Comprender la funcionalidad del almidón
Enero de 1996 — Artículo de portada

Por: Scott Hegenbart
Editor*

*(abril de 1991 – julio de 1996)

El almidón de maíz es el principal ingrediente de almidón utilizado por las empresas alimentarias estadounidenses. Pero los almidones de diferentes fuentes, e incluso los extraídos de variedades de maíz menos comunes, ofrecen una gama de propiedades funcionales incluso antes de su modificación. Explorar la funcionalidad única de varios almidones nativos presenta varias ventajas potenciales.

Gama ampliada de funcionalidad

Muchos almidones tienen propiedades que no son tan fáciles de duplicar modificando otro almidón.Además, empezar con una materia prima más cercana a las propiedades funcionales deseadas es incluso deseable en la modificación. Una modificación menos extensa significa…

Coste reducido

Los diseñadores exigen continuamente que los ingredientes de las texturas sean más altamente funcionales, pero las restricciones de coste siguen siendo estrictas. En muchos casos, cuanto menos se procese un almidón, más rentable será. Ya existen en el mercado almidones de maíz nativos altamente funcionales derivados de híbridos de maíz especialmente desarrollados. Estos pueden ofrecer una mayor economía de dos maneras.

“Tendrá un almidón que no tendrá que pasar por modificaciones, lo que ahorra costes”, dice Ibrahim Abbas, Ph.D., gerente de desarrollo de productos, American Maize-Products Co., Hammond, IN. “Cuando se modifican, en algunos casos los híbridos son más reactivos a los productos químicos; por tanto, podemos utilizar menos. Es más eficiente y se puede ahorrar dinero”.

Etiquetado

Aunque esto no ha resultado ser el gran problema que una vez se pensó, los almidones modificados todavía deben llevar números E en Europa. Un almidón nativo más funcional no llevará el número E y parecerá más natural a los consumidores europeos, una preocupación en un mercado global en constante expansión.

Estructura y función relacionadas

Químicamente, los almidones son polisacáridos que consisten en unidades de glucosa repetidas. Las moléculas de almidón tienen una de dos estructuras moleculares: una estructura lineal, conocida como amilosa; y una estructura ramificada, conocida como amilopectina. La amilosa y la amilopectina se asocian mediante enlaces de hidrógeno y se disponen radialmente en capas para formar gránulos. Los almidones de diferentes fuentes varían entre sí en los siguientes aspectos, cada uno de los cuales puede afectar al rendimiento:

Tamaño y forma de los gránulos

Los gránulos de almidón presentan una amplia variedad de tamaños que van desde 3 micras hasta más de 100 micras. En algunos almidones el tamaño de los gránulos es polimodal, lo que significa que los gránulos pueden agruparse en más de un rango de tamaño. El almidón de trigo, por ejemplo, tiene una distribución de gránulos grandes y pequeños. La forma de los gránulos también puede ser diversa. Las formas de los gránulos incluyen esferas simétricas, esferas asimétricas, discos simétricos y discos asimétricos. Algunos gránulos presentan su forma suavemente, mientras que otros son poliedros con una superficie facetada.

Relación amilosa:amilopectina

Todos los almidones están formados por proporciones variables de amilosa y amilopectina. Esta proporción varía no sólo entre los diferentes tipos de almidón, sino entre las muchas variedades de plantas de un mismo tipo. Los almidones cerosos son los que no tienen más del 10% de amilopectina.

Estructura de las moléculas de amilosa y amilopectina

La longitud de las moléculas de amilosa en un almidón -conocida como su grado de polimerización- puede variar enormemente. En la amilopectina, la longitud y el número de ramas de la molécula son igual de variables.

“La longitud de la molécula de amilosa varía según el tipo y el cultivar”, dice Daniel Putnam, científico principal de aplicaciones de Grain Processing Corp. en Muscatine, IA. “He visto de 200 a 2.000 como grado de polimerización dentro de un tipo de almidón.”

También existen otras variaciones para el almidón

Estas no pueden formarse en una sola categoría porque pueden ser únicas para un almidón en particular. En general, sin embargo, la mayoría de estas variaciones consisten en la presencia de componentes no relacionados con el almidón en el gránulo.

Las innumerables variedades de los muchos tipos de almidón no podrían ser cubiertas exhaustivamente en un solo artículo. En consecuencia, en este artículo se analizarán algunas tendencias generales entre los principales tipos de almidón utilizados en la industria alimentaria.

Maíz

Existen cuatro clases de almidón de maíz. El almidón de maíz común tiene un 25% de amilosa, mientras que el maíz ceroso está formado casi totalmente por amilopectina. Los dos almidones de maíz restantes son almidones de maíz de alta amilosa; uno de ellos tiene entre un 55% y un 55% de amilosa, mientras que el segundo tiene entre un 70% y un 75%.

La doctora Jay-lin Jane, profesora del departamento de ciencias de la alimentación y nutrición humana de la Universidad Estatal de Iowa, en Ames, ha estado investigando el tamaño y la forma de los gránulos de muchos tipos de almidón como parte de su investigación en curso. Mediante microscopía electrónica de barrido, Jane y su equipo de investigación han descubierto que el almidón de maíz común tiene gránulos irregulares con forma de poliedro. Su tamaño oscila entre las 5 y las 20 micras.

El almidón de maíz ceroso también tiene gránulos de forma irregular similares en su distribución de tamaño a los del maíz común. Sin embargo, las caras individuales no son tan distintas. Los almidones de alta amilosa también tienen una forma irregular, pero tienden a ser lisos. Algunos tienen incluso forma de varilla. Los almidones de alta amilosa tienen un rango de tamaño más estrecho: De 5 a 15 micras, o incluso de 10 a 15 micras, dependiendo de la variedad.

Patata

El almidón de la patata tiene aproximadamente un 20% de amilosa. Como los de muchos tubérculos, los gránulos de fécula de patata son grandes y tienen una forma redonda y ovalada. De los almidones que se utilizan habitualmente para la alimentación, el de la patata es el más grande; sus gránulos tienen un tamaño de entre 15 y 75 micras.

Arroz

El almidón de arroz común tiene una relación amilosa:amilopectina de aproximadamente 20:80, mientras que el almidón de arroz ceroso sólo tiene un 2% de amilosa. Ambas variedades tienen un tamaño de gránulo pequeño que oscila entre 3 y 8 micras. Según Jane, se trata de polígonos de forma irregular y el arroz céreo presenta algunos gránulos compuestos.

Tapioca

El almidón de tapioca tiene entre un 15% y un 18% de amilosa. Los gránulos de tapioca son esferas lisas e irregulares con tamaños que van de 5 a 25 micras.

Trigo

El almidón de trigo tiene un contenido de amilosa de alrededor del 25%. Sus gránulos son relativamente gruesos, de 5 a 15 micras, con una forma lisa y redonda que oscila entre 22 y 36 micras de diámetro. El almidón de trigo es bimodal en el sentido de que también tiene un grupo de gránulos de almidón de diferente tamaño. En este caso, estos otros gránulos son muy pequeños, con diámetros de sólo 2 a 3 micras.

Apilando a los rivales del almidón

Con una idea de cómo se diferencian los almidones, discutir el rendimiento de estos mismos almidones debería divulgar fácilmente cómo los diferentes elementos de la estructura del almidón afectan al rendimiento, ¿verdad? Nada más lejos de la realidad. Los químicos especializados en almidones están de acuerdo en que la estructura y la composición del almidón afectan al rendimiento. Sin embargo, una correlación directa no siempre es obvia, y los cambios en un solo rasgo no se traducen necesariamente en directrices.

Lo que sigue es una revisión de lo que se sabe actualmente sobre cómo la estructura y la composición afectan al rendimiento. Tenga en cuenta que esta discusión puede generar más preguntas que respuestas. Pero primero, he aquí un breve repaso de lo que ocurre durante la gelatinización del almidón:

Cuando el almidón se dispersa en agua y se calienta, el agua penetra en el gránulo de almidón desde fuera hacia dentro hasta que el gránulo está totalmente hidratado. Una vez hidratado, el enlace de hidrógeno entre la amilosa y la amilopectina mantiene la integridad del gránulo y éste comienza a hincharse desde el hilio (centro). Una vez gelatinizados, los gránulos hinchados pueden aumentar la viscosidad de la dispersión, y/o asociarse para formar geles y películas.

Tamaño y estructura de los gránulos

Según muchas fuentes, el tamaño de los gránulos no parece tener, por sí solo, un fuerte efecto en el rendimiento del almidón. Sin embargo, se cree que es un factor que contribuye a la rapidez con la que un almidón gelatiniza y a su temperatura de gelatinización. El almidón de arroz y el almidón de tapioca, por ejemplo, tienen ambos contenidos de amilosa en el mismo rango, pero los gránulos de almidón de tapioca son mucho más grandes y, como resultado, se hinchan más fácilmente.

“Cuanto más grande es el gránulo, menos enlaces moleculares tenemos, por lo que se hinchan más rápidamente”, dice Paul Smith, presidente de Paul Smith Associates, North Plainfield, NJ. “Pero también se descomponen más rápido”

Los gránulos de almidón grandes tienden a construir una mayor viscosidad, pero ésta es delicada porque el tamaño físico del gránulo lo hace más sensible al cizallamiento. A pesar de estas diferencias, la estructura más compacta de una molécula más pequeña no siempre significa una diferencia significativa en la gelatinización. El almidón de trigo, por ejemplo, tiene una distribución bimodal de gránulos pequeños y grandes. Aparte del tamaño, estos gránulos tienen prácticamente la misma composición de amilosa y amilopectina, etc. Sin embargo, las propiedades de gelatinización de los gránulos grandes y pequeños no muestran diferencias de rendimiento significativas.

“Una prueba demostró que los gránulos pequeños tienen una temperatura de gelatinización 3° más alta que los grandes, pero las temperaturas de inicio eran similares”, dice Abbas. “Yo diría que en el almidón de trigo, (el tamaño de los gránulos) no es un factor importante.”

Relación amilosa:amilopectina

Los almidones de maíz ceroso y de maíz común tienen ambos el mismo tamaño de gránulo, pero el maíz ceroso se hinchará en mayor medida y cada uno gelatinizará a diferentes temperaturas. Esto se debe en gran medida a su diferente composición de amilosa y amilopectina.

“Las moléculas de amilosa, debido a su linealidad, se alinean más fácilmente y tienen un enlace de hidrógeno más extenso”, dice Abbas. “En consecuencia, se requiere más energía para romper estos enlaces y gelatinizar el almidón”

En general, cuanto mayor es la amilosa, mayor es la temperatura de gelatinización. Esto es más notable en los dos almidones de maíz de alta amilosa que requieren temperaturas tan altas para la gelatinización que deben ser cocinados bajo presión. La relación amilosa:amilopectina también determina el tipo de textura que adquirirá el almidón gelatinizado.

“En general, la amilosa te da la fuerza de gelificación y la amilopectina te da la alta viscosidad”, dice Abbas. “Así que los almidones con alto contenido en amilosa le darán propiedades gelificantes y los almidones cerosos le darán alta viscosidad”

La estructura lineal de la amilosa también contribuye a la fuerza del gel. En solución, las moléculas lineales de amilosa pueden alinearse más fácilmente entre sí y asociarse mediante enlaces de hidrógeno para formar geles. Las moléculas ramificadas de amilopectina no pueden alinearse tan fácilmente y, por lo tanto, dan un enlace de hidrógeno más débil y la fuerza del gel.

La viscosidad, por otra parte, es puramente una función del peso molecular. La estructura ramificada de la amilopectina con todas sus cadenas unidas da lugar a una molécula mucho más grande que la amilosa. Por consiguiente, la amilopectina es mejor para crear viscosidad que la amilosa.

Entonces, si el diseñador de un producto quiere propiedades gelificantes, debería seleccionar un almidón con alto contenido de amilosa, mientras que un almidón con alto contenido de amilopectina (ceroso) sería la elección si se necesita viscosidad, ¿verdad? No es así. La fuerza de gel y la viscosidad puras suelen ser útiles, pero no siempre son lo que necesitan los diseñadores de productos. Un almidón demasiado alto en amilosa puede hacer que un pudín sea demasiado firme. Un almidón demasiado alto en amilopectina puede generar la viscosidad correcta en un batido dietético, pero puede resultar fibroso y “viscoso” al consumirlo. En consecuencia, la relación amilosa:amilopectina determina no sólo la textura básica, sino también la naturaleza de esa textura.

El uso del almidón en productos extruidos ilustra lo delicado que puede ser equilibrar esta relación. Al igual que con la formación de gel, la formación de la película es una función de la asociación de moléculas de amilosa lineal. Cuanto mayor sea la amilosa, mejores serán las propiedades de formación de película. En un snack extruido, las propiedades de formación de película son deseables para obtener una textura crujiente en el producto final. Pero la textura crujiente por sí sola no hace ni rompe un snack.

“La naturaleza fuertemente ligada del polímero de amilosa afecta a la textura crujiente”, dice Jim Zallie, director de tecnología alimentaria de National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ, “Pero es un material de menor peso molecular que no puede atrapar el aire que proviene del agua que se convierte en vapor durante el vaciado”.

Utilizar un almidón con niveles crecientes de amilopectina aumenta en consecuencia la expansión a expensas del crujiente. En consecuencia, la relación amilosa:amilopectina debe seleccionarse cuidadosamente. En algunos casos, las exigencias de textura del producto requieren la combinación de almidones de diferentes fuentes.

“Algunas personas utilizan combinaciones de diferentes almidones base para conseguir una textura más corta o más larga”, dice Mike Augustine, director de aplicaciones de ingredientes alimentarios de A.E. Staley Manufacturing Co., Decatur, IL. “Hemos estado estudiando la posibilidad de crear mezclas para conseguir una textura específica o la calidad del producto final”.

Además de crear textura, los almidones se utilizan para aportar estabilidad a los productos alimentarios. Esto a menudo adopta la forma de retener el agua. Como se ha mencionado anteriormente, las moléculas de almidón gelatinizado tienden a reasociarse entre sí. Esta reasociación fuerza la salida del agua de la molécula, haciendo que el almidón recristalice. La tendencia de un almidón a recristalizar, o retrogradar, de esta manera determina su idoneidad para la estabilidad a largo plazo.

“La amilopectina ramificada proporciona obstáculos estéricos”, dice Putnam. “Esto no permite que las moléculas se reasocien, por lo que no tiende a retroceder tan fácilmente”.

Estructura molecular de la amilosa y la amilopectina

Las moléculas de amilosa más largas tienden a hacer que la textura de un producto sea fibrosa debido a la forma en que se asocian. El peso molecular de la amilosa también afecta a la elasticidad de un gel. Las moléculas más largas tienden a asociarse más fuertemente y producen geles más fuertes y quebradizos, pero este efecto tiene un límite.

“Tanto la tapioca como la fécula de patata tienen amilosa, pero producen una masa cohesiva en lugar de un gel como lo haría el almidón de maíz”, dice Peter Trzasko, investigador senior asociado de National Starch and Chemical Co. La patata y la tapioca tienen un peso molecular tan superior al del maíz que, de hecho, hace más difícil que las moléculas se asocien”.

El peso molecular no siempre ofrece una correlación directa de rendimiento. En 1992, Jane, de la Universidad de Iowa, informó sobre la investigación del efecto del tamaño molecular de la amilosa y de la longitud de la cadena ramificada de la amilopectina en las propiedades de pegado del almidón. Jane descubrió que las moléculas de amilopectina con ramas más largas no sólo tendían a gelificar, sino que la fuerza de gelificación aumentaba con la longitud de las ramas. Sin embargo, la viscosidad de las amilopectinas de distintas longitudes no tenía la misma correlación. De hecho, la mejor viscosidad se obtuvo con la amilosa de longitud intermedia, mientras que las moléculas de amilosa más grandes y más pequeñas produjeron viscosidades igualmente bajas.

Se puede establecer una conexión más clara entre el tamaño molecular y la estabilidad. Una molécula de amilosa más larga tendrá, hasta cierto punto, una mayor resistencia de gel debido a su mayor capacidad de asociarse mediante enlaces de hidrógeno. Esta mayor capacidad de asociación aumenta la tendencia de la molécula a retroceder. Las moléculas de amilosa más pequeñas presentan una asociación más débil y, por tanto, son más resistentes a la retrogradación. La información reciente indica que las moléculas de amilopectina con ramas más largas también son más susceptibles a la retrogradación. Esto preocupa especialmente a los investigadores que intentan alargar las moléculas de amilosa mediante cruces.

“Cuando se inserta un gen extensor de amilosa, también se acaban alargando las cadenas de ramificación de la amilopectina”, dice la doctora Pamela J. White, directora en funciones del departamento de ciencias de la alimentación y nutrición humana de la Universidad Estatal de Iowa.

Fósforo

Los almidones contienen fósforo de una forma u otra. La naturaleza del fósforo afecta al rendimiento del almidón. En la mayoría de los almidones de cereales, el fósforo se encuentra principalmente en forma de lisofosfolípidos, que tienden a formar complejos con la amilosa del almidón y a reducir su capacidad de retención de agua. Estos complejos también contribuyen a la opacidad de la pasta de almidón.

El fósforo de los almidones de los tubérculos, como el de la patata, se encuentra en forma de monoésteres de fosfato que se presentan en la molécula de almidón como grupos cargados negativamente. La repulsión iónica generada por estos grupos debilita la asociación entre las moléculas y aumenta la capacidad de retención de agua, el poder de hinchamiento y la claridad de la pasta.

Desentrañando los misterios

La comprensión de la funcionalidad del almidón nativo no sólo hace más eficiente el trabajo del diseñador del producto, sino que es un eslabón vital para ampliar la funcionalidad del almidón mediante su modificación. Esto es cierto tanto si el almidón se modifica mediante métodos químicos/enzimáticos, como si se trata de un cultivo convencional o de biotecnología.

Como se ha dicho anteriormente, el estudio de las relaciones entre la estructura y la función del almidón genera más preguntas que respuestas. Por ello, los investigadores que trabajan en este campo tienen mucho que hacer. La Universidad Estatal de Iowa es uno de los lugares en los que se está estudiando el almidón.

Desde 1987, los investigadores de la ISU White y Jane han estado buscando almidones con propiedades funcionales únicas para utilizarlos en el desarrollo de nuevos híbridos de maíz. Con ellos trabaja la doctora Linda Pollak, una genetista investigadora del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de EE.UU. que colabora con el Departamento de Agronomía de la ISU.

Usando el acceso de Pollak a la biblioteca norteamericana de genotipos mutantes de maíz, el equipo ha examinado los tipos exóticos de maíz para determinar la naturaleza de las variaciones de las propiedades funcionales.

“Es difícil y lleva mucho tiempo hacer un estudio estructural directo”, dice White. “Así que nuestro enfoque ha sido empezar con un cribado rápido del almidón extrayéndolo en el laboratorio con tan sólo un grano”.

Este cribado inicial se realiza mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). Se pega una muestra del almidón y luego se escanea en el DSC. Después de almacenar la muestra pegada durante siete días a 4°C (la temperatura óptima para la retrogradación del almidón) se vuelve a escanear la muestra.

“El escaneo que obtenemos en una muestra fresca y almacenada nos indica si el almidón puede tener propiedades funcionales únicas”, dice White. “Una vez que encontramos algo inusual, verificamos que efectivamente eso nos da un DSC diferente en otra ocasión”.

Otra información obtenida a través de este análisis DSC incluye la temperatura de gelatinización y el rango de gelatinización. Una temperatura de gelatinización baja puede proporcionar ahorros de energía en una operación de fabricación grande. Un rango de gelatinización estrecho también hará que la producción sea más eficiente al hacer que la gelatinización sea más rápida.

“Esas son las cosas clave que empezamos a mirar”, dice White. “Cuando vemos cosas que difieren mucho de la norma cuando se miden por DSC, entonces hacemos un análisis estructural para determinar por qué lo hacen y relacionar la estructura con la función”.

El primer paso para hacerlo requiere cultivar el maíz mutante en mayores cantidades para su posterior análisis. Las pruebas incluyen la determinación del porcentaje de amilosa mediante valoración potenciométrica con yodo y/o cromatografía de permeación en gel; la distribución del peso molecular mediante cromatografía de permeación en gel; y la longitud de la cadena de ramificación de la amilopectina calculada a partir del valor reductor determinado mediante química húmeda, o mediante cromatografía de permeación en gel.

Si se dispone de una cantidad suficiente de almidón, también se realizan pruebas funcionales como las de viscosidad y resistencia del gel.

“Otra cosa que solemos hacer es medir el tamaño de los gránulos mediante microscopía electrónica”, dice White. “Se ha demostrado que el almidón de gránulos pequeños es bueno para conseguir una sensación de suavidad en la boca, que es una propiedad útil para los sustitutos de la grasa para evitar la textura granulada”.

Finalmente, se establece la conexión entre las propiedades funcionales deseadas y la estructura del almidón. A continuación, los genetistas de plantas toman el relevo e intentan reproducir las cualidades deseadas en una variedad que pueda cultivarse.

Ampliar la comprensión de la funcionalidad del almidón nativo es útil tanto para los diseñadores de productos como para los creadores de nuevos ingredientes de almidón. A veces, sin embargo, parece que cada paso en el viaje hacia esta comprensión sólo añade distancia al camino. No obstante, estos esfuerzos deben continuar porque -aunque el viaje no termine nunca- cada paso que se da aporta nuevos avances que ayudan a mejorar los productos alimentarios.

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