Artículos

 

Características físicas y químicas de dos razas de maíz azul: morfología del almidón*

 

Physical and chemical characteristics of blue corn from two races: starch morphology

 

Edith Agama-Acevedo^1§, Yolanda Salinas-Moreno², Glenda Pacheco-Vargas¹ y Luis Arturo Bello-Pérez¹

 

¹ Centro de Desarrollo de Productos Bióticos. IPN. Carretera Yautepec-Jojutla, km 8.5. Colonia San Isidro, Yautepec, Morelos, México. A. P. 24. C. P. 62731. Tel. 01 735 3942020. (ceprobi@ipn.mx), (labellop@ipn.mx), ^§Autora para correspondencia: eagagama@ipn.mx.

² Campo Experimental Valle de México. INIFAP. Carretera Los Reyes-Texcoco, km 13.5. Coatlinchán, Texcoco, Estado de México. A. P. 10. C. P. 56230 (yolysamx@yahoo.com).

 

* Recibido: noviembre de 2010
Aceptado: abril de 2011

 

Resumen

En México existen regiones donde se cultivan variedades criollas de maíz azul (Zea mays L.), que poseen variabilidad de tamaño, densidad y dureza del grano, así como composición química. Estas variables si bien están definidas por el factor genético, también dependen de las prácticas de cultivo, condiciones climáticas y tipo de suelo. Las características físicas del grano de maíz tienen relación con aspectos de producción y rendimiento, mientras que su composición química y la morfología de los gránulos de almidón, ayudan a definir la calidad nutritiva y su uso en la elaboración de alimentos. El objetivo del trabajo fue determinar las propiedades físicas y químicas del grano maíz azul proveniente de dos razas, y caracterizar morfológicamente los gránulos del almidón de su endospermo. El trabajo se realizó en el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del Instituto Politécnico Nacional y en el Campo Experimental Valle de México del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias. Las muestras fueron colectadas en campo con los productores, seis materiales de la raza Tabloncillo en localidades de Sinaloa y nueve de la raza Chalqueño en localidades de Tlaxcala y Estado de México. Los maíces de la raza Tabloncillo presentaron granos pequeños, mayor dureza y cantidad de almidón dañado, y menores contenidos de antocianinas, que la raza Chalqueño. La cantidad de almidón de ambas razas fue de 0.78-0.89 g g^-1 de muestra seca, y por su contenido de amilosa se clasifican como almidones normales. Las formas de los gránulos de almidón fueron esféricas con superficie lisa y una distribución bimodal (gránulos pequeños 2-8 µm y grandes 16-18 µm). Las diferencias principales entre las dos razas fueron su tamaño de grano, índice de flotación y contenido de antocianinas.

Palabras clave: Zea mays L., amilosa, dureza del grano, gránulos.

 

Abstract

There are areas in Mexico, where local varieties of blue corn are grown (Zea mays L.), which have variability in size, density and grain hardness as well as chemical composition. Although these variables are defined by genetic factors, they also depend on farming practices, climatic conditions and soil type. The physical characteristics of corn grain are related to production and yield aspects, while its chemical composition and starch granules morphology, help to define the nutritional quality and its use in food processing. The objective of this study was to determine the physical and chemical properties of blue corn grain from two races and morphologically characterize the starch granules of the endosperm. The study was conducted at the Centre for Development of Biotic Products of the National Polytechnic Institute and the Valley of Mexico Experimental Station of the National Forestry, Agriculture and Livestock Research Institute. The samples were collected in the field with the producers, six Tabloncillo race materials at locations in Sinaloa and nine from Chalqueño race at Tlaxcala and Mexico State locations. Tabloncillo corn has small grains, higher hardness and damaged starch, and lowest levels of anthocyanins than Chalqueño corn has. The starch amount in both races was from 0.78 to 0.89 g g^-1 of dry sample, and they are classified as normal because of their amylose content. The starch granules were spherical with smooth surface and a bimodal distribution (small granules were 2-8 µm and large granules were 16-18 µm). The main differences between the two races were their grain size, floating rate and anthocyanin content.

Key words: Zea mays L., amylose, grain hardness, granules.

 

INTRODUCCIÓN

El maíz azul (Zea mays L.) debe su color a las antocianinas las cuales están localizadas en un capa delgada que recubre al endospermo. Éste a su vez está formado por proteínas y gránulos de almidón (responsable de las propiedades de textura en los productos elaborados con este cereal) cuya forma y tamaño tendrán influencia en sus propiedades funcionales (Lindeboom et al., 2004; Mishra y Raid, 2006). En México existe una gran diversidad de variedades de maíz azul, las cuales corresponden a varias razas. También existe variabilidad en tamaño, densidad y dureza del grano, así como en su composición química. Estas variables, están definidas por el factor genético (amylose extender, ae; waxy, wx; floury fl; dull, du), pero también dependen de las prácticas de cultivo, condiciones climáticas y tipo de suelo, así como la interacción entre estos factores. Al presentarse diferencias en todo lo anterior, éstas también podrían existir en la morfología de los gránulos de almidón.

En diferentes regiones del país se cultivan variedades criollas de maíz azul, en Valles Altos de la Mesa Central, predomina el maíz azul de la raza Chalqueño, para riego y Cónico para temporal, mientras que en el noroeste la raza Tabloncillo. Agama-Acevedo et al. (2004, 2005 y 2008), Hernández-Uribe et al. (2007); Utrilla-Coello et al. (2009, 2010), han hecho estudios en almidón de maíz pigmentado, donde utilizan solo una variedad de maíz azul o negro y una blanca con fines de comparación. El objetivo fue determinar las características físicas y químicas en el grano de maíz azul provenientes de sus dos razas principales (Tabloncillo y Chalqueño), así como la morfología de los gránulos de su almidón.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Maíces usados en el estudio

Se trabajó con 15 materiales que fueron colectados en campo, en diferentes localidades de los estados de Sinaloa, Tlaxcala y Estado de México. En el Cuadro 1 se presenta información sobre la raza y lugar de colecta. Los granos fueron almacenados en bolsas negras a 4 °C.

Características físicas del grano

Las características físicas evaluadas fueron: peso de mil granos, peso hectolítrico (Método 44-11, AACC, 1976) e índice de flotación (Billeb y Breassani, 2001).

Composición química

Se molieron 100 g de maíz en un molino comercial (Mapisa Internacional S. A. de C. V., México), tamizados en malla 50 U. S. (0.028 mm), y almacenados en bolsas de plástico a 4 °C. Se determinó el contenido de humedad, cenizas proteínas y lípidos por métodos oficiales 08-01, 46.13 y 30.25 de la AACC, respectivamente (AACC, 2000); el contenido de antocianina por el método de Salinas-Moreno et al. (2003).

Contenido de almidón total, amilosa y almidón dañado

Al maíz se le retiró manualmente el pericarpio, pedicelo y germen, para obtener el endospermo, el cual se molió en un molino comercial (Mapisa Internacional S. A. de C. V., México) y se tamizó en malla 50 U. S. Posteriormente se determinó el contenido de almidón total (Goñi et al., 1997), el contenido de amilosa (Hoover y Ratnayake, 2001) y almidón dañado método AACC 76-31 (AACC, 2000).

Análisis morfológicos del gránulo del almidón

Para aislar los gránulos del almidón, se utilizó la metodología propuesta por Utrilla-Coello et al. (2009). Para el estudio microscópico se colocó una pequeña cantidad de almidón en un portaobjeto, se mezcló con una gota de agua destilada y se le puso un cubreobjeto. Los gránulos de almidón se observaron a través del microscopio de luz, luz polarizada (Leitz, Wetzlar, Alemania), electrónico de barrido (modelo JSEM 35CX), y finalmente se realizó el análisis de difracción de rayo láser (Malvern Instruments, 2000) para determinar la distribución de tamaño de los gránulos de almidón.

Análisis estadístico

El diseño estadístico fue completamente al azar, utilizando tres repeticiones. Para determinar las diferencias estadísticas en las características físicas de los granos, composición química, contenido de almidón total, amilosa y almidón dañado, se aplicó un análisis de varianza de una vía, con un nivel de significancia del 5% (p= 0.05). Se utilizó la prueba de Tukey, para la comparación de medias, al mismo nivel de significancia.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Características físicas de los granos

La determinación de las características físicas de los granos de cereales representa el primer paso para seleccionarlos y sugerir sus usos industriales. En el Cuadro 2 se muestran los resultados de las características físicas de los granos de maíz azul.

Los valores del peso de mil granos obtenidos para los maíces estuvieron entre 310.7-509.9 g. Las muestras de la raza Tabloncillo fueron estadísticamente diferentes (p= 0.05) en el peso de mil granos, sus pesos fueron menores (310.7-364.1 g) a los maíces de la raza Chalqueño (367-509 g), debido a esto los granos de la raza Tabloncillo son de menor tamaño que la raza Chalqueño. El tamaño del grano si bien es una variable definida por el genotipo y medio ambiente, con ciertos niveles de tamaño máximo y mínimo dentro de cada raza (Paredes-López et al., 2000). El tamaño, también está en función de la disponibilidad de fotosintatos y la demanda que cada grano genera sobre la planta durante la etapa de llenado (células del endospermo y almidón) (Schussler y Westgate, 1991).

En el tamaño de grano influyen diferentes factores de nutrición en la planta, pero las altas temperaturas acortan el periodo de llenado del grano, disminuyendo el peso final; por otro lado, las condiciones de estrés hídrico disminuye el número de células destinadas para la acumulación de almidón (Balbi et al., 2006). Billeb y Bressani (2001) analizaron once variedades de maíz para evaluar su calidad de procesamiento en la elaboración de harinas de maíz, y reportaron valores entre 272.4 g y 364.1 g con un promedio de 312.5 g. Concluyeron que las variedades de mayor peso son preferidas para el procesamiento de tortillas.

El peso hectolítrico es un indicador de la dureza del grano de maíz y de la composición del endospermo. Los maíces de la raza Tabloncillo mostraron valores de peso hectolítrico promedio 75.6±1.43 kg hL^-1 y los de la raza Chalqueño 66.2 66.2±1.86 kg hL^-1. Los valores indican que los maíces de la raza Tabloncillo son más duros que la raza Chalqueño. El maíz destinado a elaborar cereales para desayuno no debe tener un peso hectolítrico menor a 76 kg hL^-1 porque son inadecuados para formar la hojuela; por lo tanto, el grano de la raza Tabloncillo analizados en este trabajo, podrían ser una opción para la elaboración de cereales para desayuno (Rooney y Serna-Saldivar, 1987).

Los valores obtenidos del índice de flotación (Cuadro 2), confirman que los maíces de la raza Chalqueño (excepto la muestra C3 que es de grano semiduro), y los de la raza Tabloncillo (excepto la muestra T3 que es de grano suave), son considerados como granos duros de acuerdo con la clasificación de Billeb y Bressani (2001). La muestra C3, de la raza Chalqueño, es un indicador de existencia de variabilidad dentro de la raza y es necesario definir las características de diferentes muestras en cada raza; lo anterior es valioso, ya que existe una amplia gama de formas en las variedades nativas de maíz azul y su aprovechamiento con base en un determinado propósito. En un estudio realizado con 19 maíces criollos, sólo dos muestras se catalogaron como granos muy duros, nueve como duros, siete como semiduros y solamente uno como suave (Rangel-Meza et al., 2004).

Composición química del maíz azul

Los valores de humedad de los maíces de la raza Chalqueño presentaron un intervalo entre 0.0722-0.1067 g g^-1 de muestra seca (Cuadro 3) y los de la raza Tabloncillo entre 0.0724-0.0871 g g^-1 de muestra seca. El contenido de humedad no mostró diferencias estadísticas significativas (p= 0.05) entre las razas analizadas. Agama-Acevedo et al. (2005) reportó en dos variedades de maíces pigmentados (azul y negro) un contenido de humedad de 0.098 g g^-1 de muestra seca y 0.084 g g^-1 de muestra seca, respectivamente. Todas las muestras presentaron humedades menores del 0.145 g g^-1 de muestra seca, lo que es normal en este tipo de materiales.

Sin embargo, una humedad por abajo de 0.1 g g^-1 de muestra seca los hace frágiles, pero favorece los procesos para la producción de harina y reduce el tiempo del cocimiento alcalino durante el procesamiento de tortillas (Betrán et al., 2001). Las muestras no presentaron diferencias estadísticas significativas (p= 0.05) en el contenido de ceniza, a excepción de las muestras C7 y C3 a las cuales corresponden el valor más bajo y más alto en esta determinación (0.014 g g^-1 de muestra seca y 1.82 g g^-1 de muestra seca) (Cuadro 3). Las diferencias en el contenido de cenizas pudiera deberse a la composición del suelo en el que fueron cultivadas, los fertilizantes utilizados y factores ambientales (López et al., 2007). El maíz de alta calidad no debe contener arriba de 0.05 g g^-1 de muestra seca de cenizas, valores por arriba indican contaminaciones por calcio, sal y tierra por la poca limpieza durante la cosecha y recolección.

Los valores de lípidos encontrados para las muestra analizadas estuvieron entre 0.0444-0.0598 g g^-1 de muestra seca (Cuadro 3), las muestras de la raza Chalqueño C2, C4, C6 y C7 presentaron diferencias estadísticas significativas con la raza Tabloncillo. Estudios realizados en maíces pigmentados reportaron (Agama-Acevedo et al., 2005) un contenido de lípidos 0.04 g g^-1 de muestra seca en maíz negro y de 0.0374 g g^-1 de muestra seca en maíz azul. En el caso de 20 variedades e híbridos de maíz amarillo se encontraron valores de lípidos de 0.04-0.07 g g^-1 de muestra seca (Mendez-Montealvo et al., 2005).

La cantidad de lípidos depende de la variedad, del tipo de suelo, región de siembra, factores climáticos como la sequía, que reduce el contenido de lípidos en el maíz (White y Weber, 2003).

No se encontraron diferencias estadísticas significativas (p= 0.05) en el contenido de proteínas entre razas, ya que los maíces de la raza Tabloncillo tuvieron un contenido de proteína promedio de 0.0856±0.004 g g^-1 de muestra seca y los de la raza Chalqueño 0.0884±0.0018 g g^-1 de muestra seca. El grano de maíz presenta un contenido de proteína que varía de 7% a 12% (Inglett, 1970) dependiendo del tipo de endospermo, herencia, clima, tipo de suelo y prácticas de cultivo. Cuando la planta es fertilizada con nitrógeno o el suelo tiene altas cantidades de este compuesto, se incrementa el contenido total de proteínas en la planta (López et al., 2007).

Todas las muestras presentaron diferencias estadísticas significativas en sus contenidos de antocianinas (p= 0.05) (Cuadro 3). Los granos de la raza Tabloncillo obtuvieron valores menores de antocianinas (0.1992-0.3436 mg g^-1 de muestra seca) que los encontrados en la raza Chalqueño (0.5014-0.6927 mg g^-1 de muestra seca). El-Sayed et al. (2006) analizaron el contenido de antocianinas en diversos cereales y encontraron en granos de maíz rosa 0.16 mg g^-1 de muestra seca, maíz azul 0.19-0.32 mg g^-1 de muestra seca, rojo 0.05-0.06 mg g^-1 de muestra seca y morado 1.277 mg g^-1 de muestra seca

Almidón total en el endospermo de maíz azul

La pureza del almidón del endospermo de maíz, determinado como almidón total, se presenta en el Cuadro 4. Los maíces T1, T2 y C5 mostraron los valores menores de almidón total (0.785 g g^-1 de muestra seca, 0.804 g g^-1 de muestra seca y 0.8 g g^-1 de muestra seca, respectivamente) los cuales no fueron estadísticamente diferentes (p> 0.05). La muestra C2 presentó el valor mayor de almidón total (0.899 g g^-1 de muestra seca). Las muestras restantes se encuentran en un intervalo de 0.827-0.844 g g^-1 de muestra seca. Los maíces pigmentados se caracterizan por contener en su endospermo mayor cantidad de almidón que la encontrada en maíz blanco (0.7-0.78 g g^-1 de muestra seca) (Kriger et al., 1998). Utrilla-Coello et al. (2009) encontró en maíz azul y blanco contenidos de almidón total de 0.84 y 0.78 g g^-1 de muestra seca, respectivamente.

Amilosa

Los porcentajes de amilosa, fueron variables en ambas razas, Tabloncillo 29.4-31.4% y Chalqueño 20.7-33.3% (Cuadro 4). En general, las muestras caen en la clasificación de almidón normal en base a su contenido de amilosa que va de 20-35% de acuerdo a Tester et al. (2004). La concentración de amilosa en los gránulos del almidón de maíz se incrementa con la edad fisiológica del tejido en el cual son sintetizados (Boyer et al., 1976). Lu et al. (1996) reportaron que cuando el maíz es cultivado a temperaturas elevadas (35 °C) disminuye el contenido de amilosa comparado con el cultivado a 25 °C.

Estudios en almidón de maíz azul han reportado contenidos de amilosa entre 20% y 23% (Agama-Acevedo et al., 2004; Utrilla-Coello et al., 2009); en este estudio 11 de las 15 muestras presentan valores arriba de 27%. El contenido de amilosa es importante ya que este componente del almidón de maíz es el encargado de los procesos de gelificación y retrogradación del almidón cuando éste es cocinado y almacenado, por lo que los maíces con bajo contenido de amilosa como las muestras T1, T2, T3, C6 y C9 pudieran formar productos con textura más suave y mayor digestibilidad (Biliaderis, 1991).

Almidón dañado

La mayoría de las muestras de la raza Tabloncillo presentaron mayor cantidad de almidón dañado (0.0883-0.1338 g g^-1 de almidón) que la raza Chalqueño (0.0711-0.1156 g g^-1 de almidón) (Cuadro 4). Utrilla-Coello et al. (2009) encontraron en una variedad de maíz azul un 0.126 gramos de almidón dañado por gramo de almidón. Entre 5-12% de los gránulos de almidón son dañados como consecuencia del proceso del aislamiento, debido al daño mecánico producido durante la molienda (Viot, 1992).

El tipo de endospermo también influye en este parámetro, ya que el almidón del endospermo cristalino (endospermo duro) es mas susceptible a sufrir mayor daño durante la molienda que el endospermo harinoso. La cantidad de almidón dañado afecta directamente la absorción de agua, formación de pasta y la reología de los productos elaborados con almidón, y esto a su vez ayuda a predecir la calidad del producto final.

Caracterización morfológica del almidón del endospermo de maíz azul

Microscopía de luz

En la Figura 1A se pueden observar las imágenes obtenidas a través del estudio de microscopia de luz. Los gránulos de todos los almidones presentan predominantemente formas poliédricas y unas pocas esféricas. En general, se encontraron diversos tamaños de gránulos en las muestras analizadas (4-20 µm), por lo que predominaron los gránulos de mayor tamaño. Muchas de las propiedades de los almidones tienen que ver principalmente con su tamaño de gránulo, por ejemplo la composición química, susceptibilidad enzimática, cristalinidad gelatinización, propiedades de formación de pasta, hinchamiento y solubilidad (Lindeboom et al., 2004).

Microscopía de luz polarizada

Las micrografías que fueron tomadas bajo luz normal también fueron tomadas bajo luz polarizada para analizar los mismos gránulos (Figura 1B). Los gránulos de almidones que presentaron la cruz de malta, se tratan de gránulos intactos, que mantuvieron la estructura granular. Mientras que las estructuras que no presentan esta característica, se tratan de gránulos rotos o dañados, debido al daño mecánico durante la molienda.

Microscopia electrónica de barrido.

Las imágenes de microscopia electrónica de barrido se muestran en la Figura 1C. En general, los almidones presentan gránulos entre 4 a 20 µm. Las formas de los gránulos que predominan en los almidones son esféricas e irregulares (poligonales o poliédricas, cónicas, angulares). En los almidones analizados en este estudio no se observaron poros, que los haría más resistentes a la digestión enzimática, lo que repercute en las propiedades de digestibilidad del almidón de los productos elaborados con estos maíces.

Distribución del tamaño de partícula

En la Figura 2 se muestran los resultados de la distribución del tamaño de los gránulos de almidón correspondiente a la muestra T1 (como ejemplo), ya que todos los almidones presentaron la misma tendencia. En todos los almidones analizados se observó una distribución bimodal. Una distribución de gránulos pequeños de 2.2 µm. La fracción predominante mostró un tamaño de partícula entre 16.22-18.62 µm. Agama-Acevedo (2006) reportó distribución bimodal en almidón de maíz azul; sin embargo, el tamaño promedio del gránulo de almidón de la fracción dominante fue 40 µm.

En general, los almidones que se aislaron de la raza Chalqueño procedentes de Tlaxcala mostraron menor tamaño de gránulo (16.22 µm) que la raza Tabloncillo procedentes de los estados de Sinaloa y Chalqueño del estado de México (18.62 µm). Tester et al. (1991) reportaron que las altas temperaturas durante el cultivo de trigo y cebada fueron asociadas con una reducción de los gránulos pequeños, cambiando la relación del radio de los gránulos grandes.

 

CONCLUSIONES

Los maíces de la raza Tabloncillo se caracterizaron por ser de menor tamaño y de granos más duros que la raza Chalqueño. En general, la composición química del maíz de las dos razas no fue diferente, excepto en el contenido de antocianinas. El contenido de almidón en el endospermo fue similar en ambas razas y con base a su contenido de amilosa, los almidones se clasificaron como normales. La mayoría de maíces de la raza Tabloncillo mostraron mayor cantidad de almidón dañado que la raza Chalqueño. Las características morfológicas de los gránulos de almidón de los 15 materiales fueron similares en cuanto a forma, tamaño y distribución de partícula.

 

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo económico del CONACYT, COFAA, EDI y SIP, también el apoyo técnico a César A. Trujillo Hernández y Fernando Bernal Vázquez.

 

LITERATURA CITADA

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