INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA Estudio Nutricional Comparativo y Evaluación Biológica de Tortillas de Maíz Elaboradas por Diferentes Métodos de Procesamiento. TESIS Que para obtener el grado de Maestro en Ciencias en Tecnología Avanzada Presenta Biol. Susana García Méndez Director Dr. Héctor Eduardo Martínez Flores.
DEDICATORIA A mi mamá por haberme inculcado el gusto por el estudio y enseñarme a luchar por las metas propuestas. A Iván por demostrarme su amor apoyándome en todo para alcanzar mis metas. Omar y Daniel, por su amor, su alegría y por ser el motor de mi vida. A mis hermanos Alejandro y Patricia. A mis sobrinos Yuneili, Adair, Yovani, Owen y Alan. A mi abuelita, tios y primos. A mis amigos del MFC por los ánimos que siempre me dieron.
Agradecimientos Quiero agradecer muy en especial al Dr. Héctor E. Martínez Flores por todo el apoyo que recibí para la realización de la tesis, demostrando ser una excelente persona y maestro. Al comité de revisión Dr. Juan de Dios Figueroa, Dra. Myriam Leal, Dr, José Luis Fernández y M.C Lombardo Gómez por las sugerencias dadas para el mejoramiento del trabajo. A la Asociación de ganaderos de estado de Querétaro en especial a la Dra Myriam Leal, por las facilidades prestadas para la realización de los análisis bromatológicos y a sus colaboradores: Maru, Felipe, Gustavo, Mario, Dolores, José Luis. CIVESTAV-IPN. Unidad Querétaro, en la realización de los análisis de Microscopia Electrónica de barrido (Eleazar Urbina Álvarez) y Difracción de Rayos-X (Quím. Martín Adelaido Hernández Landaverde). José Juan Veles Medina. Laboratorio de Materiales Orgánicos. Dr. Marcos Gallegos. Profesor de Universidad Autónoma de Querétaro. Bioterio de la Escuela de Nutrición de la UAQ ( M. Vet. Verónica y laboratorista Javier). CICATAA-IPI. Legaria. Por proporcionar las harinas. Proyecto con Clave CGPI 200135. Estudios Nutricionales y Ensayos Biológicos en Harinas Instantáneas de Maíz Elaboradas por un Método Alterno de Producción de Tortillas. Al PIFI por haberme otorgado una beca durante la realización de mis estudios.
INDICE Pág. INDICE RELACION DE TABLAS RELACION DE FIGURAS GLOSARIO DE TERMINOS i iv v vi RESUMEN 1 ABSTRACT 2 1.0 INTRODUCCIÓN 3 2.0 ANTECEDENTES 5 2.1 Generalidades 5 2.2 Importancia del maíz en México 6 2.3. Proceso de nixtamalización 8 2.4. Cambios nutricionales durante el proceso de nixtamalización 8 2.5 Pérdidas de nutrientes por efecto del procesamiento térmico-alcalino 10 2.6 Importancia del calcio en la dieta 10 2.6.1 Absorción y utilización 13 2.6.2 Factores que incrementan la absorción de calcio 13 2.6.3 Factores que disminuyen la absorción de calcio 14 2.7 Métodos alternativos de producción de Harinas instantáneas 14 3.0 JUSTIFICACION 19 4.0 OBJETIVOS 20 i
5.0 MATERIALES Y METODOS 21 5.1. Materiales. 21 5.1.1. Materia Prima. 21 5.1.2 Obtención de harina instantánea elaborada por el proceso 21 CICATA-IPN 5.1.3 Tortillas de maíz (método tradicional) 21 5.1.4 Elaboración de tortillas obtenidas con los diferentes procesos 22 5.2 Métodos 22 5.2.1 Humedad 22 5.2.2 Proteína 22 5.2.3 Cenizas 23 5.2.4 Extracto etéreo 23 5.2.5 Fibra cruda 23 5.2.6 Fibra detergente ácida y fibra neutro detergente 24 5.2.7 Determinación de calcio por absorción atómica 24 5.2.8 Determinación de fósforo 25 5.3 EXPERIMENTO BIOLÓGICO 25 5.3.1 Metodología 25 5.3.2 Medidas físicas de los fémures 26 5.3.3 Resistencia ala fractura 26 5.3.4 Grado de cristalinidad por difracción de rayos-x 27 5.3.5 Conversión alimenticia 27 5.3.6 Análisis estadístico 27 ii
6.0 DISCUSIÓN Y RESULTADOS 28 Ensayo biológico Difracción de rayos X 7.0 CONCLUSIONES 44 8.0 BIBLIOGRAFIA 45 iii
RELACION DE TABLAS Tabla 1. Composición química del maíz y tortilla (% en base seca) 11 Pág. Tabla 2. Análisis proximal de las harinas de maíz 32 Tabla 3. Análisis proximal de las tortillas de maíz 33 Tabla 4. Efecto del crecimiento de ratas de 21 días alimentadas con 35 Diferentes dietas a base de tortillas Tabla 5. Medidas físicas de huesos 36 Tabla 6. Minerales (mg/g) presentes en hueso 38 iv
RELACION DE FIGURAS Figura 1. Características principales de la estructura del hueso 12 Figura 2. Elaboración de harina por el proceso CICATA QRO 13 Pág. Figura 3. Patrón de difracción de rayos X de huesos de ratas 39 alimentadas con dietas de tortillas sin adición de calcio Figura 4. Patrón de difracción de rayos X de huesos de ratas 41 alimentadas con dietas de tortillas con adición de calcio v
GLOSARIO DE TERMINOS Nixtamalización: cocción alcalina del maíz. Pericarpio: cascarilla que envuelve al grano de maíz. Nejayote: agua de desecho del remojo de los granos del maíz del proceso de nixtamalización. Osteoporosis: fragilidad de los huesos por falta de calcio. RDA: recomendación diaria recomendada de algún componente de la dieta. Hidroxiapatita: forma del calcio presente en el hueso. Fitatos: sales del ácido fítico. Maíz integral: maíz con pericarpio. PER: ganancia en peso en función de la calidad de la proteína consumida en la dieta. Conversión alimenticia: cuanto alimento se requiere comer para aumentar 1 g de peso. HCIC: harina elaborada por el método CICATA-IPN. HMAS: harina instantánea Maseca. HMIN: harina instantánea Minsa. HM: harina de maíz sin procesar. TCIC: Tortillas elaboradas por el método CICATA-IPN. TMAS: Tortillas elaboradas con la harina instantánea Maseca. TMIN: tortillas elaboradas con la harina instantánea Minsa. TNIX: tortillas elaboradas por el método tradicional de nixtamalización. DTNIX: dieta de tortillas de maiz nixtamalizado por el método tradicional. DTCIC: dieta de tortillas elaboradas por el método CICATA-IPN. vi
DTMAS: dieta de tortillas elaboradas con harina instantánea Maseca DTMIS: dieta de tortillas elaboradas con harina instantánea Minsa. DTNIXT-ca. dieta de tortillas de maíz nixtamalizado por el método tradicional adicionadas con calcio. DTCIC-ca: dieta de tortillas de maíz elaboradas por el método CICATA-IPN adicionadas con calcio. DTMAS-ca: dieta de tortillas preparadas con la harina instantánea Maseca adicionadas con calcio. DTMIN-ca: dieta de tortillas de maíz elaboradas con la harina instantánea Minsa adicionadas con calcio. vii
Estudio Nutricional Comparativo y Evaluación Biológica de Tortillas de Maíz Elaboradas por diferentes Métodos de Procesamiento RESUMEN El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional (CICATA- IPN) desarrolló un proceso de elaboración de tortillas con ventajas tecnológicas y ambientales, al reducir el consumo de energía y tiempo de proceso. Además, utiliza solamente el agua necesaria para su cocimiento, por lo que no genera efluentes contaminantes. Este proceso presenta algunas modificaciones con respecto al proceso tradicional de nixtamalización, en cuanto a la cantidad reducida en agua, cal y tiempo utilizados para la cocción del maíz, que no alteran las características físico-químicas, texturales y nutricionales del producto. Este nuevo proceso utiliza el maíz entero. En el presente trabajo se realizo la caracterización química y nutricional de la harina de maíz elaborada con el proceso CICATA-IPN con la hipótesis de que las tortillas obtenidas presentarían mayor cantidad de nutrientes. Además, por medio de un modelo experimental se realizaron ensayos biológicos utilizando ratas wistar, donde se evaluó la ganancia en peso que esta en función de calidad de la proteína ingerida proveniente de la dieta. Estos resultados fueron comparados con tortillas elaboradas por el proceso tradicional de nixtamalización y con las tortillas preparadas a partir de harinas de las marcas comerciales Maseca y Minsa. Al final del ensayo biológico, le fueron extraídos los fémures a las ratas y les fue evaluada su resistencia a la fractura y la cristalinidad de los huesos, que a su vez estará dada en función del calcio absorbido. Así como el análisis cualitativo de algunos minerales presentes en el hueso, tales como el calcio, fósforo y magnesio. Los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que a pesar de las desventajas tecnológicas que presenta el proceso de nixtamalización, éste sigue siendo la mejor opción en cuanto a calidad nutricional y sobre todo en biodisponibilidad de calcio, aunque no se debe descartar la idea del uso de la harina integral CICATA-IPN por las ventajas tecnológicas, ecológicas y nutricionales comparadas con las tortillas obtenidas a partir de las harinas comerciales. 1
ABSTRACT The Centro de Investigacion en Ciencia Aplicada y Tecnologia Avanzada of the Instituto Politecnico Nacional (CICATA-IPN) has developed a new process to elaborate corn tortilla which has both technological and environmental advantages by reducing both time and energy respect to the traditional method. The new process differs from the traditional one, mainly because it uses the whole corn grain, requires a reduced amount of water and lime, and a short period of time for cooking the corn, all these, without altering the physicochemical, texture and nutritional characteristics of quality of the product. The present paper, reports on the chemical and nutritional characterization of the corn flour, elaborated with the CICATA-IPN s process, from which, tortillas with greater amount of nutrients are obtained. Biological tests were performed by using an experimental model with Wistar rats, where its gain in weight was evaluated, which is function of the quality of the ingested protein from the diet. Results were compared against those obtained form the traditional method of nixtamalization and, brand name commercially available: Maseca and Minsa. In the last experimental test, femur bone was extracted from the rats and then crack resistance and cristalinity measurements were carried out. Cristalinity is directly related to the amount of calcium absorbed. A qualitative analysis of minerals such as calcium, phosphorus and magnesium, contained in the bone was also performed. Results obtained in this work show that in spite of the technological disadvantages that the process of traditional nixtamalización presents, it continues being the best option as far as nutritional quality and biodisponibility of calcium, although the idea of the use of the integral flour CICATA-IPN with its technological, ecological and nutritional advantages as compared to those tortillas obtained from the commercial instantant corn flours. 2
1.0 INTRODUCCIÓN El maíz fue domesticado hace aproximadamente 3,500 años, en paralelo con otros alimentos, como el frijol, el chile y la calabaza. Con la domesticación de estos alimentos, se sentaron las bases de la actividad agrícola y con ello las grandes culturas de Mesoamérica (FAO, 1973). Por otra parte, la versatilidad del maíz hizo que se cultivase en todas las regiones de nuestro País. Por ello buena parte de nuestro territorio se cubrió por su cultivo y sus frutos sirvieron de base para la alimentación de diversos grupos que se asentaron en él. Se comió de diversas formas, tanto líquido, como atoles y bebidas, como cocido, o bien en su estado natural o nixtamalizado para hacer masa y después tortillas, quesadillas, sopes, huaraches, tacos y otros productos. De tal forma que el maíz y las tortillas y sus derivados representaron la base del desarrollo y supervivencia de las culturas antiguas que habitaron nuestro territorio. Actualmente, nuestro país sigue estrechamente vinculado al consumo de esos mismos productos derivados del maíz (Bazúa, 1988). En México, la industria de la tortilla y sus derivados representa la quinta industria de mayor volumen de ventas (Figueroa y col., 1994). Los industriales de la masa y la tortilla basan su proceso en modificaciones ligeras que le han realizado al método tradicional de nixtamalización. El método de nixtamalización tradicional consiste de la cocción alcalina del maíz (una parte) en agua (tres partes) utilizando cal (1-3% p/p en relación al peso del maíz) durante 20 a 60 min., dependiendo de la materia prima utilizada. Posteriormente, se realiza un reposo que puede variar de 12 a 16 hrs. Al término de ese tiempo, los granos de maíz son lavados; el maíz cocido, reposado y lavado (llamado nixtamal) es molido hasta la obtención de masa, la cual es formateada a unidades circulares y cocida en una superficie metálica calentada a 280-300 C con gas, hasta la obtención de las tortillas. Las condiciones del proceso dependen de las características del tipo de maíz. Este proceso emplea grandes cantidades de agua que no es reutilizada, elevada concentración de calcio, consume demasiado tiempo de proceso y su gasto energético también es alto al utilizar gas 3
para el cocimiento de los granos de maíz y cocimiento de la tortilla. Debido a lo anterior, se ha propuesto el uso de nuevas tecnologías para la elaboración de tortillas, tales como la de extrusión (Martínez-Bustos y col. 1996; Johnson y Williams, 1992; Serna-Saldívar y col., 1988; Bazúa y col., 1979), la de cocimiento por radiación infrarroja (Bedolla, 1983) y proceso hidrotérmicos con cocimiento por presión (Molina y col., 1977), sin que hasta el momento se este aplicando actualmente alguna de ellas a escala industrial. El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional (CICATA- IPN) desarrolló un proceso de elaboración de tortillas con ventajas tecnológicas y ambientales que pueden ser de aplicación industrial (U.S PAT. #6 265 013, 2001). Este proceso presenta algunas modificaciones con respecto al proceso de nixtamalización, en cuanto a la cantidad de agua, cal y tiempo utilizados para la cocción del maíz, que no alteran las características propias de la calidad del producto, y utiliza el maíz entero. Debido a lo anterior, el objetivo del presente trabajo es realizar un estudio de composición química y valor nutricional de las tortillas de maíz elaboradas por el proceso alternativo CICATA-IPN y compararlas con tortillas obtenidas a partir del proceso tradicional de nixtamalización y de tortillas elaboradas con harinas de las marcas comerciales Maseca y Minsa. 4
2.0 ANTECEDENTES 2.1 Generalidades El maíz (palabra de origen indio caribeño, significa literalmente «lo que sustenta la vida»), que es junto con el trigo y el arroz uno de los cereales más importantes del mundo; suministra elementos nutritivos a los seres humanos y a los animales y es una materia prima básica de la industria de transformación, de la que se obtienen diversos componentes como el almidón, aceite y proteínas, y a partir de ellos se obtienen productos como las bebidas alcohólicas y edulcorantes alimenticios (FAO, 1973). El maíz (Zea mays) pertenece a la familia de las gramíneas y es una planta anual alta dotada de un amplio sistema radicular fibroso, se trata de una especie que se reproduce por polinización cruzada y la flor femenina (elote) y la masculina (espiguilla) se hallan en distintos lugares de la planta. Las cuatro estructuras físicas fundamentales del grano son: el pericarpio, que se caracteriza por un elevado contenido de fibra cruda, aproximadamente el 87%, la que a su vez está formada fundamentalmente por hemicelulosa (67%), celulosa (23%) y lignina (0.1%) (Burge y Duensing, 1989). El pericarpio, se emplea fundamentalmente como alimento para animales, aunque en los últimos años ha despertado interés como fuente de fibra dietética en alimentación humana. El endospermo contiene 87% de almidón, aproximadamente 8% de proteínas y un contenido de grasas crudas relativamente bajo (0.8%). El germen o embrión; se caracteriza por un elevado contenido de grasas crudas, el 33%, y contiene también un nivel relativamente alto de proteínas (próximo al 20%) y minerales. La cuarta estructura es el pedicelo, que es la parte que une al grano de maíz con el olote y representa menos del 0.5% del grano y se compone básicamente de celulosa. La distribución ponderal de las partes del grano, su composición química y su valor nutritivo tienen gran importancia cuando se procesa el maíz para consumo; a este respecto, hay dos cuestiones de importancia desde la perspectiva nutricional: el 5
contenido de ácidos grasos y el de proteínas. Se puede definir la planta del maíz como un sistema metabólico cuyo producto final es almidón depositado en unas estructurales especializadas: los gránulos. La planta tierna es empleada como forraje; se ha utilizado con gran éxito en las industrias lácteas y cárnicas y, tras la recolección del grano, las hojas secas y la parte superior, incluidas las flores, aún se utilizan hoy en día como forraje de calidad relativamente buena para alimentar a los rumiantes de muchos pequeños agricultores de los países en desarrollo. También tienen importancia las aplicaciones de los residuos de la planta de maíz, que se utilizan, entre otras cosas, como base para extraer diversos productos químicos de las panojas, como por ejemplo, furfural y xilosa. Estos residuos también tienen importancia como elementos para mejorar los suelos. Las variedades cultivadas fundamentalmente para alimentación comprenden el maíz dulce y el reventador, aunque también se usan en buena medida el maíz dentado, el harinoso y el cristalino. El maíz harinoso es un grano con endospermo blando que se emplea como alimento en México. 2.2 Importancia del maíz en México El maíz ha sido alimento, moneda y religión para el pueblo de México. Durante siglos, la historia nacional y las condiciones de vida de los Mexicanos han estado asociadas estrechamente a su cultivo (Salazar, 1985). El maíz era tan importante en las sociedades mesoamericanas que muchas ceremonias se dedicaban a Centéotl, dios azteca de maíz, o a Yum Kaak, dios del maíz y la vegetación en la cultura maya. La representación de plantas de maíz, o partes de ella, en esculturas, códices y cerámicas prehistóricas, así como estudios de fósiles, indican que México fue el centro primario de su origen, domesticación y dispersión a otras regiones de América del sur hace 5 o 6 millones de años (Reyes, 1990). 6
En el México moderno, el maíz representa el componente más importante de la producción agrícola, pues ocupa aproximadamente la mitad de la superficie destinada a la agricultura. De los 14.4 millones de hectáreas cultivadas en el territorio nacional en 1991, un total de 6.8 millones correspondieron al maíz (47.2%), lo cual representa el 75.2 % del volumen de la producción agrícola. En México 2.6 millones de persona se dedican al cultivo del maíz, cifra que equivale al 68% de la población ocupada en todo el sector agropecuario, y contribuye en una cuarta parte del valor de la producción total de los granos, significando la base de la dieta alimentaría de la mayor parte de la población (aproximadamente para 15 millones de mexicanos es el único medio de subsistencia). También su importancia radica en la gran diversidad de usos a que es destinado y una amplia penetración y trayectoria por múltiples encadenamientos agroindustriales alimentarios e industriales (INEGI, 1992 y Gordillo, 1990). En México, la tradición de la tortilla se remonta al origen de nuestras raíces indígenas y las etapas básicas de la preparación han permanecido inalteradas desde esas épocas. La tortilla se emplea como producto básico para la elaboración de innumerables alimentos tradicionales como son las botanas, totopos, tacos, tostadas, enchiladas y nachos entre muchos otros (Bazúa, 1988). La tortilla forma parte de la dieta de todos los estratos sociales de los mexicanos con un consumo per cápita de 325 g/ por día (Paredes-Lopez y Saharópulos, 1983). Las tortillas solas proveen 38.8% de las proteínas, 45.2% de las calorías y 49.1% del calcio de las necesidades diarias de la dieta en México (Figueroa, 1994). Adicionalmente, el calcio imparte propiedades funcionales deseables (color, sabor, textura y vida de anaquel) y juega un papel esencial en la prevención de la osteoporosis (Bressani y Scrimshaw, 1958a; Niewohner, 1988). 7
2.3. Proceso de nixtamalización El maíz para consumo humano ha sido procesado en México siguiendo la técnica precolombina conocida como nixtamalización (del náhuatl nextli, cal de cenizas, y tamalli, masa cocida de maíz) (Cabrera, 1992). La técnica se basa en el cocimiento de los granos de maíz (1 parte) en agua (2-3 partes) y cal (1-3% p/p de Ca [OH] 2 ) durante 30-60 min., con posterior reposo de 12 a 16 hr. Ocurre en seguida, un lavado de los granos de maíz reposados para eliminar el exceso de cal y fragmentos del pericarpio desprendidos. Los granos cocidos, reposados y lavados, denominados nixtamal, son molidos en molino de piedras hasta obtener masa. Porciones de masa de 20-25 g son moldeados en for00000000000000ma circular y cocidas en 3 tiempos (primer lado 20 seg., segundo lado 30 seg., y primer lado nuevamente, hasta que ocurra el inflado), en comal con temperatura de 280-300 C. La masa cocida es denominada tortilla. 2.4. Cambios nutricionales durante el proceso de nixtamalización La tecnología de nixtamalización no solo sirve para suavizar al grano de maíz sino que el cocimiento alcalino ha sido importante en el desarrollo de las culturas Mesoamericanas, por los cambios nutricionales que en él ocurren. Los análisis químicos han demostrado que durante el proceso de nixtamalización se pierden nutrientes del maíz (Gómez- Aldapa y col., 1996; Pflugfelder y col., 1988; Bressani y Scrimshaw, 1958a; Bressani y col., 1958b). Sin embargo, dicho proceso hace que las tortillas tengan mayor calidad nutricional comparada con el maíz crudo, por los cambios químicos de los nutrientes que en él ocurren. El maíz como todos los cereales es deficiente en aminoácidos esenciales (principalmente, en lisina, y en menor grado otros, como el triptofano y los azufrados, Waliszewski y col., 2003; Figueroa, 1999). La nixtamalización es un proceso selectivo de las proteínas del maíz, ya que durante el cocimiento, la zeína, proteína deficiente en lisina y triptófano (Maner, 1990; Bazúa, 1988), y que es una proteína 8
nutricionalmente pobre, disminuye su solubilidad, mientras que la glutelina que tiene un mayor valor nutricional aumenta su solubilidad y con ello la disponibilidad de los aminoácidos esenciales (Martínez-Flores y col., 2002; Paredes-López y Saharópulos- Paredes, 1983; Bressani y col., 1958b). Después de la nixtamalización, existe un aumento de 2.8 veces de lisina, de triptofano y la relación de isoleucina a leucina se incrementa 1.8 veces (Katz y col., 1974; Bressani y Scrimshaw (1958a). Lo anterior indica que el proceso de nixtamalización incrementa el balance de aminoácidos esenciales, agregándole más valor nutricional a las proteínas. La enfermedad de la pelagra, conocida como la enfermedad de las tres D, al causar dermatitis, demencia y diarrea, ocurre en poblaciones cuya dieta está basada en el maíz procesado sin tratamiento térmico-alcalino. La pelagra se presenta debido a deficiencias de niacina y triptofano en la dieta. El triptofano es el precursor de la síntesis de niacina en el ser humano, y su equivalencia es de 60 mg de triptofano por 1 mg de niacina. Otro factor que influye en el desarrollo de la pelagra es la elevada concentración de leucina en el maíz, que es de un 12 a un 15% de la proteína. Sin embargo, el contenido de leucina en el maíz se reduce debido a su degradación durante el tratamiento térmico-alcalino, lo que mejora el valor nutritivo de la proteína (Badui, 1984). Además, la niacina en el maíz esta unida a otros constituyentes del grano, de tal forma que el tratamiento térmico-alcalino la libera, al hidrolizar los enlaces que la unen, haciéndola disponible (Badui, 1984). De esa forma la niacina liberada, y ahora disponible, es un factor fundamental en la prevención de la pelagra (Katz y col., 1974; Trejo-González y col., 1982). El calcio desempeña un papel importante durante la nixtamalización del grano de maíz. El tratamiento con cal facilita la remoción del pericarpio durante la cocción y el reposo, controla la actividad microbiana, mejora el sabor, aroma, color, vida de anaquel y el valor nutricional de las tortillas (Rooney, 1993). En relación al calcio, Trejo-González y col. (1982) realizaron estudios enfocados a la absorción del calcio después de someter el maíz al proceso de nixtamalización. Dichos autores indican que el calcio se incorpora al grano de maíz durante la nixtamalización, enlazándose 9
con el almidón y aumentando aproximadamente tres veces la cantidad de calcio unida al almidón en relación al calcio determinado en muestras sin nixtamalizar. La alta disponibilidad de calcio en la tortilla es importante porque evita la osteoporosis, que se manifiesta como fragilidad de los huesos por pérdida de masa del sistema óseo (Vargas, 1992; Niewohner, 1988). 2.5 Pérdidas de nutrientes por efecto del procesamiento térmico-alcalino Las desventajas que presenta el proceso de nixtamalización, desde el punto de vista nutricional, es la pérdida de componentes químicos del grano, las cuales se incrementan con el tiempo de cocimiento, altas concentraciones de cal y durante el reposo. Fragmentos de pericarpio, almidón, proteína, germen y cal, constituyen la mayor proporción de materia seca en el agua de cocimiento. Del germen se pierden aproximadamente 41.5% de los lípidos y el 41.5% de los carbohidratos. Existen pérdidas de tiamina, riboflavina y niacina del 60, 52 y 32%, respectivamente, en relación al total del grano. Así como 44 y 46% de reducción de lípidos y fibra cruda (Báez-Ramírez y Martínez-Borrego, 1990). A pesar de existir pérdidas de nutrientes, el maíz nixtamalizado presenta mayor valor nutricional que el maíz crudo, ya que el resultado de algunos estudios indican un aumento de lisina, de triptofano y la relación leucina-isoleucina se incrementa en 1.8 veces (Bressani y col., 1958b; Katz y col., 1974). En el Cuadro 1 se muestran diferentes datos reportados por varios investigadores respecto a la composición química del maíz y tortilla. 2.6. Importancia del calcio en la dieta. En México, las tortillas de maíz son la principal fuente primaria de energía y proteína en la dieta de los Mexicanos. Además, éstas proveen aproximadamente el 22% del total de la Recomendación Diaria Permitida (RDA) para calcio y el 19% para el fósforo (NAS, 1999). 10
Tabla 1. Composición química del maíz y tortilla (% en base seca). Producto Proteína (N x 6.25) Lípidos Carbohidratos Cenizas Fibra cruda Maíz (a) 9.6 5.1 84.0 1.3 1.5 Nixtamal 10.3 3.9 84.3 1.5 1.3 Tortilla 10.7 3.0 84.7 1.5 1.1 Nixtamal 11.1 4.6 - - 1.5 - - Tortilla 11.2 4.4 - - 1.6 - - Tortilla (b) 9.7 1.5 86.0 1.8 2.4 (a) Datos de Bressani y col. (1958b). (b) Datos de Saldaña y Brown (1984). Fuente: Serna-Saldivar y col. (1990). Una adecuada ingesta de calcio durante la vida es importante para la homeostasis del hueso y la prevención de varias enfermedades crónicas (osteoporosis). Con la ingesta adecuada de alimentos ricos en calcio se cubren los requerimientos de calcio (1100 mg/día) El calcio es el mineral más abundante en el cuerpo, conforma cerca del 1.5% al 2% del peso corporal y 39% de los minerales corporales totales. El 99% del calcio está en los huesos y los dientes. El restante 1% está en la sangre y los líquidos extracelulares y dentro de las células de los tejidos blandos, donde regula muchas funciones metabólicas importantes. Las dietas bajas en calcio hacen que este se movilice desde el hueso para poder suplir los requerimientos necesarios del organismo. La ingesta elevada de proteínas contribuye a una pérdida acelerada de hueso, pues intensifican la excreción de calcio por el riñón (Desantiago y col., 1999). El esqueleto almacena calcio ionizado y fósforo (en forma de iones de fosfato) de modo metabolicamente estable y estructuralmente utilizable. El calcio se presenta en los huesos en forma de hidroxiapatita, una estructura cristalina que consiste de fosfato de calcio que se arregla alrededor de una matriz orgánica de proteína colagenosa para proporcionar fuerza y rigidez. Mediante la formación y resorción de 11
hueso, se cambian 1.000 mg/día de calcio entre el hueso y el líquido extracelular (un 1% de la reserva). La mayor parte del calcio del hueso no se difunde fácilmente al compartimiento extracelular, sino que debe ser movilizado por la resorción ósea mediada por células y regulación endocrina. Mediante el proceso de acoplamiento, la formación de hueso aumenta y los osteoblastos son estimulados para que rellenen el defecto de resorción. En la Figura 1 se muestran las características principales de los componentes internos del hueso. Figura 1. Características principales de la estructura del hueso Fuente: www.laosteoporosis.com/profesionales/fisiol/hfis05.html. 12
2.6.1 Absorción y utilización El calcio se absorbe principalmente en la parte del duodeno donde prevalece un medio ácido; en consecuencia, la absorción se reduce en gran medida en la parte más inferior del tracto intestinal donde los contenidos son alcalinos. Por lo general, sólo se absorbe del 20 al 30% del calcio ingerido, y algunas veces tan solo el 10% (Schedl y col. 1986). 2.6.2 Factores que incrementan la absorción de calcio Diversos factores influyen de manera favorable en la absorción de calcio. En general, a mayor necesidad y menor suministro por la dieta, mayor eficacia habrá en la absorción. El aumento de las necesidades del calcio, que se ven reflejadas durante el crecimiento, el embarazo, la lactancia, la deficiencia de calcio y los niveles de ejercicio, resultan en un elevada densidad ósea que favorece la resorción de calcio. Un sistema de transporte en el duodeno y el yeyuno proximal, es activo, saturable y controlado mediante la acción de la vitamina D en su forma activa (1,25(OH) 2 D 3 ). Esta hormona aumenta la captación de calcio en el borde en forma de cepillo de la célula de la mucosa intestinal al estimular la producción de una proteína que se une al calcio (Schedl y col. 1986). El calcio se absorbe mejor en un medio ácido; por lo tanto, el ácido clorhídrico que se secreta en el estómago favorece la absorción de calcio mediante la disminución del ph en el duodeno proximal. La vitamina D también estimula la actividad de las enzimas, como la fosfatasa alcalina intestinal. Un segundo mecanismo de transporte, pasivo, no saturable, e independiente de la vitamina D ocurre a todo lo largo del intestino. La mayor parte del calcio se absorbe en el íleon y también puede absorberse en el colon. El calcio se absorbe solo si está en una forma hidrosoluble y no si se precipita por otro constituyente de la dieta, como oxalatos. El calcio no absorbido se excreta por las heces. 13
2.6.3 Factores que disminuyen la absorción de calcio La carencia o una cantidad insuficiente de vitamina D en su forma activa, inhibe la absorción del calcio. Se ha observado que el cociente óptimo de la relación calcio:fósforo para la captación de calcio en la dieta es de 1:1 ó 1:2. La disposición de calcio se ve afectada cuando el fósforo se presenta en la dieta en forma de fitatos (Wyatt y col., 2000) 2.7 Métodos alternativos de producción de Harinas instantáneas Cuando un método nuevo es propuesto para suplir un método previamente establecido, es importante considerar que no haya cambios sustanciales en las características particulares del producto. En el caso de la tortilla, al implementar un método nuevo se busca que no se alteren las características de calidad (rolabilidad y suavidad), así como de los atributos sensoriales (color, olor y sabor) del producto. Sin embargo, un aspecto que a veces no se toma en cuenta y es trascendental en la salud humana de la población consumidora del producto, es que no se altere la calidad nutricional del producto. Las primeras investigaciones científicas sobre aspectos físico-químicos y nutricionales de la tortilla se iniciaron en los años 50 s, donde también se efectuaron varios esfuerzos tendientes a mejorar el proceso tradicional de nixtamalización. Sin embargo, éstos cubrieron aspectos básicos del proceso ya comercial, tales como disminuir las relaciones de agua a maíz, la concentración de cal, la temperatura y el tiempo de cocimiento y de reposo, sin considerar cambios significativos al proceso tradicional de nixtamalización (Vaqueiro y Reyes, 1986). Algunos investigadores han propuesto nuevos métodos de procesamiento de tortillas, con la finalidad de reducir las desventajas ya mencionadas del proceso tradicional. 14
Desde el nixtamal, el metate y el comal hasta nuestros días el gran logro en este campo ha sido la fabricación de harina instantánea nixtamalizada, debido a que eliminan las labores cotidianas, intensivas y tediosas del proceso tradicional y se pueden almacenar durante un cierto periodo de tiempo. El incremento de costos, carencia de olor y textura apropiada son las principales desventajas de productos preparados de masas deshidratadas. A continuación se mencionan algunos de los métodos alternativos al proceso de nixtamalización propuestos para elaborar harinas instantáneas para la elaboración de tortillas. El procedimiento, descrito por Deschamps (1985), se basa en el método utilizado tradicionalmente en las zonas rurales. El maíz es cocido con agua y cal, convirtiéndolo en nixtamal, ya sea en tandas o mediante un procedimiento de elaboración continua. Tras su cocción y macerado, el maíz tratado con agua y cal se lava con agua a presión o pulverización y se tritura hasta que forme una masa que se lleva a un secador y se convierte en harina. Dicha harina, formada por partículas de todos los tamaños, se pasa por un tamiz que separa las partículas gruesas de las finas. Las partículas gruesas regresan al molino para ser trituradas otra vez y las finas, que constituyen el producto acabado, se envían a las instalaciones de empaquetado, donde se empacan en bolsas de papel reforzado. El rendimiento industrial de la harina de maíz cocido en agua de cal fluctúa entre el 86 y el 95%, según el tipo del maíz, de los granos enteros y las condiciones en que se realiza el tratamiento con cal. Cuando la harina tiene un contenido de humedad del 10 al 12%, es estable frente a la contaminación microbiana. Si la humedad supera el 12% la atacan con facilidad los mohos y las levaduras. Otra cuestión relacionada con la estabilidad de la harina es la ranciedad, que normalmente no constituye un problema salvo que se empaquete a altas temperaturas. El tiempo mínimo para que la harina presente características de ranciedad es de cuatro a seis meses en invierno y de tres meses en verano. Por lo general, se vende al consumidor dentro de los 15 días siguientes a su venta a los comerciantes al por menor y al por mayor, mientras que su período de conservación en los anaqueles es de un mes (Del Valle, 1972). La manera tradicional de cocer el maíz en agua de cal para hacer tortillas en el medio rural requiere mucho tiempo y trabajo. Las operaciones de cocción y remojado toman 15
entre el 70 y el 80 % del tiempo. En cambio, la harina instantánea para tortillas ofrece muchas ventajas, como la comodidad, el menor trabajo requerido y un menor consumo de energía, dando un producto de confianza y estable. A nivel industrial o comercial, la molienda y la deshidratación son factores que influyen considerablemente en el costo. El maíz cocido en agua de cal contiene aproximadamente un 56 % de humedad, que debe disminuirse al 10-12% en la harina. Bressani y col. (1962) analizaron un procedimiento basado en la cocción bajo presión de 0.35 y 1.05 Kg por cm 2 en condiciones secas y húmedas, durante 15, 30 y 60 min., sin emplear cal. No existió ningún efecto por el tratamiento en la composición química y digestibilidad real de las proteínas, pero sin embargo, se disminuyó la solubilidad del nitrógeno. El método de cocción bajo presión sin cal no redujo el contenido de fibra cruda, que es uno de los efectos concretos de la cal, y el contenido de calcio fue notablemente inferior al de la masa seca elaborada según el método tradicional. Mendoza (1975) describe un método de cocimiento alcalino de harina de maíz utilizando vapor. El aparato consta de una cámara que en la parte inferior esta provista de un ventilador que permite tanto la circulación de aire como un movimiento constante de la harina, previamente mezclada con cal; el calor y el agua son suministrados de tal forma que el vapor de agua resultante permite humedecer la mezcla harina-cal, llevándose a cabo de esta manera el cocimiento; posteriormente, la harina se transfiere a una cámara de enfriamiento y finalmente es molida. Molina y col. (1977), reportaron la elaboración de harinas instantáneas cociendo y secando una mezcla de harina de maíz con agua (relación 1 a 3) y cal (0.3% p/p) en un tambor doble rotatorio. Las condiciones del proceso fueron: presión de 15, 20 y 25 psi, alcanzando con ello temperaturas de 93, 99 y 104 C, respectivamente, a 2, 3 y 4 rpm. En dicho estudio la harina instantánea fue hidratada 16
y se elaboraron tortillas, encontrándose características fisicoquímicas y sensoriales similares a las tortillas obtenidas por el método tradicional. Johnson y col. (1980), propusieron un proceso de producción de harina instantánea mediante la micronización, que es un método de procesamiento en seco utilizando quemadores de gas infrarrojo. Este procedimiento consiste en mezclar los granos de maíz pre-quebrados en solución diluida de calcio y posteriormente la mezcla se somete a cocimiento por infrarrojo. El grano de maíz es cocido rápidamente desde su parte más interna hacia el exterior e inmediatamente los granos calientes son hojueleados en rodillos corrugados de acero, enfriados, y molidos hasta obtener la harina instantánea. Las pruebas de textura y rolabilidad efectuadas en dicho estudio en las tortillas preparadas por micronización fueron comparables a las tortillas elaboradas a partir de una harina instantánea comercial. Khan y col. (1982) compararon tres métodos: el tradicional, uno comercial y uno de cocción bajo presión en laboratorio. Aplicando cada uno de los procedimientos, se sometió el maíz a una sub-cocción, a una cocción óptima y a una sobre cocción, a fin de medir algunos de los cambios físicos y químicos que podían ocurrir. Aunque el método tradicional causó la mayor pérdida de materia seca del grano, produjo las mejores tortillas por lo que se refiere a su textura, color y aceptabilidad. El procedimiento de cocción bajo presión dió una masa pegajosa y tortillas de aspecto desagradable. El método comercial resultó ser el que dio tortillas de aspecto menos apetitoso. El método de extrusión para elaborar masa fresca o harinas instantáneas de maíz para preparación de tortillas fue reportado por diversos autores (Gómez-Aldapa y col., 1999; Martínez-Flores y col., 1998; Martínez-Bustos y col., 1996; Johnson y Williams, 1992; Serna-Saldivar y col., 1988; Bazúa y col., 1979; Guerra, 1978). Todas las metodologías mencionadas han tenido éxito en lograr alguna o algunas ventajas tecnológicas en relación al proceso tradicional, tal como disminuir el 17
tiempo de procesamiento, los contenidos de agua y cal, disminuir el costo de energía o disminuir o eliminar por completo el agua de desecho, altamente contaminante. Sin embargo, de los estudios anteriores, solamente los de extrusión hechos por Figueroa y col. (2003), Martínez Flores y col. (2002), Figueroa y col. (2001), Gómez-Aldapa y col. (1999), y Serna-Saldívar y col. (1988), realizaron estudios de composición química y valor nutricional, mostrándose con ello poco interés en los aspectos nutricionales del producto. Por lo anterior, en el presente estudio se plantea realizar una extensa investigación, desde el punto de vista nutricional, en tortillas elaboradas a partir de harinas instantáneas de maíz, elaboradas por un proceso alterno al método tradicional de nixtamalización (Figura 2). Figura 2. Elaboración de harina por el proceso CICATA. 18
3.0 JUSTIFICACION Existe una gran preocupación por algunos sectores Industriales y de la comunidad científica Mexicana para mejorar desde el punto de vista tecnológico, nutricional y ambiental, el proceso tradicional de nixtamalización para elaborar tortillas de maíz. El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional (CICATA-IPN), ha desarrollado una nueva metodología, basada en modificaciones a algunas etapas del proceso tradicional de nixtamalización, con el cual se ha logrado reducir tiempos de cocimiento, de reposo, de adición de concentración de cal, lo que repercute en ahorro energético, y de tiempo. Aunado a ello, se logró reducir al mínimo el uso de agua durante el proceso, por lo que no se genera ningún efluente contaminante. La planta procesadora de harina para la elaboración de tortillas de tortillas fue diseñada por investigadores del CICATA-IPN. El proceso CICATA-IPN utiliza maíz integral, por lo que las tortillas obtenidas presentarían, en teoría, mayor contenido de nutrientes, específicamente mayores contenidos de proteína, de lípidos, vitaminas, minerales y fibra dietética, que son eliminados parcialmente en las etapas de cocimiento y reposo del proceso tradicional de nixtamalización. El propósito del presente trabajo es realizar un estudio nutricional en las tortillas de maíz elaboradas por el proceso CICATA-IPN, comparándolas con tortillas elaboradas por el proceso tradicional y con tortillas hechas de las marcas comerciales Maseca y Minsa. 19
4.0 OBJETIVOS Realizar un estudio de la composición nutricional de tortillas de maíz elaboradas por el proceso CICATA-IPN, así como de ensayos biológicos usando ratas como modelo experimental para la evaluación de la relación de eficiencia proteica (ganancia en peso en función de la calidad de la proteína consumida en la dieta), conversión alimenticia, absorción y cuantificación de calcio y fósforo absorbidos en los huesos, y en función de ello determinar la cristalinidad y resistencia a la fractura de los huesos. 20
5.0 MATERIALES Y METODOS. 5.1 Materiales 5.1.1 Materia Prima Para los experimentos del presente trabajo se utilizó el siguiente material: 1. Granos de maíz Tabasco proveniente de la planta CICATA-IPN (México, D.F.). 2. Harina instantánea de maíz integral elaborada por el Proceso CICATA-IPN. 3. Harina de maíz de las marcas comerciales Maseca y Minsa. El maíz en grano sin procesar se molió usando un molino eléctrico Thomas-Wiley, modelo 3383-L10 para la obtención de harina. 5.1.2 Obtención de harina instantánea elaborada por el proceso CICATA-IPN. La harina de maíz instantánea elaborada por el proceso CICATA-IPN se obtuvo cociendo 1 parte de maíz, con 1/2 parte de agua y cal (0.25 % p/p en relación al maíz) durante 5 min.; posteriormente, el agua fue escurrida y los granos fueron molidos en un molino de martillos; en seguida, los granos de maíz molidos se secaron en un secador tipo flash con aire caliente; finalmente la harina se empaco; el tiempo aproximado de este proceso fue de 30 min. 5.1.3 Tortillas de maíz (método tradicional). Para la elaboración de las tortillas de maíz nixtamalizado (proceso tradicional) se utilizaron granos de maíz Tabasco procedentes de la planta CICATA-IPN 21
(México, D.F.) y se proceso de la siguiente manera: se coció 1 parte de maíz con 3 partes de agua y cal (1.5 % p/p en relación al maíz) a 98 o C por 20 min., dejando reposar 16 hr; después se desecho el nejayote (que contenía agua con fragmentos de pericarpio desprendidos y calcio) y los granos de maíz nixtamalizados se lavaron 3 veces con agua corriente y se molieron con un molino de piedras para la obtención de la masa. 5.1.4 Elaboración de tortillas obtenidas con los diferentes procesos. A partir de las harinas instantáneas elaboradas por el proceso CICATA-IPN, y de las marcas comerciales Maseca y Minsa, así como de la masa nixtamalizada por el método tradicional se elaboraron tortillas, usando una máquina tortilladora comercial. Las tortillas elaboradas por los diferentes procesos fueron secadas y molidas para reducir su tamaño de partícula. Las muestras fueron guardadas en refrigeración a temperatura de 4ºC hasta la realización de los análisis bromatológicos, los cuales fueron hechos por triplicado. 5.2 Métodos. 5.2.1 Humedad. 44-15A, AACC (1995). A la humedad se le considera como la pérdida de agua que sufre la muestra al ser calentada. Se utilizaron 2 g de muestra, los cuales fueron calentados en una estufa a 135 o C por 1 hr. 5.2.2 Proteína. 46-13, AACC (1995). Se hizo una digestión de la muestra con ácido sulfúrico en presencia de un catalizador. La solución ácida se alcalinizó con una solución de hidróxido de sodio. El 22
amoníaco fue destilado y recogido en una cantidad medida de ácido bórico, titulándose con una solución valorada de ácido clorhídrico. El factor de conversión utilizado fue de 6.25. 5.2.3 Cenizas 08-01 AACC (1995). La cantidad de cenizas representa el contenido total de minerales en los alimentos. Las cenizas contienen los elementos inorgánicos, mucho de los cuales son de interés nutricional como es el caso del calcio y fósforo, entre otros. Para este método se utilizaron 2 g de muestra que fueron incinerados en una mufla a 550 o C por 2 hr. 5.2.4 Extracto etéreo 30-10 AACC (1995). Para determinar el contenido de grasa de un alimento se lleva a cabo por un reflujo de solvente por calentamiento continuo; el solvente debe tener las siguientes características: un alto poder disolvente para lípidos, que se evapore fácilmente, que no deje residuos, tener un punto bajo de ebullición y que penetre fácilmente en las partículas alimenticias. Las sustancias más usadas son éter de petróleo y éter etílico. 5.2.5 Fibra cruda 7.068 A.O.A.C. (1984). Este método fue desarrollado para determinar carbohidratos indigeribles en alimentos para animales y la fibra; la fibra cruda fue determinada por una digestión secuencial de la muestra con H 2 SO 4 al 1.25% y después con NaOH al 1.25%. El residuo insoluble se obtuvo por filtración, luego fue secado y pesado. Allí se obtiene el peso de la fibra junto al de los minerales. Para obtener el contenido de fibra es necesario incinerar esta muestra, quedando solamente el residuo de las cenizas constituido por los minerales. Por diferencia entre el peso anterior (antes de la incineración) y el de las cenizas se obtuvo el de la fibra cruda; la cual es una medida del contenido de celulosa y lignina en la muestra. 23
5.2.6 Fibra detergente ácida y fibra neutro detergente Van Soest (1963). La técnica para la determinación de la fibra neutro detergente es usada para la determinación de los constituyentes de la pared celular; es un método rápido que permite separar la fracción fibrosa de la fracción soluble. Se fundamenta en la acción de un detergente sobre la muestra que al final deja todos los componentes de la pared celular: hemicelulosa, celulosa, lignina, La fibra ácido detergente (FAD) es el paso previo para la determinación de lignina y celulosa ya que ella está formada por el complejo ligno-celulósico de la planta. Además, contiene una pequeña cantidad de proteína que queda unida a la fibra y a los minerales insolubles como la sílice. La técnica se basa en la disolución con un detergente en medio ácido de las proteínas, grasas, pigmentos y demás compuestos que no sean ligno-celulósicos. Para la determinación, se pesó la muestra y se colocó en una bolsita de papel, la cual es sellada para después ponerla en la solución neutro detergente (EDTA, sulfito sódico, amilasa y otros) a ph=7.0 y ebullición durante 1 hr. El material fue secado y pesado. Con ello se obtuvo la fibra neutro detergente. El residuo se trato con: solución ácido detergente (ácido sulfúrico 0.5M y cetiltrimetil amonio) y ebullición durante 1hr. El residuo fue secado y pesado. Con ello se obtuvo la fibra ácido detergente 5.2.7 Determinación de calcio por absorción atómica. AOAC 975.03 (1996). La cuantificación del contenido de calcio en las muestras se realizó mediante espectroscopia de absorción atómica utilizando un equipo Analyst 300 de Perking Elmer. Esto se llevo a cabo reduciendo a cenizas las muestras de harinas, calcinando en una mufla por 4hr a 550 0 C, para después digerir dichas cenizas con ácido clorhídrico. La espectroscopia atómica consiste en la medición de absorción de 24
radiación electromagnética producida por los átomos de calcio. Esta cuantificación de calcio se lleva a cabo de acuerdo con la ley de Beer, cuando disminuye la intensidad de la luz es por que se incrementa el contenido de átomos de calcio y aumenta la intensidad de la luz cuando disminuye la concentración de átomos de calcio. 5.2.8 Determinación de fósforo AOAC 965.17 (1998) Este método se utilizó para la determinación de fósforo por espectrofotometría con azul de molibdeno. El fósforo reacciona con el ácido molíbdico para formar azul de molibdeno susceptible que puede determinarse espectrofotometricamente a 690 nm. Se preparó una solución madre de fósforo de 400 m g/ml hasta un volumen final de 100 ml; se preparó una solución hija de 100 m g/ml hasta un volumen final de 100 ml, que se utilizó para la preparación de la curva de calibración en el rango 50-400m g/l. Se incineraron 2 gr de muestra durante 4 horas, las cenizas fueron utilizadas para la elaboración de la solución prueba para determinar la cantidad de fósforo contenida en las muestras. Se adicionó para el desarrollo del color, 4 ml de solución ácida de molibdato de amonio y 0.25 ml de solución de cloruro estañoso. 5.3 EXPERIMENTO BIOLÓGICO 5.3.1 Metodología Se utilizaron 32 ratas wistar macho recién destetadas, de 21 días de nacidas. Se estudiaron dietas elaboradas con las tortillas elaboradas por los siguientes procesos: 1) Tortillas de maíz elaboradas por el método tradicional, 2) Tortillas de maíz elaboradas por el proceso CICATA-IPN. 3) Tortillas de la marca Maseca y, 4) Tortillas de la marca Minsa. A partir de esas tortillas se prepararon 8 dietas. Todas las dietas fueron elaboradas de acuerdo con lo recomendado por Reeves (1993) para roedores en crecimiento. Las dietas se codificaron de la siguiente manera: 1) TNIX, 25