecer la formación de los β de menor tamaño, al distribuir homogéneamente los ácidos grasos en una mezcla de triglicéridos. Tabla 22: uso de los lípidos de acuerdo a sus características fisicoquímicas. USOS Procesos de fritura Productos emulsionados y salsas Productos horneados y de panadería Elaboración de helados - características plásticas - forma β constante - puntos de fusión bajos PROPIEDAD FUNCIONAL - punto de humo alto - liquidas a temperatura ambiente - Índice de acidez bajo - Contenido de materia no saponificable (es necesario conocerla, para maíz máximo 1.25 p.c y 0.8 p.c) - Índice de yodo superiores 120 o diferentes de puntos de fusión bajos (menos de 4 C - no formación de cristales a temperaturas de cristalización - Prueba de frió mayor a 5 horas y media. - Uso de aceites refinados como el de maíz y girasol. - utilización de grasas plásticas, es decir sólidos al ambiente pero suaves y pueden ser deformados o esparcidos. - Puntos de fusión bajos - Formas poliformicas constantes para su incorporación en el proceso de batido para una buena textura y suavidad del producto. - Cristalización en forma β. Productos para repostería - bajos puntos de fusión - evitar defectos por florecimiento en la manteca de cacao - forma polifórmica β Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación Elaboración de grasas modificadas El proceso de la obtención de productos a bases de la modificación de grasas vegetales sigue la siguiente línea de producción para la obtención de la materia prima para la elaboración de margarinas: Margarinas 221

230 Las margarinas son grasas semisólidas con aspecto similar a la mantequilla pero más untuosas. Se obtienen mediante procedimientos industriales a partir de grasas insaturadas de origen vegetal (margarina 100% vegetal) o bien a partir de grasas de origen animal y vegetal mezcladas (margarinas mixtas). Las margarinas 100% vegetales, se obtienen a partir de grasas con un elevado porcentaje de ácido linoleico (un ácido graso esencial para nuestro organismo), una parte del cual debe ser saturado con hidrógeno para que el alimento sea más estable, lo que hace que se originen "grasas hidrogenadas" y de "configuración trans", que en nuestro organismo se comportan como las grasas saturadas. A pesar de todo, la cantidad de grasa saturada en estas margarinas es inferior a la que aporta la mantequilla. La mantequilla contiene un 50% de ácidos grasos saturados, mientras que la margarina vegetal tiene un valor promedio de 26%. Además, la cantidad de grasas insaturadas (mayoritariamente, ácido linoleico) es notablemente mayor en la margarina que en la mantequilla y la margarina no contiene colesterol. En la actualidad, son más saludables que las de hace unos años... Los avances tecnológicos han permitido reducir significativamente (una tercera parte) la proporción de ácidos grasos trans, además del contenido total de grasas (de media, el 60% cuando antes tenían el 80%) y por tanto de calorías Tipos de margarinas La margarina es una emulsión sólida y extensible del tipo "agua en materia grasa", pero existen sensibles diferencias según la marca comercial y el porcentaje de grasa: 1- Margarina: 80% de materia grasa. 2- Margarina tres cuartos: contienen entre un 60% y un 62% de grasa. 3- Materia grasa para untar con un porcentaje de materia grasa de un 42 a un 55% aproximadamente. 4- Margarinas o materia grasa para untar enriquecidas en vitaminas (A, D, E, B2), minerales (calcio), fibra y fitosteroles Valor Nutritivo Su ingrediente mayoritario es la materia grasa, compuesta por aceites vegetales (de maíz, girasol, soja, oliva ) y otras grasas, que pueden ser de origen animal (margarina mixta) o sólo vegetal (margarina 100% vegetal). El segundo ingrediente en las margarinas es el agua. Con la materia grasa y el agua, los ingredientes propiamente dichos, se forma la emulsión. 222

231 Los emulgentes (aditivos alimentarios) permiten que el agua y el aceite, líquidos inmiscibles (que no se pueden mezclar), permanezcan unidos, además de conseguir alimentos con menos grasa y menos calorías. Los emulgentes de mayor empleo son mono y diglicéridos de ácidos grasos (E 471) y la lecitina (E 322), ambos presentes en la naturaleza. Por otro lado, a muchas de las margarinas se les añade un poco de sal. El conservante que se utiliza con mayor frecuencia es el sorbato potásico (E 202, natural), eficaz contra el ataque de mohos y levaduras y menos contra las bacterias. La margarina es una excelente fuente de vitaminas A y E. Además, generalmente se les añaden más vitaminas (A, D, E y B2 o riboflavina, esta última abundante en la levadura, el hígado y los lácteos). Algunas marcas añaden polvo de suero de leche y otra leche desnatada, para sustituir en parte al agua. En las menos calóricos, por su mayor contenido de agua es común el empleo de gelatina (proteína que estabiliza la emulsión de aceite y agua). Otras más novedosas añaden fibra soluble o fitosteroles (contribuyen a reducir el llamado mal colesterol - LDL-c) o sales cálcicas (para enriquecer la margarina en calcio), etc Mantequilla Señor estudiante: Recientemente ha salido al mercado una margarina rica en fitoesteroles, sustancias que reducen los niveles del llamado "mal colesterol" (LDL-c) del organismo. Qué sabe al respecto?, Qué relación existe entre los fitosteroles y el colesterol? La mantequilla es una grasa obtenida de la leche mediante procedimientos mecánicos o bien por batido de la nata. Aporta un 80-85% de grasas, de las cuales un 60% son saturadas, una pequeña proporción poliinsaturadas (3%) y el resto monoinsaturadas. La mantequilla es elaborada a partir de la crema de leche fresca o con algún grado de madurez. La calidad de la mantequilla depende del sabor, olor y acidez de la crema utilizada en su elaboración. La fabricación de la mantequilla, comprende cuatro etapas: Obtención de la crema. Se separa con base en la diferencia de densidad con los otros componentes lácteos, para lo cual se coloca la leche en centrífugas que trabajan a temperatura constante, donde se obtiene la crema con aproximadamente 38% de grasa. 223

232 Maduración de la crema Es un proceso de fermentación de la crema previamente pasterizada en la cual usualmente se adicionan microorganismos que servirán como cultivos iniciadores del proceso. Los cultivos generalmente contienen Streptococcus lactis, Streptococcus citrovoris y Streptococcus paracitrovoris, los cuales actúan sobre la lactosa y el ácido cítrico presente en la crema. En la etapa de maduración, la lactosa pasa a ácido láctico lográndose la acidez adecuada para su conservación y la formación de los productos característicos que comunican el sabor y el olor a la mantequilla. La maduración dura aproximadamente 24 horas. Batido de la crema En esta etapa llamada también inversión de la emulsión, se rompe la emulsión de agua/aceite existente en la crema para formarse una emulsión de aceite/agua que es la mantequilla. Esto se logra por la aglutinación de los glóbulos grasos presentes en la crema durante el batido, que se realiza a una temperatura entre 14º y 17ºC. Luego se lava la mantequilla. Amasado. La mantequilla lavada se amasa para eliminar el agua y en algunos casos se adiciona sal. El producto así obtenido contiene entre 80 y 81 % de grasa, 1 % de sólidos, 1 a 3% de sal y el resto es agua Shortenings Se caracterizan porque en su formulación no hay agua. De acuerdo con los lípidos utilizados en la elaboración, se conocen al menos tres clases de grasas emulsionables: - Las preparadas con una mezcla de grasas de alto punto de fusión (como sebos) y grasas de bajo punto de fusión que pueden ser aceites hidrogenados. 224

233 - Las elaboradas únicamente a partir de una mezcla de aceites que se hidrogenan hasta obtener el punto de fusión deseado. - Las grasas superglicerinadas que se preparan a partir de cualquiera de las anteriores, pero además se les adiciona hasta un 10% entre monoglicéridos, diglicéridos y otros emulsionantes. Las grasas superglicerinadas, están destinadas a la elaboración de galletas y bizcochos, ya que la alta proporción de agentes emulsionantes permiten una utilización mayor de agua y una relación de azúcar y harinas también mayor que las otras grasas. 225

234 ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN UNIDAD 2: ACTIVIDAD FINAL Señor estudiante: en esta sección, encuentra pregutnas de análisis relacioanda con cada uno de los capítulos de la Unidad. El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). 1) Capitulo4: 1. En un estudio sobre coloides, se determinó en una emulsión la tensión superficial de cada una de las fases: Agua = 72 dinas / cm y aceite = 34 dinas /cm, a una tempratura de 18ºC. A este sistema se le adicionó 0.01% de estearil-2-lactilato de sodio, como emulsificante. La justificación del emulsionante en la estabilidad de la emulsión, se relaciona con: 2) Capitulo 5: En la fabricación de dulces a base de chocolate y sacarosa, puede ocurrir una migración y concentración de la sacarosa en una zona determinada del producto que llegue a la saturación y por consiguiente a la cristalización. El consumidor detecta este defecto mediante la textura arenosa al paladar. Este efecto técnico se evita produciendo una hidrólisis de la sacarosa a sus correspondientes monosacáridos POR QUE? 3) Capitulo 6: 1. Un producto a base de carne y soya es usado en la fabricación de embutidos. Durante el proceso de elaboración, se han evidenciado problemas de gelificación, cuando el producto debe ser sometido a un tratamiento térmico de 70ºC. Las investigaciones sobre gelificación cárnica, han conducido a determinar que los geles a base de carne gelifican adecuadamente cuando se induce una temperatura de 60-70ºC y las proteínas de soya a ºC. Cómo explica Usted las propiedades gelificantes de la mezcla de carne-soya, en las condiciones del enunciado? 2. En la siguiente gráfica, se analiza el efecto del ph y la adición de sales sobre la solubilidad de la β-lactoglobulina. De ella se deduce que: Hay un rango de ph en el cual las interacciones proteína-proteína son máximas y la solubilidad es mínima, este rango de ph corresponde al pi (punto isoeléctrico), de la proteína POR QUÉ? 226

235 3. En un proceso de hidrogenación del aceite de soya, en las etapas de seguimiento y control, se obtienen los siguientes datos. % de AG INDICE DE YODO Linolénico 8% 3% 1% 0% 0% Linoleico 50% 34 % 1% 0% 0% Oleico 27% 27% 26% 24% 0% Esteárico 4% 4% 5% 7% 83% Que deduce de la tabla? ADVERTENCIA: El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). AUTOEVALUACION UNIDAD 2 1. Es uno de los factores que determina las características y el comportamiento de los coloides: a. la clase de coloide b. la naturaleza del emulsificante c. las cargas electrostáticas de las moléculas d. ninguna de las anteriores. 2. Uno de los principales sistemas coloidales que se encuentran en los alimentos integrados por la dispersión de un material sólido en uno líquido: a. soles b. geles c. emulsiones d. espumas 3. La formación de espumas con proteínas implica un proceso de desnaturalización controlado porque se debe provocar que este polímero pierda su estructura nativa para orientar sus aminoácidos hidrófobos hacia el interior de la burbuja y los hidrófilos hacia el exterior, en contacto con la fase acuosa y las moléculas de aire. Falso Verdadero 227

236 4. La función de los emulsificantes es impedir o retardar los fenómenos naturales de separación de las dos fases de la emulsión, debido a: a. aumentan la tensión interfacial de los dos líquidos inmiscibles b. disminuyen el tamaño molecular de una de las fases de la emulsión c. disminuye la tensión interfacial entre fases d. Gracias al carácter dipolar, la molécula emulsificante puede orientarse de dos formas diferentes en la zona de interfase, Por lo tanto: a. las opciones 1 y 2 son verdaderas b. las opciones 1y 3 son las verdaderas c. las opciones 3 y 4 son las verdaderas d. las opciones 1 y 4 son las verdaderas 5. Es un fenómeno que se presenta comúnmente en los geles y consiste en una exudación de la fase acuosa que elimina parte del agua constituyente del gel: a. histéresis b. coagulación c. floculación d. La sinéresis 6. Una de las técnicas más empleadas para minimizar la cristalización de disacáridos es: 1. reducir su % en la formulación 2. provocar hidrólisis acida o enzimática 3. provocar inversión 4. trabajar con monosacáridos De las opciones anteriores, las opciones correctas son: a. 1 y 4 b. 1 y 2 c. 2 y 4 d. 2 y 3 7. La siguiente grafica evidencia los sitios activos de sustitución de: 228

237 a. pectina b. amilosa c. celulosa d. amilopectina 8. La lixiviación de la amilosa y amilopectina al medio se solución se conoce como: a. gelificación del almidón b. retrogradación del almidón c. insolubilización del almidón d. Gelatinización del almidón. 9. Es uno de los principales productos derivados del almidón al modificar sus propiedades funcionales: a. almidones insolubilizados b. almidones sustituidos c. productos de la hidrólisis del almidón d. ninguna de las anteriores 10. El pudin lleva entre sus ingredientes almidón modificado, el cual le confiere la particularidad de: a. dispersarse en agua caliente b. dispersarse en agua fría c. obtener rápidas temperaturas de gelatinización d. aumentar el poder edulcorante. 11. Los caramelos son soluciones de azúcares transformados por una viscosidad muy fuerte, en una estructura vítrea. Los jarabes de glucosa de bajo DE permiten obtener y mantener esta estructura aumentando la viscosidad e impidiendo la cristalización de la sacarosa por lo tanto aumentan igualmente el tiempo de conservación de los productos limitando que se humedezcan gracias a su débil higroscopicidad. Falso Verdadero 12. La solubilidad de una proteína en agua depende de numerosos parámetros. Para que una proteína pueda solubilizar será necesario que reaccione con todo lo posible, con el disolvente. Por lo tanto para modificar dicha interacción proteínasolvente es necesario modificar algunos de las siguientes condiciones: 229

238 a. ph, Fuerza iónica y Tº b. ph, desnaturalización química y Tº c. Fuerza iónica, Tº y desnaturalización química d. todas las anteriores. 13. El término precipitación proteíca hace referencia a: a. Reacciones de agregación desordenada en las cuales hay desnaturalización de la estructura proteica b. Reacciones que afectan a llegan a modificar el nivel de estructuración de las proteínas. c. Incluyen reacciones de agregación que conducen a una pérdida total de la solubilidad. d. Cuando las moléculas desnaturalizadas se agregan para formar una red proteica ordenada. 14. Las emulsiones son inestables y se separan en dos fases como resultado de la modificación del ph y/ó de las fuerza iónica, hacen que disminuyan las fuerzas atractivas (electrostáticas) y aumenten las repulsivas (interacción proteinaproetina). Las gotitas se aglomeran de manera irregular. El anterior fenómeno ose conoce como: a. sinéresis b. descremado c. floculación d. coalescencia 15. En la mayoría de las espumas alimentarias, la fase gaseosa es el aire y la fase líquida es una suspensión acuosa que contiene la proteína. Falso Verdadero 16. Defina las siguientes características fisicoquímicas de los lípidos: Punto de fusión Variación entre los puntos de fusión entre grasas insaturadas y saturadas Variación entre los puntos de fusión entre insaturados con isómeros Cis y Trans. Poliformismo. Diferencia entre margarina y mantequilla. 230

239 ENLACES VIRTUALES DE INTERES COMPLEMENTO PROPIEDADES FUNCIONALES PROTEINAS (HARINAS) PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS PROTEÍNAS DEL LACTOSUERO 231

240 BIBLIOGRAFIA UNIDAD 2 Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Berk Z. (1990). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México: Manual Moderno S.A. Braverman. J (1999). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México DF: Manual Moderno S.A de CV. Biomodel-3 (2007). Bioquímica estructural para enseñanza secundaria. Consultado en 07, 25,2008 en "http://www2.uah.es/biomodel/model3j/inicio.htm Brownsell,V. (1998). La ciencia aplicada al estudio de los alimentos. México DF: Editorial Diana. Charley H (2001). Procesos físicos y químicos en la preparación de alimentos: Noriega. Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. Cheftel Jean (1990). Proteínas alimentarias. Zaragoza: Acribia. Coultate, TP (2007). Manual de química y bioquímica de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Dendy (1990). Cereales y productos derivados. Zaragoza: Acribia. Dominic, Wong (1990). Química de alimentos. Mecanismos y Teoría. Zaragoza: Acribia. Fennema, O (2000). Química de alimentos, segunda edición. Zaragoza: Acribia Instituo de ciencia y tecnología de alimentos "ICTA" (1998). Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. 232

241 Juárez, N, Olano, A, Morais, F (2005). Alimentos Funcionales. Madrid: Rumagraf. S.A. Monteagudo, José (2004). Actividad Acuosa y efectos de confiteria. Consultado en 07, 25,2008 en %20Agosto%2005/TECNOLOGIA%20La%20Actividad%20Acuosa.htm. Plummer, David (2000). Bioquímica práctica. Londres: mcgraw- Hill Latinoammericana S.A. Robinson, David (1991). Bioquímica y valor nutritivo de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Stryer, Lubert (1990). Bioquímica tomo I. Barcelona: Editorial Reverte. Varman, A. (1998). Carne y productos cárnicos. Zaragoza: Acribia. Vickie, J. (2002). Fundamentos de la ciencia de los alimentos. Zaragoza: Acribia

242 UNIDAD DIDACTICA 3: VITAMINAS, MINERALES, PIGMENTOS, REACCIONES DE PARDEAMIENTO, DE DETERIORO QUIMICO Y MICROBIANO INTRODUCCIÓN Entre los micronutrientes se encuetran las vitaminas, minerales y pigmentos. Las vitaminas y minerales son elementos esenciales en las reacciones de biosíntesis de otras sustancias como enzimas y proteinas. Los pigmentos además de darle valor agregado a las características organolépticas son indicativos de indices de calidad y madurez del producto. El deterioro de los alimentos puede originarse por diversas causas: acción de enzimas, normalmente presentes en los tejidos vegetales y animales; reacciones puramente quimicas tales como hidrólisis, oxidación, pardeamiento no enzimatico, accion de agentes fisicos: helada, calor, humedad, sequedad; en fin proliferación y acción de microorganismos. El resultado de este deterioro es la perdida de pigmentos característicos del alimento, sabores indeseables, formación de compuestos tóxicos y perdida de la calidad nutricional principalmente. Estas alteraciones tienen una importancia particular, si se consideran como el punto de partida de la perdida nutricional, organoléptica y técnica de productos alimenticios, que han sido sometidos a procesos de elaboración y transformación, viéndose afectada su vida útil y poniendo en riesgo a los consumidores potenciales de esos productos y a la economía de las industrias de alimentos. El deterioro de los alimentos no es mas que la acción metabólica de ciertas sustancias presentes en los alimentos como enzimas que muchas de las veces son liberadas por microorganismos presentes por naturaleza en los tejidos del alimento o que llegan a este por vectores directos e indirectos y su actividad y desarrollo se ven favorecida por factores como temperatura, actividad acuosa, ph, constitución del alimento y por malas practicas de manufactura durante el procesado como contaminación cruzada, tiempos largos de espera, cambios bruscos de temperatura y ausencia de un control de procesos. En la presente unidad se consideran los aportes mas importantes de las reacciones de deterioro de los alimentos como la lipólisis y la rancidez oxidativa en las grasas y el pardeamiento enzimático en vegetales y frutas; así mismo como aquellas reacciones de deterioro a partir de las reacciones fotosintéticas de deterioro sobre algunos de los complejos de la leche y el pardeamiento no enzimático que en ocasiones llega ser una reacción deseable para la elaboración de ciertos productos de confitería y panadería, por ejemplo. Dentro de las reacciones químicas que tienen lugar en los diferentes procesos de deterioro de los alimentos se puede presentar como mecanismo general las reacciones de oxido- reducción. Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de agua y se clasifican en tres clases diferentes: transferencia de electrones (ataque nucleofílico y electrofílico), transferencia de protones (neutralización ácido-base) y de precipitación. 234

243 JUSTIFICACION El desarrollo de esta unidad se hace necesario en el curso de Química de alimentos porque contiene las temáticas complementarias de otros componentes que se encuentran en los alimentos como son las vitaminas, pigmentos y minerales. En esua Unidad también se analiza las reacciones de deterioro que pueden sufrir los alimentos desde el enfoque químico (reacción de maillard, oxidación de lácido ascórbico y caramelización de azúcares), pardeamiento por acción de enzimas. Dichas reacciones según el alimento y el proceso tecnológico puede ser desable ó indeseables. También se considera las reacciones de deterioro de origen microboiano y fotosintético. Es preciso el diseño de esta unidad porque se presentan los conceptos complementarios en tmaticas que le pueden ser útiles en el perfil profesional de los estudiantes de ingeniería de alimentos. 235

244 OBJETIVOS Conocer la importancia, clasificación, estabilidad de las vitaminas, minerales y pigmentos presentes en los alimentos. Identificar los componentes de la aroma y sabor de los alimentos. Comparar los mecanismos de formación y reacción de las etapas que se llevan a cabo en las reacciones de pardeamiento. Analizar e identificar las etapas, reacciones y productos de la reacciones de deterioro químico de los lípidos. Identificar la diferencia entre lipólisis y rancidez oxidativa. Conocer otros mecanismos de deterioro en alimentos como alteraciones microbianas y aquellas como resultado de las reacciones de foto oxidación. 236

245 CONTENIDO DE LA UNIDAD CAPITULO 4: VITAMINAS, MINERALES Y PIGMENTOS CAPITULO 5: REACCIONES DE PARDEAMIENTO CAPITULO 6: REACCIONES DE DETRIRO QUIMICO Y MICROBIANO 237

246 CAPITULO 7. VITAMINAS, MINERALES Y PIGMENTOS. En este capítulo el estudiante puede encontrar en forma clara y concreta conceptos generales sobre clasificación de las vitaminas, los principales minerales y micronutrientes esenciales en la dieta humana y los pigmentos mas importantes, los cuales le imparten características organolépticas a los productos vegetales frescos y que su detrioro condicionan la calidad sensorial. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 7, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Actividad Inicial Actividad de reconocimiento De acuerdo a sus conocimientos defina lo que es vitamina y nombre su clasificación. Elabore una lista de los minerales que se encuentran en los alimentos y los que no deberían encontrarse. De acuerdo a sus conocimientos adquiridos en el curso de Tec. Frutas y hortalizas, tome 10 frutas del supermercado y realice un cuadro donde coloque en una columna el color y al frente el compuesto químico correspondiente para el respectivo pigmento. Lección 31: Vitaminas La importancia de las vitaminas radica desde dos puntos de vista: 1. compuestos esenciales para la regulación de reacciones bioquímicas. 2. Complejo vitamínico de los sistemas alimentarios y sus cambios durante el procesado Compuestos esenciales para la regulación de reacciones bioquímicas. Para Comprender porque son esenciales para la salud pequeñas cantidades de vitaminas; estas colaboran en la regulación de reacciones bioquímicas esenciales, no son, al contrario que las hormonas, sintetizadas por el organismo humano o animal, y por lo tanto deben obtenerse de la dieta. El análisis preciso de las diferentes vitaminas es difícil, ya que cada una de ellas se encuentra en diferentes formas químicas, con diferentes actividades biológicas. 238

247 Desde hace mucho tiempo se conoce la existencia de enfermedades producidas por carencias agudas de vitaminas (ver tabla 18). Sin embargo, las cantidades mínimas necesarias para evitar las enfermedades carenciales no son las óptimas a nivel dietético para mantener la salud, ya que este mínimo es para muchas de ellas considerablemente menor de la cantidad necesaria para mantener un nivel plasmático constante y una cierta saturación de los tejidos. Las vitaminas hidrosolubles, ampliamente repartidas entre todas las células metabolitamente activas, se excretan fácilmente, y por lo tanto las deficiencias pueden aparecer rápidamente. Por otra parte, las vitaminas liposolubles se almacenan en cantidades relativamente grandes en determinados órganos y el tiempo necesario para que se desarrolle una deficiencia, dependiendo sobre todo del nivel de reservas, puede ser considerable. Tabla 23. Síntomas de deficiencia extrema de las vitaminas Vitamina A Vitamina D Vitamina E Vitamina K Vitamina C Vitamina B 1 (tiamina) Vitamina B 2 (riboflavina) Niacina (ácido nicotinico) Vitaminas del grupo B 6 (piridoxal) Ácido pantoténico Biotina Ácido fólico Vitamina B 12 (Cobalamina) Percepción baja, ceguera nocturna Raquitismo, osteomalacia Oxidación de las grasas y lípidos de las membranas. Hemorragia Escorbuto, falta de defensa ante las infecciones. Beri-beri, lesiones cutáneas. Fatiga, lesiones en la boca y lengua Pelagra, lesiones cutáneas. Atrofia de órganos, falta de crecimiento, problemas metabólicos. Problemas metabólicos Acidosis, erupciones cutáneas, problemas neurológicos, anorexia, inmunodeficiencia. Anemia megaloblástica Anemia perniciosa Complejo vitamínico de los sistemas alimentarios y sus cambios durante el procesado La degradación que sufren las vitaminas durante el procesado de los alimentos ha sido siempre un problema preocupante y de gran interés. La evaluación de las pérdidas de los sistemas alimentarios se ve dificultada por la falta de estudios sistemáticos y por las variables de las condiciones de tratamiento. La degradación química de las vitaminas se puede utilizar como un índice de la posible pérdida del valor nutritivo de un determinado alimento, permanece prácticamente desconocido el destino de los productos de degradación y sus posibles reacciones. 239

248 31.3 Clasificación Las vitaminas, se clasifican ordinariamente en dos grupos: 1. Liposolubles: A,D,E,K 2. Hidrosolubles: C y vitaminas del complejo B Liposolubles Vitamina A Fuente: La vitamina A es un nombre genérico que abarca a todos los compuestos de origen que presentan actividad biológica de vitamina A. La forma activa de la vitamina a es el retinol, cuya estructura contiene unidades de isopreno. El retino es un alcohol primario derivado de la asociación de cuatro unidades de isopreno. Se oxida fácilmente de forma enzimática para dar lugar a otros compuestos metabolitamente activos como el 11-cis retinal y el ácido retinoico. El cis-retinal es necesario para la visión nocturna, y que las deficiencias causan ceguera. Los vertebrados no son capaces de sintetizar los compuestos con actividad de vitamina A, ni sus precursores los carotenoides, sintetizados exclusivamente por plantas y microorganismos. Desde el punto de vista nuricional, la concentración más importante es la de β- caroteno, el precurso más eficaz de la de la vitamina A. El β- caroteno es sintetizado por los vegetales, que se transforma en retinol en las células epiteliales del intestino delgado cuando es consumido en la dieta. Propiedades: El retinol es estable a los tratamientos térmicos de las temperaturas ordinarias de cocción pero tiende a oxidarse si las grasas que lo contienen se enrancian. La exposición del retinol y sus derivados a la luz los oxida rápidamente, lo mismo que el oxígeno y los medios ácidos. Por lo tanto cuando se dispone de estos compuestos en forma pura se debe guardar en recipientes opacos, 240

249 herméticamente cerrados en los que el aire haya sido desplazado por un gas inerte. Formas de exprese el contenido de vitamina A El contenido de vitamina A se expresaba en Unidades Internacionales (UI) pero desde que se obtuvo el retinol en forma cristalina, esta se expresa en equivalente de retinol que son microgramos de este compuesto. La vitamina A en los alimentos, se expresa en equivalente de retinol que puede ser carotenos u otras formas de vitamina A multiplicadas por un factor en el que se tiene en cuenta la absorción y la conversión a retinol. Un equivalente a retinol es similar a: - 1 microgramo de Retinol UI de vitamina A - 10 UI de de β- caroteno - 6 µg de de β- caroteno Fuentes de retinol Las fuentes animales suministran mayor cantidad de retinol que los vegetales. Los vegetales, que aportan mayor cantidad de retinol en forma de provitamina A (de β- caroteno) son los de hoja oscura. Pérdidas por procesamiento Tanto el retinol como los carotenoides son estables a las temperaturas de cocción. Temperaturas superiores a 100ºC como el freído y el horneado producen algo de descomposición. Reacciones de fotooxidación sobre vegetales hacen que pierdan su actividad vitamínica debido a la oxidación de los carotenos. Vitaminización de los alimentos Debido a la relativa estabilidad de retinol en los alimentos que lo contienen, sólo se realiza adición de esta vitamina en algunas margarinas. La vitaminización de las margarinas se efectúa en algunos países por ley, ya que la margarina se consume mas frecuentemente que la mantequilla que es rica en vitamina A, mientras que la margarina se fabrica con aceites vegetales que no la contienen. 241

250 Vitamina D o calciferol Fuente: En los mamíferos la vitamina D 3 de los tejidos puede aparecer por la acción de la luz ultravioleta sobre el 7- deshidrocolesterol para formar primero la previtamina D 3 y segundo el colecalciferol o bien por la absorción intestinal de la propia vitamina D 3. Las fuentes dietéticas de vitamina D 2 proceden de una fotoconversión semejante en las plantas, la del ergosterol en ergocacilferol (vitamina D 2 ). Cuando el hombre expone la piel a la luz, el nivel máximo de de provitamina D 3 se alcanza a los 15 minutos, después de que hayan formado y Metabolizado el lumisterol y el taquisterol, compuestos biológicamente inactivos. La provitamina D 3 formada por la fotoexposición se isomeriza de forma no enzimática en la piel antes de su transporte por el suero sanguíneo, proceso que sirve para evitar la intoxicación por vitamina D producida por el exceso de luz solar. La vitamina D se hidroxila enzimaticamente para formar sustancias de tipo hormonal. La vitamina D 3 ingerida, es considerada como una prehormona, se metaboliza primero en el hígado y luego en el riñón. La cantidad de vitamina D presente en los alimentos es extremadamente pequeña se ha utilizado la cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC) para determinarla con mayor precisión en la leche, huevos y otros productos. En el futuro se dispondrá de mejores datos acerca de la actividad de la vitamina D presente en alimentos procedentes de fuentes animales, dada la posibilidad de utilizar técnicas como HPLC para la separación de los metabolitos activos de dicha vitamina. Asegura la correcta absorción del calcio y fósforo necesarios para el mantenimiento de los huesos y dientes. Esta presente en aceite de hígado de bacalao, atún, sardinas, hígado, mantequilla, leche y yema de huevo. 242

251 Esta vitamina se expresa en µg que equivalen a 40 UI. Las pérdidas por procesamiento no producen pérdida de esta vitamina; debido a la termoestabilidad de los calciferoles. La adición de esta vitamina a la margarina se hace por su utilización y carácter lipidico. Otra forma de incrementar el contenido de vitamina D en la dieta, se realiza irradiando con luz ultravioleta la leche entera lo cual convierte el 7- dehidrocolesterol de la fase lípidica en colecalciferol Vitamina E o Tocoferol En los mamíferos, esta vitamina se almacena en el tejido adiposo y en el hígado. La absorción de está se inhibe por la acción de sustancias presentes en algunos alimentos. También se ha indicado que la presencia de nitrito en la dieta puede producir deficiencias de vitamina en ratas. Fuente: Su base química son los tocoferoles y los correspondientes tocotrienoles. Las fuentes más importantes son los vegetales, aceites y frutos secos. La forma predominante en los tejidos del hombre es el α- tocoferol, aunque éste no es sintetizado por los mamíferos. Existe gran variabilidad en el contenido de vitamina en los alimentos, teniedo en cuenta que éste contenido desciende con almacenamiento y procesado. Su actividad fisiológica primaria en los animales parece ser la de antioxidante, indicándose que esta vitamina es el principal compuesto eliminador de radicales libres presentes en el plasma humano. Los análisis de tocoferoles se expresan en mg de acetato de DL-tocoferol que es la forma sintética disponible comercialmente y equivale a una UI de vitamina E. Las pérdidas por procesamiento son mínimas debido a la estabilidad a los tratamientos térmicos y a su no hidrosolubilidad no se pierden en los procesos normales de cocción. Durante la refinación de los aceites vegetales se reduce el contenido de tocoferoles, por arrastre de vapor en la etapa de desodorización. La vitamina E es uno de los antioxidantes naturales mas importante. Ya que es la primera línea de defensa en contra de la peroxidación de los ácidos grasos poliinsaturados. Señor estudiante: resulta beneficiosos saber su mecanismo de acción Los usos de los tocoferoles en la industria de alimentos estan en programas de vitaminización, fortificación y como antioxidantes. 243

252 Gráfica 37: Utilidad de las vitaminas: Fuente: Trabajo final Colaborativo #3, grupo _11, Curso Química de Alimentos I

253 En los programas de vitaminización se adiciona esencialmente la forma sintética: acetato de DL- α tocofero, a las margarinas. La adición de vitamina E a niveles de fortificación se efectúa especialmente en aquellos alimentos cuyo procesamiento implica una reducción de la fracción lípidica ( se encuentra los tocoferoles ) ejemplo de esto es la leche en polvo descremada. Los tocoferoles también actúan como antioxidantes naturales en los lípidos por lo cual es necesario adicionarlos a los aceites refinados ricos en ácidos grasos insaturados. En la actualidad se dispone de un producto que presenta una alta capacidad como antioxidante para adicionar a los aceites; el Ascorbato de Tocoferol que como su nombre lo indica es preparado con ácido ascórbico y Tocoferol Vitamina K Fuente: La vitamina K es sintetizada por los vegetales y por los microorganismos intestinales de los animales, por lo tanto, los mamíferos pueden obtener la que necesitan a partir de la dieta de la síntesis microbiana. Como consecuencia, las deficiencias en los mamíferos, que dan lugar a la reducción de los niveles de algunos factores de coagulación de la sangre. Se ha indicado recientemente que en la leche de mujer el contenido de vitamina K es bajo (1 µg/l), y por lo tanto pueden aparecer deficiencias en los niños. Las vitaminas que pertenecen al grupo K son naftoquinonas con piliisoprenoides sustituidos. La menadiona es la vitamina K3. Compuesto precursor de la serie de vitaminas K, no se encuentra en la naturaleza, pero si se administra es alquilada en vivo hasta una de las menaquinonas la vitamina k2. La filoquinona ó k1 es la forma principal de vitamina K en los vegetales. La menaquinona 7 es es una de la serie de formas insaturadas de vitamina k encontrada en los tejidos animales y sintetizada por bacteria en el intestino Hidrosolubles Las vitaminas del grupo B y la vitamina C son solubles en agua y por lo tanto no se almacenan con facilidad en el organismo de los animales. Las vitaminas del grupo B no son una familia de compuestos químicos, teniendo en cuenta cada una de ellas tiene estructuras y funciones metabólicas muy diferentes. 245

254 Vitamina B 1 (tiamina) Fuente: Esta vitamina está presente en pequeñas cantidades en casi todos los alimentos; buena fuente de la misma son los granos de cereal y los órganos como el hígado, corazón y riñon. La mantequilla y los aceites no contienen tiamina debido a que esta vitamina no es liposoluble. Es una molécula compuesta de un anillo de pirimidina unido a un anillo tiazolico que contiene azufre. La tiamina sintética se emplea principalmente en forma de clorhidrato y en algunos casos como nitrato. El contenido de tiamina en los alimentos se expresa en mg que equivale a 1/3 UI. La forma activa de ésta vitamina es en forma de difosfato de tiamina o tiamina pirofosfato. Una enzima llamada tiamonadifosfatotransferasa dependiente de ATP es la responsable de la conversión de tiamina a su forma activa en el organismo. La pérdida por procesamiento. Durante el proceso térmico de los alimentos se pierde parte de la tiamina, debido a su labilidad frente al calor y a su solubilidad en el agua utilizada en el proceso. En La esterilización de la leche se produce la pérdida entre 25 y un 40% de esta vitamina. La tiamina puede romperse de forma química por la acción del sulfito (como preservativo) formándose un compuesto biológicamente inactivo. La pérdida de tiamina depende muchas veces de la temperatura a la cual se realiza la cocción: a temperatura de ebullición del 15 al 40%, mediante un sistema de horneado o asado del 40-50%, en un sistema de enlatado alrededor del 75%; esto significa que las pérdidas se incrementan, cuando el tratamiento térmico se realiza a temperaturas mayores. Los cereales no contienen la vitamina uniformemente distribuida a través de todo el grano ya que la mayor cantidad se encuentra en la cascarilla y en el germen. Por lo tanto, el trillado de los cereales conlleva la disminución del contenido vitamínico. Así tenemos que la harina integral de trigo contiene 0.5 mg de tiamina/100g mientras que la harina blanca con un grado de 246

255 molienda del 70 %solo contiene 0.1 mg de tiamina /100 g. Algo similar ocurre con el arroz descascarillado que sólo contiene el 18% de la cantidad de la tiamina presente en el grano completo. En la fortificación de alimentos; debido a que el pan elabora preferiblemente con harina blanca, en algunos países para evitar un bajo consumo de tiamina se vitaminiza la harina blanca al nivel necesario para restituir la cantidad perdida durante el trillado. Así en Estados Unidos se adicionan 0.42 mg de tiamina/100g de harina blanca. Una forma de asegurar una ingestión adecuada de tiamina en los países consumidores de arroz, es empleado el método de precocción de arroz llamado parboiled. En este proceso los granos con cascarillas se remojan y luego se someten a un proceso de cocción corto con vapor y posteriormente descascarillado. En este método las vitaminas migran hacia el interior del grano durante el remojo y por cocción se fija dentro de él, asegurando así una pérdida mínima alrededor de 10 ó 15% de la tiamina durante el descascarillado Vitamina B 2 (Riboflavina) El nombre de riboflavina se deriva de su estructura que se compone de la ribosa y del complejo cíclico flavina. La riboflavina es un polvo amarillo fluorescente, difícilmente soluble en agua, soluble en soluciones alcalinas, insoluble en éter, cloroformo y lípidos. Es un compuesto estable a temperaturas de ebullición del agua si el medio es ácido, pero en un medio básico se descompone. Se destruye por exposición a la luz y a los rayos ultravioleta. Fuente: El contenido de riboflavina se expresa en mg. Las mejores fuentes naturales de riboflavina son el hígado, los huevos, la leche y los vegetales verdes. A diferencia de la tiamina, los cereales contienen muy poca cantidad de esta vitamina. Los métodos ordinarios de cocción no causan pérdidas de riboflavina excepto en los vegetales verdes cuando se descarta el agua en que ha sido cocinados. El 247

256 tratamiento térmico cuando se realiza a temperaturas mayores se puede perder algo de vitamina. En una forma similar las pérdidas durante el trillado del trigo, las harinas con un grado del 70% de extracción sólo contienen alrededor del 25% de la riboflavina que contiene la harina integral. Las mayores pérdidas de esta vitamina son causadas por la exposición de la leche a la luz solar, por lo cual puede causar una destrucción hasta del 75% del contenido de riboflavina en tres horas. En algunos países, se adiciona riboflavina a la harina de trigo blanca, para ofrecer una harina fortificada en esta vitamina Vitamina B 6 (piridoxina) Fuente: Esencial en el crecimiento, ya que ayuda a asimilar adecuadamente las proteínas. Sin ella, el organismo no puede fabricar anticuerpos ni glóbulos rojos. La actividad de esta vitamina es exhibida por tres compuestos derivados estructuralmente de la piridina: el piridoxol o pridoxina, el piridoxal, piridoxal fosfato y la piridozamina: La actividad de las cuatro formas es similar y se denomina de una forma genética Piridoxina. La piridoxina es un polvo blanco, fácilmente soluble en agua, difícilmente soluble en alcohol, insoluble en eter, cloroformo y lípidos. Estos compuestos son estables al calor y a la acción del oxígeno. Esta vitamina se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza, pero en mayor cantidad en la carne, hígado, riñón, yema de huevo, leche, levadura, trigo y verduras frescas. Las pérdidas por procesamiento en relación con los tratamientos térmicos normales no se destruye, por lo tanto las pérdidas durante la cocción se presentan solamente en el caso de que los alimentos se cocinen en abundante agua y luego se descarte el agua de cocción en la cual se ha solubilizado la vitamina. 248

257 En los programas de fortificación no se adiciona piridoxina sintética a ningún alimento, debido a la amplia distribución de esta sustancia en los alimentos y a su estabilidad Acido Nicotínico (Niacina) Para su estudio es aislada de los tejidos hepáticos y se conoce como el factor nutricional que evita el desarrollo de la pelagra en los seres humanos. Las dos formas: ácido Nicotínico (niacina) y la Nicotinamida presentan la misma actividad vitamínica. Fuente: Son polvos blancos cristalinos, solubles en agua, en alcohol y en soluciones alcalinas, insolubles en éter, cloroformo y lípidos. Ambos compuestos son estables al oxígeno del aire, la luz y el calor. Las formas de expresar estas sustancias son equivalentes de ácido nicotínico que indican el contenido de mg de ácido nicotínico y nicotinamida de los alimentos y 1/60 de la cantidad del triptófano, ya que 60 mg de este aminoácido pueden ser convertidos en 1 mg de ácido nicotínico. Las fuentes de esta vitamina esta ampliamente distribuida en los alimentos, aunque solo las carnes, el pescado y los cereales pueden ser consideradas como una fuente de esta vitamina. En algunos alimentos como en el maíz y posiblemente en la papa, el ácido nicotínico se presenta en una forma que no se puede absorber: la Niacitina. Las pérdidas por el procesamiento son de una forma similar a la riboflavina, por cocción son prácticamente nulas y solo son apreciables las debidas a la solubilización de la vitamina en el agua de cocción que posteriormente se descarta, lo mismo que las pérdidas en los jugos de la carne. La cocción en medios alcalinos como el maíz aumenta la disponibilidad de ácido nicotínico, ya que se destruye la Niacitina. En los programas de fortificación, en algunos países se efectúa la adición de ácido nicotínico a la harina de trigo, la cantidad varía de acuerdo a la legislación de los piases que han autorizado su uso Vitamina B 12 o Cobalamina 249

258 Esta vitamina tiene una estructura cíclica compleja, semejante a las porfirinas al cual se une un ión cobalto albergado en su centro. La vitamina se sintetiza en forma exclusiva en microorganismos, por lo tanto no existe en vegetales, pero se conserva en el hígado de los animales donde se encuentra como metilcobalamina, 5- adenosilcobalamina e hidroxicobalamina, previniendo y curando la anemia perniciosa. Fuentes de obtención de esta vitamina es el hígado, el riñón y la yema de huevo. Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Considerando la pequeñísima cantidad de vitamina B 12 necesarias para el hombre, las diferencias dietéticas que dan lugar a la aparición de anemia perniciosa, son raras. Las deficiencias pueden producirse como consecuencia de una dieta exclusivamente vegetariana, pero son más frecuentes como resultado de defectos de asimilación de la vitamina, situación que no puede mejorarse más que con inyecciones intramusculares de B 12. La cobalamina es cristalina de color rojo oscuro brillante, solubles en agua y alcohol e insolubles en éter y cloroformo. Son compuestos estables a los tratamientos térmicos, cuando se encuentra en medio neutro o ácido, pero se destruyen en medio alcalino. La luz y los rayos ultravioleta también las destruyen. Las formas de expresar el contenido de estas vitaminas son en mg, utilizándose como patrón la Cianocobalamina cristalina. No se presentan pérdidas por procesamiento debido a la estabilidad frente a los procesos térmicos de cocción. 250

259 Biotina Es una molécula cíclica, con nitrógeno y azufre, relativamente sencilla. La deficiencia de biotina es rara, ya que esta vitamina es ubicua en la dieta, y además la sintetizan los microorganismos intestinales. Sin embargo, la avidina, una proteína de la clara de huevo, se une tan fuertemente a esta vitamina que hace imposible su absorción en las dietas que contienen claras de huevo crudas. Afortunadamente, el calentamiento a 80ºC durante 5 minutos desnaturaliza la avidina, destruyendo su capacidad de ligar biotina. También puede producirse deficiencias de esta vitamina por alteraciones de su absorción en el intestino delgado. Los síntomas de estas deficiencias son dermatitis, alopecia, irritabilidad nerviosa y anorexia, con un marcado descenso en el Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Consumo de alimentos, semejantes a los productos por deficiencias de zinc o de ácidos grasos esenciales Vitamina C ò Ácido Ascórbico Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. Cuando el ácido ascórbico actúa como un donador de equivalentes reductores se oxida a ácido deshidroascorbico, que por si misma puede actuar como fuente de la vitamina. El factor antiescorbuto conocido como vitamina C presente en los cítricos fue aislado en 1928, dándosele nombre de ácido ascórbico. La estructura química muestra que los carbonos 4 y 5 son asimétricos, por lo tanto existen cuatro estereoisómeros. La estructura con mayor Potencia vitamínica es el ácido L- ascórbico; el ácido D-isoascórbico, presenta una potencia de 1/5 a 1/120 de la del primero. Los otros isomeros no presentan actividad vitamínica. El ácido ascórbico en el medio acuoso se oxida rápidamente por la acción del oxígeno, en especial las sustancias alcalinas, el calor y las trazas de metales. 251

260 El ácido dehidroascórbico que se forma por oxidación de ácido ascórbico es mucho más oxidable que este. Las formas de expresar su contenido son en mg de ácido ascórbico. La distribución del ácido ascórbico en las plantas es más limitada que las otras vitaminas hidrosolubles; se encuentra en especial en las frutas (especialmente en los cítricos) y vegetales verdes pero no en los cereales. La mejor fuente es la guayaba. Las pérdidas por procesamiento están al nivel de la oxidación del ácido ascórbico en presencia del oxigeno la cual es catalizada por trazas de metales, en especial el cobre. Esta oxidación es producida además por la enzima oxidasa ascórbico que contiene las plantas. La enzima usualmente no esta en contacto con la vitamina, pero cualquier manipulación que conlleva a la alteración de los tejidos, permite que la enzima inicie la oxidación del ácido ascórbico, como por ejemplo la magulladura de las frutas etc Por lo tanto para disminuir las pérdidas de vitamina C es necesario observar ciertas precauciones, operaciones como el escaldado a vapor (y no en agua para evitar las pérdidas por solubilización) en frutas y vegetales evita que la enzima responsable de la degradación se inactive. En los procesos de cocción casera se puede perder hasta el 80% del ácido ascórbico de los vegetales, se colocan en agua fría cuando se van a cocinar. El oxigeno que contienen el agua es el responsable en este caso de la oxidación. Para disminuir estas perdidas es necesario colocarlas en agua en ebullición y en poco agua, este ultimo para desminuir las perdidas por solubilización. Los tratamientos térmicos favorecen la oxidación del ácido ascórbico en ausencia de la enzima, especialmente en medio alcalino. Los usos de esta vitamina están en la industria de los jugos preferiblemente a los concentrados cítricos como la guayaba y en alimentos que contienen frutas. A la harina de trigo que se emplea para panadería, se le adiciona una pequeña cantidad de esta vitamina (50 ppm), con el objeto de mejorar la calidad de la harina. Las adiciones de ácido ascórbico a los alimentos no se realizan como programas de fortificación ni de vitaminización, sino con el objeto de conservar las aromas de los productos y evitar el oscurecimiento en especial de las frutas. Tampoco se usa como antioxidantes debido a la facilidad en que el ácido ascórbico se oxida. 252

261 31.4 Estabilidad de las Vitaminas En términos generales, se tiene que las vitaminas hidrosolubles de origen vegetal se pierden fácilmente en las aguas de proceso especial cuando los vegetales se cortan en trozos. Otro proceso que implica perdidas de vitaminas hidrosolubles es el descascarillado de cereales, ya que ellos se encuentran localizados especialmente en el pericarpio del grano. Las vitaminas liposolubles sufren procesos de oxidación que conllevan a pérdida de su actividad cuando los alimentos que las contienen se enrancian. En general podemos decir que las vitaminas liposolubles son más estables que las hidrosolubles. El proceso normal de cocción de los alimentos puede causar una perdida hasta del 100 % de ácido ascórbico y hasta del 80% de tiamina y riboflavina. Esto no significa que el consumo de alimentos crudos asegure un máximo de ingestión de vitamina, ya que en algunos casos las enzimas presentes en los alimentos, se liberan durante el cortado o magullamiento de los tejidos y degradan las vitaminas como es el caso del ácido ascórbico oxidasa en los vegetales y en algunas frutas, la cual oxida el ácido ascórbico. Lección 32: Minerales En Colombia existe el decreto 1944/95 que reglamenta la fortificación de la harina de trigo. Señor estudiante: una revisión de esta normatividad le da a conocer el porque de la fortificación de la harina de trigo y sus beneficios sobre niños, jóvenes y madres lactantes. La distribución de elementos inorgánicos en los alimentos de origen vegetal es variable, mientras que en los productos de origen animal el nivel de cada elemento en los diferentes tejidos y especies es relativamente constante. Los minerales pueden dividirse de manera arbitraria en dos grupos: los macrominerales, que se requieren en cantidades mayores de 100 mg al día y microminerales (oligoelementos), que se requieren en cantidades menores de 100 mg al dia. En La tabla 24. Indica el contenido de minerales en los tejidos humanos y los requerimientos promedio que se ha establecido para los adultos: 253

262 Tabla 24. Minerales y requerimiento en el tejido humano. Mineral % en tejido corporal libre de grasas Requerimiento diario (mg) Sodio Potasio Cloro Fósforo Calcio Magnesio Hierro Cobre Zinc Yodo Selenio Cromo Fluor * El requerimiento no se ha establecido * * * * De los valores que aparecen en la tabla 24 y con los criterios establecidos, se puede concluir que los macrominerales son sodio, potasio, cloro, fósforo, nitrógeno, azufre y magnesio y los demás son microminerales. Los minerales que requieren los seres humanos se obtienen de los alimentos y en algunos casos del agua; sin embargo a pesar de que el requerimiento es muy pequeño se logra satisfacer las necesidades, debido a diferentes factores: - Baja absorción intestinal - Presencia de sustancias orgánicas en los alimentos, tales como fitatos y aminoácidos que forma complejos con algunos minerales que no pueden ser absorbidos en el tracto gastrointestinal. - Bajos niveles de elementos en los productos alimenticios de consumo diario. Como resultado en especial de las dos primeras causas se suelen presentar enfermedades carenciales en diversos sectores de las poblaciones, no solo en los países en desarrollo, sino también en países altamente desarrollados como Canada, Inglaterra y Estados Unidos. Los problemas mas comunes son ocasionados por deficiencias de calcio, hierro, yodo y flúor, los cuales se han tratado de solucionar mediante la fortificación de alimentos Macrominerales La vía principal de entrada de elementos químicos en el hombre es a través de las cadenas alimentarias. Su asimilación por plantas y animales depende de su 254

263 solubilidad en el agua y de su facilidad de paso a través de las membranas celulares. A continuación se exponen algunos conceptos de algunos de los macrominerales: Nitrógeno Azufre Fósforo Calcio En nitrógeno orgánico se encuentra casi exclusivamente en estado reducido, en el que normalmente forma tres enlaces covalentes y conserva un par de electrones desapareados, siendo suficientemente electronegativo para formar una base fuerte. Puede actuar como una base de Lewis cediendo el par de electrones para formar un enlace coordinado. Las aminas son pues, si no están protonadas, ligados potenciales para los ácidos de Lewis Fuertes. Tanto en las plantas como en los animales, el azufre se encuentra fundamentalmente en el coenzima A, el glutation y los aminoácidos cisteina y metionina. Las plantas inferiores pueden contener cantidades substanciales de sulfonatos orgánicos, proteínas con grupos metal-tiolato y proteínas con azufre enlazado a hierro y molibdeno. Para los animales, los aminoácidos azufrados son constituyentes esenciales de la dieta, ya que a veces se obtienen en cantidades limitadas; en los mamíferos el azufre se excreta como sulfato tras la oxidación del sulfito producido en el metabolismo, reacción catalizada en el hígado por la sulfito oxidasa. Las especies reactivas del oxigeno también pueden causar la formación de compuestos oxidados del azufre. El fósforo esta ampliamente distribuido en los alimentos, tanto en forma de fosfato inorgánico como en forma de esteres orgánicos, y consecuentemente, los estados carenciales de fósforo en los animales son raros. Los productos de origen animal son fuentes particularmente buenas de fósforo, mientras que en el caso de los cereales y la soja el aprovechamiento del fósforo es menor debido a que en gran parte se encuentra en forma de fitatos. En todos los materiales biológicos el fósforo forma parte de los ácidos nucleicos y por tanto todos los alimentos contienen cantidades substanciales de este elemento. En el huevo de gallina, el fósforo se encuentra almacenado como ester de los residuos de serina de la proteína fosfovitina. Los alimentos que pueden considerar buena fuente de Calcio son la leche y los productos lácteos como el queso, además de algunas leguminosas. La molienda de los cereales disminuye el contenido de calcio; sin embargo, este proceso no puede ser considerado completamente nocivo para la alimentación ya que simultáneamente se disminuye el nivel de fitatos en el producto. - otros macrominerales son: sodio, potasio, cloro y magnesio Microelementos Los elementos trazas representan un segundo grupo de elementos utilizados por los organismos vivos. Los elementos trazas utilizados por animales y plantas estan presentes en la corteza terrestre solo en cantidades relativamente pequeñas. Los elementos traza de los que se sabe que son esenciales para el hombre son cobre, cromo, cobalto, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, selenio y yodo. La concentración en el hombre es considerablemente menor que en el medio ambiente excepto el yodo. A pesar de que son necesarios solo en cantidades muy pequeñas, la importancia nutricional de los elementos traza es comparable a la de las vitaminas, ya que en muchos casos estos elementos son componentes esenciales de enzimas que ocupan lugares claves de las vías metabólicas. 255

264 Algunas características y funciones de los elementos trazas son (ver tabla 25). Tabla 25. Función biológica de los elementos trazas. ELEMENTO Boro y Vanadio Cromo Manganeso Hierro Cobalto Cobre Zinc Selenio Molibdeno Yodo Fluor FUNCIÓN BIOLÓGICA Necesaria para el crecimiento de vegetales. En el hombre esparte de un factor de tolerancia a la glucosa. Necesaria para la fotosíntesis, cofactor para los enzimas arginasa, superoxido dismutasa, glicosil transferasa, piruvato carboxilasa y amino peptidasas. Para las reacciones de oxido reduccion. Síntesis de ADN Necesario para la síntesis de hemoglobina, para la actividad de la citrocromo oxidasa, superoxido dismutasa, lisina oxidasa, galactosa oxidasa. Cofactor para: anhidrasa carbónica, carboxipeptidasa, varias deshidrogenasas, superoxido dismutasa, RNA y ADN polimerasas, fosfatasas alcalinas y fosfolipasas. Cofactor para un enzima, la glutation peroxidasa Cofactor para: xantin oxidasa, nitrogenasa y sulfito oxidasa. Parte de la molécula de tiroxina Eleva la estabilidad de los huesos y dientes al substituir los grupos hidroxilo del hidroxiapatito Los Minerales en la nutrición El sodio y el potasio estan universalmente distribuidos en los alimentos de origen vegetal y animal. Fuentes adicionales en la alimentación son los embutidos carnicos y glutamato monosodico, además del que se añade frecuentemente en forma de sal a los alimentos. Sin embargo, en la mayoría de los productos alimentarios la concentración de potasio es mayor que la del sodio, al igual que en el cuerpo humano, que, en estado adulto, contiene alrededor de 64 g de Na + y 180 de K +. El sodio es el principal cation de los fluidos extracelulares, y es esencial solo porque es necesario mantener la neutralidad y la fuerza iónica de los fluidos extracelulares. Teniendo en cuenta la distribución universal del Na + y el K +, no se presentan deficiencias normalmente, aunque puede aparecer una carencia de 256

265 Na+ inducida durante un ejercicio excesivo que da lugar a una hipertranspiracion si no se toma medidas para suplementar con sodio el agua de bebida. El magnesio esta también ampliamente distribuido entre los tejidos vegetales y animales. Los productos derivados de los cereales, frutas y verduras suministran la mayoría del magnesio que necesita el ser humano. El contenido total del magnesio de un hombre adulto es alrededor de 60g, estando localizado el 60% de esta cantidad en el esqueleto. El nivel del magnesio en el plasma sanguíneo es constante, del orden de 20 mg/l. las deficiencias de Mg +2 son raras, aunque pueden producirse en los alcohólicos, que tienen niveles plasmáticos de Mg +2 bajos, y también ir asociados a deficiencias de otros elementos, en el kwashiorkor. Este elemento se absorbe en el intestino delgado, pero, al contrario que en caso del calcio, la vitamina D no favorece este proceso. Durante la asimilación y metabolismo por los animales, la forma química en la cual se encuentra el mineral, así como la cantidad presente, influye sobre la captación y utilización, pero lo que es importante disponer de datos sobre la absorción y retención de estos nutrientes cuando son aportados por alimentos específicos. Ningún nutriente actúa en forma aislada y su metabolismo esta influido por el de otros. En los vegetales, el calcio se acumula especialmente en las hojas, formando complejos con el fitato, oxalato y otros ácidos orgánicos. Las interacciones iónicas entre el calcio y los fosfolipidos en las membranas colaboran aumentando la resistencia de estos y previniendo su rotura, tanto en las células animales como los vegetales. Por lo que respecta a los elementos traza, debe tenerse en cuenta que aunque plantas y animales no pueden vivir sin ellos, un exceso un exceso puede resultar toxico. La utilización de combustibles fusiles libera grandes cantidades de metales trazas esenciales, entre ellos plomo. Cadmio, arsénico, cromo, níquel y berilio, y en consecuencia las cantidades de estos elementos presentes en los alimentos, y su contribución a las necesidades fisiológicas de elementos trazas son muy variables. Lección 33: Pigmentos Los colores de los alimentos se deben a distintos compuestos, principalmente orgánicos, algunos que se producen durante su manejo y procesamiento y otros que son pigmentos naturales o colorantes sintéticos o añadidos. 257

266 La mayoría de los alimentos vegetales y animales le deben su color a sus correspondientes pigmentos, que son sustancias que tienen función biológica muy importante en el tejido. Éste es el caso de la clorofila y la fotosíntesis y el de mioglobina y al almacenamiento muscular del oxigeno, entre otros. Los siguientes son los principales grupos de pigmentos encontrados en los alimentos: 33.1 Carotenoides Existen en forma libre disueltos en la fracción lípidica del tejido vegetal formando complejos con proteínas, unidos a hidratos de carbono por medio de un enlace glicosídico ó como esteres de ácidos grasos ; la asociación con proteínas los hace mas estables e incluso les cambia el color que tienen de manera individual. Los carotenoides son pigmentos de color amarillo, rojo o naranja ampliamente distribuidos en la naturaleza. En los vegetales se encuentran en los cloroplastos junto con las clorofilas. Existen dos grandes grupos de carotenoides. Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill. * Los carotenos son compuestos hidrocarbonados * Las xantofilas son derivados oxigenados de los carotenos. La mayoría de los carotenoides están compuestos de ocho unidades de isopreno, siendo el más simple el licopeno que es el pigmento predominante de los tomates. La mayoría de carotenoides poseen un esqueleto carbonado de 40 átomos de carbono, que incluye una porción central de 18 carbonos con cuatro grupos metilo. Las estructuras de los extremos unidos a esta parte central, identifican cada carotenoide las cuales, pueden ser de cadena abierta o cerrada Estos son compuestos poliinsaturados. Algunos de los poseen 11 enlaces dobles conjugados como es el caso del β- caroteno y del licopeno. El número de dobles enlaces en la molécula influye sobre el color. Así el licopeno que tiene dos dobles enlaces las que el β- caroteno, posee un color mas intenso, mientras que el fitoflueno con solo dobles enlaces conjugados es incoloro. 258

267 Estos compuestos son insolubles en agua y solubles en éter de petróleo, hexano y solventes de lípidos. Son estables al calor la gran mayoría y a phs extremos; sin embargo estos pueden causar transformación parcial de la configuración trans a cis de ciertos dobles enlaces, lo que puede modificar el color o el valor nutritivo. Los carotenoides presentes en los tejidos intactos son estables, pero cuando se extraen en forma aislada se oxidan rápidamente debido a la adición del oxigeno sobre los dobles enlaces; En el procesado de alimentos se debe tener precaución ya que estos compuestos se pueden oxidar con el oxigeno de la atmósfera o por la acción de enzimas que se liberan del mismo tejido cuando son sometidos a tratamiento mecánicos. Entonces la degradación dependerá de las condiciones en que se realice el proceso, como la presencia de la luz, que es un catalizador de la reacción de oxidación. Se recomienda para disminuir la degradaciones de pigmentos realizar procesos como el escaldado para inactivar las oxidasas y el uso de antioxidantes. Los carotenoides cumplen dos funciones en la industria de alimentos: - Colorantes (extractos de azafrán, pimientos, tomates, zanaghoria, aceite de palma, etc.). Los carotenoides sintéticos autorizados son el β- caroteno (amarillo - naranja), β- 8 apocarotenal (naranja y rojo) y cantaxantina (rojo). - Provitamina A: La función nutricional radica en la parte de ser fuente de vitamina A Clorofilas Éste es tal vez el pigmento vegetal que más abunda en la naturaleza. La siguiente grafica muestra la estructura general de la clorofila. El término clorofilas indica una serie de pigmentos fotosintéticos porfirinicos. Esto significa que en su estructura presentan el esqueleto tetra pirrólico conjugado. Se conocen diferentes clorofilas, pero las mas importantes desde el punto de vista de los alimentos son la clorofila a y b que se encuentran en los cloroplastos de las plantas superiores. Dentro de los cloroplastos las clorofilas se hallan entre una capa de lípidos y proteínas, además de otros compuestos. 259

268 Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill. Las clorofilas a y b, dan color característico a los vegetales verdes. Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill. La diferencia entre las clorofilas a y b esta en su estructura química, en que el grupo CH3 es reemplazado por un CHO en la clorofila b. Las clorofilas a y b poseen en el centro del anillo porfirinico, un átomo de magnesio y una cadena hidrocarbonada: el fitol, que esta unida a uno de los compuestos del anillo. Las características similares a las clorofilas pero que carecen de magnesio se denominan feofitinas y cuando les falta además el fitol, reciben el nombre de Feoforbidas. Las estructuras derivadas de las clorofilas que carecen únicamente del fitol, se les conoce con el nombre de clorofilidas, tal como se presenta en la figura Figura 38. Rutas de degradación de la clorofila. Fuente: Leninger. (2002). Bioquímica. Londres: Mac Graw Hill.

269 Efectos del procesamiento Las verduras pierden su color característico durante el procesamiento, debido a la degradación de las clorofilas. La estabilidad de la clorofila se ve afectada especialmente por: tratamiento térmicos La degradación de las clorofilas por efecto del calor crea grandes problemas a la industria de alimentos, en procesos tan sencillos como el escaldado o blanqueado, en el cual el vegetal es sometido a calentamiento por in tiempo entre 1-15 minutos, a temperaturas entre 90º - 100ºC con agua o con vapor, la clorofila pasa de un color verde brillante a un color verde parduzco, lo cual se atribuye a la conversión de la clorofila en feofitina. La utilización de procesos a elevada temperatura, por tiempos cortos (HTST), tampoco es muy ventajosa, a pesar que el color verde se mantiene, éste se deteriora durante el almacenamiento. Dependiendo de la intensidad del tratamiento no solo la clorofila pierde el átomo de magnesio sino que puede, además, romper el anillo porfirinico ph La conversión de las clorofilas en feofitinas en las verduras tratadas térmicamente, se relaciona esencialmente con la liberación de ácidos presentes en los tejidos durante el proceso que conlleva a la disminución del ph durante el tiempo de almacenamiento produciéndose la degradación de la clorofila que es inestable a ph ácidos. Para evitar esta disminución de ph se recurre a la adición de alcalinizantes tales como carbonatos manteniendo un ph óptimo durante el almacenamiento Sistemas de empaque Las verduras congeladas empacadas en recipientes transparentes, pierden su color verde como producto de la oxidación de la clorofila causadas por la luz. De lo anterior, se puede concluir que uno de los problemas, más serios, que enfrenta, el tecnólogo de alimentos en el procesamiento y almacenamiento de las verduras, es el que conserve su color natural. Una solución a este problema es la aplicación de atmósferas controladas, con lo cual se ha incrementado la retención de las clorofilas a medida que se incrementa la concentración de CO

270 En una práctica de laboratorio, se sometieron porciones de vegetal fresco a las siguientes condiciones con los siguientes resultados: 262

271 PRODUCTO REACTIVO ADICIONADO COLOR OBTENIDO PERDIDA DE sin reactivo espinaca 1 escaldado ( 3 min x 90ºC), y baño en hielo verde No hay pérdida de ningún componente estrucutral de la clorofila. espinaca 2 espinaca 3 espinaca 4 espinaca2 acido acetico 20%(pH acido) = 4.0 café verde oliva Hay pérdida de magnesio, a medida que el ph disminuye, se favorece la formación de feofitinas. cloruro de potasio(ph basico)= 8.0 café verde oliva La adición de bicarbonato, que eleva el ph, ayuda a mantener el color, pero pareciera que a phs superiores a 8.0 se produce sustancias llamadas clorofilinas. bicarbonato de sodio al 10%(pH basico)= 7.5 Verde En este parte se ha mejorado la estabilidad del pigmento evitando la perdida de fitol y magnesio. Sacarosa Verde brillante En la clorofila puede hidrolizarse el enlace éster que mantiene espinaca 5 unido el grupo fitol. Esta hidrólisis está catalizada por el enzima clorofilana, presente en los vegetales verdes. La estructura que queda al eliminarse el fitol recibe el nombre de clorofilina. Su color es semejante al de laclorofila, y consecuentemente su formación no representa un problema desde ese punto de vista, e incluso son algo más estables que las propias clorofilas frente a la pérdida del magnesio espinaca 6 metabosulfito de sodio al 10%(pH basico) Verde Brillante La adición de bicarbonato, que eleva el ph, ayuda a mantener el color, pero a costa de aumentar la destrucción de la tiamina. En esta parte se produce sustancias llamadas clorofilinas. Tabla 26: Degradación de clorofilas. Fuente: Resultados de laboratorio Curso química de Alimentos. Cead Duitama. I

272 Gráfica 39: Foto degradación de la clorofila. Fuente: Resultados de laboratorio Curso química de Alimentos. Cead Duitama. I Antocianinas Son pigmentos hidrosolubles con características de glucósidos muy reactivas. Las reacciones de deterioro usualmente implican la decoloración de los pigmentos. El porcentaje de pigmentos destruidos depende del ph y de la temperatura. Los colores rojos, púrpuras o azules son representativos de las antocianinas, un ejemplo entre los vegetales esta el repollo morado y entre las frutas las cerezas, uvas rojas, fresas y la piel de las manzanas rojas. Los efectos del procesamiento cuando se usa el sulfito o azufre en el proceso de la frutas, produce una rápida decoloración de las antocianinas, lo cual implica la desaparición del color característico de las frutas y el consecuente color amarillento debido a los otros pigmentos que contienen el producto. El deterioro de los productos envasados depende de la temperatura de almacenamiento, del ph del medio, de la presencia de otros componentes como azucares y ácido ascórbico. La presencia de oxigeno en el espacio de cabeza produce la oxidación del ácido ascórbico, lo cual induce a la oxidación de las antocianinas, produciéndose un desagradable color parduzco en frutas como la fresa. La estabilidad de los pigmentos se establece a ph bajo y a temperatura de refrigeración. 264

273 De todas las antiocianinas actualmente se conocen, aproximadamente 20 entre las que sobresalen: pelargonidina, delfinidina, la cianidina, la petunidina, la peonidina y la malvidina, nombres que derivan de la fuente vegetal de donde se aislaron por primera vez. El color de las antocianinas depende de varios factores intrínsicos, como son los sustituyentes químicos que contengan y la posición en el grupo flavilio: Tabla 27: Estructura y sustituyentes de las antocianinas Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Si dentro de la estructura general se aumentan tanto en R1 y R2 los grupos OH, se intensifica el color azul, mientras que la introducción de metoxilos (-OCH 3 ) provoca la formación de colores rojos (Ver tabla 28). Las antocianinas funcionan como verdaderos indicadores de ph su color depende de las condiciones de acidez o alcalinidad del sistema en que se encuentran: a phs bien ácidos adquieren un color rojo, cuando se incrementa el ph, la distribución electrónica dentro del núcleo se modifica hasta llegar a la formación de quinodeas decolor azul ((Ver tabla 28). Los cambios fisiológicos en la maduración de los frutos lleva consigo alteraciones en el ph, por lo tanto modificaciones en el color del tejido vegetal: 265

274 ph PIGMENTO IMÁGEN ph PIGMENTO MÁGEN 0.94 ROJO 2.3 FUCSIA 5.5 MORADO 6.9 AZUL PETROLEO 5.6 PERDIÓ EL COLOR ORIGINAL Y QUEDO GRIS (adición de metabisulfito de sopdio al 10%) VERDE OSCURO 10.9 DE VERDE A AMARILLO Tabla 28: Modificación quimica delas antocianinas del repollo morado en función del ph: fuente: Resultados de laboratorio Curso química de Alimentos. Cead Duitama. I Flavonoides Son compuestos fenólicos que abundan en la naturaleza; dado que tienen una estructura química muy parecida a la de las antocianinas normalmente se encuentran en diversos frutos junto con ellas ya Fuente: Leninger. (2002). Bioquimica. Londres: Mac Graw Hill. 266

275 que ambos grupos de pigmentos siguen un proceso biosintético. Son pigmentos amarillos que se encuentran en la savia celular, con una estructura similar a la de las antocianinas o sea que poseen dos anillos bencenicos unido por una cadena de tres carbonos que forman un anillo central al ligarse a un oxigeno. Estos pigmentos son genralmente amarillo, y a pesar de que existe un número muy grande de ellos, no contribuyen de manera importante al color de los alimentos; se localizan en diversas frutas, sim embargo sí son responsables en gran medida de la astrigencia de diversos productos, como el té. Dentro de los flavonoides existen varios grupos, que estén ligados al anillo de tres carbonos. Los mas importantes son los flavonoles, como el ferol, la quercetina y las flavonas como la lutiolina y tricetina, de los cuales la estructura del anillo es de tres carbonos Las sustituciones en los anillos bencenicos diferencian los pigmentos de cada grupo. Existen otros cinco grupos de flavonoides menos importantes las charconas, las auronas, las flavononas, las isoflavononas y los biflavonoles. Estos compuestos son estables al calor y a la oxidación y solubles en agua. A diferencia de los carotenoides y las clorofilas, los flavonoides no contribuyen a dar colores característicos a los alimentos, sino que algunos grupos de ellos presentan propiedades importantes para la industria de alimentos: - Los flavonoles: Se encuentran en una proporción hasta del 30% en peso seco en las hojas de te verde y contribuyen a su astringencia. - Las flavonas y los flavonoles tienen la propiedad de ligar metales, formado quelatos, por lo que se sugiere que se usen como antioxidantes en grasas y aceites, aunque su uso este limitado por su baja solubilidad en lípidos. - Las flavononas, se encuentran principalmente en las cáscaras de los cítricos. Existen otros grupos de pigmentos como son: taninos y betalaínas. Lección 34: Componentes del aroma El flavor de los alimentos es el resultado de las diversas sensaciones que un alimento proporciona a la persona que lo ingiere para que sea aceptado, y resultan de la estimulación simultánea de receptores situados en la boca y en la cavidad nasal por los constituyentes de los alimentos. 267

276 La naturaleza y estructura de estos constituyentes, las cantidades presentes en los alimentos, la intensidad y naturaleza de las percepciones sensoriales que provocan ya sea solos o en asociación, constituyen la base de numerosas investigaciones cuyo objetivo final es la mejora del hoy llamado internacionalmente flavor de los alimentos. Esta mejora puede obtenerse por cuatro caminos: 1. Elección y selección de las materias primas 2. La elección de procedimientos tecnológicos de transformación o conservación de alimentos que conduzcan a la mínima evaporación, destrucción o modificaciones desfavorables de los constituyentes aromáticos. 3. La adición a los alimentos de sustancias aromatizables naturales o sintéticas. Este camino exige o bien la preparación de extractos naturales mas o menos concentrados o la síntesis de moléculas aromatizantes parecidas o idénticas a las moléculas naturales, así como la reconstitución de mezclas complejas que imiten aromas naturales. 4. La formación, en el propio alimento, de una mayor cantidad de moléculas Aromatizantes por el refuerzo de procesos químicos, enzimáticos o microbiológicos de síntesis o biosíntesis (adición de precursores de enzimas, cepas bacterianas etc.). Lección 35: Componentes del sabor Las sustancias responsables del sabor son moléculas que pueden ser volátiles o no volátiles, que al entrar en la boca se volatilizan y consecuentemente causan un efecto en los centros olfativos, es decir, las primeras sólo estimulan el sentido del gusto y las segundas lo hacen tanto en el gusto como en el olfato. El sabor de los alimentos es detectado por las papilas gustativas situadas la gran mayoría en la base de la lengua. Cada papila gustativa, esta formada por varias células receptoras o gustativas y células de soporte que se abren por un poro a la superficie de la lengua. 268

277 Las células receptoras poseen fibras nerviosas que son sensibles a los sabores, a la temperatura y a la presión. A pesar de que todas las papilas gustativas pueden detectar todos los sabores, existen áreas más sensibles a un sabor que a otro. La lengua posee zonas que diferencian los cuatro sabores básicos: dulce, salado, ácido y amargo. El centro de la lengua es muy poco sensible al los sabores. Para que las pailas puedan detectar el sabor de un componente, es necesario que esté en solución o que se pueda solubilizar en la saliva o en jugos que contenga el alimento. El componente solubilizado llega a las papilas gustativas y estimula las fibras nerviosas que poseen las celulas receptoras, transmitiéndose el impulso nervioso a lo argo de las fibras nerviosas hasta el cerebro, donde se reconoce el sabor. Para cada sabor existe una concentración mínima del componente, que se denomina umbral del sabor, para que pueda ser detectado por las celulas gustativas. Este umbral varia con cada individuo, pero corresponde aproximadamente a las siguientes concentraciones de sabores básicos: salado al 0.25% de cloruro de sodio; dulce al 0.5% de sacarosa; ácido al 0.007% de acido clorhidrico y amargo al % de quinina. Hay una relación bastante buena entre el tipo de sabor y el tipo de estructura química. El sabor ácido esta ligado a la concentración de hidrogeniones. Sin embargo también intervienen la concentración o la naturaleza del anión, porque al igual ph los ácidos orgánicos (formica, cítrico, acético, tartarico, etc.) tienen un sabor mas ácido que el clorhídrico. El sabor salado es una propiedad de los electrolitos y mas concretamente de los halogenuros, con el siguiente orden decreciente: Cl-, Br-,T-,SO-24;NO3. los cationes también influyen en el gusto, las sales de sodio y de litio resultan marcadamente salada, mientras que las de potasio, magnesio, calcio y amonio son amargas. El amargo es una propiedad de numerosas sustancias orgánicas y en particular de los alcaloides; la quinina se utiliza, generalmente, como una sustancia de referencia. El dulzor lo origina frecuentemente, compuestos que son hidroxialifaticos, como los monosacáridos. Sin embargo, la sensación del dulzor varia con la configuración especial que presenten los grupos hidroxilo. 269

278 35.1 Influencia de otros factores Bermudez, Silvia (1995) 28. El sabor que detecta una persona es influenciado por otra serie de factores, además de las estructuras que presentan los constituyentes. Entre estos factores tenemos: - Temperatura: los extremos de temperaturas rebajan temporalmente la sensibilidad a los sabores; de ahí que en determinadas circunstancias los consumidores prefieran ingerir bebidas frías que a temperatura ambiente. - Textura: la concentración mínima de sustancia que se pueda detectar, varía con la textura que presente el alimento. Así para los cuatro sabores básicos se ha encontrado que se requiere una cantidad mínima en los alimentos líquidos, un poco mayor si es en forma de espumas y mayor si el sabor por detectar se presenta en un alimento en forma de gel. - Presencia de otros componentes: en muchos casos,un sabor reduce la intensidad percibida por un segundo. Las sales y los azucares poseen efectos mutuos enmascarantes, en especial el cloruro de sodio y la sacarosa. La sal tiende a disminuir el dulzor de la sacarosa, así que cuando se prepara un dulce al cual se le agrado un poquito de sal, este presenta un sabor menos dulce. Por el contrario, el dulzor se incrementa con el alcohol etílico. la sacarosa reduce el amargo de la cafeína. tal efecto del sabor dulce sobre el ácido produce un sabor agradable y un efecto que se aprovecha para intensificar el sabor de muchas frutas como el caso del jugo de limón sobre la papaya. La mezcla de sabor amargo con el sabor dulce produce un sabor que no corresponde a ninguno de los sabores básicos y es de gran aceptabilidad por los consumidores, lo que ha llevado al desarrollo de alimentos agridulces. El sabor amargo se intensifica con etanol, pero se disminuye con la sal. La degustación sucesiva de dos alimentos con sabores contrastes, tiende incrementar el sabor del segundo. Así cuando se prueba una toronja después de ingerir algún alimento dulce, la toronja parece amarga de lo que usualmente es. - Modificadores del sabor: se puede modificar también por la presencia de ciertos compuestos denominados modificadores o potencializadores del sabor. Los modificadores del sabor son sustancias que aumentan los gustos agradables de alimentos, o disminuyen los gustos desagradables. Los potenciadotes poseen muy poco o ningún sabor pero cuando se adicionan en muy pequeña cantidad a los alimentos modifica el sabor de estos. Se utilizan dos grupos de compuestos 28 Bermudez, Silvia (1995). Química de alimentos. Sante fe de Bogotá: Unisur. 270

279 químicos como potenciadotes del gusto: L-aminoácidos (L- Glutamato o su salde sodio, algunos 5 nucleotidos como la guanosina-5- monofosfato y la xantina-5 - monofosfato. El glutamato de sodio se utiliza ampliamente en la elaboración de sopas y carnes. Posee un sabor característico que cuando se adiciona en pequeñas cantidades a los alimentos, les incrementa los sabores agradables al mismo tiempo que reduce los desagradables, como el sabor fuerte de las cebollas, o crudos de las verduras o el amargo de las verduras en conserva Aroma La generación de aromas se lleva a cabo por un gran numero de procesos biosintéticos y también por diversas reacciones químicas catalizadas por las altas temperaturas Se denomina aroma a la sensación olfativa percibida degustando un alimento. las sensaciones olfativas, o mejor los olores, se perciben a través de los receptores olfatorios que se encuentran en la porción postodorsal de la mucosa respiratoria de las fosas nasales. Los receptores olfativos son células largas y estrechas provistas de pelos olfativos que atraviesan el mucos que cubre el epitelio nasal, los quimiorreceptores del olfato se hallan en la pituitaria amarilla, que ocupa la parte superior de las fosas nasales. La parte inferior se halla recubierta por la pituitaria roja, una mucosa con numerosos vasos sanguíneos que calientan el aire inspirado. Para estimular las células olfatorias es necesario que las sustancias sean volátiles, es decir, han de desprender vapores que puedan penetrar por las fosas nasales, y que sean solubles en agua para que se disuelvan en el moco y lleguen a las células olfatorias. Estas transmiten un impulso nervioso al bulbo olfatorio y, de este, a los centros olfatorios de la corteza cerebral, que es donde se aprecia e interpreta la sensación. Es claro que las moléculas odorantes tienen que ser volátiles. La mayoría de ellas, cuando están en solución acuosa son mas volátiles que el agua, aunque su masa molecular y puntote ebullición son mayores que los del agua, pero su presión parcial de vapor, a una temperatura dada, resulta inferior a la del agua. Esta elevada volatilidad se explica al tener una solubilidad en agua relativamente baja; esta relación resulta especialmente evidente con los compuestos de una serie homologa, donde las moléculas de cadena larga son mas hidrófobas y mas volátiles, cuando se encuentran en solución acuosa Relación entre la estructura química y aroma de la sustancias 271

280 No se ha podido establecer una clara relación entre la estructura química y el olor que detectan las personas. Hasta hace poco lo olores se clasificaban en fragante, ácido amargo, quemado y caprilico (fétido), lo que no es una escala satisfactoria, además, porque no se han encontrado las estructuras químicas que correspondan a estos olores. Se ha encontrado que las sustancias que presentan olores similares, son adsorbidas en un grado similar por adsorbentes como el carbón activado; mientras que las que presentan olores diferentes, aunque su estructura química sea similar, son adsorbidas de una manera también diversa. Esto hace suponer que en la mucosa olfativa existe algún tipo de adsorcion investigaciones posteriores han demostrado que las moléculas con un olor similar presentan una forma y tamaño similar aunque difieran en forma considerable en la forma química. Esto hace suponer que el olor de una sustancia depende de su forma estereoquímica, que la lleva a reconocer un sitio especifico en los receptores olfatorios. Influencia de otros factores La detección de una sensación olorosa, implica que la sustancia sea volátil, pero además puede estar acentuada o disminuida por otra serie de factores, entre ellos tenemos: Umbral de percepción Es la concentración mínima de un compuesto que desencadena la percepción de un olor. Algunos de ellos como se observa en la tabla 32, se detectan a concentraciones muy bajas. Los valores que se registran en la tabla, explican por qué algunos alimentos que se preparan con pequeñas cantidades de pimiento, su aroma se detecta fácilmente ya que una de las sustancias odoríferas presentes en el pimiento posee un umbral de percepción muy bajo. Aromas de otros componentes el aroma de un alimento depende de los diversos constituyentes odoríferos que contienen, no solo de las sustancias naturales que posee, sino además del efecto de aditivos como los modificadores de sabor que también actúan como modificadores del aroma,tales como el glutamato monosodico y los 5 nucleótidos, los cuales estimulan la percepción de muchos aromas Aroma y Sabor de los alimentos 272

281 El aroma y sabor de los alimentos es el resultado de una gran variedad de componentes presentes en ellos. Además, el cambio en los sabores y aroma de los alimentos procesados relacionados con los cambios que sufren las sustancias durante el proceso. En la elaboración del pan por ejemplo, se han identificado unas 80 sustancias responsables del sabor, la mayoría de las cuales son inestables y por lo tanto se pierden en poco tiempo. Esto nos explica porque el sabor del pan viejo es diferente al del pan recién horneado, debido esencialmente a la disminución de compuestos carbonilitos. En los vegetales cocinados se encuentran, en diferente concentración, sustancias como sulfuro de hidrogeno, metanol, propanol, acetona, sulfuro de dímetelo y acroleína, las cuales le confieren un sabor característico a la zanahoria, papas, arvejas cocinadas, que además se modifican con la adición de los condimentos y la sal. CAPITULO 8. REACCIONES DE PARDEAMIENTO En este capítulo el estudiante encuentra en forma ordenada las reacciones que cuasan pigmentaciones oscuras en productos sometidoa a procesos tecnológicos térmicos y en productos vegetales. Este capítulo analiza cuando es deseable dicho pardeamiento y cuando no. Se presenta que hay diferentes tipos de pardeamiento de acuerdo al origen o las cuasas, por ello se tiene pardeamiento de tipo químico y enzimático. El capítulo también analiza los factores que aceleran la aparición del pardeamiento y la forma de prevenirlo. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 8, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. 273

282 Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Todos hemos observado lo que sucede cuando exponemos las frutas recién cortada al ambiente y el color que toman productos a base de azúcar cuando lo sometemos al calor. Sin consulta bibliográfica alguna, establezca las diferencias que se presentan en dichos cambios de color, identificando cuando son deseables y cuando no. Lección 36: Pardeamiento no enzimático. La formación de pigmentos oscuros en los alimentos durante el procesado y el almacenamiento es un fenómeno muy común. El tema es de interés primordial, ya que no solo involucra el color y el aspecto del alimento, sino también su sabor y su valor nutritivo. A pesar de que los resultados finales son los mismos, las reacciones que conducen al pardeamiento son extremadamente variadas y complejas. Algunas son catalizadas por enzimas e implican reacciones oxidativas en las que participan compuestos fenolicos. Esta clase es conocida como pardeamiento enzimático que será descrita mas adelante. A continuación se centrara especial atención a las reacciones de pardeamiento no enzimático. Esta clase de pardeamiento se conoce como pardeamiento de tipo químico y los compuestos finales de la reacción pardos o negros se conocen como Melanoidinas. Este pardeamiento es el que se presenta a más a menudo, cuando los alimentos se someten a tratamientos térmicos muy altos o cuando se almacenan por períodos muy largos; como resultado final se observan las coloraciones oscuras, una disminución de la solubilidad de las proteínas y del valor nutricional, así como la aparición de sabores y olores. A pesar de que muchos aspectos de estos fenómenos no han sido elucidados por completo, especialmente en lo referido a las últimas etapas de formación de pigmentos, se presume que el pardeamiento no enzimático se produce a través de tres mecanismos diferentes: la reacción de Maillard, que implica la interacción entre azucares y aminoácidos (libres o combinados en forma de peptidos y proteínas). Reacciones que involucran el ácido ascórbico. 274

283 Caramelizacion de azucares con o sin la acción catalítica de ácidos. No hay duda de que en los alimentos, que son sistemas complejos, a menudo se produce la combinación o interacción de los tres procesos. Los componentes importantes de los alimentos que intervienen en el pardeamiento no enzimático son carbohidratos de bajo peso molecular y sus derivados azúcares, ácidos ascórbico, compuestos carbonilo. También contribuye en esta reacción los aminoácidos libres y los grupos amino libre de las proteínas y péptido; hay que anotar que el pardeamiento puede presentarse en ausencia de sustancias nitrogenadas. El pardeamiento no enzimático se presenta con mayor frecuencia en los tratamientos de cocción, pasteurización, deshidratación o en el almacenamiento de los productos. El pardeamiento puede tener en los alimentos efectos favorables y desfavorables; los primeros dan a los alimentos el color, aroma y sabor que los caracterizan, por ejemplo café tostado y los segundos color, aroma y sabor desagradables, en algunos casos disminución de la solubilidad y pérdida del valor nutricional Descripción general Los componentes más importantes en los alimentos en cuanto a participación en el pardeamiento no enzimático se refiere, son carbohidratos de bajo peso molecular y sus derivados (azúcares, carbohidratos, ácido ascorbico). Los aminoácidos libres y los grupos amino libres de las proteinas y repetidos participan en las reacciones que conducen a la formación de pigmentos parduscos denominados melanoidinas. Los productos de las primeras reacciones que conducen al pardeamiento son incoloros. Como regla general, puede decirse que el progreso de la reacción se caracteriza por la formación de sustancias cada vez más reductoras. Se puede decir que el progreso de la reacción se caracteriza por la formación de sustancias cada vez más reductoras. Se forman uniones no saturadas y grupos carbonilos libres, cuya concentración va en aumento. Se produce agua como resultado de las sucesivas etapas de deshidratación en los tres los carbohidratos participantes. Se desprende CO2 y se forman componentes volátiles que son los responsables de la producción de los sabores característicos que acompañan a las reacciones de pardeamiento. Los procesos finales, sin embargo implican reacciones de polimerización que producen los pigmentos oscuros. A medida que progresa, los pigmentos se vuelven cada vez más oscuros y menos solubles en 275

284 agua. En los alimentos, la formación de estos compuestos se acelera por la presencia de grupos aminos libres, temperaturas elevadas y a veces oxigeno Mecanismos del pardeamiento no enzimático Reacción de Maillard El químico francés Maillard fue el primero en estudiar la condensación de azucares con aminoácidos, informo en 1912 que cuando se calienta una mezcla de azucares se forman sustancias parduscas denominadas melanoidinas. Desde entonces, la reacción de Maillard ha sido considerada como la causa principal del pardeamiento no enzimático en los alimentos y se menciona una gran cantidad de evidencias experimentales como prueba de esto. Implica la interacción entre azucares y aminoácidos o combinados en forma de pépticos y proteínas. Para que la reacción de Maillard se lleve a cabo se requiere de: * Azúcar reductor (cetosa o aldosa) * Un grupo amino libre (generalmente es lisina) proveniente de un aminoácido o proteína. El camino del pardeamiento no enzimático como consecuencia de la reacción de Maillard puede dividirse en las siguientes etapas. 276

285 NOMBRE DE LA REACCION Condensación entre el azúcar y el grupo amino DESCRIPCIÓN PRODUCTOS INICIALES PRODUCTOS FINALES ph CONDICONES FAVORABLES Productos de la reacción incoloros. Condensación entre el extremo reductor del azúcar y el grupo amino libre de aminoácido Azúcar con extremo reductor libre. Grupo amino libre de aminoácidos Formación glucosilaminas (Bases de schiff). de Aminoácidos que tengan más de un grupo amino, por esta razón la lisina con su amono en la posición ε-nh2 es el más reactivo. La velocidad de reacción se ve incrementada con los aminoácidos cuyo grupo amino este más alejado del carboxilo. Los azúcares reductores aceleran la velocidad de reacción Actividad acuosa intermedia. Reordenamiento de los productos de condensación Deshidratación de azúcares Cuando las aldosas reaccionan con compuestos aminados, pronto se encuentra que la mezcla de reacción contiene cetosas a lo que se llama reordenamiento de amadori. Cuando cetosas reaccionan con compuestos aminados el reordenamiento se llama reordenamiento de Heyns. Formación de compuestos intermedios insaturados enoles y pérdida de grupos alcoxi de los azúcares. Se parte de la glucosilamina para presentar reacciones de tautomeria para la formación de enoles intermedios que conducen a la formación de epimeros. Producto de amadori ó de Heyns. Producto de Amadori (1- amino-1-desoxi-2-α-dfructuosa) Producto Heyns: 2- amono-2-desoxialdosa Compuestos dicarbonilos insaturados ó HMF(hidroximetil fufural) Fufural. 7.0 Descenso del ph. Presencia de agua proveniente de las mismas reacciones intermoleculares. 5.5 Descenso del ph. Presencia de agua proveniente de las mismas reacciones intermoleculares. Ruptura subsiguiente polimerización y Formación de melanoidinas pardas por degradación de Strecker. Compuestos dicarbinilos Melanoidinas oscuras y pardas. Productos característicos del aroma y sabor del pan : isomaltol y maltol. ácid o Descenso del ph. Presencia de agua proveniente de las mismas reacciones intermoleculares. Tabla 29. Etapas del pardeamiento no enzimático. 277

286 Condensación de azucares con compuestos aminados Es importante para comprender cada una de las reacciones químicas de Maillard que el estudiante maneje conceptos de química orgánica relacionados con las reacciones de adición de los aldehídos y cetonas con aminas primarias para la formación de bases de schiff. Los azucares reaccionan con aminas primarias y secundarias para formar glucosilaminas. Similares reacciones de condensación ocurren con los aminoácidos libres y los grupos libres de los péptidos y las proteínas. Se cree que esta es la primera etapa de la reacción de Maillard. Se representa a continuación esta reacción para la condensación de la de la glucosa con la glicina: La condensación de Maillard se produce con todos los azucares función del carbono libre. reductores en A esta altura, los productos son aun incoloros. Las actividad de los reactivos entre si depende del tipo de azúcar así como el del aminoácido. Las pentosas son mas reactivas que las hexosas; las aldosas son en general mas reactivas que las cotosas; los monosacáridos son más reactivos que los disacáridos. Resulta obvio que para que la reacción ocurra, el azúcar debe tener un grupo OH- glucósido libre, lo que explica el relativo carácter inerte de la sacarosa y otros azucares no reductores. En cuanto a los aminoácidos, aquellos fuertemente básicos resultan más reactivos. 278

287 La reacción de condensación es reversible y los compuestos y los compuestos glucosilaminados son fácilmente hidrolizados por los acidos diluidos. Dado que el grupo de NH2 de la amina, aminoácido o proteina, se ve bloqueado por la reacción de condensación, uno de los efectos del proceso es la caida del ph Reordenamiento de los productos de condensación. La reacción entre compuestos de aminados con aldosas contiene cetosas y cuando se ha partido de una cetosa se forma aldosas, que después de la etapa de condensación sigue el reordenamiento. El producto de reordenamiento de una glucosilamina (aldosamina) es una fructosilamina (cetosilamina) lo cual se conoce como reordenamiento de Amadori. La isomerización de las cetosilaminas a aldosaminas es una reacción llamada, reordenamiento de Heyns. Para continuar entendiendo la segunda reacción de Maillard es necesario conocer y entender los términos enolización, señor estudiante: recuerda usted que son los enoles y por que se caracterizan? La glucosilaminas (sean aldosaminas o cetosilaminas) se transforman rápidamente según las siguientes reacciones: Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 279

288 Deshidratación de los productos del reordenamiento. Uno de los productos hallados luego del reordenamiento es el furfural o alguno de sus derivados. Se sabe que las aldosaminas y las cetosaminas puras se descomponen espontáneamente bajo ciertas condiciones, pero la velocidad es demasiado lenta como para ser significativa en el proceso de pardeamiento. Según Reynolds postuló que los productos de reordenamiento deben transformase primero en otros intermediarios menos estables. Una posibilidad es la formación de dicetosaminas, como la difructosaminas, por condensación de la cetosamina con una molécula adicional de azúcar, seguida de un reordenamiento. Las dicetosaminas son poco estables. A menor velocidad las cetosaminas se degradan igual que las dicetosaminas. La descomposición comienza por una enolazación en posición 1 y 2 como se determina a continuación (desplazamiento del doble enlace de la cetosamina Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 280

289 Se forman compuestos dicarbonilo insturados que son los precursores del pardeamiento químico; estos en medio ácido y por calentamiento dan origen al 5- hidroximetilfurfural (HMF) a partir de aldosas y fufural a partir de cetosas. Bermudez, Silvia (1995) 29 Otra vía de la descomposición de las cetosaminas, comienza en una enolización en posición 2 y 3 y conduce a la formación de reductonas. Esta reacción sucede en los alimentos cuyo ph es alrededor de Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 29 Bermudez, Silvia (1995). Química de alimentos. Sante fe de Bogotá: Unisur. 281

290 El isomaltol y la furanona son compuestos con un sabor ligeramente amargo, similar al caramelo o azúcar caramelizado. Cuando se almacena un alimento que es susceptible al pardeamiento enzimático, el contenido de aminoácidos sufre cambios al poco tiempo de almacenamiento. La velocidad de pérdida de aminoácidos es diferente y menor que la de pérdida de azúcares Rotura subsiguiente y degradación En esta etapa los compuesto dicarbonilo insaturados formados en la segunda etapa, reaccionan con aminoácidos que se encuentran en el medio y producen su degradación conocida cono degradación se Strecker la cual produce la formación de intermediarios de bajo peso molecular (aldehídos pirúvico y diacetilo) en mezcla de azúcares y aminoácidos. En esta etapa Maillard observo la producción de CO2 en cada etapa de la degradación de Strecker. O O R1-C - C-R2 + R3 CH (NH2) COOH R1 C (NH2) = C (OH) R2 + R3CHO + CO2 La anterior reacción es conocida bajo el nombre de degradación de Strecker, da como resultado la desaminación y la descarboxilación simultánea del aminoácido, que pasa a aldehído. Se produce anhídrido carbónico, con formación de un aldehído con un átomo de carbono menos que el aminoácido inicial y la aparición de algunos compuestos carbonilos nuevos. Los carbonilos reaccionan entre sí con los aldehídos o con las sustancias amino y producen compuestos olorosos como las pirazinas, uno de los componentes del aroma de las papas fritas Polimerización con formación de pigmentos Las reacciones finales del pardeamiento serían polimerizaciones de los compuestos carbonilo formados en las etapas anteriores. Se puede realizar mediante sucesivas reacciones de condensación aldólica, caracterizadas por la presencia de aminoácidos. El mecanismo por medio del cual las proteínas se unen a los pigmentos pardos se denomina copolimerización de los intermediarios carbonílicos con los grupos amino disponible. 282

291 Los productos finales de la reacción, las melanoidinas de color pardo, son pigmentos complejos de alto peso molecular y de estructura no conocida. Los pigmentos son hidrosolubles en las primeras etapas de polimerización. La leche en polvo es uno de los productos que bajo condiciones desfavorables de humedad y temperatura en el almacenamiento puede sufrir pardeamiento enzimático. Numerosos estudios se han llevado a cabo para determinar el tiempo y velocidad de pardeamiento químico de este producto para predecir su estabilidad en estantería., conoces alguno de e stos estudios? Lo invito a iniciar esta investigación y exponer tus ideas en el WIKI del curso virtual. Para ello avisa a tu tutor correspondiente Pardeamiento del Acido Ascórbico El ácido ascórbico es el responsable del pardeamiento que ocurre en los jugos y concentrados de frutas. Las soluciones que contienen ácido ascórbico en presencia de aminoácidos se oscurecen más rápidamente que las soluciones de azúcares y aminoácidos bajo las mismas condiciones. Se produce pardeamiento en soluciones de ácidos ascórbico puro a altos valores de ph. En los jugos cítricos el pardeamiento se presenta cuando alto porcentaje de ácido ascórbico ha desaparecido. El pardeamiento del ácido ascórbico, no se conoce complemente en la actualidad. Puede realizarse en presencia del aire o bajo condiciones oxidativas; comienza con la oxidación a ácido de dihidroascórbico y la transformación de éste a ácido 2,3- diatogulónico. Se ha estudiado el mecanismo con el sistema ácido ascórbico- glicina en presencia de ácido cítrico, la velocidad de formación de pigmentos fue mayor en presencia de oxígeno. De acuerdo a lo anterior el pardeamiento producido por la degradación del ácido ascórbico puede presentarse en presencia de oxígeno o en ausencia de él Degradación anaerobia Se presenta a ph 2,2 a 38 ºC a 100ºC y la secuencia que posiblemente se presenta es: 283

292 Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación La degradación aerobia. Se presenta con ácido sulfúrico 5% y a 100ºC. la secuencia de reacciones que se presentan son: 284

293 Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. La formación de anhídrido carbónico que se forma por la degradación del ácido ascórbico produce el abombamiento del envase en alimentos ricos en vitamina C Caramelización de azúcares Esta reacción de oscurecimiento también llamada pirolisis, ocurre cuando los azucares se calientan por encima de su punto de fusión; se efectua tanto a phs ácidos como alcalinos y se acelera con la adición de de ácidos carboxílicosy de algunas sales. Se presenta en los alimentos que son tratados de manera drástica, tales como la leche condensada y azucarada, los derivados de la panificación, las frituras y los dulces a base de leche como el arequipe y natillas. Los mecanismos que suceden son muy complejos y no se conocen en su totalidad. Es una deshidratación intermolecular entre azúcares para generar fufural y sus derivados insaturados que se polimerizan consigo mismos o con otras sustancias semejantes para formar las macromoléculas e pigmentos llamadas melanoidinas.durante esta trandsformación también se sintetizan compuestos de 285

294 bajo peso molecular muy olorosas como furanos, lactosas, furanonas, pironas, aldehídos, cetonas, ácidos esteres y pirazinas. El color característico de los dulces de leche como el arequipe es un atributo de calidad y aceptación. Dada la importancia que reviste, tanto para el diseño de equipos de producción como para el control de procesos de elaboración, existen investigaciones que estudian la velocidad global del proceso de obtención del color característico y su relación con el tiempo y la temperatura. Como complemento este el articulo titulado color development rate in dulce de leche, ITA-Argentina, key words: color, dulce de leche,kinetics. Lección 37: Factores que influyen en la velocidad del pardeamiento no enzimático (especialmente en las reacciones de Maillard), prevención e inhibidores 37.1 Factores Temperatura La velocidad de pardeamiento aumenta con la temperatura. El pardeamiento propicia el desperdicio de alimentos que durante el procesamiento se expusieron a temperaturas altas oscureciéndose más rápidamente durante el almacenamiento. Para determinar la velocidad de pardeamiento se realizan ensayos de almacenamiento acelerado, en donde se mide periódicamente la acumulación de HMF o la formación de pigmento. ph Como se ha presentado cada reacción de Maillard que intervienen en el pardeamiento tiene su propio ph. El ph alcalino incrementa le velocidad y alcanza un máximo a ph mayores que 7.0. En alimentos cuyo ph están entre 6 y 8 como la leche y los huevos puede presentarse la reacción de Maillard. La disminución del ph facilita el pardeamiento en la deshidratación pero desfavorece las características organolépticas. Alimentos con ph 2,5 y 3,5 como el zumo y concentrados de frutas ácidas (limón y toronja), la reacción responsable es la degradación del ácido ascórbico y fructosa, están catalizados por el ácido cítrico. En alimentos con ph intermedio (zumo de naranja) se presentan las reacciones de condensación de Maillard y la degradación del ácido ascórbico 286

295 Azucares Reductore. De acuerdo a la naturaleza de los azucares reductores se produce la reactividad en los alimentos y el proceso de pardeamiento. Los azúcares que más favorecen la reacción de maillard son en primer termino, las hexosas, asi mismo, las aldosas actúan más fácilmente que las cetosas y los monosacáridos son mas efectivos que los disacáridos reductores. La sacarosa por no tener poder reductor, no interviene a menos que se hidrolice previamente, lo cual es muy sencillo. AZUCARES Pentosa (ribosa) Hexosas (glucosa, fructosa) Disacáridos reductores ( lactosa, maltosa) Sacarosa (excepto alimentos ácidos) REACTIVIDAD Reactivos Medio reactivos Menos reactivos No reactiva Actividad agua del Es uno de los factores mas importante para incrementar la velocidad del pardeamiento. Los alimentos de húmedad intermedia y que han sufrido tratamientos térmicos drásticos son los más propensos a sufrir pardeamiento químico. En la reacción de Maillard se produce agua, modificando la cantidad de agua en un deshidratado. Una actividad de agua entre 0.5 y 0.7, hace que la velocidad de pardeamiento se acelere. Contenido humedad. Efecto oxígeno. de del La velocidad de pardeamiento se eleva al aumentar la concentración de solutos, es por eso que los concentrados de frutas se pardean más rápido que los jugos naturales. Con menor contenido de humedad, la velocidad de pardeamiento disminuye. En presencia del ácido ascórbico, el oxígeno se ve directamente implicado en la reacción y se presenta el pardeamiento. En la reacción de Maillard no es esencial el oxígeno, en algunos casos acelera el pardeamiento y en otros lo inhibe. A diferencia del pardeamiento enzimático, la eliminación del oxígeno o el empleo de antioxidantes no son métodos efectivos para la prevención práctica de la reacción del pardeamiento no enzimático que no involucra al ácido ascórbico. Para reflexionar: se ha mencionado que valores de Aw entre favorecen las reacciones de pardeamiento químico, sobre todo las reacciones de Maillard. Cual será la explicación para justificar ésta afirmación y cual es la influencia de la Aw a rangos superiores a 7.0 e inferiores a 5.0? 287

296 37.2 Aceleradores e inhibidores del pardeamiento Los fosfatos, ácidos carboxílicos y sus sales aceleran el pardeamiento no enzimático y aumentan la intensidad del color final. El cobre acelera el pardeamiento en presencia de ácido ascórbico. El estaño se presume que demora la aparición del pardeamiento no enzimático. Productos cítricos envasados en latas barnizadas o en recipientes de vidrio se pardean más rápido que los almacenados en hojalata común. El bióxido de azufre es el mejor inhibidor en las reacciones de pardeamiento. En frutas, verduras deshidratadas y jugos de frutas se utiliza como inhibidor el ácido sulfuroso y sus sales Prevención del pardeamiento no enzimático Eliminación de sustratos. Para que se realice la reacción de Maillard, se necesita la presencia de un grupo carbonilo libre de los azúcares, se puede evitar el pardeamiento oxidando la glucosa a ácido glucónico por medio de la enzima glucosa oxidasa; si el azúcar se encuentra en pequeñas cantidades puede eliminarse por fermentación. Para la preparación de concentrados proteicos a partir de tortas de algodón, se utilizan variedades exentas de gosipol, este compuesto con carbonilo, puede producir pardeamiento y la disminución del valor nutricional de la proteína. Descenso del ph Control de temperatura y humedad. Adición de agentes inhibidores. El descenso del ph puede retardar el pardeamiento en los alimentos. Por esto el producto debe someterse a una acidificación moderada. Este proceso se utiliza en la preparación de huevos deshidratados. Por la presencia de reacciones de pardeamiento los alimentos no deben someterse a tratamientos térmicos muy altos y se debe proporcional temperaturas adecuadas en el almacenamiento. En productos deshidratados la temperatura de almacenamiento no debe sobrepasar los 25 C. En contenidos inferiores al 20% en los procesos de deshidratación es cuando se presenta con mayor riesgo el pardeamiento. En zumos concentrados de agrios se debe almacenar a temperaturas aproximadas de 0 C para evitar el pardeamiento no enzimático y la producción de anhídrido carbónico que produce abombamiento en los envases. Productos como los caramelos producen corrosión de hojalata. Los concentrados de tomate almacenados a temperaturas altas se producen pardeamiento no enzimático, con formación de anhídrido carbónico, seguido de corrosión. El inhibidor más eficaz del pardeamiento no enzimático es el ácido sulfuroso. Existen varias teorías para explicar el mecanismo de acción de los sulfitos: a) Bloqueo de los grupos carbonilo. 288

297 El ácido sulfuroso bloquea los grupos carbonilo por una reacción de adición. Algunos investigadores postulan que le anhídrido sulfuroso previene la interacción aldosa-amina al bloquear los grupos carbonilo. Sin embargo, los estudios cinéticos no respaldan la teoría del bloqueo de las aldosas, otros autores sugieren que el anhídrido sulfuroso se combina con sustancias carbonilicas como el HMF formadas en las etapas finales de la reacción, o puede interferir en la degradación de Strecker bloqueando los compuestos carbonilicos. b) Efecto antioxidante En la degradación de ácido ascórbico, actúa como antioxidante retardando la formación del pigmento. c) Efecto bloqueador. Algunas teorías del efecto del anhídrido sulfuroso admitían que este blanqueaba los pigmentos pardos y de esta manera disminuía la intensidad del color. Experimentalmente se ha comprobado que el anhídrido sulfuroso cuando se adiciona a un sistema con una reacción de maillard avanzada no evita el pardeamiento. Lección 38: Pardeamiento enzimatico El rápido oscurecimiento de muchas frutas y verduras como manzanas, plátanos, aguacates, papas es un problema al que se enfrentan con frecuencia los profesionales en alimentos. A diferencia del pardeamiento no enzimático mencionados anteriormente este tipo de coloración es muy rápida, requiere el contacto del tejido con el oxigeno, es catalizado por enzimas que estas presentes en el tejido del alimento y ocurre solamente en tejidos vegetales. Con frecuencia se considera al pardeamiento no enzimático como un proceso de deterioro perjudicial que debe de prevenirse. Por otra parte, el pardeamiento enzimático es esencial en el desarrollo del color y sabor adecuado en el té y el cacao. El pardeamiento enzimático no ocurre en los alimentos de origen animal, en los vegetales origina problemas cuando se altera el tejido o se dañan por golpes durante los procesos: pelado, corte, triturado, para la preparación de jugos, congelación y deshidratación. El pardeamiento enzimático se observa en los vegetales ricos en compuestos fenólicos y también durante la formación de melaninas en los insectos (oscurecimiento de la cutícula) así en los mamíferos (melanomas responsables de la pigmentación de la piel). 289

298 Cheftel, J (1998). Se denomina pardeamiento enzimático la transformación enzimática en sus primeras etapas, de compuestos fenólicos en polímeros coloreados, frecuentemente pardos o negros. Las fases de su transformación son las siguientes 31 : Entre los sustratos naturales del pardeamiento enzimático tenemos los mono,di, o polifenoles, su reactividad depende de su estructura y de las enzimas que catalizan su oxidación: Fuente: Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. 31 Cheftel, Jean (1998). Introducción a la bioquímica y tecnología de alimentos. Vol. I.. Zaragoza: Acribia. 290

299 38.1 Mecanismo general La etapa inicial del pardeamiento enzimático es la oxidación catalizada por enzimas, denominadas monofenolasas; cuyos sustratos son los derivados del catecol para dar las ortoquininas correspondientes (ver figuras de las fases de trasformación). El paso, segunda etapa, siguiente implica la polimerización de las o-quinonas para dar sustancias complejas coloreadas se desconoce la estructura exacta de estos compuestos se cree que la polimerización de las o-quinonas se ve predecida por una hidroxilación a las hidroxiquinonas correspondientes: Fuente: Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. Estas, y las continuas reacciones de polimerización o condensación conducen a los pigmentos rojos, morados, pardos, negros, son aparentemente no enzimáticos y no requieren la presencia de oxigeno. Se debe aclarar que la hidroxilación de monofenoles y la oxidación de difenoles son dos acciones enzimáticas distintas y separables; sin embargo, parece que una misma enzima puede catalizar, frecuentemente, ambas reacciones. Enzimas de origen diferente también presentan relaciones de actividad hidroxilante/oxidante diferentes, lo que atribuye a la existencia de isoenzimas y al hecho de que su contenido en Cu+ y Cu++ varía de una a otra forma. La nomenclatura relativa a estas enzimas no es muy precisa: se habla de monofenolasa o de cresolasa, refiriéndose a la primera etapa enzimática y de polifenoloxidasa, de polifenolasa o de catecolasa con relación a la segunda etapa, el nombre sistemático para las enzimas responsables de la acción oxidante es O- difenolo-oxígeno-oxidoreductasa (E.C ). Es el oxígeno molecular el que actúa como aceptor de hidrogeno. 291

300 CONSULTA EL ENLACE EN VIRTUAL EN LA PAGINA PRINCIPAL DEL CURSO SOBRE: PARDEAMIENTO ENZIMATICO. No se conoce perfectamente el mecanismo de la oxidación de difenoles. Se propone la siguiente ecuación estequimétrica: Fuente: Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. La cinética de la reacción se estudió midiendo la absorbancia de las quinonas. La reacción se inhibe por un exceso de producto final. (Quinona). Aunque las polifenoloxidasas sólo están presentes en los tejidos vegetales en bajas concentraciones frecuentemente es el contenido en sustrato y no la enzima el que limita la velocidad de pardeamiento. El ph óptimo para el pardeamiento se sitúa entre 5 y 7 y más específicamente entre 6 y 6.5. A ph más bajos su actividad decrece rápidamente y puede medirse por la absorbancia de las quinonas, a la oxidación no enzimática de compuestos cuyo potencial redox es inferior a las de las quinonas. Por lo general, la polifenoloxidasa es relativamente resistente al calor. Según la fuente de que la enzima proceda, se pueden requerir temperaturas hasta de 100ºC durante 2 a 10 minutos para desnaturalizar dicho biocatalizador. 292

301 La polifenoloxidasa posee acción oxidante alimentos: e hidrolizante en los siguientes Oxidante Polifenolsa Plátano Melocotón Té Tabaco Alimento Hidrolizante Manzana Pera Papa Champiñones Lección 39: Prevención del Pardeamiento enzimático Para que ocurra el pardeamiento enzimático debe hallarse presentes tres factores: sustratos fenólicos adecuados, fenoloxidasas activas y oxígeno. Los métodos de prevención más comúnmente usados se dirigen a la enzima y al oxígeno. Los principales enfoques son: Eliminación y modificación de sustratos Inactivar la enzima (bloqueo, inhibidores). Crear condiciones poco favorables para la acción enzimática Minimizar el contacto con el oxígeno Empleo de antioxidantes, entre otros. En la actualidad la industria presenta un creciente interés sobre el contenido de antioxidantes en diferentes alimentos, dentro estos esta la miel, su posible utilización en tecnología para frenar reacciones oxidativas y de pardeamiento enzimático. Es atrayente saber en las investigaciones que se están realizando Cual es la sustancia que le otorga esta cualidad antioxidante a la miel? 293

302 eliminación y modificación de sustratos Inactivación de la enzima La eliminación total de los sustratos es imposible, lo mejor es tratar de seleccionar variedades deficientes en los sustratos fenólicos. Esta modificación se investiga en la actualidad, Se ha observado que los ésteres metílicos de los o-difenoles son más resistentes a la oxidación que los correspondientes fenoles y se diseño un método para prevenir el pardeamiento fundamentado en la mutilación de los polifenoles naturales mediante la enzima o-metiltransferasa. Algunos investigadores proponen la destrucción de las quinonas por reacción con sustancias con grupos sulfhidrilo o amino. Algunos métodos empleados resultan demasiado costosos, o las sustancias pueden ser tóxicas o alterar las características sensoriales de las frutas u hortalizas disminuyendo su calidad. La inactivación térmica es la más empelada. Se denomina blanqueo al calentamiento de la fruta o la hortaliza en agua caliente o vapor hasta que se inactiva la enzima. Aquellas frutas que luego serán transformadas en pulpa pueden blanquearse en forma continua en los llamados escaldadores de fruta. Si el tratamiento térmico no es suficiente, completo y veloz, esto puede acelerar el pardeamiento en lugar de prevenirlo. La relación tiempo-temperatura esta en gran proporción determinada por el ph, ya que a phs bajos la actividad catalítica decrece y la inactivación de la enzima es completamente irreversible por otra parte el tiempo requerido para la total inactivación de la enzima en los jugos de frutas depende de la cantidad de enzima presente en el producto y de la presencia o ausencia de pulpa de la fruta en el jugo durante el tratamiento térmico. Debemos tener en cuenta que el escaldado puede producir cierto sabor a cocido y alguna textura muy blanda, características mas bien indeseables en productos que van ase congelados o en papas que serán transformadas en papas fritas. Condiciones desfavorables Minimizar el contacto con el oxígeno El descenso del ph retarda el pardeamiento enzimático. El empleo de ácidos es muy útil para este propósito. El ph óptimo para las fenolasas en los alimentos está en alrededor de 7.0. El disminuir el ph a valores por debajo de 4 retarda considerablemente la actividad de la fenolasa. El agente mas utilizado es el ácido cítrico; parte de su acción puede deberse a su efecto quelante del cobre. Los métodos de aplicación incluyen el sumergir la fruta u hortaliza en soluciones diluidas de ácido citrico o su agregado directo a puerés o jarabes. El ácido málico resulta más efectivo aun. La eliminación de oxígeno evita que la reacción pueda efectuarse; se puede realizar por tres métodos: por vacío, por nitrógeno o por consumo de oxígeno. Para este último método se utiliza la acción enzimática 294

303 empleando las enzimas glucosaoxidasa y la catalasa. La sola eliminación del oxígeno no es suficiente y debe precederse al método de conservación escogido. La prevención del contacto con el oxígeno se hace utilizando salmuera y jarabes que limitan la entrada del oxigeno a los tejidos vegetales. Las frutas y hortalizas después de los tratamientos térmicos de pelado y cortado se sumergen en las soluciones de azúcar o sal. La inmersión de las hortalizas en agua o solución de cloruro de sodio y de las frutas en jarabe, después de pelarlas y rebanarlas, contribuyen a limitar el oxigeno y evitar su acceso al producto. Tal parece que el cloruro de sodio tiene algún efecto específico adicional sobre la acción del oxigeno, puede orientarse también a su eliminación mediante vacío o incorporación de gases inactivos como el nitrógeno en la atmósfera en contacto con el producto, dentro de las latas y los empaques. La inmersión de frutas, después del pelado y corte, en agua ligeramente salada o en una solución de sacarosa o glucosa, limita la entrada de oxígeno hasta el tejido vegetal y su absorción por este último. A los almíbares se les añade frecuentemente ácido ascórbico. La penetración de azúcar en los tejidos los fortalece, debido al aumento de la presión osmótica por lo general, las frutas destinadas a la congelación se reciben de jarabe; se emplea una parte de jarabe al 30-50% de sacarosa, para 3-7 partes de fruta, el azúcar actúa como crioprotector y mejorar la retención del aroma. Empleo de Antioxidantes El uso del ácido ascórbico o su isomero, el ácido isoascórbico, retarda el pardeamiento enzimático en virtud de su poder reductor. Reduce a iso-quinonas nuevamente a su o- difenoles originales. El ácido ascórbico, generalmente combinado con el ácido cítrico, se emplea a menudo como inhibidor del pardeamiento en la industria de la fruta congelada el antiguo y eficiente método culinario de emplear jugo de limón con el mismo fin también se basa en la acción combinada del ácido ascórbico y del ácido citrico. El propio ácido ascórbico sufre pardeamiento aunque este es un proceso lento y de poca importancia en la fruta congelada. Para reflexionar: el empleo de antioxidantes (ácidos orgánicos) es muy común para prevenir el pardeamiento enzimático. Sobre que base teórica se puede explicar el mecanismo químico que inhibe dicho pardeamiento?. 295

304 Otras sustancias reductora, tales como las sustancias que poseen grupos SH, son reconocidas como preventivas del pardeamiento enzimático al reducir a las quinonas. El bióxido de azufre, los sulfitos y bisulfitos son inhibidores efectivos del pardeamiento. Tiene la ventaja de evitar el pardeamiento enzimático y el no enzimático e inhiben simultáneamente la fermentación. Son efectivos a muy bajas concentraciones, tales como pocas partes por millon de SO2 libre. En la industria procesadora de frutas, el bióxido de azufre y los bisulfitos son de uso cotidiano. Se les emplea para la preservación de papas peladas y cortadas en rodajas para uso institucional. El bióxido de azufre inhibe la acción de las fenolasas, por otra parte al ser un fuerte agente reductor el SO2 reacciona también reduciendo a las o-quinonas, tal como lo realiza el ácido ascórbico. El bióxido de azufre y las sales del ácido sulfuroso poseen varias limitaciones que deben tomarse en cuenta; decoloración de los pigmentos de antocianina; destruyen la tiamina (vitamina B1); su olor y sabor resultan objetables a concentraciones mayores de 30-50ppm, y las leyes en diferentes países limitan su utilización a algunas aplicaciones específicas. Lección 40: ejemplos e investigaciones sobre la velocidad de pardeamiento La leche en polvo por su proceso térmico a que es sometida, es uno de los productos deshidratados que mayor tiene tendencia a sufrir de pardeamiento no enzimático tipo reacción de Maillard, debido a su composición en aminoácidos libres y contenidos de azúcares, que sin moléculas de agua, propician la formación de bases Shiff ( glucosilaminas). Los tratamientos térmicos, como pasteurización, esterilización UHT directa o indirecta, preesterilización y esterilización en botellas o clásica, además de los tratamientos para la obtención de leche en polvo bien por sistema de rodillos o spray, producen en la leche de partida, modificaciones deseables e indeseables. Entre los deseables, la destrucción de microorganismos o esporas y la inactivación de enzimas aumentando la vida comercial del producto. Entre los indeseables, cambios en los componentes de la leche (proteínas, lípidos, carbohidratos y minerales) que alteran el aroma, color, la consistencia y reducen el valor nutritivo del producto. Por eso optimizar el tratamiento térmico sería maximizar los efectos deseables y minimizar los indeseables, como dice Reuter (1985). El principio general del proceso consiste en el empleo de la temperatura más alta posible en el tiempo más corto viable. Los avances experimentados en tecnología láctea, facilitan la obtención de estos objetivos 296

305 Jiménez Salvio, (2002) presenta algunas de las alteraciones de los componentes de la leche por los tratamientos térmicos, como por ejemplo: Interacciones entre los grupos laterales de los aminoácidos (aa) que dan lugar a la formación de enlaces pseudopeptídicos y de lisinoalanina. Las reacciones de este tipo favorecidas por un ph alcalino, origina aa no naturales como lantionina, aminoalanina, ornitina, ornitinoalanina, ácido diaminopropiónico y lisinoalanina. Estas reacciones disminuyen el valor nutritivo a causa de la baja biodisponibilidad de los aminoácidos lisina y arginina y pueden originar compuestos tóxicos. Interacciones de carbohidratos con proteínas: reacción de Maillard, que se inicia con la reacción entre un grupo amino y un compuesto carbonilo. La lisina (aa esencial) es el más afectado por su doble grupo amino. La reacción de Maillard (RM) ha sido objeto de especial interés en el estudio del efecto del tratamiento térmico sobre la calidad proteica de la leche y de las fórmulas de alimentos para lactantes, bien sean en forma líquida o en polvo, porque afecta al valor nutritivo de las proteínas, puede dar lugar a compuestos antinutritivos y tóxicos y provoca cambios organolépticos y funcionales; por otra parte en la composición del producto, la elevada relación lactosa/proteínas y los tratamientos térmicos aplicados, favorecen la RM, ya que necesitan en este proceso un elevado aporte de energía de activación, La RM también se produce durante el almacenamiento prolongado (vida comercial), en condiciones adversas de humedad y temperatura en leches en polvo, o temperaturas inadecuadas cuando se trata de leches líquidas. Por tanto los almacenamientos relativamente prolongados a que se somete la leche en polvo, favorecen este proceso, aunque el almacenamiento con atmósferas modificadas o con Nitrógeno disminuye estos efectos. 32 Los diferentes tratamientos térmicos a que se somete la leche, conducen a diferentes etapas de la RM. La optimización de los procesos permitirá controlar y limitar en lo posible esta reacción, a fin de que el contenido en lisina del producto final sea similar al del producto crudo (Jiménez Salvio, (2002)). De esto se deduce el interés de disponer de indicadores químicos del deterioro de la leche que permitan controlar las modificaciones que se producen durante la recogida, elaboración y almacenamiento de misma y de las fórmulas infantiles de 32 Jiménez, S. (2002). Indicadores del deterior de la leche. Consultado en 09, 07,2009 en 297

306 base láctea que se emplean para alimentación de recién nacidos, Jiménez Salvio, (2002). Estos parámetros serán de utilidad para la optimización de procesos y condiciones de almacenamiento para el control de calidad del producto. Su determinación permitirá detectar los procesos a los que ha sido sometido el producto y estudiar los efectos de su almacenamiento sobre su calidad. Los indicadores del deterioro de la leche se pueden clasificar en (Jiménez Salvio, (2002): Indicadores Específicos de la RM. No deseables: Furosina (FUR). Lisinoalanina (LAL). Histidinoalanina (HAL). Furfurales. Melanoidinas. Lisina disponible Fuente: Jiménez, S. (2002). Indicadores del deterior de la leche. Consultado en 09, 07,2009 en Señor estudiante: Como puede observar la importancia y el interés en esta temática, por lo tanto puede consultar el siguiente link para complementación : 13SalvioJimenez.htm Se han realizado investigaciones como Relación entre color y pardeamiento no enzimático en leche entera en polvo bajo condiciones aceleradas de almacenamiento 33 para determinar la aparición y el avance de este tipo de pardeamiento sobre la leche entera en polvo (LEP). Esta investigación del instituto de Tecnología de Alimentos INTA de Argentina, a determinado que este avance se puede monitorear con la aparición del Hidroximetilfufural (HMF) libre, tomándolo como índice con la aparición del color. Estas evaluaciones se realizaron entre 120 y 180 días de almacenamiento, para leches LEP con un tratamiento térmico a 110ºC por 30 seg. 33 Grigioni, G. Páez. (2006). Relación entre color y pardeamiento no enzimático en leche entera en polvo bajo condiciones aceleradas de almacenamiento. 298

307 La cantidad de HMF libre en leches aumento gradualmente con las condiciones atmosféricas, siendo más altos en épocas de días lluviosos que secos, ya que los días fríos y húmedos aportaron mayor HR del ambiente presentándose una transferencia y difusividad de gases del exterior al interior del producto. La apariencia de estas leches de acuerdo al análisis sensorial fue de color más amarillento. CAPITULO 9: REACCIONES DE DETERIORO QUIMICO Y MICROBIANO En el último capítulo del curso, es estudiante analiza las reacciones que causan el deterioro en algunos componentes de los alimentos, como son los lípidos y la vitaminas. La oxidación de lípidos conlleva a que un alimento pierda s ucalidad nutricional, quimica y sensorial, por esto, este tema no podía quedar por fuera de este curso. Se presentas los mecanismo de reacciones y las fases químicas de oxidación de lípidos y la manera de prevenirlo, por ello, es estudiante encontrará concpetos sobre antioxidantes y su mecanismo de acción. El capítulo finaliza recordando que los alimentos también puede sufiri alteración por contaminación microbiana y reacciones con los fotones de luz. Los conceptos generales se refuerzan con la autoevaluación, e información de interés que están en recuadros donde se invita al estudiante a generar conocimiento y consultar enlaces virtuales. Al final de la unidad, el estudiante puede encontrar actividades relacionadas con el capítulo 9, las cuales refuerzan la fase de trasnferencia del curso. Lección 41: Oxidación de lípidos Actividad Inicial Actividad de reconocimiento Realice una visita a un supermercado de su sector, seleccione seis alimentos de diferente línea. Explique de acuerdo a sus conocimientos que deterioro se pueden presentar en cada uno de ellos después de la fecha de vencimiento. Y cual o cuales serian las posibles causas Deterioro de los lípidos Las grasas y aceites pueden sufrir transformaciones que además de reducir el valor nutritivo del alimento producen compuestos volátiles que imparten olores y 299

308 sabores desagradables; esto se debe a que el enlace ester de los acilgliceroles es susceptible a la hidrólisis química y enzimática, y a que los ácidos grasos insaturados son sensibles a reacciones de oxidación. El grado de deterioro depende del tipo de grasa o de aceite; en términos generales, los que mas fácilmente se afectan son los de origen marino, seguidos por los aceites vegetales y finalmente por las grasas vegetales. El termino rancidez se usa para describir los diferentes mecanismos a través de los cuales se alteran los lípidos y se ha dividido en dos grupos: lipólisis o rancidez hidrolítica y autoxidacion o rancidez oxidativa. A continuación se discuten los principales aspectos de los mecanismos de alteración de las grasas y de los aceites Lipólisis Mediante esta reacción, catalizadas por las enzimas lipolíticas llamadas lipasas y en ciertas condiciones, por efecto de las altas temperaturas se liberan ácidos grasos de los triacilgliceridos y de los fosfolipidos. En semillas crudas de las oleaginosas se presenta una fuerte actividad lipasica, cuya función biológica es aprovechar los lípidos que sirven para suministrar nutrientes y así fortalecer la germinación. La acción de estas enzimas es hidrolizar el enlace ester de los acilglicéridos y producir acidos grasos libres incrementando el índice de acidez. A diferencia de otras reacciones enzimáticas, la lipólisis se puede efectuar en condiciones de actividad acuosa muy baja, como la que prevalece en la harina de trigo; esto se debe a que, si los triacilgliceroles están en estado liquido, tienen una gran movilidad y pueden, consecuentemente, favorecer el contacto con las lipasas y provocar la reacción. En la carne y el pescado congelados ocurren diversos cambios que provocan la generación de olores indeseables y que provienen no solo de la oxidación sino también de la lipólisis. La hidrólisis de los acilglicéridos no solo se efectúa por acción enzimática; también la provocan las altas temperaturas en presencia de agua, como ocurre durante el freído de los alimentos Por otra parte, muchos hongos y levaduras que se encuentran comúnmente como contaminaciones, dado su sistema enzimático llegan a ocasionar severos problemas de lipólisis. En la leche, los acidos grasos generados por las correspondientes lipasas son de cadena corta como al ácido butírico, caproico, caprilico y laurico, los cuales son más volátiles con olores peculiares y responsables del deterioro sensorial de estos productos; en este caso se perciben olfativamente. Aunque en este caso la 300

309 lipólisis es indeseable, en algunos quesos es totalmente deseable y hasta se añaden lipasas microbianas o algunos microorganismos con fuerte actividad lipolitica. Las lipasas de la leche esta asociada de manera natural con las micelas de caseína y cuando se efectúa la homogenización se pone en contacto la enzima con los glóbulos de grasa, de manera que si no se pasteuriza o esteriliza inmediatamente, se favorece la lipólisis. Autoxidación Esta transformación es una de las mas comunes de los alimentos que contienen grasas y otras sustancias insaturadas; consiste principalmente en la oxidación de los ácidos grasos con dobles ligaduras, pero se llega a efectuar con otras sustancias de interés biológico, como la vitamina A. Recibe el nombre de autoxidación pues es un mecanismo que genera compuestos que a su vez mantienen y aceleran la reacción ; entre los productos sintetizados se encuentran algunos de peso molecular bajo que le confieren el color característico a las grasas oxidadas, y otros cuya toxicidad todavía esta en estudio. la autoxidación se favorece a medida que se incrementa la concentración de ácidos grasos insaturados (o el índice de yodo). Lo mismo que sucede en otras transformaciones químicas, las altas temperaturas aceleran la autoxidación especialmente por encima de 60ºC, de tal manera que la velocidad se duplica por cada 15ºC de aumento; cabe aclarar que la refrigeración y aún la congelación no necesariamente la inhibe ya que la presencia de catalizadores y la disponibilidad de los reactivos puede provocar que se lleve acabo en estas condiciones. El cobre y el hierro inician esta transformación en concentraciones menores a 1ppm, por lo que es muy importante evitar todo contacto con recipientes o equipo elaborado con estos metales. El primero tiene más especificidad para catalizar la oxidación de las grasas lácteas, y el segundo para los aceites vegetales. Los ácidos grasos libres solubilizan estos iones y facilitan su acción catalizadora pues provocan un mayor contacto con el lípido. Dichos ácidos grasos provenientes de la hidrólisis de los triacilgliceridos son más susceptibles a la oxidación que cuando se encuentran en forma de esteres. Los peróxidos provenientes de grasas oxidadas también producen esta reacción, por lo que no es conveniente mezclar estas grasas con otras frescas. La actividad acuosa desempeña un papel muy importante en la velocidad de la autoxidación; se considera que a valores de a w de 0.4 existe la capa monomolecular BRT que actúa como filtro y no deja pasar oxigeno hacia las 301

310 partes internas donde están los lípidos; a a w < se pierde dicha capa protectora y la oxidación se acelera; cuando se encuentra a w 0.4 y 0.8 se favorece la reacción debido a que se incrementa la movilidad de los reactivo, se solubilizan los metales catalizadores y se expone nuevas superficies del alimento por el aumento de volumen causado por la hidratación. Finalmente, a valores de a w >0.8 la oxidación se inhibe por efecto de la hidratación y dilución de los metales y, en ciertos casos, por su precipitación como hidróxidos. Esquema general de las reacciones de oxidación de lípidos En la oxidación de los lípidos se pueden distinguir tres fases o etapas: Iniciación, propagación y terminación. En la figura productos: se ilustra el mecanismo de oxidación química de lípidos y sus Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Triacilglicérido insaturado en el que se muestra su sitio de oxidación Gráfica 40: Sitio de oxidación de un triglicérido. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 302

311 41.2 Mecanismo de las reacciones a) Iniciación Como se resalta en la figura anterior, la absorción de oxigeno exige la intervención de radicales libres; esto explica que al comienzo de la oxidación exista un periodo de inducción, hasta que la concentración de radicales libres alcanza un cierto nivel. En esta fase de formación de radicales libres, en el cual un hidrocarburo insaturado cede un protón para formar un radical libre (un hidrocarburo de la forma de --- CH 2 - CH =CH--- de la cadena hidrocarbonada del ácido graso del acilglicerol),presenta un hidrógeno altamente activo por la influencia de un enlace doble adyacente, esto hace que la energía del fotón sea suficiente para producir un radical R. al actuar sobre uno de los hidrógenos. Debido a su distribución electrónica inestable, se transforma rápidamente en dos híbridos de resonancia conjugados mas estables y en equilibrio que, en presencia del oxigeno, generan los correspondientes radicales hidroperoxidos finalizando la etapa de inducción y comenzando la etapa de la propagación con la intervención del oxigeno: Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. b) Propagación La propagación esta constituida por una cadena de dos reacciones. Consta de la propagación o de reacción de los radicales libres entre si. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 303

312 Durante esta etapa se forman radicales peroxi, hidro peróxidos y nuevos radicales hidrocarburos que contribuyen a mantener la reaccion en cadena, al reaccionar con más oxigeno. En general, estas reacciones son rápidas, porque los radicales libres portadores de un electrón no apareado son muy reactivos. Si se tiene en cuenta el hecho de que estas dos reacciones no modifican el número de radicales libres presentes, se puede hacer el siguiente balance: RH + O 2 ROOH Por tanto la propagación se traduce por una oxidación, como peróxidos, de lípidos no saturados que va paralela con el consumo de oxigeno gaseoso. Al principio se acumulan los peróxidos, pero generalmente su proporción final termina por descender. Por consiguiente, el índice de peróxidos no constituye una medida efectiva del grado de oxidación, salvo al principio de la reaccion. Si el aporte del oxigeno no es limitado, se puede oxidar la totalidad de los lípidos no saturados. En esta etapa se forman productos que no son radicales libres cuando interactúan dos radicales, lo que conlleva la paralización de la cadena de reacciones. 304

313 Figura 41: Reacciones de oxidación De los lípidos. Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. c) Terminación En la serie de productos que se forman como producto de estas reacciones en cadena, se encuentran en especial los aldehídos, los cuales son causantes de los olores y sabores característicos de los lípidos y alimentos enranciados. A continuación se resumen las sustancias producidas a partir de hidroperoxidos: 305

314 . El siguiente cuadro resume los mecanismos de oxidación de lípidos: Lección 42: Antioxidantes Existen muchas sustancias que se encuentran naturalmente en los alimentos, o que se producen durante su procesamiento, que tienen la capacidad de evitar o reducir la intensidad de las reacciones de oxidación. El grupo de los tocoferoles o vitamina E, presenta esta propiedad, con la peculiaridad de que su poder antioxidante es inverso al de su función biológica éstos, junto con la lecitina integran los antioxidantes vegetales mas importantes que se encuentran en los lípidos pero que se pierden durante la refinación de los aceites comestibles. Existen otras sustancias de origen químico y sintético que han sido diseñados y utilizados para cumplir con el papel de retardar o inhibir la oxidación de los lípidos. 306

315 Existen dos categorías fundamentales de compuestos que se utilizan para evitar el deterioro oxidativo de los lípidos: Los donadores de protones : Estos no detienen la formación de los radicales libres que se generan en la oxidación, sino que al reaccionar con ellos los estabiliza y se producen radicales del antioxidante que son menos activos. Es decir que se consumen en la reacción y por lo tanto la estabilidad del lípido siempre va a depender de la cantidad residual del aditivo que contenga. Entre los que se destacan: Galato de octilo BHT ó butilhidroxitolueno TBHQ terbutilhidroxiquinona BHA ó butilhidroxianisol Secuestradores de protones Son compuestos que actúan impidiendo o disminuyendo la formación de radicales libres. Los mas utilizados son los agentes que complejan los metales; su acción depende del ph y de la temperatura porque la estabilidad de los complejos formados esta relacionada con estos parámetros. Entre estos compuestos sobresalen el EDTA (etilen-diamino-tetracetato) es un agente eficaz, pero poco utilizado en los alimentos porque generalmente no esta autorizado por la reglamentario. Por el contrario, el ácido cítrico se emplea frecuentemente y en especial para complejar las trazas de hierro presentes en aceites vegetales. A continuación se esquematiza el mecanismo de acción del galato sobre los radicales libres: Fuente: Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. 307

316 Una vez la molécula del antioxidante a cedido sus protones se regenera de la siguiente. CONSULTA EL ENLACE PARA PROFUNDIZAR EN EL TEMA DE OXIDACIÓN DE LIPIDOS: Lección 43: Alteraciones Microbianas La alteración de los alimentos por el desarrollo de microorganismos depende no solamente del contenido de agua sino del resto de componentes del sistema que van a aportar nutrientes y del ph característico de cada producto. Esto determina si hay o no crecimiento de microorganismos y la especie que pueda llegar a desarrollarse. La actividad acuosa del alimento influye especialmente sobre la presión osmótica del medio y los cambios entre membranas. El crecimiento de microorganismos ocurre solo en alimentos con actividad acuosa alta, siendo óptimo cuando A w está entre 0.92 y A actividade baja el crecimiento se retarda o se inhibe. Por tanto, los alimentos más susceptibles a sufrir el ataque microbiano, son los productos con una actividad acuosa elevada tales como frutas, carnes, huevos, etc. Por lo contrario los alimentos secos son relativamente estables frente a los microorganismos. En general, entre los factores de los que depende la flora que altera los alimentos; son los característicos del alimento como el ph, potencial de oxireducción, actividad acuosa, nutrientes. Las condiciones ambientales también favorecen para el crecimiento de microorganismos en el alimento como la temperatura de almacenamiento, humedad relativa y presión parcial de oxigeno. 308

317 CONSULTA EL ENLACE PARA PROFUNDIZAR EN EL TEMA : Lección 44: Reacciones fotosintéticas Hay alimentos que por su composición y estructura se deben proteger de la luz para conservar sus propiedades fisicoquímicas, organolépticas y nutricionales. Las reacciones químicas que tienen su origen por exposición a la luz están dentro del rango de las reacciones de oxidación y provocan un deterioro en el alimento sobre las características descritas, por tal razón se consideran en este capitulo y se analizan sobre algunos de los componentes de la leche afectados por este mecanismo. Las reacciones de deterioro en los productos lácteos están influenciadas por la presencia de enzimas, concentraciones de oxigeno, la exposición a la luz y por las oxido-reductasas de la misma leche y los microorganismos. Dentro de los componentes sensibles a la reacciones fotosintéticas esta la riboflavina, la cual absorbe la luz visible de longitudes de onda cercanas a los 450 nm y por lo tanto es excitada a un estado de triplete. La riboflavina es este estado de excitación oxida diversos compuestos a la vez que se reduce ( ver figura 42. Formula de la riboflavina). La riboflavina reducida reacciona con el oxigeno y oxida compuestos como el ascorbato, metionina, cisterna, histidina, tirosina y triptofano. Las proteínas α-lactalbúmina,β-lactoglobulina, y seroalbúmina también se oxidan de esta forma. Las proteínas de la leche están mas accesibles a la oxidación por la riboflavina reducida expuesta a la luz, cuando se han calentado previamente a 63ºC durante 30 minutos, lo que sugiere que los radicales aminoácidos se hacen accesibles a la oxidación a medida que la proteína se despliega y se desenrolla; tiene lugar una cierta agregación y degradación (enlaces peptidicos). Un resultado muy llamativo de estas reacciones es la producción de metional (CH 3 -S-CH 2 -CH 2 - CHO), que en gran parte parecer ser la responsable del aroma extraño de la leche expuesta a la luz. Riboflavina + hv Riboflavina reducida Otra ruta fotoxidativa implica la reacción directa de la riboflavina excitada con el con el oxigeno en forma de triplete ( 3 O 2 ) para formar el oxigeno singlete ( 1 O 2 ): Riboflavina + hv Fl* Fl* + 3 O 2 Riboflavina + 1 O 2 309

318 Este no es probablemente el destino principal de la flavina excitada, pero puede constituir la ruta principal de producción de O2 singlete de la leche. Se debe recordar que la flavina se degrada por la acción de la luz, el grupo ribitol se escinde de la molécula formando lumicromo. Las reacciones fotosintéticas de la leche dependen de la intensidad y de la longitud de la luz. La riboflavina absorbe cerca de los 450nm por lo tanto la luz corta de longitud de onda es mas activa; en general es suficiente con colocar directamente a la luz solar una botella de leche de 1 litro durante 10 minutos para producir un sabor anormal claramente distinguible; el aroma de la leche cambia y se hace perceptible sólo después de algunas horas ya que se origina de los productos de la reacción formados después de la fotoxidacion. La mayoría de las reacciones fotoquímicas son independientes de la temperatura, porque son los cuanta de luz mas que la energía cinética de las moléculas, los que proporcionan la energía de activación; sin embargo, las reacciones, las reacciones siguientes dependen de la temperatura. Figura 42. Formula de la riboflavina 310

319 CONSULTA EL ENLACE PARA PROFUNDIZAR EN EL TEMA : Lección 45: ejemplos e investigaciones sobre la velocidad de reacciones de deterioro Efecto del tiempo de vida y exposición a la luz sobre la concentración de acetaldehído en leche empacada en botellas de PET y HDPE 34 Uno de los productos que más se altera químicamente por exposición de la luz es la leche. El tiempo de vida, la temperatura, la exposición a la luz ultravioleta y la migración de compuestos volátiles de ciertos plásticos poliméricos empleados en el empaque juegan un papel importante en el desarrollo de sabores raros (offflavors) en la leche. La velocidad de las reacciones químicas que arrojan sabores volátiles indeseables, tales como acetaldehído, propanal, n-butanal y n-hexanal, se incrementan en productos lecheros almacenados a altas temperaturas, exposición a la luz, y con el tiempo. Esto conlleva a cambios en el sabor, que disminuyen la aceptabilidad de la leche. El acetaldehído está presente en una considerable cantidad de productos naturales en concentraciones por encima de 1000 mg/l (vinagre). En los productos lecheros, se identifica principalmente con los productos fermentados, especialmente yogurt. La leche fresca con baja pasteurización (12 s a 73º C) contiene acetaldehído en 10 ppb. Este nivel se incrementa con la exposición a la luz, como resultado de la fotorreducción de la riboflavina y la fotogeneración de aniones superóxido. Esto conlleva subsecuentemente a la oxidación de ácidos grasos poli-insaturados, resultando en la formación de numerosos compuestos carbonílicos volátiles. El acetaldehído también se encuentra presente en el polímero poli-etilen-tereftalato (PETE o PET) como un producto de degradación térmica formado durante la reacción de condensación fundida, y la el procesamiento de fusión del PET. 34 Aartdt, M. (diciembre de 2005). Effect of shelf-life and light exposure on acetaldehyde concentration in milk packaged in HPDE and PETE bottles.. VirtualPro, 47, 16,

320 El empaque de la leche juega un papel importante en la aceptabilidad del consumidor, con énfasis en la conveniencia, visibilidad del producto, y facilidad de uso. La leche se empaca corrientemente en empaques de polietileno de alta densidad (HDPE) traslúcidos u opacos/coloreados, los cuales son un material relativamente barato. El PET, sin embargo, tiene varias ventajas sobre el HDPE debido a su considerable resistencia mecánica, características de transparencia y hermeticidad a los gases. Una preocupación con respecto al PET como material de empaque radica en la posible migración de acetaldehído desde el empaque hacia el producto, el cual puede llevar a niveles de acetaldehído por encima del umbral de sabor humano. Señor estudiante: Como puede observar la importancia y el interés en esta temática, por lo tanto puede consultar el siguiente link para complementación: 312

321 ACTIVIDAD DE PROFUNDIZACIÓN UNIDAD 3 : ACTIVIDAD FINAL Capítulo 7: Señor estudiante: en esta sección, encuentra pregutnas de análisis relacionada con cada uno de los capítulos de la Unidad. El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). 1. En el almacenamiento de productos vegetales frescos, se puede presentar la degradación de la clorofila por la enzima clorofilasa que provoca el rompimiento del enlace éster de la clorofila para producir fitol, el cual da origen a: 2. En el siguiente cuadro se observa las pérdidas de vitaminas en distintos procesamientos de leche: Una de las mayores pérdidas se obtiene cuando?. La estabilidad química de las vitaminas, en relación a la temperatura es se puede decir que, es directamente proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al tiempo del tratamiento térmico? Capitulo 8: 1. Luego de haber realizado el estudio pardeamiento no enzimático analice: La intensidad de la reacción depende del tipo de carbohidrato, es lo que se concluiría de la siguiente gráfica: Explique en este recuadro el porque de los resultados observados, precise en profundizar la respuesta. 313

322 La velocidad del pardeamiento aumenta con la Tº: Explique en este recuadro el porque de los resultados observados, precise en profundizar la respuesta. El ph, influye en la velocidad de pardeamiento: Explique en este recuadro el porque de los resultados observados, precise en profundizar la respuesta. 2. La formación de quinonas e hidroxiquinonas son la base de condensaciones oxidativas que conducen a la formación de polímeros denominados melaninas, es un proceso que depende de la presencia de oxígeno y de la enzima catecolasa. De acuerdo al mecanismo químico que presenta, es una reacción que ocurre en y en la cual el oxígeno actúa como: Capitulo 9: 1. La autooxidación de lípidos es una de las transformación más comunes de los alimentos que contienen grasas y otras sustancias insaturadas; consiste principalmente en la oxidación de los ácidos grasos con dobles ligaduras. Dentro de este sistema insaturado, se tienen reconocidos los sitios de oxidación que propician la formación de radicales libres, siendo los productos de la fase de iniciación. A continuación se presenta fracciones de un ácido insaturado, en donde se muestra el sitio de oxidación: el sitio de oxidación es: 2. Los antioxidantes se pueden definir como cualquier sustancia que, estando presente en una baja concentración, reduce o evita de forma significativa la oxidación del sustrato. El mecanismo químico de 314

323 una antioxidante (como por ejemplo el BHA) puede ser: De acuerdo con las reacciones se identifica que: 3. De acuerdo al análisis de la gráfica, se expone la producción de pigmentos oscuros y pérdida de lisina a 35ºC en un sistema modelo de caseína-glucosa a una Aw de 0.5, la reducción de la lisina libre es considerable debido a: ADVERTENCIA: El desarrollo de estas actividades es formativa (no generan calificación dentro del proceso). AUTOEVALUACION UNIDAD 3 1. Establezca los síntomas y enfermedades por la deficiencia de las siguientes vitaminas: Vitamina A Vitamina D Vitamina E Vitamina K Vitamina C Vitamina B 1 (tiamina) Vitamina B 2 (riboflavina) Niacina (ácido nicotinico) 315

324 Vitaminas del grupo B 6 (piridoxal) Ácido pantoténico Biotina Ácido fólico Vitamina B 12 (Cobalamina) 2. Analice la importancia de los siguientes elementos en la dieta del hombre: Nitrógeno Azufre Fósforo Calcio Boro y Vanadio Cromo Manganeso Hierro Cobalto Cobre Zinc Selenio Molibdeno Yodo Fluor 3. el licopeno que es el pigmento predominante de los tomates, el cual pertenece al grupo de: a. antocianinas b. clorofilas c. carotenoides d. betacarotenos 4. la siguiente gráfica corresponde a: a. Antocianina b. Clorofila b c. Clorofila a d. carotinoide 316

325 5. Las sustancias responsables del sabor son moléculas que pueden ser volátiles o no volátiles, que al entrar en la boca se volatilizan y consecuentemente causan un efecto en los centros olfativos, es decir, las primeras sólo estimulan el sentido del gusto y las segundas lo hacen tanto en el gusto como en el olfato. Falso Verdadero Complete el siguiente cuadro de acuerdo a sus conocimientos en las reacciones químicas de la reacción de Maillard: Etapa Productos iniciales Productos finales Condiciones que favorecen la reacción Efecto sobre el alimentos 6. Complete el siguiente cuadro de acuerdo a sus conocimientos en las reacciones químicas del pardeamiento del ácido ascórbico: Etapa Tipo de pardeamiento Productos iniciales Productos finales ondiciones que favorecen la reacción Efecto sobre el alimentos 9. Los valores de Aw entre favorecen las reacciones de pardeamiento químico, sobre todo las reacciones de Maillard. Cual será la explicación para justificar ésta afirmación y cual es la influencia de la Aw a rangos superiores a 7.0 e inferiores a 5.0? 317

326 10. Complete el siguiente cuadro de acuerdo a sus conocimientos en las reacciones químicas del pardeamiento enzimático: Etapa Enzima implicada Productos iniciales Productos finales Condiciones que favorecen la reacción Efecto sobre el alimentos 11. El empleo de antioxidantes (ácidos orgánicos) es muy común para prevenir el pardeamiento enzimático. Sobre qué base teórica se puede explicar el mecanismo químico que inhibe dicho pardeamiento? 12. Complete el siguiente cuadro de acuerdo a sus conocimientos en las reacciones de oxidación de lípidos: Etapa Productos iniciales Productos finales Condiciones que favorecen la reacción 13. Explique con sus propias palabras la etapa de la oxidación de lípidos en la cual actúan los antioxidantes y el mecanismo químico que siguen. 14. Consulte el siguiente link y realice un cuadro resumen de las ideas más sobresalientes: 15. Consulte el siguiente link y realice un cuadro resumen de las ideas más sobresalientes: 318

327 ENLACES VIRTUALES DE INTERES COMPLEMENTO OXIDACION DE LIPIDOS OXIDACION DE LIPIDOS VITAMINAS 319

328 BIBLIOGRAFIA UNIDAD 3 Aartdt, M. (diciembre de 2005). Effect of shelf-life and light exposure on acetaldehyde concentration in milk packaged in HPDE and PETE bottles.. VirtualPro, 47, 16,17. Badui, Salvador (1999). Química de los alimentos. México: Pearson Educación. Bermúdez, Silvia. (1999). Química de Alimentos. Santa fe de Bogotá: Unad. Berk Z. (1990). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México: Manual Moderno S.A. Braverman. J (1999). Introducción a la bioquímica de los alimentos. México DF: Manual Moderno S.A de CV. Brownsell,V. (1998). La ciencia aplicada al estudio de los alimentos. México DF: Editorial Diana. Charley H (2001). Procesos físicos y químicos en la preparación de alimentos: Noriega. Cheftel Jean (1998). Introducción a la bioquímica de los alimentos. Vol. I y II. Zaragoza: Acribia. Cheftel Jean (1990). Proteínas alimentarias. Zaragoza: Acribia. Coultate, TP (2007). Manual de química y bioquímica de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Dendy (1990). Cereales y productos derivados. Zaragoza: Acribia. Dominic, Wong (1990). Química de alimentos. Mecanismos y Teoría. Zaragoza: Acribia. Fennema, O (2000). Química de alimentos, segunda edición. Zaragoza: Acribia Grigioni, G. Páez. (2006). Relación entre color y pardeamiento no enzimático en leche entera en polvo bajo condiciones aceleradas de almacenamiento. Instituo de ciencia y tecnología de alimentos "ICTA" (1998). Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. 320

329 Jiménez, S. (2002). Indicadores del deterior de la leche. Consultado en 09, 07,2009 en 13SalvioJimenez.htm. Juárez, N, Olano, A, Morais, F (2005). Alimentos Funcionales. Madrid: Rumagraf. S.A. Plummer, David (2000). Bioquímica práctica. Londres: mcgraw- Hill Latinoammericana S.A. Robinson, David (1991). Bioquímica y valor nutritivo de los alimentos. Zaragoza: Acribia. Stryer, Lubert (1990). Bioquímica tomo I. Barcelona: Editorial Reverte. Varman, A. (1998). Carne y productos cárnicos. Zaragoza: Acribia. Vickie, J. (2002). Fundamentos de la ciencia de los alimentos. Zaragoza: Acribia. 321

330 UNIDAD 4. ANÁLISIS DE ALIMENTOS INTRODUCCION Para el estudiante de Ingeniería de alimentos, está unidad, es un complemento relevante en su formación profesional. Con el estudio de las temáticas de esta sección, se profundiza en los aspectos más importantes en lo referente al análisis de los alimentos. El estudiante tiene la oportunidad de profundizar en sus competencias académicas de análisis y compresión al estudiar cada uno de los capítulos que tienen como temáticas los conceptos generales del análisis de alimentos, visualizar y tener una idea más compleja de los equipos requeridos en las determinaciones analíticas de alimentos y por último, podrá profundizar y recordar cada uno de los análisis que se llevan a cabo a los diferentes grupos de alimentos. El primer capítulo de esta unidad, relaciona los conceptos generales sobre el análisis de los alimentos, se analiza los diferentes tipos de análisis, se integra algunos de los conceptos de la estadística que guardan relación en el análisis de alimentos, se relaciona algunos referentes sobre la metrología y calibración de equipos y se presenta la normatividad internacional y nacional que prima sobre la temática de la unidad. En el siguiente capítulo, se considera como la parte más ilustrada de la unidad, porque se detalla mediante ilustraciones, los diferentes equipos que actualmente se pueden encontrar en los laboratorios de análisis de alimentos, así el estudiante, podrá tener una idea más cercana de la existencia de tales equipos, en caso de no tener acceso a estos en las prácticas del curso. La unidad termina con las técnicas analíticas de rutina en el laboratorio para los diferentes grupos de alimentos. El estudiante encuentra las generalidades de los constituyentes de los alimentos y ya por grupos, se presenta lo relevante de sin profundizar en la determinación, ya que esta parte se considera en las guías de laboratorio de la unidad

331 JUSTIFICACION El diseño y desarrollo de una cuarta unidad para el curso de QUÍMICA Y ANALISIS DE ALIMENTOS, se hace necesario como complemento del estudio de la ciencia de los alimentos en el perfil profesional del Ingeniero de Alimentos de la Unad. La unidad esta estructurada de tal forma que el estudiante, comience por lo general hacia lo especifico, cubriendo así temáticas relevantes y relacionadas con el análisis de alimentos. Esta Unidad, es una fortaleza y complemento, ya que aquí recordará y profundizará en las técnicas de análisis y pruebas de rutina de cada uno de los grupos de alimentos vistos en cada una de las tecnologías y(o procesos. Esta unidad, no únicamente presenta las determinaciones analíticas, sino que considera otros aspectos relevantes en un análisis de alimentos, por eso, en sus primeros capítulos se analiza algunas generalidades ligadas con el tema como es la parte estadística, maneo de datos, error experimental. Refuerza conceptos de volumetría y gravimetría, ya que todas las determinaciones de análisis están basadas en éstas. 323

332 OBJETIVOS Conocer las generalidades de sobre el análisis de los alimentos, los tipos de análisis y sus respectivas definiciones. Integrar y analizar los alimentos. conceptos estadísticos relacionados con el análisis de Incluir la definición de metrología y calibración de equipos. Conocer la normatividad internacional y nacional que rige el análisis de alimentos. Describir los equipos utilizados en un análisis proximal. Describir los equipos utilizados en un análisis gravimétrico. Describir los equipos utilizados en un análisis volumétrico. Describir los equipos reológicas. utilizados en la medición de las propiedades Describir las generalidades sobre los constituyentes básicos de los alimentos, incluyendo la determinación de humedad. Describir los principales análisis para productos lácteos. Describir los principales análisis para productos Cárnicos. Describir los principales análisis para Grasas y Aceites. Describir los principales análisis para Farináceas. 324

333 CONTENIDO DE LA UNIDAD CAPITULO 10: CONCEPTOS GENERALES SOBRE ANÁLISIS DE ALIMENTOS CAPITULO 11: EQUIPOS MÁS COMUNES EN EL ANÁLISIS DE ALIMENTOS CAPITULO 12: ANÁLISIS POR GRUPOS DE ALIMENTOS 325

334 CAPITULO 10: Conceptos Generales sobre análisis de alimentos Lección 46: De los tipo se análisis de alimentos Se puede generalizar que existen dos tipos de análisis de alimentos: Aquellos que tienen como objetivos determinar y cuantificar sustancias con fines nutritivos el cual es el análisis proximal. Aquellos que tienen como objetivo determinar y cuantificar sustancias no nutritiva y nutritivas (que no se evalúan en el proximal), el cual es el análisis fisicoquímico o bromatológico; tanto el análisis proximal como el fisicoquímico se basan en determinaciones gravimétricas, volumétrica e instrumentales análisis proximal Se denomina análisis proximal al conjunto de métodos que determinan la composición en términos nutricionales un alimento, también se le conoce con el nombre de Weende. Hace referencia al contenido de sustancias nutritivas de un alimento. Se denomina proximal porque no determina sustancias químicamente definibles, sino que asocia combinaciones orgánicas que responden a determinadas reacciones analíticas, por ellos se habla de grupos nutritivos que son: Agua o materia seca (MS) Extracto etéreo (EE) Proteína cruda (PC) Cenizas Fibra cruda (FC) Extracto no nitrogenado (ENN) Las consideraciones de cada una se trataran en el capítulo 12, lección 56. En la figura 42 se presenta el esquema general de un análisis proximal: Figura 42: Esquema general de un análisis proximal 326

335 46.11 análisis fisicoquímico de alimentos Dentro de esta definición entran a clasificar todos aquellos métodos que evalúan las propiedades y composición de los alimentos no nutricionales y sustancias nutritivas pero que no se consideran en análisis proximal como: Grasa saturada Colesterol Sodio Fibra dietaria Azúcares Vitaminas Calcio Hierro Vitaminas Calorías análisis sensorial Aunque no es el objetivo profundizar en este tipo de análisis, puesto que este se considera a profundidad en el curso electivo Evaluación Sensorial, es necesario integrarlo dentro de los tipos de análisis que se hacen a los alimentos. Es el análisis estrictamente normalizado de los alimentos que se realiza con los sentidos. Se emplea la palabra "normalizado", porque implica el uso de técnicas específicas perfectamente estandarizadas, con el objeto de disminuir la subjetividad en las respuestas. Las empresas lo usan para el control de calidad de sus productos, ya sea durante la etapa del desarrollo o durante el proceso de rutina. Por ejemplo, si cambian un insumo es necesario verificar si esto afecta las características sensoriales del producto y por ende su calidad. En lugar de utilizar una máquina, el instrumento de medición es el ser humano, por lo que se debe tomar todos los recaudos para que la respuesta sea objetiva. Teniendo en cuenta la subjetividad de cada individuo, la objetividad en las respuestas se logra a través de un entrenamiento intensivo de quienes actuarán como evaluadores sensoriales. También cuenta la forma en que se realiza el análisis. Esto es, el diseño experimental, que debe respetarse para evitar errores psicológicos vinculados con la presentación de muestras que luego evaluarán estas personas; el lugar de trabajo, que debe ser apropiado; la forma de presentar y preparar las muestras. Es imprescindible utilizar balanzas, instrumentos de medición adecuados y frascos codificados. Los métodos de entrenamiento de los 327

336 evaluadores, así como los destinados a realizar los análisis provienen de técnicas de ensayos psicofísicos para estudiar los sentidos Tipos de análisis sensorial 35 Se habla de tres grandes grupos: descriptivo, discriminativo y del consumidor. También existen métodos rápidos de control de calidad como los que se utilizan en las líneas de producción. - Análisis descriptivo: Consiste en la descripción de las propiedades sensoriales (parte cualitativa) y su medición (parte cuantitativa). "Es el más completo. Para la primera etapa el objetivo es recordar los sentidos como el gusto y el olfato y cómo se describe cada olor (por lo general se usan sustancias químicas). A medida que transcurre el entrenamiento, la persona reconoce ese olor e inmediatamente lo describe. Es decir, se agiliza el proceso mental 'estímulo respuesta'". En esa fase se comienza a trabajar con el producto que será objeto de la evaluación, y se desarrolla un vocabulario de ocho a quince palabras para describirlo. La parte cuantitativa está basada en aprender a medir mediante el entrenamiento con escalas. Por ejemplo, ante un jugo con olor a mandarina, se mide la intensidad de ese olor en una escala del 0 al 10". - Análisis discriminativo: Es utilizado para comprobar si hay diferencias entre productos, y la consulta al panel es cuánto difiere de un control o producto típico, pero no sus propiedades o atributos. "Se hace un juicio global. Por ejemplo, ante una muestra A y una B, se pregunta cuál es la más dulce, o ante A, B y C, donde dos son iguales y una tercera es diferente, cuál es distinta. Lección 47 generalidades estadísticas 36 La información que se maneja a nivel de laboratorio de análisis de alimentos se traducen en datos, datos numéricos que indican o representan lo que se esta determinando. Muchos de los métodos de análisis de alimentos están estandarizados, pero hay otros que requieren de un manejo estadístico, quede acuerdo al investigación, se usaran técnicas estadísticas desde las más sencillas hasta algunas más complejas. La información que se obtiene en el laboratorio, es una información numérica contenida en un conjunto de observaciones denominadas datos. 35 Borda, N. (2010). Análisis sensorial de los alimentos. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA)-. Consultado en en 36 Asesoría profesional: Dairo Gil, Estadístico. Especialista en Estadística Universidad Nacional de Colombia. Profesor Titular de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. 328

337 Los datos se transforman en números y por lo tanto es preciso definir este término Tipos de números y escalas De acuerdo con Runyon, R. Haber, A. (1992), los números se usan de varias formas para lograr muchos objetivos. Hay tres formas fundamentales distintas de utilizar los números: 1. Para designar (números nominales) 2. para representar la posición de una serie (números ordinales) 3. para representar una cantidad (números cardinales) Medir es asignar números a objetos o sucesos de acuerdo a un conjunto de reglas predeterminadas (en el laboratorio se hace referencia a los métodos estandarizados y protocolos). En importante que el estudiante sepa diferencias los tipos de números que pueden llegar a manejar y obtener en los procedimientos de análisis de alimentos en el laboratorio. A las cosas que se observa y que se pueden medir, normalmente se les llama variables; estas variables puede tener varios datos, por lo tanto es importante hablar de escalas para identificar el tipo de número que se obtiene o se maneja en la variable, por lo tanto se tienen 3 tipos de escalas: Escala Nominal, escala ordinal y la escala cardinal. - La escala nominal: corresponde al nivel más bajo de medida. Se manejan escalas nominales cuando se asignan valores numéricos para identificar; estos números no tienen propiedades cuantitativas, no hay aplicación estadística. - La escala ordinal: Constituye un nivel superior de medición, la información que da en una escala nominal relaciona las diferencias existentes y una relación común que exista entre las mediciones. Son números cuantitativos y permite aplicar análisis estadísticos de varianza. - escala de intervalos: el nivel más alto de las mediciones científicas se obtiene por medio de escalas que emplean números cardinales. Los valores numéricos asociados a estas escalas son efectivamente cuantitativos y, por tanto, permiten el uso de operaciones aritméticas. 329

338 Señor estudiante: hay dos tipos de escalas que se basan en números cardinales: La de intervalos y la de nivel lógico ó de razón, la diferenca entre ellas radica en el valor relativo o absoluto del cero. X = 0, ausencia de una magnitud, valor absoluto X 0, existe magnitud, el valor es relativo. Ejemplos: - el calendario es un ejemplo de escalas de intervalos, pues el año cero no indica la ausencia de tiempo antes de ese año. - una longitud igual a cero significa que no hay longitud. Es un ejemplo de escalas de razones o nivel lógico. - la hora militar 0.0, no hay ausencia de magnitud - en la escala de temperatura 0ºC hay flujo de calor. - En un ensayo para la determinación del % de humedad, se tiene 3 cápsulas de porcelana marcadas de la siguiente manera: 1, En cada una de las cápsulas se colocan 10 gramos de tres vegetales frescos. Luego de 2 horas de desecación se determina la pérdida de peso y él % de humedad así: Cápsula # 1 = 85% Cápsula # 2=72% Cápsula # 3 =81% Identificar los números y escalas: Tabla 30: Números y escalas Números nominales Escala nominal porque los # están identificando a una cápsula de la otra, pero no dan mayor información. 85% 72% 81% Números cardinales Escala ordinal: Identifican las diferencias en la magnitud que se esta midiendo, permite establecer diferencias entre una muestra y otra. 85% 72% 81% Números ordinales Escala Permite establecer un orden de acuerdo al contenido % de humedad, se pueden ordenar desde el mayor % de humedad hasta el menor : 85% (1), 81% (3) y el 72% (2) Análisis de robustez El término robustez se utiliza, a menudo en Estadística para hacer referencia a Ciertas características deseables de los procesos estadísticos. Se dice que un proceso es robusto respecto de las desviaciones de los supuestos del modelo, 330

339 cuando el proceso continúa trabajando bien, aún cuando, en mayor o menor extensión, los supuestos no se mantienen. En términos populares, relaciona la complejidad y profundidad del estudio, y de este depende los objetivos, alcance, metodología y análisis de datos seleccionados para presentar los resultados de las toma de medidas u observaciones Precisión, exactitud, eficiencia y redondez Señor estudiante: sabe usted cuando un equipo de laboratorio es exacto y preciso? puede indentificar cuando los datos o medidas son exacta y precisas? Los diversos instrumentos y calibradores de medición como los equipos de gravimetría en el laboratorio tienen distintas características. Se dice que un instrumento es exacto si las mediciones repetitivas del mismo objeto producen un promedio igual a su valor real. La precisión se relaciona con la dispersión de las mediciones con base en su promedio. De acuerdo con Kennett, R. (1998), una dispersión pequeña, refleja una gran precisión, y una dispersión grande, baja precisión. Es posible que un instrumento sea exacto pero impreciso, o inexacto, pero preciso. Es importante dentro de la precisión definir e identificar: La precisión del instrumento La precisión de la medida La precisión del análisis En cuanto a la precisión del instrumento, se puede explicar mediante el siguiente ejemplo: Figura 43: Precisión y exactitud Fuente: Kennett, R. (1998). Estadística Industrial moderna. México: International Thomson Editores. 331

340 En la figura se muestra mediciones en gramos de un objeto cuyo valor real es de 5Kg, con 3 balanzas diferentes, se obtuvieron 10 mediciones. Se analiza que la balanza A es exacta, el promedio es 5.0 Kg, pero presenta datos dispersos en torno al valor de 5.0 Kg. La balanza B no es exacta (dio un promedio de 2.0 Kg) pero es más precisa que A, porque, los datos están más juntos al valor promedio de B. La balanza C es exacta como la balanza A, pero es más precisa. Al explicar la precisión de la medida, se debe hablar de apreciación y precisión. La apreciación tiene que ver con la cantidad mínima que puede estimar un instrumento, mientras que la precisión hace referencia a la reproductibilidad de la misma. En algunos casos la apreciación y la precisión puede ser iguales, en todo caso la precisión nunca puede ser menor que la apreciación de un instrumento. Ejemplo: la apreciación de la balanza analítica es de g posee una precisión ligeramente mayor (mientras mayor es el valor absoluto de la precisión, es más imprecisa). Para saber la precisión de una determinada Balanza, se debe pesar un mismo objeto repetidas veces y calcular la desviación estándar de la misma. Se toma un vaso de precipitado limpio y seco, se coloca en la balanza con una precisión ya determinada por desviación estándar g)..seguidamente se tara el beaker a g y posteriormente se pesa la sustancia hasta una cantidad de g. Para encontrar el error total de la pesada se debe tener en cuenta: Cuando se tara el recipiente el valor de pesada es de /- 0,0002 g. Cuando se pesa la muestra o reactivo su valor es de / g. El peso final se obtiene por propagación: Por lo tanto, se puede deducir que para una balanza en buenas condiciones el error de una pesada por diferencia, es de aproximadamente g. 332

341 Señor estudiante: entre menor número de decimales tenga la medición es más impreciso, entre más numeros decimales se tengan, la información es más precisa ( sensibilidad ) La sensibilidad es directament proporcional a la presición La presición se relacióna con la dispersión de los datos, por lo tanto es correcto afirmar que la desviación estándar es es inversamente proporcional a la precisión. En la precisión de la medida es necesario tratar el criterio de redondez de datos: se refiere a cuantas cifras decimales habrá de tener los datos. Esto depende de lo que se esta midiendo y de las cifras significativas dadas de acuerdo a la robustez de la determinación. Una vez se conozca el numero de cifras significativas, se procede a así: los datos están en unidades enteras, se debe redondear hasta el segundo decimal. Si se trata de números que incluyen decimas, se debe redondear hasta el tercer decimal. La presentación de la última cifra decimal sigue la siguiente regla: si el resto que aparece después de la cifra es mayor que 5, se aumentara hasta la cifra inmediatamente superior. Si el resto que aparece después de esa cifra es menor que 5, permanecerá sin modificación alguna se convierte en se convierte en 6.54 Dentro de las operaciones de laboratorio, es prioritario trabajar con eficiencia, el cual hace referencia a la capacidad de disponer de algo para conseguir un efecto determinado usando el mínimo tiempo y recursos Variables a medir y tipos de variables Dentro de las operaciones de laboratorio, se manejan variables cualitativas y cuantitativas y estas últimas del tipo discretas (no hay decimales, solo números enteros), y continúas (hay cifras decimales). Señor estudiante: recuerda Usted de su estadística la categorización de las variables? Se concoen los siguientes tipos de variables: de correlación, de asociación, traslape, concomitancia, interacción. 333

342 Lección 48: Muestro y análisis de datos Las técnicas de muestreo son muy necesarias porque normalmente, no es posible someter un lote completo a los análisis adecuados. Señor estudiante: aquí debe Usted recordar y repasar las definicioens de: poablación, universo, muestra y los estimadores de la muestra: promedio estimado, varianza y desviación estándar recolección de muestras para análisis de alimentos El muestreo en los análisis de alimentos es el proceso por el cual se obtiene una fracción representativa siendo a menudo esta etapa la más difícil de todo el procedimiento analítico, y la que limita la exactitud de todo el procedimiento. Se deben tener claro los siguientes conceptos: Lote: material completo del que se toman las muestras. Ej.: todo el agua de un lago. A menudo, los lotes están formados por unidades muéstrales. Ej.: Cajas individuales de un camión. Muestra Bruta: se obtiene del lote para análisis o almacenamiento. Suele seleccionarse de modo que sea representativa del lote y su elección es crítica para realizar un análisis válido. De la muestra bruta se toma una muestra de laboratorio. Muestra de laboratorio: más reducida. Debe tener exactamente la misma composición de la muestra bruta. Para realizar los análisis individuales se emplea alicuotas o porciones de prueba de la muestra de laboratorio. La identificación de la población de la que debe obtenerse la muestra es inmediata, mientras que la obtención de la muestra bruta, muestra de laboratorio, no son sencillas, y pueden requerir más esfuerzo e ingenio que cualquier otra etapa del esquema general de todo el análisis. Cuando las muestras son homogéneas (igual composición en todas sus partes), la variación en los resultados debe reflejar solamente, la habilidad del analista y la variabilidad inherente del método. En la realidad las muestras suelen ser heterogéneas (distinta composición en sus partes), con lo que el problema se complica en gran medida. Cuando se analiza un material heterogéneo, el resultado final depende de la forma en que se elijan las muestras del material, y de cómo se trate la muestra una vez colectada. 334

343 De modo general, se describen algunos de los métodos para alimentos sólidos y líquidos: Muestreo de Sólidos: Sólido en fragmentos o partículas: si las muestras consisten en lotes discretos se toman cogiendo una selección aleatoria de dichos lotes. Cuando existen variaciones dentro de los lotes porque ha tenido lugar una estratificación o segregación durante el transporte. Sólido en forma compacta: no es seguro suponer que todos los trozos obtenidos de la superficie son representativos, por lo que se debe muestrear el interior del sólido. Muestreo de Líquidos: Homogéneos: se toman aleatoriamente distintas muestras. Con materiales en suspensión: se pueden tomar muestras a distintas profundidades manteniendo en constante agitación el conjunto técnicas de muestreo: Los diferentes tipos de muestreo que se pueden aplicar en el análisis estadístico de alimentos a nivel de laboratorio son: Muestreo aleatorio simple: Muestreo secuencial Muestreo sistemático Análisis de datos: Los datos obtenidos en el laboratorio se pueden analizar mediante: Análisis exploratorio: precisión, exactitud y solapamiento de datos. Estimación: Pruebas Inferencia ( pronósticos) 335

344 Lección 49: metrología y calibración La Metrología es la ciencia que trata de las medidas, de los sistemas de unidades adoptados y de los instrumentos utilizados para efectuarlas e interpretarlas Tipos de Metrología Metrología legal Parte de la Metrología relativa a las unidades de medida, a los métodos e instrumentos de medición, en lo que se refiere a las exigencias técnicas y jurídicas reglamentadas, que tienen como fin asegurar la garantía pública desde el punto de vista de la seguridad y de la precisión de las mediciones. Este tipo de metrología se basa en el control de los productores en lo que se refiere a las medidas, por lo tanto un organismo del gobierno debe estar bajo ese esquema. Ejemplo: en un supermercado cuando se toma cualquier producto, como un alimento envasado, lo primero que se detalla es la cantidad escrita que dice el productor está contendida en él. Lo anterior se hace indispensable verificarlo, realizando una medida de lo contenido en el envase, para poder determinar si el productor está entregando menos de los especificado, pues con está acción está estafando al consumidor, cosa que se debe controlar Metrología Científica Estudia las mediciones realizadas con el fin de consolidar teorías sobre la naturaleza del universo o seguir nuevas teorías, así como estudiar nuevos métodos o el perfeccionamiento de los mismos e incluso a desarrollar tecnología de punta para poder tener un mayor control sobre la medida Metrología Técnica o Industrial Estudia las mediciones realizadas, para asegurar la compatibilidad dimensional, la conformidad con especificaciones de diseño necesario para el funcionamiento correcto o en general todas las mediciones que se realizan para asegurar la adecuación de algún producto con respecto a su uso. 37 Anónimo. (2010). Aseguramiento metrológica y Aseguramiento de equipos. Medellín: EAFIT, COMFAMA, SENA Antioquia. 336

345 49. 3 Los Instrumentos, equipos y la calibración Todo equipo o instrumento que afecte la calidad, se debe calibrar. De poderlo hacer así, debe existir algún método alterno que nos permita tener confianza de la medida realizada. Un equipo nuevo no da garantía de una medición correcta, salvo el caso que este se haya calibrado. La calibración de equipos e instrumentos es de vital importancia en un laboratorio de análisis de alimentos; y debe tener un alcance en calibración de equipos de masa, volumetría, temperatura, y presión. Todo laboratorio debe planificar, hacer, ejecutar, revisar un plan de metrología y en la normatividad colombiana se establece normas para su certificación, aquí se presentan algunas: NTC 4057: Metrología. lineamientos para la determinación de intervalos de recalibración de equipos de medición usados en laboratorios de ensayo de 996: Esta norma contiene escogencia inicial de intervalos de recalibracion, métodos de reexaminacion y ejemplos de intervalos. NTC Metrología. sistema internacional de unidades de Esta norma describe el sistema internacional de unidades. Recomienda el uso de múltiplos y submúltiplos seleccionados del sistema internacional y da algunas otras unidades que se pueden utilizar con el sistema internacional de unidades NTC: 2031: calibración de balanzas de precisión Norma ISO 4787: control de los aparatos volumétricos. Lección 50: Aspectos normativos 501. Normatividad internacional Codex Alimentarius Se conoce como el Código de alimentación y es la compilación de todas las normas, Códigos de Comportamientos, Directrices y Recomendaciones de la Comisión del Codex Alimentarius. La Comisión del Codex Alimentraius es el más alto organismo internacional en materia de normas de alimentación. La Comisión es un organismo subsidiario de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) y de la Organización Mundial de la Salud (OMS). 337

346 El codex alimentarius a publicado un gran número de métodos de análisis de alimentos en los cuales los parámetros y técnicas son determinadas de acuerdo a otras normas internacionales de la AOAC y de la ISO. El Codex alimentarios tiene la Norma Oficial CODEX STAN ; esta norma se titula Métodos Recomendados de Análisis y de Muestreo Recomendados. Este documento presenta en forma alfabética para todo tipo de alimentos, el tipo ó método de análisis que se debe realizar. Señor estudiante: consulte este importante documento en : El Codex también tiene dentro de sus normas oficiales, normatividad para el procedimiento de análisis de alimentos por grupos de alimentos de acuerdo a una característica definida: Tabla 31: Normas del Codex Alimentarius. Grasas y aceites Norma General para Grasas y Aceites Comestibles No Regulados por Normas Individuales Revisión Enmienda CODEX STAN Farináceas CODEX STAN norma del Codex para la harina y la sémola de maíz sin germen Determinación de metales pesados. Materia volátil a 105ºC, contenido de jabón, acidez, valor de peróxidos Factores de calidad, contaminantes pesados, métodos de análisis y muestreo Association of Official Analytical Chemist (AOAC) La AOAC Internacional se ha comprometido a ser un proveedor activo, todo el mundo y facilitador en el desarrollo, uso, y la armonización de los métodos analíticos validados y programas de laboratorio de control de calidad y servicios. La AOAC también sirve como el recurso principal para intercambio de conocimiento oportuno, la creación de redes y la información de laboratorio de alta calidad. Es el principal único estamento reconocido para la validación de ensayos de laboratorio para luego ser recomendado por las legislaciones internacionales y nacionales y por las sociedades de normalización y estandarización. La estandarización de los métodos analíticos para alimentos se publican en el Official Methods of analysis, en la que actualmente se encuentra en su 18th edición

347 Señor estudiante: el contenido de este documento lo puede visualizar en: Organización Internacional para la Estandarización ISO La Organización Internacional para la Estandarización, ISO por sus siglas en inglés (International Organization for Standardization), es una federación mundial que agrupa a representantes de cada uno de los organismos nacionales de estandarización, y que tiene como objeto desarrollar estándares internacionales que faciliten el comercio internacional. La ISO ha publicado documentos y directrices sobre los alimentos y todos los derivados posibles, para procedimientos analíticos de laboratorio, como ejemplos promeso citar: - ISO 712:2009 especifica un método de referencia de rutina para la determinación del contenido de humedad de los cereales y productos de cereales. - ISO 663:2007 especifica un método para la determinación del contenido de impurezas insolubles de grasas animales y vegetales y aceites Normatividad Nacional Los estamentos nacionales que regulan el análisis de alimentos en Colombia son: Instituto Nacional de Medicamentos y alimentos INVIMA Es el ente regulador del Ministerio de Salud y Seguridad Social. Esta institución del gobierno emite resoluciones y decretos en donde presentan los requisitos que deben cumplir un determinando alimento, pero no tiene la facultad de implementar métodos analíticos de ensayo. En la normatividad que regula se puede apreciar los siguientes documentos que guardan relación con el contenido de esta unidad: Tabla 32: Normas Nacionales. Decreto 2323 De 2006 Decreto de por el cual se reglamenta parcialmente la Ley 9ª de 1979 en relación con la Red Nacional de Laboratorios y se dictan otras disposiciones. Por el cual se expide el Reglamento Técnico sobre los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se obtenga, procese, envase, transporte, comercializa, expenda, importe o exporte en el país. 339

348 Artículo 16; características de la leche cruda Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Es un organismo que trabaja para fomentar la normalización, la certificación, la metrología y la gestión de la calidad en Colombia. Está conformado por la vinculación voluntaria de representantes del Gobierno Nacional, de los sectores privados de la producción, distribución y consumo, el sector tecnológico en sus diferentes ramas y por todas aquellas personas jurídicas y naturales que tengan interés en pertenecer a él. En el campo de la normalización, la misión del Instituto es promover, desarrollar y guiar la aplicación de Normas Técnicas Colombianas (NTC) y otros documentos normativos, con el fin de alcanzar una economía óptima de conjunto, el mejoramiento de la calidad y también facilitar las relaciones cliente-proveedor, en el ámbito empresarial nacional o internacional. ICONTEC, como Organismo Nacional de Normalización (ONN) representa a Colombia ante organismos de normalización internacionales y regionales como la Organización Internacional de Normalización (ISO), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), y la Comisión Panamericana de Normas de la Cuenca del Pacífico (COPANT). Posee un compendio sumamente amplio y completo para análisis de alimentos: Tabla 32: Normas Técnicas (NTC) para alimentos ICONTEC 2228 Oleaginosas determinación del contenido de humedad y materia volátil. ICONTEC 806 Granos y cereales; Determinación del peso electrolítico ICONTEC 756 Frutas y hortalizas frescas: toma de muestras. ICONTEC 2227 Granos y cereales: determinación el contenido de humedad CAPITULO 11: Equipos más comunes en el análisis de alimentos Lección 51: equipos para las determinaciones en un análisis proximal Los equipos para la determinación de en un análisis proximal son: los componentes de la materia orgánica 340

349 Proteína bruta: En la actualidad se hace mediante la secuencia de cuatro (4) equipos que remplazan al montaje en material de vidrio que se usaba hasta hace unos pocos años. Montaje en material de vidrio: Método de microkjeldahl. Automatización del método: equipo extracción de proteína Kjeldahl. Fuente: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Equipo #1: se denomina digestor de proteína, consta de 12 tubos en donde se coloca la muestra sin humedad, el catalizador (óxido de selenio), ácido nítrico y sulfato de sodio y potasio. Equipo #2: este esquipo es el scrubber ; el actúa como un recipiente colector de vapores ácidos provenientes de la digestión, este equipo posee una solución básica que neutraliza los vapores ácidos para facilitar su posterior eliminación. Con este equipo no hay emisión de vapores tóxicos al ambiente. Equipo #3: destilador: en este equipo el nitrógeno orgánico proveniente de la muestra reacciona con NaOH para producir amoniaco. En amoniaco se destila y se recibe sobre una solución de ácido bórico para forma borato de amonio. Equipo #4: este equipo se denomina auto titulador. El HCl valora el nitrógeno en forma de borato y cuantifica el % de nitrógeno encontrado en la muestra y da el reporte al finalizar la valoración, sin necesidad de realizar los cálculos. Gráfica 44: equipos para la determinación de proteína bruta. Señor estudiante: las reacciones y el fundamento teórico del método de Kjeldahl se analizan en el capítulo 12 y en las guías de laboratorio del componente práctico el curso. 341

350 FIBRA BRUTA: Se hace mediante un equipo de hidrólisis ácida, La muestra se hierve en ácido clorhídrico diluido. A consecuencia de ello, las proteinas y carbohidratos de molécula elevada se desdoblan en componentes disolubles en ácido. Este equipo usado para determinar grasa con el solvente adecuado después de hidrolizar y desnaturalizar proteínas, separar carbohidratos Fuente: físico-químico AGRO Duitama- Laboratorio SENA, CEDE- Boyacá. Figura 45: equipos para la determinación de fibra bruta. Señor estudiante: el fundamento teórico del método de la determinación de fibra bruta se analizan capítulo 12 y en las guías de laboratorio del componente práctico el curso. EXTRACTO ETÉREO Se hace en un equipo conocido como extractor soxhlet. En la gráfica se observa dos tipos de extractor: El #1; corresponde a un extractor automatizado que conecta secuencialmente a cuatro recipientes. El punto de ebullición de los solventes se alcanza más rápido por operar al vacio y con controles de temperatura programables. El procedimiento puede durar 30 minutos. En #2; es el convencional equipo soxhlet de vidrio, en donde la determinación de la gras puede durar hasta 4 horas Fuente: equipo #1: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Fuente: equipo #2: Laboratorio Unad Cead Duitama. Figura 46: equipos para la determinación del extracto etéreo. 342

351 Señor estudiante: el fundamento teórico del método de la determinación de extracto seco se analizan en capítulo 12 y en las guías de laboratorio del componente práctico el curso. Calorímetro: Equipo que permite determinar la cantidad de calorías de un alimento a partir de una muestra libre de humedad. Con un (1) gramo de muestra es suficiente para determinar la cantidad de energía liberada en una atmosfera libre de oxígeno. Fuente: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE- AGRO Duitama- Boyacá. Figura 47: equipos para la determinación de la cantidad de calorías. Lección 52: equipos para medidas gravimétricas 52.1 Gravimetría Es la parte de la Química analítica que estudia aquellos procedimientos analíticos basados en mediciones de peso. Los métodos gravimétricos se dividen en dos: de precipitación y de volatilización Métodos de precipitación El precipitado obtenido se pesa en una balanza de precisión, después de una filtración, un lavado y un tratamiento térmico adecuado. Se basan en la relación del peso del precipitado, de composición conocida, con la cantidad del constituyente de interés en la muestra analizada. Una vez ha producido el precipitado, debe separarse por filtración, el cual puede ser por gravedad o por centrifugación. La filtración por gravedad conviene cuando los precipitados son cristalinos y se puede filtrar por un papel de filtro de poro medio o pequeño, sin que la filtración sea muy demorada. Cuando el precipitado coloidal se filtra por un papel de poro relativamente grande, a pesar de lo cual la filtración por gravedad seria lenta, por lo cual se prefiere la filtración al vacío, gráfica

352 Filtración pro gravedad Filtración al vacio. Fuente: Riaño, Néstor (2000). Fundamentos de química analítica básica. Manizales: Editorial Universidad de Caldas. Figura 48: diferentes tipos de filtrado. En seguida de la filtración viene una etapa de lavado y secado a una temperatura apropiada hasta peso constante. La gravimetría por filtración sigue los siguientes pasos: Tabla 33: Pasos para la filtración por gravimetría. filtración Separación del precipitado del resto del sistema. Mediante papel gravimétrico. lavado Eliminar impurezas, se considera la parte mas importante en la preparación de la muestra. El líquido de lavado no ha ser volátil, que no aumente la superficie del precipitado y que no transforme al precipitado en un colide. Se recomienda empelar soluciones no volátiles. la eficacia del lavado, se puede comprobar colocando una pequeña Proción del precipitado en un tubo de ensayo y se añade el reactivo especifico y se comprueba si hay precipitación. desecación Proceso importante antes de calcinar y determinar el peso, ya que el agua puede variar la exactitud en al medida. calcinación El precipitado obtenido no es pasable con exactitud después tras la desecación. La temperatura de calcinación oscila entre ººC. Pesada del El precipitado y el recipiente han de estar a la temperatura ambiente, ya que si están precipitado calientes el peso es inferior Métodos por volatilización Los dos métodos más comunes basados en la volatilización son los que se aplican para el contenido de agua y el dióxido de carbono. El agua se elimina cuantitativamente de las muestras de alimentos por desecación ó calcinación. La cantidad de agua se determina por la pérdida de la masa de la muestra durante el calentamiento. 344

353 En los métodos de volatilización, la sustancia a analizar, o sus productos de descomposición, se volatilizan a una temperatura adecuada, se pesa el residuo y por diferencia se determina el peso de la sustancia. En este método se miden los componentes de la muestra que son o pueden ser volátiles. El método será directo si evaporamos la muestra y se hace pasar a través de una sustancia absorbente que ha sido previamente pesada, así la ganancia de peso corresponderá a la sustancia buscada; el método será indirecto si se volatiliza la muestra y se pesa el residuo posterior a la volatilización así pues la pérdida de peso sufrida corresponde a la muestra que ha sido volatilizado. IMPORTANTE: cuando la muestra sale de la desecación o de la calcinación se debe colocar inmediatamente en un recipiente herméticamente cerrado que no permita la entrada de vapor de agua a la muestra, mientras adquiere la temperatura adecuada para determinar su peso; este recipiente se denomina desecador. IMPORTANTE: Una vez fría la muestra, no tome el recipiente con las manos, use pinzas adecuadas, ya que esto hace variar el peso de la muestra. Fuente: Sierra, I. Morante, S. (2001). Experimentación en química analítica. Madrid: Universidad Rey Juan Carlos. Figura 49: Elementos usados en la volatilización de muestras Equipos usados en las operaciones de gravimetría Balanza analítica Es una balanza electrónica, la cual consta de un electroimán para calibrar la carga depositada sobre un platillo. En la figura 50 se presenta una balanza para análisis químico de una capacidad de gramos y una sensibilidad de mg y una microbalanza para miligramos con una sensibilidad de 0.1µg. 345

354 Balanza electrónica que mide Balanza electrónica que mide masa hasta 0.1 mg. masa hasta 0.1 µg. Fuente: Harris, D. (2003). Análisis Químico Cuantitativo. Barcelona: Editorial Reverté S.A. Figura 50: Diferentes tipos de Balanzas gravimétricas. Balanza electrónica que mide masa hasta mg. Fuente: Laboratorio Unad Cead Duitama Señor estudiante: tenga en cuenta, se entiende por sensibilidad el incremento más pequeño de masa que puede medir. Para pesar una sustancia química se coloca primero un recipiente limpio en el platillo de la balanza. La masa del recipiente se llama tara. En la mayoría de las balanzas, hay un botón para ajustar la tara a 0. Si no hay un dispositivo automático de tara, al peso del recipiente lleno se le resta la tara. Importante: las muestras y productos químicos nunca se deben colocar directamente sobre el platillo de la balanza. Para ello se usa un recipiente llamado vidrio reloj para muestras que no son higroscópicas o capsula con tapa, cuando la nuestra tiende a ganar humedad, esto protege la balanza contra la corrosión y permite recuperar todo el producto pesado. Figura 51: elementos para las operaciones gravimétricas. 346

355 Mufla Es una especie de horno, con el cual se alcanzan elevadas temperaturas (500ºC y 1000ºC). Se usa generalmente para carbonizar completamente sustancias orgánicas, se usa en las determinaciones Residuo de ignición ó " Cenizas. Fuente: equipo #1: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Figura 52: Mufla 52, 2,3 Desecador o estufa Consiste en un recinto metálico de doble pared con aislante entre ambas (para evitar la pérdida de calor) y una puerta. La fuente de calor suele ser eléctrica y está incorporada. Posee un ventilador que facilita la circulación del aire caliente, para homogeneizar la temperatura. Un termómetro (con alcance máximo de 200ºC) visible desde afuera, registra la temperatura del interior del recinto. Por calor seco se pueden esterilizar y deshidratar muestras y elementos de laboratorio. Fuente: equipo #1: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Figura 53: Desecador o estufa. Lección 53: equipos para medidas volumétricas Volumetría Se denomina métodos volumétricos a aquellos en los que el análisis se determina con la medición del volumen de una solución de un reactivo de concentración conocida, necesario para reaccionar cuantitativamente con la sustancia a determinar. Los métodos volumétricos tienen con frecuencia una exactitud equivalente a los procedimientos gravimétricos y son más rápidos y más sencillos; por ello su uso se halla muy extendido. 347

356 Para Díaz, J. Fernández. (1997), el análisis volumétrico se fundamenta en la determinación de una sustancia por su reacción con un volumen medio de una sustancia estandarizada conocida. Este proceso se llama comúnmente valoración (o también titulación). El principio del análisis volumétrico se ilustra con al formula: V 1 C 1 = V 2 C 2 V 1 = volumen de valorante necesario para llegar al punto final (ml). C 1 = Concentración del valorante conocida (meq/l). V 2 = Volumen de la solución desconocida que se valora. C 2 = concentración calculada de la solución desconocida. La reacción química transcurre de manera estequiométrica o regulada en presencia de un indiciador que puede producir cambios en el color, cambios en la conductividad eléctrica de la solución, cambios en el potencial eléctrico de la solución u otros cambios físicos. El proceso de medición cuantitativa de la capacidad de combinación de una sustancia con respecto a un reactivo se denomina volumetría o valoración. En general, las valoraciones se realizan agregando cuidadosamente un reactivo de concentración conocida a una solución de la sustancia, hasta que se juzga que la reacción entre ambos ha sido completa; luego se mide el volumen de reactivó empelado. Ocasionalmente, puede resultar conveniente o necesario realizar el análisis añadiendo un exceso por valoración por retroceso con un segundo reactivo de concentración conocida. La solución del reactivo de composición exactamente conocida que se utiliza en una valoración recibe el nombre de solución valorada o solución patrón. La exactitud con que se conoce su concentración pone un límite definido a la exactitud del análisis; por esta razón se extrema todos los cuidados en la preparación de las soluciones patrón. En general. La concentración de estas soluciones se determina por uno de los siguientes métodos, Skogg, D. (2002): Se valora con le reactivo una cantidad pesada exactamente de un compuesto puro, y se calcula la concentración de aquél a partir de la correspondiente medición del volumen conocido. La solución patrón se prepara diluyendo una cantidad exactamente pesada del propio reactivo puro, a un volumen conocido exactamente. En ambos casos se necesita un compuesto químico extremadamente puro, llamado patrón primario o substancia tipo primario, como material de referencia. El proceso por el cual se determina la concentración de una solución por 348

357 valoración de un patrón primario se denomina estandarización ó, simplemente valoración tipos de análisis volumétrico Volumetría redox: Las reacciones químicas en las que se transfieren los electrones de un reactivo a otro se conocen como reacciones de oxidación-reducción. Los métodos volumétricos que implican oxidación-reducción son más numerosos y diversos que los basados en cualquier otro tipo de reacciones. Normalmente, las valoraciones redox mas empeladas son aquellas en las que se utiliza como agente valorante un agente oxidante. Dentro de los agentes oxidantes más comunes se encuentran el permanganato de potasio (KMnO 4 ) y el dicromato de potasio (K2Cr2O 7 ). La reducción de permanganato de potasio en medio ácido puede representarse mediante la ecuación: Dado que el permanganato de potasio no reúne las condiciones de sustancia patrón tipo primario, es necesario estandarizar las disoluciones empeladas frente a oxalato de sodio que sí reúne las condiciones de patrón tipo primario. La reacción de estandarización del permanganato de potasio frente al oxalacetato será la siguiente: En el análisis de alimentos, un ejemplo de esta tipo de valoraciones es la determinación de calcio en leche, según García, José. (2003): El calcio se precipita de La muestra en forma de oxalato de calcio monohidratado y, posteriormente, el precipitado se redisolverá en acido sulfúrico: El ácido oxálico generado en este proceso se valorará frente a una solución de permanganato de potasio, previamente estandarizado, el cual actúa como autoindicador, de esta forma, la determinación de calcio en la leche se lleva a cabo de manera indirecta a partir del precipitado de oxalato producido a partir del mismo. 349

358 Volumetría ácido-base Entre las reacciones químicas existe un tipo particularmente importante debido a utilidad para determinar con precisión datos de concentración de disoluciones. Son las denominadas ácido-base. Siempre que un ácido reacciona con una base se obtiene la sal correspondiente y agua. Este proceso recibe el nombre de neutralización. Ejemplo: ACIDO +BASE HCl +NaOH SAL +AGUA NaCl + H 2 O Como cualquier reacción química, una determinada cantidad de ácido neutraliza a una cantidad dada de base. Ácido y base reaccionan equivalente a equivalente de tal forma que: Núm equivalente del ácido = Núm equivalente de la base Como: Número equivalente del ácido = N ácido * V ácido Número equivalente de la base = N base * V base Donde: N ácido = Normalidad del ácido V ácido = Volumen del ácido N base = Normalidad de la base V base = Volumen de la base N ácido * V ácido = N base *V base En las valoraciones o titulaciones se usa este hecho para determinar exactamente la concentración de una solución problema mediante la adición de un determinado volumen de ácido o base de concentración conocida. Como ejemplos de este tipo de valoración se cita la determinación del porcentaje de acidez de la leche, vino, jugos, etc equipos usados en las determinaciones de volumetría La medición del volumen forma parte de la rutina diaria en el análisis de alimentos y por lo tanto el material volumétrico clásico, como pipetas, buretas, 350

359 balones, etc, es parte fundamental del equipo de laboratorio: algunos ejemplos de este material se observa en la figura 54: Fuente: Anónimo. (2010). Manejo y calibración de material de material volumétrico. Consultado en en chivos/calibracion.pdf. Fuente: equipo #1: Laboratorio físicoquímico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Figura 54: Elementos usados en las determinaciones volumétricas. - Clases de calidad en el material volumétrico Análisis exactos exigen siempre aparatos de medición altamente preciso y de allí que la tolerancia es decir la exactitud y reproductibilidad sean exigidas por las normas internacionales: Material de vidrio clase A: la tolerancia esta dentro de los límites fijados por las normas DIN, ISO ó ASTM (american Society Testing and Materials). Material de vidrio clase B: la tolerancia esta dentro del doble de las exigidas para los quipos de clase A. Señor estudiante, los laboratorios de análisis de alimentos que deseen trabajar con buena precisión y exactitud deben trabajar exclusivamente con materiales clase A. Todos los materiales volumétricos deben ser calibrados para obtener los mejores resultados. En la siguiente tabla se tabulan los límites de tolerancia para 351

360 materiales de vidrio volumétricos de clase A, según lo recomendado por Clavijo, Alfonso (2002): Tabla 34: los límites de tolerancia para materiales de vidrio volumétricos de clase A. IMPORTANTE: aquellos recipientes de cuello estrecho ( pipetas, buretas, matraz aforado) se forman un MENISCO que es la superficie cóncava o convexa que separa a la fase líquida ( disolución) de la fase gas (aire)las fuerzas de adsorción entre la superficie del vidrio y la solución provocan la curvatura del menisco. La lectura del volumen ha de realizarse de tal modo que los ojos estén a un plano tangente del menisco. Fuente: Clavijo, Alfonso (2002) IMPORTANTE Observe los diferentes tipos de meniscos Ajuste del menisco en aparatos volumétricos con marca anular: la lectura se hace a la altura del punto más bajo del menisco. IMPORTANTE : Rotulación del material volumétrico y Meniscos Ajuste del menisco en aparatos volumétricos con franja de Schellbach. Lectura a la altura del punto de contacto de las dos puntas. 352

361 Figura 55: Meniscos Lección 54: equipos para evaluar las propiedades reologicas Cuando un alimentos se procesa, el mismo está sujeto a un movimiento constante; en la práctica es muy difícil pensar en un producto que no requiera movilización. Se define a la Reología a la ciencia dedicada al estudio de la deformación y el flujo. Varias son las razones para determinar las propiedades reologicas de los alimentos; zona básica en la ingeniería de procesos para el diseño de plantas en el cálculo de requerimientos de bombeo; para establecer las dimensiones de tuberías y básculas; para realizar mezclas; además; se utilizan en el cálculo de operaciones básicas de transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento. También se aprovecha para el control instrumental de calidad del material crudo previo al procesamiento, de productos intermedios durante la manufactura, y de productos finales después de la producción. Sirve para evaluar la calidad preferida por el consumidor por medio correlaciones entre las medias reologicas y pruebas sensoriales. Permite elucidar la estructura o composición de alimentos y analizar los cambios estructurales que ocurren durante un proceso Definición La Reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos. Su estudio es esencial en muchas industrias, 353

362 incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo. Un concepto formal del término Reología sería parte de la mecánica que estudia la elasticidad, Plásticidad y viscosidad de la materia Ramírez, J. (2006). Para fines de cumplimiento de los objetivos de esta lección, no se profundizará en el concepto de Reología, sino que se hace énfasis en los equipos que ayudan a determinar el grado de deformación frente a fuerzas externas de cizallamiento Equipos que ayudan a determinar las propiedades reológicas equipos que miden las propiedades reologicas de la harina de trigo En esta lección es importante presentar los equipos que miden las propiedades reologicas del gluten de la harina de trigo: en el gluten las medidas reologicas permiten predecir las características en el proceso y la calidad de las harinas, además indican las propiedades plásticas de la masa. A continuación se presenta un cuadro resumen de los equipos que se usan: 354

363 alveografo de Chopin Extensógrafo brabender Farinografo brabender Figura 56: Equipos para las propiedades reológicas de la harina de trigo. Mixografo de Swanson equipos para determinar viscosidad La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido. Dicho concepto se introdujo anteriormente en la de Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación (gradiente de velocidad), Ramírez, J. (2006): = esfuerzo cortante (mpa) µ= viscosidad (mpa*s) = velocidad de deformación (s -1 ) Las unidades de viscosidad más utilizadas son los milipascales por segundo (mpa*s). Se debe tener en cuenta que: 1000 mpa*s = 1Pas*s Además el sistema cegesimal aún se sigue usando, siendo la unidad de medida el centipoisen (cp). La conversión de unidades entre los dos sistema es: 1 cp= 1mPa*s 1 Poise = 1 g/cm*s La siguiente tabla es una aproximación del valor de la viscosidad para sustancias muy conocidas a temperatura y presión ambientales, Ramírez, J. (2006): 355

364 Fluidos Viscosidad aprox (mpas*s) Vidrio Betún Miel liquida 10 4 Glicerol 10 3 Aceite de oliva 10 2 Agua 10 0 Dentro de los equipos que se pueden encontrar en los laboratorios de alimentos están: Viscosímetros capilares de flujo: Viscosímetro de Ostwald Viscosímetro de vidrio Viscosímetro de vasos de vertido Viscosímetro de Alta presión Viscosímetros Rotacionales: Viscosímetro de cilindros concéntricos Viscosímetro de cono y placa Viscosímetros de eje simple Viscosímetro de Brookfield En las instalaciones de la UNAD, se cuenta con el siguiente equipo: Este modelo de viscosímetro funciona mediante un juego de cuatro agujas (spindle). Para muestras con una viscosidad baja se utiliza el spindle más grueso. El spindle más delgado se usa para sustancias con viscosidades altas como por ejemplo: la mermelada que tiene un valor de viscosidad aproximada de 6000 cp. Todos los splinder tienen un número que los identifica y está relacionado con un factor que se usa para realizar la determinación de la viscosidad. Fuente: Laboratorio Unad Cead Duitama Este modelo es un viscosímetro rotario automáticos, no hay necesidad de realizar el cálculo, ya que lo hace de forma automática, tiene un cilindro de doble camisa para realizar mediciones de una misma muestra a diferentes temperaturas. Fuente: Laboratorio físicoquímico SENA, CEDE- AGRO Duitama- Boyacá. Figura 57: Equipos para la medición de viscosidad 356

365 texturometro UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD La textura es la característica permite apreciar la firmeza, suavidad, suculencia, resistencia a la masticación, fibrosidad, etc., de los productos comestibles. La medición objetiva de la textura no sólo determina la resistencia del producto a la fuerza aplicada sino que ayuda a seleccionar: tiempo y temperatura de lavado y cocción; tipo adecuado de embalaje y maquinaria adecuada para pelado y cortado. Así como a determinar el grado de madurez y a predecir fecha aproximada de óptima recolección. Para la medición objetiva de la textura, se han ideado un número considerable de aparatos mecánicos, tales como tenderometros, texturometro, penetrómetros (para futas), etc. En la siguiente gráfica se exponen algunos penetrometro: de los modelos de texturometro y El pisto ejerce la fuerza sobre el alimentos hasta la deformación del mismo Equipo ideal para envases de hojalata y productos carnicos tipo salchicon y salchichas. Figura 58: Equipos para la medición de textura. Lección 55: equipos análisis instrumental 55.1 métodos instrumentales Para medir la firmeza o dureza en todo tipo de frutas. Los penetrómetros son ideales para determinar el momento óptimo de recolección o para controlar la evolución de la maduración de gran cantidad de frutas. Utilizan un instrumento más o menos complejo para evaluar una propiedad física o físico-química del sistema objeto de análisis. Esta definición es un poco ambigua, pues no existe ningún análisis químico gravimétrico o volumétrico que no recurra por una parte al examen de una propiedad física como la precipitación, cambio de volumen, y por otra parte que no emplee algún artificio experimental (buretas). Además actualmente la instrumentación se utiliza también para otras muchos fines, 357

366 entre los cuales cabe destacar aquellas que conducen a la morfología y estructura de las moléculas. Son métodos modernos de separación, cuantificación e identificación de especies químicas presentes en los alimentos o cualquier muestra orgánica e inorgánica. Se basan en fenómenos conocidos, su aplicación ha ido en paralelo al desarrollo de la electrónica. En definitiva, las técnicas instrumentales implican por una parte el estudio teórico de los principios físicos y físicos-químicos de los métodos utilizados, así como el conocimiento de tamaño, forma, estabilidad y estructura de las moléculas; y por otra parte implican la descripción y conocimiento de los componentes básicos de los instrumentos empleados tipos de métodos instrumentales Se basan me propiedades físicas que pueden utilizarse como señales analíticas en el análisis cualitativo y cuantitativo: Tabla 35: Algunas señales utilizadas en los métodos instrumentales. señal Método Emisión de la radiación Espectroscopia de emisión ( rayos X, visible, de electrones, Auger): fluorescencia, fosforescencia y humiscencia ( rayos X, UV y visible) Adsorción de la radiación Espectrofotometría y fotometría, resonancia magnética nuclear,. Dispersión de la radiación Turbidimetría, nefelometría, espectroscopia de Raman. Refracción de la dispersión refractómetro Rotación de la dispersión Polarimetría Carga eléctrica coulombimetria Fuente: Rodríguez, M. (2009). Análisis instrumental. Consultado en en equipos utilizados en el análisis instrumental para alimentos A continuación se presentan sólo algunos de los equipos usados en este tipo de análisis. Hay laboratorios que cuentan con este tipo de quipos, que generalmente quedan para nivel de investigación, pero que también se usan en determinaciones de rutina y esto eleva el costo del servicio: 358

367 Medidor de ph: es un voltímetro, aparato para medir la fuerza electromotriz, y puede empelarse en cualquier determinación analítica que se base en la medición por de la fuerza electromotriz generada originada por diferencias de potencial eléctrico. El espectrofotómetro es un instrumento que permite comparar la radiación absorbida o transmitida por una solución que contiene una cantidad desconocida de soluto, y una que contiene una cantidad conocida de la misma sustancia. Se usa en alimentos para diferentes determinaciones como: - determinación de la concentraciones de azúcares reductores (método de Somogy-Nelson ó DNS). Determinación de la concentración de proteinas (método de lowry, Barfoed). Fuente: Laboratorio Unad Cead Duitama. Cámara electroforética: se usa en electroforesis, la cual es una técnica para la separación de moléculas según la movilidad de estas en un campo eléctrico. La separación puede realizarse sobre la superficie hidratada de un soporte sólido (p. ej., electroforesis en papel o en acetato de celulosa), o bien a través de una matriz porosa (electroforesis en gel), o bien en disolución (electroforesis libre). Dependiendo de la técnica que se use, la separación obedece en distinta medida a la carga eléctrica de las moléculas y a su masa. Se usa en alimentos para diferentes determinaciones a nivel de investigación como: determinación del peso molecular de proteinas, separación de proteínas de un extracto de composición desconocida. Fuente: Laboratorio Unad Cead Duitama. Cead Duitama. Fuente : Labora torio Unad 359

368 Cromatografo para HPLC: La cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) es un tipo de cromatografía en columna (la fase estacionaria se sitúa dentro de una columna) donde los compuestos pasan por la columna cromatográfica a través de la fase estacionaria, mediante el bombeo de líquido (fase móvil) a alta presión a través de la columna. Se usa en alimentos para diferentes determinaciones a nivel de investigación como: determinar concentración de componentes presentes en alimentos de concentración desconocida. Para determinar concentración de vitamina A, B1, B2, B6,C, D3, E niacina y niacinaamida. Fuente: laboratorios Micotox. Bogotá. El rotavapor: aunque no es un equipo exclusivo en análisis instrumental, se puede decir q ue es un equipo auxiliar, ya que ayuda a separar solventes empelados para la separación de sustancias y luego su r4espectiva concentración. Es un método eficiente su se compara con la destilación simple. Fuente: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE- AGRO Duitama- Boyacá. Una centrífuga es una máquina que pone en rotación una muestra para separar por fuerza centrífuga sus componentes o fases (generalmente una sólida y una líquida), en función de su densidad. AL igual que el rotavapor, es un equipo auxiliar que sirve para preparación de muestras para posteriores análisis. Unad Figura 59: Equipos usados en el análisis instrumental. Fuente: Laboratorio Cead Duitama. 360

369 CAPITULO 12: Análisis por grupos de alimentos Lección 56. Constituyentes básicos 56.1 importancia de los grupos de nutrientes Humedad La determinación de humedad o volátiles a 100ºC se basa en la pérdida de peso que sufre el alimento al calentarlo a 100ºC. Este valor incluye además del agua propiamente dicha, las sustancias volátiles que acompañan al alimento Como en el procedimiento de secado, además pueden ocurrir ciertas reacciones químicas ocasionando variaciones en el peso, algunos autores recomiendan expresar el resultado de esta determinación como cantidad de sustancia seca. El contenido acuoso exacto se puede determinar por otros procedimientos. De acuerdo con Bernal, I. (1993), no se debería incluir la humedad como nutriente, puesto que ele agua esta presente en todo ser vivo, su importancia como solvente para solutos polares tales como aminoácidos y electrolitos, merece situarla dentro de este grupo. En el caso de granos de cereales que deben almacenarse o de productos farináceos, el contenido de agua es crítico, pues a niveles de 8 a 12% favorece el crecimiento ode hongos. A veces es difícil la determinación exacta del contenido total en agua. En la práctica es suficientemente apropiado cualquier método que proporcione una buena respetabilidad con resultados comparables, siempre que ese mismo procedimiento se siga estrictamente en toda ocasión. También son validos ciertos métodos especialmente rápidos, siempre que los resultados se contrasten con los obtenidos mediante algún otro procedimiento más convencional. Aparte del uso del refractómetro e hidrómetros para obtener medidas indirectas en el cas de sólidos disueltos. Métodos de secado: en los cuales el agua se elimina por el calor o por agentes desecantes. Son los métodos más comunes para valorar el contenido de humedad en los alimentos; se calcula el porcentaje en agua por la perdida en peso debida a su eliminación por calentamiento bajo condiciones normalizadas. Dentro de este método se considera: Determinación de la humedad por secado en cápsula abierta: en este método el cálculo es: 361

370 %H = pérdida de peso (g) x 100 Peso de muestra tomado (g) Sólidos totales (%)= 100 agua (%) Determinación de la humedad por secado en una cápsula cerrada: por este método existe menos probabilidad, de que la muestra absorba humedad después del calentamiento. En la actualidad, existen equipos que proporcionan mayor seguridad en el procedimiento, como es el caso de contar en el laboratorio balanzas para la determinación de humedad. La balanza para medición de humedad ha sido creada para medir la humedad de pequeñas muestras de materiales a través del secado con luces halógenas. Esta balanza para medición de humedad proporciona el resultado exacto de la humedad de las muestras, dependiendo del modo de recuperación de secado. Con este equipo se consigue un resultado rápido y en las unidades deseadas (% H, Aw ó gramos de agua): Balanza de humedad portamuestras En proceso, sistema térmico halogenado Visualización de resultados Reporte de resultados Proteína Bruta Figura 60: Balanza de humedad Fuente: Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Este término se aplica a gran número de compuestos nitrogenados. Estructuralmente son polímeros de aminoácidos unidos pro enlaces peptídicos. La secuencia de grupos de aminoácidos caracteriza a una proteína y las propiedades físicas, químicas y nutricionales depende de la composición en aminoácidos de la molécula de proteína y de la forma como se enlazan para conformar su estructura. Puesto que el nitrógeno representa en la mayoría de las sustancias proteicas un porcentaje relativamente constante, alrededor de 16%, su determinación sirve 362

371 como medida del contenido proteico en los alimentos. Para su determinación, se utiliza el método Kjeldahl, el cual consiste en: Método Kjeldahl 38 Este método, diseñado para la determinación de nitrógeno total, puede aplicarse al análisis de proteína bruta de una muestra o de proteína verdadera, haciendo una extracción previa de ésta o también determinando el nitrógeno no proteínico. El resultado de los análisis por Kjeldahl se expresa como proteína bruta, multiplicando el porcentaje de nitrógeno en la muestra por Esta conversión se basa en el contenido promedio de nitrógeno del 16% de muchas proteínas. Aunque este promedio puede no ser válido para proteínas específicas purificadas, es suficientemente exacto para la mayoría de propósitos. Para la determinación del nitrógeno presente en la muestra, es necesario hacer la digestión del compuesto hasta CO 2 e iones NH 4 +, por tratamiento en caliente con H 2 SO 4 concentrado y en presencia de mezcla catalizadora. Cuando se trata de determinar el nitrógeno de compuestos que contengan enlaces N-N, NO y NO 2, previamente debe practicarse tratamiento con agentes reductores para convertirlos en grupos amina. La cantidad de amonio producido se determina agregando un exceso de álcali a la solución ácida que los contiene, con lo cual se desplazan tales iones del bisulfato amónico y en la forma de hidróxido de amonio son arrastrados por una corriente de vapor de agua a un sistema cerrado y absorbidos en una solución de ácido de concentración conocida. El exceso de ácido que queda en la solución, después de haber recogido todo el amoniaco desprendido, se valora con un álcali de título conocido. También el amonio desprendido puede recogerse sobre una solución de ácido bórico, y el borato ácido de amonio producido se titula por retroceso con solución de un ácido fuerte de concentración conocida. El método que se usa en la realidad se ha ajustado a la técnica micro. Las reacciones que ocurren durante todo el proceso son: 38 Pérez. G. Navarro, Y. (1992). Bioquímica. Bogotá: Unisur. 363

372 Digestión: orgánico UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD N + H SO NH SO + CO + SO + SO 2 4 Mezcla Caral Destilación: NH 4HSO4 + NaOH NH 4OH+ NaHSO Arrastrecon Vapor Absorción: NH 4 OH+ H 3BO3 NH 4H 2BO3+ H 2O Titulación: NH + 4H 2BO3+ HCl NH 4Cl H 3BO3 La suma miembro a miembro de las ecuaciones de absorción y titulación, da la ecuación definitiva de titulación: NH 4 OH+ HCl NH 4Cl+ H 2O Indicador El método es reproducible, requiere el tratamiento de muestras con un contenido de proteína mayor de 3 mg y puede calificarse como consumidor de tiempo y dispendioso en general. Sin embargo, como es posible conocer el contenido de nitrógeno no proteínico (haciendo una extracción previa de este y determinándolo en la solución de extracción), se obtienen entonces valores bastante exactos del contenido real de proteína. Se recomienda usarlo para determinar proteína en mezclas crudas y relativamente grandes, pero no es rápido ni muy aconsejable para aplicarlo a gran número de muestras de proteína soluble relativamente pura. Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver los reactivos y procedimiento del método. Para tener presente: la cantidad de proteína bruta se obtiene multiplicando el porcentaje de nitrógeno determinado por el factor 6.25 generalmente; para la proteína de cereales se multiplica por el factor 5.7 y para proteína de leche el factor utilizado es 6.38, Bernal, I. (1993) Fibra Bruta La fibra no posee un valor nutritivo apreciable, su función en el tracto intestinal es la de aumentar el volumen de las materias nutritivas y estimular el peristaltismo intestinal. 364

373 En los animales monogastricos, incluido el hombre, la mayor parte de la fibra bruta es indigerible, pues no se posee las enzimas adecuadas para degradarla, convirtiéndola así en un vehiculó del alimentos a través del intestino. Los animales poligástricos degradan la celulosa transformándola en ácidos grasos de cadena corta, que sirve con fines energéticos. De este modo lso seres humanos aprovechan por medio de la carne y productos derivados, la potencialidad de la celulosa. Se define como Fibra cruda, al residuo orgánico combustible e insoluble que queda después de que la muestra se ha tratado en condiciones determinadas. Las condiciones más comunes son tratamientos sucesivos con petróleo ligero, ácido sulfúrico diluido hirviente, hidróxido de sodio diluido hirviente, ácido clorhídrico diluido, alcohol y éter. Este tratamiento empírico proporciona la fibra cruda que consiste principalmente del contenido en celulosa además de la lignina y hemicelulosa contenidas en la muestra. Las cantidades de estas sustancias en la fibra cruda pueden variar con las condiciones que se emplean, por lo que para obtener resultados consistentes deben seguirse procedimientos estandarizados con rigidez. Fibra dietética: El papel de la fibra indigerible o alimento o forraje indigesto en la dieta en el mantenimiento de salud, es ahora considerado tan importante nutricionalmente como los niveles de nutrimentos absorbibles en los alimentos. Los métodos empíricos para determinar el contenido en fibra cruda son de uso limitado porque los resultados pueden representar tan poco como 1/7 de la fibra dietética total de ciertos alimentos. La fibra dietética puede ser definida como constituida por todos los componentes de los alimentos que no son rotos porque las enzimas del conducto alimentario humano para formar compuestos de masa molecular menor, capaces de ser absorbidos al torrente sanguíneo. Estos incluyen hemicelulosa, sustancias pépticas, gomas, mucílagos, celulosa, lignina y polisacáridos tecnológicamente modificados tales como la carboximetilcelulosa. Debe hacerse notar que algunas de estas sustancias no tienen estructura fibrosa y son solubles. Se han desarrollado diferentes métodos para la estimación de la fibra dietética. Dado que no es posible determinar los muchos componentes complejos individualmente de la fibra dietética, los métodos de uso práctico representan un compromiso entre la separación completa y su determinación y la aproximación empírica de fibra cruda. Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver procedimiento del método. los reactivos y 365

374 Extracto etéreo La grasa se determina normalmente o bien por extracción directa de un disolvente, o por extracción indirecta después de un tratamiento con álcali o un ácido o por medio de un tubo del volumen de grasa separada mezclando la muestra con ácido sulfúrico o con reactivos neutros o alcalinos y centrifugando la muestra. El éter de petroleó es el mejor agente de extracción directa de la grasa del material seco. El éter dietílico es el más eficiente pero también extrae sustancias no grasas. El método se realiza de la manera más conveniente utilizando extractores continuos tipo soxhlet (figura 46). La fundamentación del método se puede resumir así: Una cantidad previamente homogeneizada y seca, medida o pesada del alimento se somete a una extracción con éter de petróleo o éter etílico, libre de peróxidos o mezcla de ambos. Posteriormente, se realiza la extracción total de la materia grasa libre por soxhlet. El cálculo y expresión de resultados: Donde: M= peso de la muestra m1= tara del matraz solo m2= peso matraz con grasa. m2 -m1 % grasa cruda = x100 m 100 % grasa cruda en base seca = %grasa cruda x % humedad Donde: m peso de la muestra m1 tara del matraz solo m2 peso matraz con grasa. Los resultados se informan en % de materia grasa en base seca o húmeda Promediar los valores obtenidos y expresar el resultado con 2 decimales. Repetibilidad: La diferencia de los 2 resultados no debe ser superior al 2 % del promedio. Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver procedimiento del método. los reactivos y 366

375 Extracto no nitrogenado En esta fracción se agrupan mono u disacáridos, la parte soluble de la celulosa, las pentosas y la lignina, las hemicelulosa, el almidón, la inulina y toda clase de azúcares, materias pécticas, ácidos orgánicos y otras materias solubles libre de de nitrógeno, constituyendo así fracción más valiosa de alimentos. Se determina por diferencia de peso entre los valores del peso inicial de la muestra de alimentos analizado y la suma de las demás fracciones obtenidas mediante los análisis de: fibra bruta (FB), extracto etéreo (EE), proteína bruta y agua: Cenizas o material mineral ELN = (Cenizas +PB + EE +FB+ agua) Las cenizas se componen de de carbonatos originados en la materia orgánica. Su determinación se hace en hace pro calcinación a +/-500ºC en equipos llamados muflas (gráfica 52). No se debe dejar pasar de esta temperatura, pues se podría descomponer los carbonatos presentes y se volatizarían otras sustancias como los compuestos de fosforo, produciendo así resultados erróneos, otra forma de destruir la materia orgánica es por oxidación húmeda, con ácido nítrico o sulfuro de hidrogeno concentrados. Es más importante el análisis el contenido de algunos elementos de las cenizas que el porcentaje de esta, el cual puede más bien dar idea del contenido de sustancia orgánica, Bernal, I. (1993). El análisis de la cenizas debe estar enfocado a la determinación a la determinación de calcio fosforo, potasio, manganeso, hierro y demás elementos que tienen significado en la alimentación animal y humana. Bernal, I. (1993). Lección 57: principales análisis por grupos de alimentos: lácteos 57.1 Preparación de la muestra Para obtener una mezcla uniforme, hay que mezclar uniformemente la muestra efectuar de inmediato el análisis, debido a la rápida separación de la grasa de la leche. La muestra se debe filtrar y mantenerse en un frasco limpio, provisto de tapa y rotulado, indicando la procedencia y la fecha de recibido. 367

376 57.2 Análisis UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD A la leche fresca, de acuerdo con Mahecha, G. Bernal, I. Segura, E. (2003) se le realizan los siguientes análisis: Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver procedimiento de cada método. los reactivos y Gravedad específica Densidad Sólidos totales Acidez Cenizas Determinación de la grasa Tabla 36: Análisis para la leche fresca. Usualmente se determina por el lactodensímetro de Quevenne que tiene una escala graduada en 25 partes iguales que se extiende entre las marcas de 15 y 40, correspondientes a la gravedades específicas de 1,015 y 1,040. Algunos modelos de este lactodensímetro están provistos de un termómetro. La densidad de la leche puede fluctuar entre a g/cm 3, a 15ºC. Su variación con la temperatura es de g /m 3, por cada 5 grados de ºT. 15ºC = g /m 3, A medida que la temperatura aumenta, la densidad disminuye: A 20ºC = A 10ºC = El equipo adecuado para esta determinación es el lactodensímetro. Se determina gravimétricamente sobre una cantidad medida de leche, la cual se evapora a sequedad sobre un baño maría a una temperatura inferior a 80ºC. la desecación se termina en estufa a 90ºC y llevando la muestra hasta peso constante. Hay dos formas de calcular el % sólidos en la leche : 1. formula de Hehner y Richmond: T = (L/4) + 1,2 F+0.14 T= % de sólidos totales L= lectura del lactodensímetro F = % de grasa 2. Formula de Fleishman X=1,2 g+2,665 *(100p-100/P) X= % de sólidos totales G = % de grasa P = densidad de la leche. Esta determinación es muy importante, se lleva a cabo mediante volumetría acido-base con NaOH 0.1N. los resultados se expresan en gramos de ácido láctico por litro de leche o en grados Dornic. Para ser esta conversión basta multiplicar por 10 el valor obtenido de ácido láctico. Una leche normal debe tener una acidez comprendida entre 14 y 20 ºD. % ácido láctico = V NaOH *10-3 *N*M / ml de leche V NaOH = volumen de base gastado en la titulación N = 0.1 N M = peso molecular del ácido láctico ( 90 g/mol) Se determina en una muestra evaporada sobre un baño maría y calcinada en mufla entre 500 y 550ºC. puede servir el residuo que queda cuando se determina los sólidos totales pro gravimetría. Se basa en la deshidratación de la muestra por el ácido sulfúrico concentrado y la separación de la grasa por centrifugación. El más usado en Colombia es el llamado método de Gerber, en el cual se añade a la leche ácido sulfúrico ( del 90%) en un tubo graduado especial, con la que se disuelve la caseína. La grasa separada por centrifugación se mide directamente en la escala. La adición de alcohol amílico facilita la separación de la grasa. El mínimo de grasa permitido en Colombia es de 3,2%.. 368

377 Determinación de la lactosa Este se determina por medio de su rotación óptica (usando un polarímetro), o por acción reductora de la solución de Fehling, el cual es un reactivo especifico para reconocer grupos reductores en soluciones azucaradas. Proteinas Se determina por el método clásico de Kjeldahl, descrito en la lección 56, numeral El % de N x 6,38 = proteinas totales de la leche. aguado Descremado Otras adulteraciones frecuentes 57.3 Adulteraciones de la leche fresca La leche puede ser adulterada por diversos procedimientos. Los más frecuentes son el aguado, el descremado, la adición de preservativos y de colorantes. Tabla 37: Adulteraciones de la leche fresca Esta adulteración puede detectarse únicamente mostrando cambios químicos o físicos, debidos solamente a la adición de agua, estos son: 1. sólidos no grasos: se sabe que la leche fresca tiene un 8 a 9% de sólidos no grasos (residuo magro). Se ha establecido como mínimo un valor de 7.7% de modo que cualquier valor inferior es s sospecha de esta adulteración. 2. por medio de la densidad: una densidad inferior para leche entera de 1,036 (ó 1.033) puede ser debido a la adición de agua, en este caso la densidad de la leche puede oscilar entre g /m 3 ó valores inferiores. 3. por el índice crioscopico: el método más seguro. Se analiza el punto de congelación de la leche, el cual es una constante que varía entre límites muy estrechos. Su determinación se hace mediante el aparato de Beckman. Sí el punto de congelación del agua es superior a ºC, es decir, sí se obtienen valores cercanos a 0ºC, se deduce que adición de agua. El método es de alta sensibilidad que el aumento de una centesimal de grado en el equipo, corresponde aproximadamente a 1.8% de agua a adicionada. Se detecta cuando el % de grasa es menor de 2.2, y por los siguientes métodos: 1. Existe una relación entre proteínas / grasa = (de acuerdo a la normatividad del país y tipo de leche). Valores superiores se deduce un descremado, ya que el valor de proteína va ha ser constante. 2. Determinando la gravedad específica de los sólidos de la leche: para esto se usa la formula de Fleishman: X= TS TS ((100XGr)-100) / Gr TS = % de sólidos totales Gr = gravedad específica de la leche El valor de X debe estar entre 1.25 a 1.34 en la leche normal. Un valor por encima de 1.4 hay evidencia de descremado. Identificación de harina como espesantes Identificación de cloruros Identificación de persevantes; formaldehido, hipoclorito, peróxido de hidrogeno. 369

378 Lección 58: principales análisis por grupos de alimentos: Cárnicos Determinación de las características organolépticas De acuerdo con Mahecha, G. Bernal, I. Segura, E. (2003), esta determinación se efectúa sobre la muestra tal cual llega al laboratorio, ya sea carne fresca, embutido o un enlatado Preparación de la muestra La muestra se despoja de los huesos, cartílagos y tejidos graso, se muele con ayuda de una máquina unas tres veces. Se envasa en frascos herméticos. Si no se va a proceder inmediatamente al análisis debe mantenerse refrigerada y efectuarlo lo más rápido posible Análisis De acuerdo a lo que recomienda A la carne fresca, de acuerdo con Mahecha, G. Bernal, I. Segura, E. (2003) se le realizan los siguientes análisis: Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver los reactivos y procedimiento de cada método. Nota: en esta lección, solo se expone el análisis químico de carne fresca. Se asume que en el curos de proceso Cárnicos, se detallada los análisis realizados a los derivados cárnicos. Tabla 38: Análisis para productos carne fresca: Cenizas Sigue el método de calcinación en mufla a la temperatura de ºC, partiendo de una cantidad de carne compre3ndida entre 2 y 5 gramos. Es necesario eliminar por desecación la humedad de la muestra. Dentro de la composición de las cenizas se determina: Cloruro de sodio Determinación por el método de Mohr de fosfatos, nitritos y nitratos. Grasa Humedad Varía dependiendo de de la especie, edad o raza. El % de grasa se determina mediante extracción soxhlet con n-hexano o éter de petroleó y por determinación gravimétrica se obtiene la perdida de peso. AL residuo obtenido se les realiza: Índice de I 2, saponificación, esteres, etc. El Índice de I 2 conlleva a determinar su la muestra cárnica es de bovino o equino (caballo); debido que la carne de equino tiene un índice de I 2 > de 70 y la carne de bovinos registra índices de I 2 < de 70. Se sigue el método de desecación en estufa a 75ºC- 80ºC, partiendo de una cantidad exactamente pesada. Existe una relación entre el contenido de agua y de proteína el cual no debe sobrepasar de una relación de 4:1, agua- proteína respectivamente. 370

379 Sustancias nitrogenadas totales expresadas como proteínas Se aplica el método de Kjeldahl. Almidón Se puede reconocer el almidón, vertiendo gotas de una solución de lugol sobre la superficie recién cortada de embutido. Si hay almidón, se producirá una coloración azul intensa sobre la muestra. Si la reacción cualitativa de lugol fue positiva, se procede a realizar la prueba cuantitativa para determinar si el contenido de almidón para productos cárnicos esta en los limites normativos. Esta determinación es importante para controlar el exceso ode almidón en productos cárnicos por rendimiento y relleno. ph Supremamente importante: la carne inmediatamente después del sacrificio, tiene un ph ligeramente ácido por la concentración de ácido láctico. La toma de ph se debe hacer transcurrido 24 horas después del sacrificio. Una carne que aún es musculo ( recién sacrificada) tiene un ph de Luego de 24 horas registra un ph inferior a 6.0 Sin ningún método de refrigeración ni conservación, a los 4-5 días, el ph empieza a volverse básico por la presencia de reacciones de transaminación de las proteinas y aminoácidos. Ensayo de las bases volátiles Es una determinación muy importante en productos de pescado y para producto enlatados. En el ensayo se determina por titulación la siguientes aminas: TMA (trimetilamina), dimetilamina ( DMA) y el amoniaco. En la siguiente tabla se resumen algunos diferentes tipos de carnes: de los análisis que se hacen a Tabla 39: Análisis para diferentes tipos de carne fresca Tipo de análisis Carne bovino Carne de bovino curada Carnes enlatadas de bovino Humedad ( de pollo Pescado y derivados (incluye enlatados). X X X X X rutina ) Bases volátiles - - X - X Cenizas X X X X X grasa -/X -/X -/X X X Dióxido de - X azufre Nitritos - X X X - Histamina - - X - X Mercurio - - X - X X= si. (-)= No Lección 59: principales análisis por grupos de alimentos: frutas y vegetales Preparación de la muestra La preparación de las muestras de frutas y hortalizas difiere de acuerdo con el tipo de de análisis que se va a realizar. Si se requiere muestras liquidas, es 371

380 necesario extraerla directamente de la fruta, los alimentos sólidos se deben pulverizar hasta una granulometría minina. En la mayoría de los casos, hay que determinar primero el contenido de agua Análisis Señor estudiante: Consulte las guías de laboratorio para ver los reactivos y procedimiento de cada método. Nota: en esta lección, solo se expone el análisis químico de frutas y vegetales frescos. Se asume que en el curso de Proceso Fruver y Tecnología de frutas y hortalizas, se profundiza en los análisis realizados a los derivados de frutas y vegetales (vegetales y frutas procesadas). A continuación se recopilan los principales análisis que se hace a las frutas y vegetales: Tabla 40: Análisis para frutas y vegetales Hierro en cenizas Se realiza por el método de la orto-fenantrolina: utiliza métodos colorimétricos y espectrofotométricos. Adicional al hierro, también se puede determinar Ca y P. Determinación e vitamina C Acidez Contenido de humedad y sólidos totales Se realiza por el método de de la 2-nitroanilina. Se determina por valoración acido-base y se expresa en porcentaje de acuerdo al ácido predominante (ácido cítrico, tartárico, málico, etc). Se realizan por gravimetría. Estas determinaciones es importante hacerlas desde que la fruta comienza el eslabón de poscosecha. Determinación del contenido de azucares Se determinan por medios cuantitativos físicos o por métodos químicos: 1. métodos físicos: métodos ópticos: la sacarosa, lo mismo que otros muchos azúcares y otros sustancia tienen la propiedad de hacer girar el plano de polarización, de un rayo de luz, propiedad que s aprovecha para la construcción de los polarímetros. 2. método de Fehling soxhlet: el método puede ser volumétrico y gravimétrico, dentro de la metodología gravimétrica, las más conocidas son las propuestas por Munson y Walker y dentro de las volumétricas las propuestas por Eynon-Lane. 1. Método gravimétrico de Munson y Walker: es un método de amplia aplicación para la determinación de azúcares tales como dextrosa, azúcar invertido y sacarosa (después de la inversión). Lactosa y sacarosa (después de la inversión, maltosa, etc., correspondientes a las cantidades de cobre reducido en presencia de estos azúcares. En los análisis e materiales de alta pureza como el azúcar refinado, es recomendable usar Cu 2 O. Cuando se analizan muestras de panela, miel de caña, se debe usar CuO 2. método volumétrico de Eynon-Lane Es de mayor empleo en la determinación de azúcares reductores. Se fundamenta también en la reducción del Cu (reacción de Fehlin). Se tiene una solución inicialmente azul, que se decolora al precipitar el óxido de cobre y en el punto final debe quedar completamente incolora. Existe otra opción, titular el Fehling contra un patrón de azúcar de concentración conocida, para garantizar los resultados. 372

381 Sólidos insolubles en agua Sólidos totales Sólidos solubles en agua por refractómetro. Para calcular el porcentaje de sacarosa y de azúcar invertido en una mezcla, se procede así: el azúcar invertido se obtiene directamente de la determinación de cobre antes de la inversión. La diferencia entre el porcentaje de azúcares calculados como dextrosa después y antes de la inversión multiplicada por 0.95 da la sacarosa, ya que esta produce por inversión azúcar invertido en la proporción de Se realiza por gravimetría, se pesan 25 gramos de muestra, se lleva a ebullición la muestra y se filtra, se deseca el filtro para retirar humedad y se determina: % de sólidos insolubles en agua = (P1-P) x100 / peso de la muestra Se hace por gravimetría. Se evapora por desecación el agua del producto a 7 ºC hasta peso constante: % de sólidos totales = peso seco / peso de la muestra x100 Se expresan en grados Brix (símbolo Bx) los cuales miden el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 Bx tiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido o, dicho de otro modo, hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua en los 100 g de la solución. Los grados Brix se miden con un refractómetro. Se toma la lectura directa en el equipo. Para resultados muy exactos, se debe corregir la lectura para los sólidos insolubles en agua así: % de sólidos solubles = % de sólidos por el refractómetro x (100-a/100). Donde a = son los sólidos insolubles en agua. Refractómetro de mesa. Refractómetro de mesa Refractómetro portátil. con control de temperatura. Figura 61: diferentes tipos de refractómetros. Fuente: Fuente: Laboratorio Unad Cead Duitama. Laboratorio físico-químico SENA, CEDE-AGRO Duitama- Boyacá. Secuencia de uso del refractómetro en la determinación de grados Brix: 373

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