REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

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1 6 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 18

2 6.1 Generalidades sobre el Maíz Origen El maíz es originario del continente americano, específicamente de Mesoamérica, aunque su domesticación pudo realizarse en forma autónoma en varios puntos del continente. Evidencias arqueológicas en Michoacán, Tamaulipas, Tehuacán y el Valle de Oaxaca ponen de manifiesto el proceso de domesticación del maíz en México. Los primeros cultivos datan de hace unos 8000 años (Museo Nacional de Culturas Populares, 1987). Desde hace más de 100 años diversas teorías han sido expuestas para explicar el origen y la evolución del maíz. Una de las teorías principales es la del teocintle y algunas de sus variantes, la cual sugiere que el maíz desciende directamente de sus parientes más cercanos, el teocintle (Euchlaema mexicana, ahora Zea mexicana), por selección directa, por mutación o por la cruza del teocintle con algún pasto desconocido y actualmente extinto (Mangelsdort, 1986) Estructura El grano de maíz botánicamente es una cariópside, baya de semilla seca donde la cascara de la fruta está fusionada a la semilla formando un solo grano. Los granos maduros contienen cuatro partes principales (Fig. 6.1): (1) El pericarpio (cáscara o salvado) que es una capa de células fibrosas que está cubierta por la cutícula, la cual es una capa impermeable cerosa que recubre al grano. El pericarpio constituye cerca del 5.3 % del peso del grano; (2) El germen representa el 11.5% del peso del grano. Sus partes principales son el escutelo y el embrión y almacena los nutrientes que son utilizados para la germinación. (3) El endospermo representa el 83 % del peso del grano y presenta un alto contenido de almidón. Su capa exterior es una capa de aleurona la cual contiene células con gránulos ricos en proteína y minerales. Los gránulos de almidón de sus células, que presentan una forma elipsoidal y angular (poligonales, hexagonales), están cubiertos por una matriz proteínica con pequeños cuerpos de la misma naturaleza incrustados en la superficie. Y (4) pedicelo o capa terminal es la continuación del pericarpio y permite la unión del grano con el olote. Esta estructura es responsable de la absorción de líquidos del pedicelo al pericarpio (Watson, 1987). 19

3 Figura 6.1 Estructura del grano de maíz Fuente: Watson (1987) Composición y valor nutricional El maíz presenta un papel importante en la dieta de muchos países, especialmente en México (Serna-Saldivar et al., 1990). Este cereal proporciona alrededor de 47% de las proteínas y 56 % de la energía que ingiere la población mexicana (González, 1995). El componente principal del grano de maíz es el almidón el cual presenta un promedio de 71.5% del peso del grano y prácticamente todo está en las células del endospermo (Watson, 1987). El almidón está formado por dos polímeros de glucosa: amilosa y amilopectina. La amilosa es una molécula esencialmente lineal formada por aproximadamente 1,000 unidades de glucosa. La amilopectina es una molécula que 20

4 presenta forma ramificada que posee aproximadamente 40,000 unidades de glucosa. En un maíz normal, el gránulo de almidón contiene aproximadamente 27% de amilosa y 73% de amilopectina (Inglett, 1970). El almidón absorbe agua hasta alcanzar el equilibrio con el medio circundante y el proceso es reversible cuando el agua es fría, en presencia de agua caliente la absorción es función de la elasticidad y fuerza que presenta la amilopectina en unión con la amilosa siendo por consiguiente una absorción limitada, es decir, si dichos enlaces son hidrolizados el proceso es irreversible. Cuando el gránulo no es fragmentado podrá recobrar su forma y humedad inicial siendo reversible cuando la temperatura del agua es inferior a la temperatura de gelatinización (Robles, 1986). Otra propiedad importante que presenta el almidón es su retrogradación, que ocurre cuando las moléculas previamente gelatinizadas de almidón comienzan a reasociarse en una estructura ordenada formando un gel rígido a partir de una suspensión de almidón fría que previamente fue gelatinizado (Atwell et al., 1988) El maíz contiene un 10% de proteína en el grano completo (Inglett, 1970). Las proteínas predominantes en el maíz son una familia de prolaminas almacenadas solubles en alcohol llamadas zeínas, las cuales se acumulan en los cuerpos proteínicos del endospermo del grano durante su desarrollo (Lending y Larkins, 1989). El contenido de lípidos del maíz representa aproximadamente el 4.4% del peso total del grano, y de éstos el 87% se encuentran localizados en el germen. Estos lípidos se encuentran principalmente como triglicéridos, fosfolípidos, esteroles, tocoferoles y carotenoides. El contenido de ácidos grasos saturados (ácido palmítico y esteárico) es bajo en comparación con los ácidos grasos polinsaturados, principalmente oleico y linoleico, los cuales representan la mayoría del total de los lípidos contenidos en el maíz (Watson, 1987: Weber, 1987). El maíz contiene dos vitaminas liposolubles A y E y una gran parte de hidrosolubles. El contenido de vitamina A es genéticamente variable, generalmente en un promedio de 2.5 mg/kg de peso seco. Las vitaminas hidrosolubles tiamina (B 1 ) y piridoxina es encuentran presentes en cantidades considerables, 3.8 y 5.3 mg/kg de peso seco, respectivamente. La niacina se localiza en elevadas concentraciones (28 mg/kg de materia seca), aunque ésta se halla enlazada, de tal forma que se encuentra indisponible para los animales monogástricos. Sin embargo, el tratamiento alcalino la 21

5 hace disponible (Watson, 1987). La concentración de minerales en el grano de maíz es aproximadamente de 1.4%. Donde el 78% de éstos están contenidos en el germen del grano, probablemente porque son esenciales durante el crecimiento del embrión. El mineral que más abunda es el fósforo. (Watson, 1987). El pericarpio se caracteriza por un elevado contenido de fibra cruda, aproximadamente el 87%, la que a su vez está formada fundamentalmente por hemicelulosa (heteroxilanos o pentosanos y β-glucanos), con un 70%, celulosa con 23% y lignina con 0.1%. La fibra dietética se halla en un 9.8% del grano entero (Watson, 1987) Producción y consumo El maíz (Zea mays L) se ubica entre los más antiguos de los cereales. Es el tercero en importancia en el mundo en términos de producción mundial después del trigo y arroz (FAO, 2003). La producción mundial de maíz en el período 2007/2008 fue de millones de toneladas, de los cuales Estados Unidos de América (EUA), China, Brasil, México y Francia son los productores más importantes. México obtuvo una producción de 24.4 millones de toneladas de maíz ( El consumo nacional de maíz en 2008 fue de 34 millones de toneladas, por lo que la producción nacional logró cubrir 73%. Para el consumo humano se utilizan 11.4 millones de toneladas de maíz blanco. Los principales estados productores en nuestro país son Sinaloa, Jalisco y México ( El sector industrial de este grano es relevante en términos generales, está clasificado en tres grandes rubros de acuerdo a su consumo: el primero, lo comprende la masa-tortilla (66 %), y la harina nixtamalizada (21%), que son los productos que absorben la mayor proporción del maíz industrializado y son prioritarios para la alimentación nacional; el segundo, está formado por diversos derivados (11.7 %) (Almidón, fécula, glucosa, dextrina, entre otros). Por último, diversos productos alimenticios (1.3 %) de poco valor nutritivo como lo son las frituras de maíz (SARH, 1982). El principal producto derivado del maíz es la tortilla. 22

6 6.2 Procesos de elaboración de tortilla de maíz En México, la tortilla de maíz es el principal alimento ancestral y su consumo per cápita es de aproximadamente 120 kg (Martínez et al., 2004). Las tortillas son usadas en la preparación de alimentos tradicionales mexicanos como: enchiladas, tacos y chalupas. Se considera a la tortilla como un producto de alto valor nutritivo, ya que contiene la calidad y cantidad de proteínas, así como, una cantidad significativa en calcio, fósforo y hierro (Saldaña y Brown, 1984). La tortilla puede ser producida a partir de masa fresca usando la nixtamalización tradicional a partir de granos de maíz enteros cocidos en agua y cal y molidos, o de harina de maíz instantánea (HMI) que es una masa deshidratada. La HMI ha llegado hacer utilizada ya que no se requiere el trabajo intensivo y tedioso del proceso tradicional para la producción de tortillas y puede ser almacenada por largos tiempos sin afectar su calidad (Arámbula et al., 1999) Proceso tradicional de nixtamalización El método tradicional de nixtamalización consiste en un cocimiento alcalino del grano de maíz en agua (relación 3:1 agua: maíz) a la temperatura de ebullición por 40 ó 55 minutos, adicionando cal de 1 a 2 %. Después de esta etapa el maíz se deja reposar por un periodo de 12 a 18 horas para una penetración más homogénea del agua. El grano cocido con la cal en agua es denominado nixtamal y el líquido (residuo alcalino) rico en sólidos, nejayote, el cual es descartado. Después el nixtamal es lavado para remover los fragmentos de pericarpio desprendidos del grano y el exceso de cal para posteriormente ser molido para la obtención de la masa, la cual es moldeada en forma de tortilla. Las tortillas son horneadas por s por cada lado en un comal a ºC (Martínez- Flores et al., 1996) Harinas instantáneas La producción de harina nixtamalizada a nivel industrial se basa en el método tradicional de nixtamalización. Este proceso incluye básicamente las etapas de recepción, selección, limpieza y almacenamiento del maíz. Posteriormente, el grano es puesto en agua con cal a punto de ebullición para obtener el nixtamal, el cual se va obteniendo en 23

7 lotes continuos. Tras su cocción y macerado, el maíz tratado en agua con cal es lavado con agua a presión para eliminar el pericarpio. Una vez lavado el maíz es pasado a un proceso de pulverizado y/o triturado con molinos de martillos para formar una masa de bajo contenido de humedad, dicha masa se pasa a un secador ciclónico para eliminar el exceso de humedad y de esta forma obtener la harina. La harina, formada por partículas de distintos tamaños, se pasa por un tamiz que separa las partículas gruesas de las finas. Las partículas gruesas que no pasaron por el tamiz son retornadas nuevamente al molino de martillos para ser trituradas nuevamente, y las partículas finas que constituyen el producto final, se envían a la sección de envasado, donde se envasa en bolsas de papel reforzado (Serna- Saldivar, 1996). La harina instantánea es mezclada con agua para obtener una masa adecuada para la elaboración de tortillas y diversos productos nixtamalizados (de acuerdo al tamaño de partícula de la harina obtenida). Los tiempos de cocimiento y reposo así como las temperaturas son críticas, en general son menores para la elaboración de harinas instantáneas nixtamalizadas en comparación con el proceso tradicional, debido a que durante el proceso de secado se provoca una gelatinización adicional del almidón (Gómez et al., 1987). En el proceso tradicional de nixtamalización, así como en el proceso industrial de harinas instantáneas se genera un efluente conocido como nejayote (Serna-Saldivar, 1996). El nejayote es un agua residual altamente alcalina, con alta demanda química y biológica de oxígeno, y es considerado un contaminante ambiental (Niño-Medina et al. 2009; Serna-Saldivar et al. 1990; Rosentrater, 2006). Un proceso alterno que evita dicho efluente es la extrusión. Además, en este proceso todos los componentes del grano de maíz, incluyendo el pericarpio, son retenidos (Arámbula et al., 2002). 6.3 Proceso de extrusión La extrusión aplicada a alimentos puede ser definida como un proceso continuo en donde se combina el corte mecánico con el calor para obtener la gelatinización del almidón y la desnaturalización de las proteínas, obteniéndose un producto plastificado y reestructurado con nuevas formas y texturas. El extrusor se considera un reactor de tornillos por las transformaciones físicas, químicas y bioquímicas que ocurren en el 24

8 material en donde al mismo tiempo se llevan funciones de transporte, mezclado, orientación y formado del material a presión y temperatura controladas. Un extrusor está formado de cinco componentes principales: mecanismo de alimentación, tornillo y su mecanismo de conducción, camisa o cañón, dado o restrictor de flujo y mecanismo de corte como se observa en la Fig. 6.2 (Harper, 1989) Funcionamiento básico del extrusor El proceso de extrusión incluye la premezcla de ingredientes, los cuales son alimentados por medio de un sistema horizontal, o vertical. Es muy importante que el sistema de alimentación descarge correcta y constantemente la cantidad de material al que haya sido ajustado. El material alimentado, una vez dentro de la boca del extrusor, fluye a través del tornillo que gira dentro del cañón. El cañón está generalmente provisto de varias secciones capaces de ser calentadas o enfriadas con vapor, bandas eléctricas, agua, aire y/o refrigerantes. La pared interna del cañón puede ser lisa, rayada en forma de espiral. La parte fundamental del extrusor es el tornillo, el cual tiene la función de hacer fluir el material de alimentación y sobre todo de propiciar los cambios deseados mediante el esfuerzo mecánico y la fricción. Casi todos los extrusores tienen diferentes tipos de tornillo con diferente diseño mecánico para distintas aplicaciones. El flujo del material a través del extrusor depende principalmente de la relación de alimentación, velocidad a la que opera el tornillo, diseño de la rosca y diámetro de salida en el dado o matriz presentes en la salida del extrusor (Ananthan et al., 1996; Serna- Saldivar, 1996). El sistema de dado o matriz tiene como función primordial formar el material plástico o cocido que corre a través del extrusor. Existen dados sencillos, múltiples y compuestos con distintas configuraciones. Generalmente, entre menor o más restringido es el dado, mayor es la presión interna. Finalmente, el material formado que fluye del extrusor, es cortado por medio de un sistema de navajas simples o múltiples, las cuales giran a ciertas revoluciones a varios milímetros de la salida del dado. 25

9 26 Figura 6.2 Componentes de un extrusor de tornillo simple Fuente: Harper (1989). 26

10 El tamaño del producto cortado está dictaminado por la tasa de alimentación, la velocidad del tornillo y principalmente por la velocidad y número de cuchillas del sistema cortador (Serna- Saldivar, 1996). Algunas de las características por las cuales la extrusión ha ganado popularidad son: versatilidad, costos reducidos, alta productividad, productos de alta calidad, diferentes formas del producto, eficiencia energética, generación de nuevos productos y ausencia de efluentes (Harper, 1989) Elaboración de harinas de maíz nixtamalizadas extrudidas Para elaborar la harina nixtamalizada por extrusión y tortillas se muele de forma integral el grano de maíz, posteriormente el grano molido es mezclado con cal y agua en concentraciones y porcentajes determinados por el investigador. La mezcla se homogeniza y se deja reposar. Enseguida se somete al proceso de extrusión cuyas condiciones de cocción y velocidad de flujo también son muy variables. Los pelets extrudidos se dejan reposar a temperatura ambiente para eliminar cierta cantidad de agua, o se pasan directamente a un secador. Los pelets secos se muelen a un tamaño de partícula adecuado para de esta forma obtener la harina nixtamalizada por extrusión. El siguiente paso es hidratar la harina con la cantidad de agua necesaria para hacer una masa de consistencia adecuada para elaborar tortillas. En el proceso de extrusión se evita la gelatinización completa de los almidones y la expansión de extruido. Algunos autores han reportado que el tamaño de partícula de los ingredientes, el contenido de humedad, la temperatura de extrusión, la velocidad y la configuración del tornillo, y el tamaño y forma de la boquilla afecta significativamente el producto (Bedolla, 1983; Vargas-López, 1987; Serna-Saldivar et al., 1988). Algunos investigadores (Bazúa et al., 1979, Martínez-Flores et al., 1998, Gómez- Aldapa et al., 1999, Martinez-Flores et al., 2002, San Martín-Martínez et al., 2003, Reyes-Moreno et al., 2003, Milán-Carrillo et al., 2006, Gutiérrez-Dorado et al., 2008) han aplicado el proceso de extrusión para la elaboración de tortillas de maíz con el beneficio nutricional que presentan los granos enteros y con la textura similar a las tortillas obtenidas por el proceso de nixtamalización tradicional. Uno de los problemas de las tortillas a partir de harina nixtamalizada extrudida es su textura, ya que se hacen duras más rápidamente que las producidas por harinas nixtamalizadas comerciales. Esto 27

11 posiblemente es debido, a que después que las tortillas son preparadas, la retrogradación del almidón ocurre más rápidamente, alterando su textura (Aguirre-Cruz et al., 2005). Para aumentar y preservar la calidad de las tortillas a partir de harina de maíz extrudida nuevas alternativas han sido estudiadas. Entre estas alternativas, el uso de ciertos aditivos, tales como hidrocoloides o gomas han sido adicionadas. Sin embargo, la adición de enzimas no ha sido aplicada en harinas nixtamalizadas extrudidas. 6.4 Hidrocoloides Los hidrocoloides, más comúnmente conocidos como gomas, se definen como un grupo de ingrediente de alimentos que varían ampliamente en forma y función. Son polímeros de cadena larga de alto peso molecular principalmente polisacáridos (largas cadenas de azúcares simples) o de sus derivados. Son conocidos por su aplicación en la industria en una gran variedad de alimentos por la modificación de propiedades reológicas de sistemas acuosos, agentes espesantes, agentes gelificantes y estabilizadores, entre otros (BeMiller, 1988; Dickenson, 1988; Glicksman, 1982; Gurkin, 2002; Pszczola, 2003; Ward y Andon, 1993). Estos ingredientes pueden ser utilizados solo o en combinación con otro para dar un efecto sinergético, mejorando las propiedades de los productos con menores costos de producción (Gurkin, 2002) Obtención y estructura Las gomas son obtenidas de un variedad de fuentes, la mayor parte proviene de materiales de plantas tales como algas marinas, semillas, y de exudado de árboles; otros son productos de biosíntesis microbiana; y hasta otras son producidas por modificaciones químicas de polisacáridos naturales (Anónimo, 1991; Pszczola, 2003). Dentro de las gomas derivadas de algas marinas se tiene al agar, carragenina y los alginatos (Fig. 6.3). El agar es obtenido a partir de especies de algas rojas. Es una mezcla de los polisacáridos azarosa y agaropectina. Si bien es conocida como un medio para el crecimiento de microorganismos, los materiales derivados de algas han sido utilizados por siglos por los asiáticos para la elaboración de jaleas y de otros alimentos (Pszczola, 2003). Las carrageninas también son extractos de algas rojas. Estos polisacáridos de alto peso molecular son hechos a partir de unidades de repetición de 28

12 Figura 6.3 Estructuras de gomas derivadas de algas: A) agar; B) carragenina; C) alginatos Fuente: Pomeranz (1991). galactosa y anhidrogalactosa, sulfatados y monosulfatados unidos por uniones glicosídicas alternantes (Gurkin, 2002). El término algin es utilizado para describir el ácido algínico y sus formas de sales inorgánicas son derivadas de algas cafés. Las sales monovalentes que a menudo son referidas como alginatos son coloides hidrofílicos y estos, especialmente alginato de sodio es ampliamente utilizado en la industria de alimentos. Alginato es un copolímero lineal compuesto de dos unidades monoméricas, ácido D-manurónico y el ácido L- gulopiranosilurónico, cuya relación y estructura 29

13 influyen en las propiedades de las soluciones de alginatos, especialmente en la gelificación y resistencia del gel (Pszczola, 2003). La goma carob y la goma tara son obtenidas a partir de semillas de plantas. La goma carob es un galactomanano derivado de semillas de árboles carob europeos (Ceratonia siligua). La goma tara es un lactomanano que se obtiene de la semilla de la fruta del arbusto tara (Caesalpinia spinosa) (Pszczola, 2003). La goma acacia o conocida como goma arábiga es un exudado del árbol acacia. Esta goma es una mezcla de sales de calcio, magnesio y potasio de un ácido polisacárido (ácido arábigo), compuesto de 6 carbohidratos (galactosa, arabinopiranosa, arabinofuranosa, ramnosa, ácido glucorónico y el ácido 4-O metilglucorónico) (Glicksman, 1982). La pectina es un extracto de planta que es obtenida a partir de cítricos y de manzana. La pectina es un carbohidrato que consiste principalmente de ácido galacturónico formando cadenas de polisacáridos lineales (Pszczola, 2003). Dentro de la biosíntesis microbiana se tiene clasificada a la goma xantana (Fig. 6.4), que es un polisacárido de alto peso molecular producido por la fermentación de xanthomonas campestres sobre un medio de glucosa. La cadena principal de la goma xantana es construida por unidades de α - D glucosa con uniones 1-4. La cadena contiene dos unidades de manosa y una de ácido glucorónico que son encontrados como mezclas de sales de potasio, sodio y de calcio (Glicksman, 1982). La goma xantana se hidrata completamente en agua fría debido a sus largas cadenas, y exhibe resistencia a un amplio rango de condiciones de ph y temperaturas altas y es estable en la congelación y descongelación (Gurkin, 2002). La goma xantana ofrece estabilidad en un amplio rango de ingredientes de alimentos y sus propiedades reológicas pseudoplásticas la hacen excelente en suspensiones y estabilización de sistemas coloidales (Gurkin, 2002). Celulosa, un polímero lineal de glucosa unido por uniones β-1,4, puede ser químicamente modificado para producir gomas celulósicas tales como la carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilencelulosa y la celulosa microcristalina (Pszczola, 2003). La CMC es manufacturada con hidróxido de sodio acuoso seguido por una reacción de esterificación (Gurkin, 2002). 30

14 Figura 6.4 Estructura de la goma xantana Fuente: Pomeranz (1991) Hidrocoloides utilizados en tortillas de maíz Cuando las gomas son usados relativamente a bajas concentraciones son ingredientes multifuncionales que agregan flexibilidad en la producción de tortilla, actuando como reemplazador de grasa, ligador de agua, texturizante y adhesivo. Dentro de los principales hidrocoloides utilizados en tortilla se encuentran la carboximetilcelulosa (CMC), goma guar, alginatos, carrageninas y goma xantana (Glicksman, 1982; Gurkin, 2002; Ward and Andon, 1993). La calidad de una buena tortilla de maíz es que sea blanda y pueda enrollarse en forma de taco sin daño alguno. Las características texturales de tortillas son relacionadas a la forma de ligamiento y de la cantidad de agua contenida. Una masa de maíz deshidratada produce tortillas duras y quebradizas. Por lo tanto, la retención de agua en masa y tortilla es importante, ya que la pérdida de agua en exceso hace un producto inaceptable (Arámbula et al., 1999). 31

15 Las gomas incrementan la viscosidad de la masa y durante el proceso térmico compite con el agua retardando el grado de gelatinización del almidón (Bell, 1990; Christianson, 1982). También durante el enfriamiento, las gomas inhiben la retrogradación de la gelatinización de los gránulos de almidón incrementando la flexibilidad de las tortillas (Yau et al., 1994). El grado de gelatinización durante el procesamiento térmico cambia la capacidad de la harina de maíz instantánea para absorber y retener agua. Esta capacidad es importante durante la rehidratación de estas harinas para formar masa y poder ser asociada con cambios estructurales y propiedades texturales en la tortilla (Arámbula et al., 1999). Román-Brito et al. (2007) y Yau and Rooney (1994) adicionaron gomas a harinas comerciales de maíz, obteniendo tortillas más blandas y flexibles durante su almacenamiento. Actualmente son escasos los trabajos en relación a la aplicación de hidrocoloides en harinas de maíz extrudidas para la elaboración de tortillas. Arámbula et al. (1999), elaboraron harinas de maíz blanco comercial obtenidas por extrusión de harina de maíz con diferentes hidrocoloides, tales como CMC, goma arábiga, goma guar y xantana al 0.5% (p/p) a diferentes concentraciones de cal (0.1, 0.2 y 0.3%, p/p). Las gomas fueron agregadas antes o después del proceso de extrusión. El coeficiente de difusión más bajo de la humedad fue encontrado en la masa que contenía 0.2% p/p de cal y goma xantana agregada antes de la extrusión. La goma xantana resultó la mejor por incrementar la viscosidad de la masa y mejorar la calidad de las tortillas a partir de harina de maíz extrudida por su capacidad de extender la retrogradación del almidón y de disminuir la difusión de agua. Platt (2006), evaluó las características viscoelásticas y texturales de la masa y la tortilla elaboradas con harinas nixtamalizadas de maíz obtenidas por el proceso de extrusión, a diferentes concentraciones de goma xantana ( %), contenido de humedad de acondicionamiento de la harina ( %) y temperatura de la última zona de calentamiento del extrusor ( C). Las tortillas fueron elaboradas a nivel comercial y almacenadas por 2, 24 y 48 h a temperatura ambiente, y se les evaluó la textura como fuerza máxima y rollabilidad. Se aplicó la metodología de superficie de respuesta para determinar las condiciones óptimas del proceso. Las mejores combinaciones de las variables del proceso fueron: temperatura= C / humedad= 32

16 30.92% (p/p) / concentración de goma xantana = 0.61% (p/p). La goma xantana mostró ser una alternativa para la producción de tortillas de HMNE con características texturales y de flexibilidad aceptables. En los estudios realizados tanto por Arámbula et al. (1999) y por Platt (2006) obtuvieron capacidades de absorción bajos en sus harinas extrudidas (86-89 ml/100 g harina) y no estudiaron el efecto sinergético de gomas. 6.5 Enzimas Las enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces, y químicamente son proteínas como catalizadores que actúan en pequeña cantidad. En su estructura globular se entrelazan y se pliegan una o más cadenas polipeptídicas, que aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se adhiere el sustrato, y donde se realiza la reacción. Las enzimas son producidas en su mayor parte a través de fuentes microbianas (hongos, levaduras, bacterias) utilizando procesos biotecnológicos. Su actividad catalítica sobre la transformación del complejo sustratoenzima a producto se ve afectada por el ph y temperatura. Por siglos, las enzimas han sido utilizadas para impartir cambios deseables en alimentos. Algunas aplicaciones son en el malteado de la cebada, producciones de queso, en el ablandamiento de carnes, industria cervecera, industria panificadora, entre otras (Whitaker, 1994) Clasificación Las enzimas se clasifican de acuerdo al enlace sobre el que actúan. En base a ello se clasifican en 6 familias: a. Oxidoreductasas son enzimas que oxidan o reducen sustratos por transferencia de hidrógeno o electrones. Este grupo incluye las enzimas denominadas comúnmente como deshidrogenasas, reductasas, oxidasas, oxigenasas, hidroxilasas y catalasas. b. Transferasas son enzimas que remueven grupos de sustratos y los transfieren a moléculas aceptoras. Ejemplo: aminotransferasas (transaminasas). c. Hidrolasas son enzimas que participan en el rompimiento de enlaces covalentes en compuestos. Ejemplo: lipasas, peptidasas, amilasa, maltasa, xilanasa, 33

17 pectinoesterasa, fosfatasa, ureasa. También pertenecen a este grupo la pepsina, tripsina y quimotripsina. d. Liasas son enzimas que remueven grupos de sus sutratos formando dobles enlaces. Ejemplos: decarboxilasas, citrato-liasa, deshidratasas y aldolasas. e. Isomerasas son enzimas que realizan una isomerización del sustrato. Ejemplo: Epimerasas y racemasas. f. Ligasas son enzimas que catalizan la unión de dos moléculas. Las sintetasas y carboxilasas están en este grupo (Whitaker, 1994). Las enzimas hidrolíticas, tales como las amilasas, xilanasas y lipasas han sido aplicadas en la industria panificadora debido a los cambios benéficos en volumen de los productos, maquinibilidad de las masas y ablandamiento de la miga del pan (Si, 1997) Xilanasa Las xilanasas son enzimas estructuralmente conformadas por cadenas simples de glicoproteínas de tamaño de 6-80 kda, con una actividad óptima en el rango de ph de y de temperatura de 40-60ºC (Fig. 6.5) (Cesar y Mrsa, 1996; Latif et al., 2006). Las xilanasas hidrolizan los enlaces β-1,4-glicosídicos entre residuos de xilosa adyacentes en la cadena principal de los arabinoxilanos (Fig. 6.6), resultando en una liberación de agua libre y en cambios de fracción soluble de las masas. Por lo tanto las xilanasas producen arabinoxilanos de pesos moleculares más bajos que afectan las propiedades fisicoquímicas y reológicas de las masas (Courtin and Delcour, 2001; Gruppen et al., 1993; Brijs et al., 2004; Si, 1997; Ridgwell et al., 2001; Ronen et al., 1991). Debido a que las xilanasas modifican la funcionalidad de los arabinoxilanos, son ampliamente utilizadas en la industria de alimentos, dándose gran énfasis en la industria de la panificación. Las xilanasas transforman la hemicelulosa insoluble a soluble en agua, la cual es unida en la masa, decreciendo su firmeza e incrementando el volumen y desarrollando una miga más uniforme en el pan (Rouau, 1993). 34

18 Fig. 6.5 Estructura de la enzima xilanasa Fuente: Törrönen et al. (1994). 35

19 Figura 6.6 Estructura química de arabinoxilanos. Fuente: Niño-Medina et al. (2009). Los arabinoxilanos (AX) son polisacáridos no almidonados de la pared celular que se encuentran como constituyentes menores de los cereales, y son importante como fuente de fibra dietaria (Courtin y Delcour, 2001; Theander et al., 1993). Los arabinoxilanos son constituidos por unidades de xilosa y pueden presentar algunos residuos de arabinosa esterificados con ácido ferúlico (Izydorczyk y Biliaderis, 1995). El salvado de maíz contiene 50% de arabinoxilanos, 20% de celulosa y 4% de ácido ferúlico (Saulnier et al., 1995) Enzimas utilizadas en tortillas de maíz En la elaboración de tortilla de maíz se han aplicado enzimas hidrolíticas para obtener tortillas de mejor calidad. Rubio et al. (2006) han encontrado una aplicación de la enzima xilanasa en el proceso de nixtamalización tradicional del grano entero de maíz para la elaboración de harina, obteniendo masas con características deseables para la producción de tortillas y disminuyendo problemas de efluentes. Ellos lograron el ablandamiento de las capas del pericarpio del grano de maíz por la hidrólisis parcial de los principales componentes celulares de la fibra dietaria como es la hemicelulosa 36

20 (heteroxilanos o pentosanos y β-glucanos) por la acción de la endoxilanasa, haciendo uso también de la endoamilasa para la hidrólisis parcial del almidón adherido en las paredes del pericarpio, actuando como controlador de la gelatinización del almidón. Rubio et al. (2003) adicionó enzima xilanasa en harina comercial de maíz, produciendo tortillas con menor dureza y mayor flexibilidad. Gutiérrez de Velasco (2004), estudió el efecto de la enzima α-amilasa maltogénica y de hidrocoloides (CMC y goma guar) sobre la textura de tortillas a partir de masa nixtamalizada fresca y de harina de maíz nixtamalizada. Estos aditivos mejoraron la textura de la tortilla. La α-amilasa maltogénica ablandó las tortillas por el cortamiento de la estructura del almidón. Esto permitió que la goma guar interfiriera con la recristalización de la amilopectina en lugar de los gránulos de almidón gelatinizados. La carboximetilcelulosa (CMC) creó una matriz intergranular más flexible ayudando a mantener la estructura de la tortilla. Sin embargo, los azúcares incrementaron en las tortillas tratadas con enzimas durante el almacenamiento, ya que la enzima fue inactivada parcialmente durante el horneado de las tortillas. Bueso, et al. (2004) y Bueso et al. (2006) también han aplicado enzimas amilasas en combinación con gomas como la CMC en harinas de maíz comerciales como agentes retardantes de la retrogradación del almidón en las tortilla de maíz. Actualmente no se cuenta información de aplicación de enzimas en la elaboración de harina de maíz por el proceso de extrusión. La adición de gomas y de enzimas pueden modificar las propiedades viscoelásticas de las masas, que son importantes en la elaboración de tortillas. El entendimiento de estas propiedades es crucial para el diseño de equipo y definición de los parámetros en la industria de la tortilla (Aguirre-Cruz et al. 2005). En la actualidad, uno de los métodos más frecuentemente utilizados para el estudio de las propiedades viscoelásticas de las masas es el método dinámico, adaptado de técnicas utilizadas en el estudio de los polímeros (Faubion y Hoseney, 1990). 6.6 Pruebas reológicas dinámicas En las pruebas dinámicas se obtienen como resultados parámetros bien definidos que ayudan a lograr una caracterización adecuada de materiales cuyo comportamiento reológico es complejo (Faubion y Hoseney, 1990). 37

21 Estas pruebas son capaces de aplicar esfuerzos de bajas magnitudes a las muestras, así como de operar a bajas deformaciones relativas y velocidades de deformación relativa. Los datos obtenidos mediante esta prueba se emplean en el cálculo de los módulos dinámicos de almacenamiento y de pérdida, la energía almacenada elásticamente y la disipada como calor durante cada ciclo de deformación. La validez de estos cálculos requiere que las muestras tengan un comportamiento viscoelástico lineal (Faubion y Hoseney, 1990) Fundamento y ecuaciones involucradas Las pruebas dinámicas oscilatorias se realizan en un reómetro, utilizando una geometría de platos paralelos. Uno de los platos entre los que se encuentra la muestra se hace oscilar sinusoidalmente con una frecuencia ω, en radianes por segundo, y una amplitud d, en mm, mientras el otro plato permanece estacionario (Fig. 6.7). Sin deslizamiento en ninguno de los platos, se crea un gradiente de deformación a lo largo del espesor h de la muestra. Puede demostrarse, mediante consideraciones teóricas, que la deformación relativa al espesor de la muestra la relación entre la amplitud de la deformación y el espesor de la muestra. La velocidad de deformación relativa es la deformación relativa multiplicada por la frecuencia. La deformación relativa es esencialmente uniforme en todo el espesor de la muestra cuando ésta se comporta linealmente. El plato estacionario se adjunta a un transductor de fuerza utilizado para medir la fuerza de respuesta ƒ, en Newton, que ejerce la muestra. El esfuerzo, es decir, la fuerza que se distribuye sobre el área de la muestra (l x w) también es uniforme en toda la muestra. Si la muestra tiene un comportamiento viscoelástico lineal, el esfuerzo de respuesta tendrá una variación sinusoidal a la misma frecuencia que la deformación aplicada (Fig. 6.8), para el que puede presentarse un retardo, ángulo de fase, δ, en radianes (Faubion et al., 1985). 38

22 Figura 6.7 Geometría de platos paralelos para pruebas dinámicas. Fuente: Faubion et al. (1985). Figura 6.8. Deformación oscilatoria y esfuerzo de respuesta en pruebas dinámicas Fuente: Goodwin y Hughes (2000). 39

23 El esfuerzo ( ) y la deformación relativa (γ), variando de manera sinusoidal, se representan matemáticamente como sigue: = ƒ / l w [sen (ωt δ)] = o (ωt δ ) (6.1) γ = d/ h [sen (ωt)] = γ o sen (ωt) (6.2) Dónde: o = Amplitud del esfuerzo (Nw / mm 2 ) γ o = Amplitud de la deformación relativa (mm / mm) ƒ = Fuerza de respuesta (Nw) l = Longitud de la muestra (mm) W = Ancho de la muestra (mm) ω = Frecuencia (rad/s) δ = Ángulo de fase (rad) Por conveniencia, el esfuerzo y la deformación relativa pueden expresarse en variación de variable compleja (Faubion et al., 1985). La relación entre el esfuerzo complejo y la deformación relativa compleja es el módulo complejo G *, que puede expresarse como: o G * = (cosδ i senδ) (6.3) γ o El módulo de almacenamiento G y el módulo de pérdida G son los coeficientes de las componentes real e imaginaria del módulo complejo, respectivamente; por lo tanto: o G ' = cosδ (6.4) γ o 40

24 o G'' = senδ (6.5) γ o El valor absoluto del módulo complejo está dado por G * = ( G ' ) 2 + ( G'' ) 2 (6.6) En la práctica pueden medirse ƒ, d y δ a diferentes frecuencias y deformaciones relativas. Los módulos de almacenamiento y de pérdida se reportan de ordinario como función de la frecuencia. El ángulo de fase representa una medida simple de las naturalezas elásticas y viscosa de material. Algunas ocasiones esta propiedad se expresa como la tangente de pérdida (Tan δ), es decir la relaciones entre los módulos de pérdida y almacenamiento ( G'' / G ' ). Este resultado puede obtenerse dividiendo la ecuación (6.5) entre la ecuación (6.4). Cuando el ángulo de fase se aproxima a cero, el material se comporta más como un sólido elástico. Por otro lado, si δ se aproxima a 1.57 radianes (90 ) el material se comporta de manera similar a un fluido newtoniano. Valores intermedios entre 0 y 90 son para materiales viscoelásticos (Faubion et al., 1985; Goodwin y Hughes, 2000) Aplicación de pruebas reológicas dinámicas en masas de maíz Dispersiones de masa al 10% (p/v) de maíz nixtamalizado por el proceso tradicional y masas de harina comercial de maíz a diferentes contenidos de humedad han sido evaluados sobre sus propiedades viscoelásticas por Aguirre-Cruz et al. (2005) y Brouillet-Fourmann et al. (2003), respectivamente. Sin embargo, el método dinámico no ha sido aplicado en masas a partir de harinas nixtamalizadas obtenidas por el proceso de extrusión. 41