Ciencia de los alimentos

 

Caracterización fisicoquímica de almidones doblemente modificados de plátano

 

Physicochemical characterization of dually–modified banana starch

 

P. Baruk Zamudio–Flores¹, Apolonio Vargas–Torres^1,2, Felipe Gutiérrez–Meraz¹, Luis A. Bello–Pérez^1*

 

¹ Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del IPN. Km 8.5, Carretera Yautepec–Jojutla, Colonia San Isidro, 62731 Yautepec, Morelos, México, * Autor responsable: (labellop@ipn.mx).

² Instituto Tecnológico de Zacatepec. Posgrado–Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica. Calzada Tecnológico Número 27, 62780. Zacatepec, Morelos, México.

 

Recibido: Febrero, 2009.
Aprobado: Noviembre, 2009.

 

RESUMEN

Dentro de las materias primas para elaborar plásticos biodegradables, el almidón tiene un alto potencial; sin embargo, éste debe ser modificado para mejorar sus propiedades de formación de película. En el presente estudio almidón aislado de plátano macho (Musa paradisiaca L.) en estado fisiológico inmaduro fue modificado químicamente mediante una oxidación con NaOCl con tres concentraciones de cloro activo (0.5, 1.0 y 1.5 % v/v) y se acetiló usando anhídrido acético. Los almidones se caracterizaron química, física y térmicamente: cuantificación de grupos carbonilos, carboxilos y acetilos; análisis químico proximal; análisis de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier; determinación de color; y análisis de variables térmicas mediante calorimetría diferencial de barrido. Los valores cuantificados de grupos funcionales carbonilos, carboxilos y acetilos corroboraron la efectividad de los tratamientos químicos, lo cual se verificó mediante el análisis de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier. La modificación por oxidación redujo el contenido de proteínas, lípidos y cenizas. El parámetro L* caracterizó el color de los almidones ya que fue una medida directa de su blancura. Este valor incrementó a medida que aumentó el nivel de oxidación, sin que la modificación por acetilación influyera significativamente en este parámetro. Los parámetros térmicos de temperatura de inicio, pico y final de gelatinización aumentaron cuando se incrementó la concentración de cloro activo, mientras que la entalpía de gelatinización disminuyó indicando una alteración estructural en los almidones modificados, lo cual se confirmó con el perfil amilográfico de estos almidones. Con la doble modificación química fue posible mejorar las propiedades físicas y químicas del almidón nativo de plátano.

Palabras clave: acetilación, almidón, doble modificación química, espectroscopía de infrarrojo, oxidación, propiedades térmicas.

 

ABSTRACT

Among the raw materials used to make biodegradable plastics, starch has high potential; however, it must be modified to improve its film–forming properties. In this study, starch isolated from physiologically immature plantains (Musa paradisiaca L.) was modified chemically by oxidation with NaOCl with three concentrations of active chlorine (0.5, 1.0 and 1.5 % v/v) and acetylation using acetic anhydride. The starches were characterized chemically, physically, and thermally: quantification of carbonyl, carboxyl and acetyl groups; proximal chemical analysis; Fourier transform infrared spectroscopy; color determination; and analysis of thermal variables using differential scanning calorimetry. The values of quantified functional carbonyl, carboxyl and acetyl groups corroborated the effectiveness of the chemical treatments, which was verified by Fourier transform infrared spectroscopy. Modification by oxidation reduced the content of proteins, lipids and ash. The L* parameter characterized starch color since it was a direct measure of its whiteness. This value increased with increasing levels of oxidation; modification by acetylation did not significantly affect this parameter. The thermal parameters initial, peak and final gelatinization temperatures increased when the active chlorine concentration increased, while gelatinization enthalpy decreased, indicating a structural alteration of the modified starches. This was confirmed by their amylographic profile. With dual chemical modification, it was possible to improve the physical and chemical properties of native plantain starch.

Key words: acetylation, starch, dual chemical modification, infrared spectroscopy, oxidation, thermal properties.

 

INTRODUCCIÓN

Debido al problema de contaminación ambiental generado por la disposición final de los polímeros sintéticos derivados del petróleo conocidos genéricamente como plásticos, hay gran interés en la utilización de materiales biodegradables, como el almidón, para sustituir plásticos convencionales como el polietileno y el poliestireno (García et al., 2000). El gobierno del Distrito Federal publicó una iniciativa de ley con la cual dará incentivos fiscales a las empresas que utilicen materiales de empaque biodegradables en sus productos (SUN/E1–golfo.Info, 2008). El uso de almidones de fuentes no convencionales como el almidón aislado del plátano macho (Musaparadisiaca L.) ha cobrado gran interés, sobre todo en países como México donde se busca aprovechar mejor a este tipo de cultivo y darle un valor agregado. El almidón es un biopolímero en forma de granulos, conformado por dos tipos de homopolisacáridos de glucosa: la amilosa (cuya estructura es esencialmente lineal conformada por enlaces α–1,4) y la amilopectina (con una estructura ramificada debido a la presencia de enlaces α–1,6 además de los enlaces α–1,4). La presencia de amilosa otorga al almidón la capacidad de formación de película y el almidón de plátano macho contiene 35 % aproximadamente (Romero–Bastida et al., 2005), el cual es alto. Por tanto, con este tipo de almidón se obtienen películas con adecuadas propiedades mecánicas.

Zamudio–Flores et al. (2006) reportaron que películas hechas con almidón de plátano oxidado mostraron mejores propiedades mecánicas que las películas elaboradas con almidón nativo. También aumentó la permeabilidad al vapor de agua debido al carácter hidrofílico de la película, causado por la formación de grupos carbonilos y carboxilos durante la oxidación del almidón. El carácter hidrofílico del almidón se puede reducir mediante una acetilación, lo cual aumenta el carácter hidrofóbico ya que se introducen grupos ester hidrofóbicos (Thomas y Atwell, 1999). Hay pocos reportes sobre las dobles modificaciones químicas como la oxidación y la acetilación en almidones. Por tanto, el objetivo del presente trabajo fue realizar una doble modificación química al almidón de plátano macho mediante una oxidación y una acetilación, así como caracterizar física, química y térmicamente estos almidones.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Aislamiento del almidón

Se usaron plátanos machos fisiológicamente inmaduros con un procedimiento a escala planta piloto (Flores–Gorosquera et al., 2004).

Modificación del almidón por oxidación con hipoclorito de sodio

El almidón nativo de plátano se sometió a un proceso de oxidación con hipoclorito de sodio (NaOCl) utilizando tres concentraciones de cloro activo (0.5, 1.0 y 1.5 % p/v) de acuerdo al procedimiento reportado por Wang y Wang (2003).

Modificación del almidón por acetilación

Se utilizó la técnica propuesta por Wurzburg (1986): se pesaron 162 g de almidón, se adicionaron 220 mL de agua destilada (25 °C), y se mezclaron uniformemente mediante agitación magnética constante durante toda la modificación. Se ajustó el pH a 8 con solución de NaOH al 3 % y se adicionó 0.1 mol de anhídrido acético gota a gota; simultáneamente se añadió NaOH al 3 % para mantener el pH entre 8.0 y 8.4. Al finalizar la adición del anhídrido acético, el pH se ajustó a 4.5 con HC1 0.5 N. La solución se centrifugó 15 min a 1500 rpm, se decantó el sobrenadante y el precipitado se resuspendió en agua destilada; se centrifugó y se repitió el procedimiento dos veces. El almidón obtenido se secó 24 h en una estufa a 45 °C, se molió y tamizó en una malla 100.

Caracterización química del almidón nativo y modificado

Se determinó el contenido de humedad (método 925.10 AOAC, 2005), cenizas (método 32.10 AACC, 2000), lípidos (método 2003.05 AOAC, 2005) y proteínas (método 2001.1, AOAC, 2005).

Determinación del contenido de almidón total (AT)

Se usó la técnica de Goñi et al. (1997) que se fundamenta en una hidrólisis completa del almidón con amiloglucosidasa y se cuantifica la glucosa liberada.

Determinación de grupos carbonilo y carboxilo

Para los grupos carbonilo (C=O) se usó el método de titulación de Smith (1967) y para los grupos carboxilo el método de Chattopadhyay et al. (1997), según Rivas–González et al. (2008).

Determinación del grado de sustitución y del porcentaje de grupos acetilo

Se utilizó la técnica propuesta por Wurzburg (1986), según Guerra–Della Valle et al. (2008).

Evaluación del color

El color se evaluó según Zamudio–Flores et al. (2007). Se usó un colorímetro universal Milton Roy modelo Color Mate con un iluminante D65 y un ángulo de observación de 10°; se determinó el factor de luminosidad (L*) usando un estándar de color blanco y se hicieron cinco determinaciones para cada muestra. Dado que la oxidación incrementa la blancura del almidón sólo se midió el valor de L*.

Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier

Para analizar los espectros de infrarrojo de las muestras de los almidones nativo y modificados se usó un espectrofotómetro de infrarrojo (Midac, Series M, CA, EE.UU.) equipado con un sistema de pastilla de KBr y sistema de reflectancia total atenuada a 25 ±2 °C. Para cada muestra se recolectaron 32 barridos con una resolución de 4 cm^–1 y se obtuvo un valor promedio, en la región de 400 a 4000 cm^–1. Cada muestra se realizó por cuadruplicado.

Calorimetría diferencial de barrido

Se usó un calorímetro diferencial de barrido TA Instruments modelo 2010 (TA Instruments, New Castle, DE) previamente calibrado con indio, según el procedimiento descrito por Mendez–Montealvo et al. (2005).

Perfil amilográfico de las dispersiones de almidón

La técnica fue la propuesta por la AACC (2000) usando un microviscoamilografo (Brabender OHG, Duisburg, Alemania). Se prepararon 100 mL de dispersiones (triplicado) de almidón al 10 % pv^–1, se calentó desde 30 °C hasta 95 °C, se mantuvo 10 min y se enfrió hasta 40 °C, a una velocidad de 2.5 °C min^–1.

Análisis estadístico

El diseño experimental fue completamente al azar y los datos se analizaron mediante análisis de varianza (p<0.05) con el programa estadístico Sigma–Stat 2.03 (Fox et al, 1995). Las medias se compararon con la prueba de Tukey (p<0.05; Walpole et al., 1999).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización física y química del almidón nativo y almidones modificados

La simbología para representar los almidones se muestra en el Cuadro 1. En el Cuadro 2 se muestra la caracterización química del almidón nativo y de los almidones modificados (oxidados y oxidados–acetilados). El contenido de humedad fue 8.3 % (almidón nativo) y 13.1 % para el almidón oxidado con 1.5 % de cloro activo (AO1.5). El contenido de humedad incrementó al aumentar el nivel de oxidación del almidón, pero no hubo diferencias (p>0.05) entre los almidones con 1.0 y 1.5 % de cloro activo. Los almidones doblemente modificados presentaron valores similares a su respectivo oxidado. Este comportamiento se relaciona con el aumento en el carácter hidrofílico debido a la oxidación (Adebowale et al., 2002). El contenido de lípidos de los almidones modificados disminuyó en comparación con el almidón nativo, pero no se encontraron diferencias cuando aumentó el nivel de oxidación ni cuando se efectuó la segunda modificación. Los reactivos (hipoclorito de sodio e hidróxido de sodio) utilizados en la oxidación causaron una saponificación de los lípidos y su eliminación durante los lavados (Zamudio–Flores et al., 2007). Se encontró un comportamiento similar para el contenido de proteínas, aunque al nivel más alto de oxidación (1.5 % de cloro activo) la disminución fue mayor (p<0.05).

La segunda modificación no afectó (p>0.05) el contenido de proteínas, por lo que el proceso de oxidación elimina parte de estos componentes debido a una degradación (Adebowale et al., 2002). Estas proteínas son principalmente enzimas de la biosíntesis del polisacárido (Agama–Acevedo et al., 2008).

En general, el contenido de cenizas disminuyó con el nivel de oxidación, pero no hubo diferencias (p>0.05) en las muestras oxidadas con los más altos contenidos de cloro activo (1.0 y 1.5 %). Tampoco hubo diferencias al comparar los almidones doblemente modificados con su contraparte oxidada. Los reactivos usados y los lavados durante las modificaciones remueven estos componentes presentes en el almidón (Adebowale et al., 2002).

El porcentaje de almidón total (AT), que representa la pureza del almidón, disminuyó con las modificaciones, pero no se encontraron diferencias al aumentar el nivel de oxidación ni al realizar la segunda modificación. La disminución está relacionada con la introducción de los grupos carbonilo y carboxilo, ya que la modificación cambia la estructura del almidón y, por tanto, ya no es reconocido por la enzima (amiloglucosidasa); esto se debe a que se realiza una hidrólisis completa del almidón.

Evaluación del color en los almidones

El valor L* fue el mejor parámetro para caracterizar el color de los almidones y fue una medida directa de su blancura (Figura 1). Este valor incrementó a medida que aumentó el nivel de oxidación (concentración de cloro activo) usado para modificar los almidones. Se observaron valores desde 81.1 para el almidón nativo (AN) hasta 96.7 para el AO1.5, el cual es cercano a 100 (valor máximo) que indica un material blanco.

Los valores menores de 100, en este tipo de almidón, se deben a que el fruto de plátano es muy susceptible a sufrir reacciones de oscurecimiento enzimático, las cuales ocurren al cortar o pelar el fruto, exponiendo las enzimas como la polifenol oxidasa, a la presencia del oxígeno. Esto desencadena las reacciones de oscurecimiento enzimático, que no pueden ser completamente eliminados durante los procesos de modificación.

El efecto del blanqueamiento del almidón se debe a la oxidación con NaOCl (Rutenberg y Solarek, 1984), aunque la mayor parte de los estudios se realizó con almidones de fuentes convencionales como maíz, trigo, y arroz (Chattopadhyay et al., 1997), los cuales no son susceptibles a reacciones de oscurecimiento enzimático. El modo de acción específico del cloro molecular (Cl₂), y sobre todo de las formas de cloro residual libre como el ácido hipocloroso (HOCl) y el ion hipoclorito (OCl^–) sobre los compuestos fenólicos involucrados en las reacciones de oscurecimiento enzimático, implica que las moléculas de cloro se introducen en los compuestos fenólicos. Estos compuestos se caracterizan por la presencia de insaturaciones que son muy reactivas y el cloro las reduce para producir un efecto de decoloración e incluso un cierto grado de despolimerización, que produce compuestos de menor peso molecular y que son eliminados con los lavados sucesivos realizados durante la modificación (Floor et al., 1989; Hebeish et al., 1989; Sánchez–Rivera et al., 2005).

Contenido de grupos carbonilo, carboxilo y acetilo

El contenido de grupos carbonilo incrementó con el nivel de cloro activo utilizado en la oxidación (Cuadro 3). Sánchez–Rivera et al. (2005) no detectaron grupos carbonilo en almidón oxidado de plátano con 0.5 % de cloro activo, encontrándose grupos carbonilo de 0.015 % y 0.032 % para el almidón oxidado con 1.0 y 1.5 % de cloro activo.

Al realizar la doble modificación, el contenido de carbonilos disminuyó y no se encontraron diferencias (p>0.05) entre ellos, independientemente del nivel de oxidación. El contenido de grupos carboxilo siguió el mismo comportamiento y en general los valores fueron mayores (p<0.05) que los de carbonilo debido a que el proceso de oxidación se realizó en un medio alcalino (pH=9.5) que favorece la producción de grupos carboxilo (Wang y Wang, 2003).

El contenido de grupos carboxilo es comparable con lo reportado por Sánchez–Rivera et al. (2005), quienes obtuvieron valores de 0.013, 0.040 y 0.050 % para almidón oxidado de plátano macho con 0.5. 1.0 y 1.5 % de cloro activo. El nivel de oxidación alcanzado depende del tipo de almidón (Kuakpetoon y Wang, 2001). En los almidones doblemente modificados no se detectó la presencia de grupos carboxilo pero sí de grupos acetilos, lo cual indica que estos últimos sustituyen a los grupos carboxilo en los almidones oxidados.

En el AN y los almidones oxidados no se determinó el grado de sustitución (GS) debido a que estas muestras no presentaron grupos acetilo. El GS de los almidones doblemente modificados fue similar, lo que indica que la acetilación se produjo al mismo nivel independientemente del nivel de oxidación del almidón sometido a esta segunda modificación. Bello–Pérez et al. (2002) reportaron un GS de 0.04 para almidón acetilado de plátano macho y Betancur–Ancona et al. (1997) determinaron un GS de 0.057 a 0.091 para almidones de Canavalia ensiformis acetilados con diversos tratamientos. Los datos de GS del presente estudio son bajos (la FDA de EE.UU. acepta entre 0.01–0.2 para uso en alimentos) y son similares a los reportados por Betancur–Ancona et al. (1997), pero menores a los encontrados en almidón acetilado de maíz (0.11–0.17) (Liu et al, 1997).

Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier

En la región conocida como la huella dactilar, que comprende 400 a 1250 cm^–1 (Olsen, 1990), se observan tres picos característicos en los espectros entre 923 y 1162 cm^–1, los cuales se atribuyen al estiramiento del enlace C–O (Goheen y Wool, 1991). El pico localizado a 1467 cm^–1 es asignado a la flexión del grupo CH₂ y el pico amplio en 2926 cm^–1 es característico de los estiramientos C–H asociados con el anillo de glucopiranosa (Mano et al., 2003). La banda amplia desde 3000 a 3900 cm^–1 se debe al enlace de hidrógeno de los grupos hidroxilo que contribuyen a las vibraciones de los estiramientos asociados con el enlace libre inter e intramolecular del grupo hidroxilo, siendo una característica muy particular de la estructura del almidón (Fang et al., 2002).

A medida que se incrementó el nivel de oxidación en los almidones se observó un aumento en el ancho de la banda entre 3000 a 3900 cm^–1, indicando un aumento en la presencia de los grupos carboxilo y disminuyó la amplitud de esta banda cuando se realizó la acetilación (Figura 2). Guerra–Della Valle et al. (2008) reportaron una disminución de la amplitud de esta banda (3000–3900 cm^–1) al modificar por acetilación al almidón nativo de plátano, debido a que aumentó la amplitud de la banda a 1740 cm^–1producto de las vibraciones del grupo carbonilo presente en el almidón acetilado (Xu et al., 2004; Xu y Hanna, 2005).

Calorimetría diferencial de barrido

En general, la oxidación incrementó las temperaturas: T_i (temperatura de inicio), T_p (temperatura de pico) y T_f (temperatura final) de la transición de fase conocida como gelatinización (Cuadro 4). El efecto fue mayor cuando aumentó el nivel de oxidación, aunque el AN y la muestra oxidada con 0.5 % de cloro activo no fueron diferentes (p>0.05). Esto se debe a que cuando aumentó la concentración de cloro activo se aumentó también el porcentaje de grupos carboxilo (Cuadro 3 y Figura 2) introducidos en la molécula de almidón, los cuales estabilizaron la estructura y, por tanto, se requirió más temperatura para la gelatinización (Sánchez–Rivera et al., 2005). La segunda modificación no tuvo efecto en las temperaturas de gelatinización porque se encontraron valores similares en los almidones doblemente modificados y su contraparte oxidada.

La entalpía de gelatinización (ΔH) disminuyó en las muestras oxidadas con los más altos niveles de cloro activo (1.0 y 1.5 %) comparada con el AN y la oxidada con 0.5 % de cloro activo, ya que estas dos últimas muestras no fueron diferentes (p>0.05). Esto se debe probablemente a una despolimerización del almidón durante la oxidación, como se observó en los estudios estructurales de almidón oxidado de cebada (Chávez–Murillo et al., 2008). El mismo comportamiento mostrado en las temperaturas de gelatinización se presentó en la entalpía para los almidones doblemente modificados.

Chavan et al. (1999) y Adebowale et al. (2006) afirman que la gelatinización involucra el desdoblamiento y la fusión de las cadenas externas de amilopectina que están empacadas junto con las dobles hélices en racimos, mientras que el cambio de entalpía (ΔH) se debe principalmente al desdoblamiento de las dobles hélices más que a la destrucción de la cristalinidad.

Perfil amilográfico

La oxidación provocó un incremento en la viscosidad de pico de la pasta de almidón comparada con su contraparte nativa (Figura 3). La introducción de los grupos carbonilos y carboxilos produce más interacción con las moléculas de agua lo cual aumenta la viscosidad. La segunda modificación produjo un mayor incremento en la viscosidad de pico, pero la temperatura de formación de la pasta fue menor, mostrándose la formación de un gel durante el enfriamiento. El comportamiento mostrado en el almidón doblemente modificado está relacionado con la despolimerización producida por la oxidación y la estabilización provocada por la acetilación. Así, la estructura formada puede interaccionar con mayor cantidad de agua, causando el aumento en la viscosidad de pico. Además, una mayor cantidad de cadenas lineales que se reorganizan durante el enfriamiento producen una malla más estructurada que da la característica de un gel más fuerte (Kuakpetoon y Wang, 2001).

 

CONCLUSIONES

La modificación por oxidación y la doble modificación redujeron el contenido de proteínas, lípidos, cenizas y almidón total. Mediante la técnica de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier se verificó la presencia de los grupos funcionales carbonilo, carboxilo y acetilo. El factor de luminosidad aumentó al elevar el nivel de oxidación, sin que la modificación por acetilación afectara significativamente esta variable. Las variables térmicas y el perfil amilográfico indicaron un cambio estructural en los almidones modificados. Con la doble modificación química fue posible mejorar las propiedades físicas y químicas del almidón nativo de plátano.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo económico de COFAA–IPN y EDI–IPN. Paul Baruk Zamudio Flores agradece la beca de doctorado del CONACYT, la beca institucional del IPN y PIFI–COFAA.

 

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