INFORME PARCIAL I. Generalidades Proyecto SIP 20080358: “Caracterización fisicoquímica y estructural de

almidón de plátano acetilado con diferente grado de sustitución”.

Director: M. en C. Mirna María Sánchez Rivera

Objetivo: Evaluar las propiedades fisicoquímicas y estructurales del almidón

de plátano acetilado con diferente grado de sustitución.

II. Descripción de las actividades realizadas: Meta 1. Aislamiento de almidón nativo de plátano “macho” (Musa

paradisiaca L.) 1.1 Metodología

Se compraron frutos (50 Kg) en estado verde-inmaduro de plátano (Musa

paradisiaca L.), en la Central de Abastos de Cuautla, Morelos. Se procedió a

aislar el almidón nativo aplicando un procedimiento a nivel de planta piloto

(Flores-Gorosquieta, 2003). A los frutos se les eliminó la cáscara, se cortaron

en trozos de 5 a 6 cm3, inmediatamente se sumergieron en una solución de

ácido cítrico (3 g/L) y luego se maceraron en una licuadora tipo industrial marca

Inter, Modelo L1-3 (12 L), a una velocidad baja (0.6 Kg de fruto por litro de

solución) durante dos minutos. El homogenizado se cribó consecutivamente en

mallas (40, 100 y 200 E. U.) hasta que el agua de lavado (destilada) fuera

clara; posteriormente se centrifugó utilizando un equipo continuo Wesfalia

Separator (Veronessi, modelo SAT 130 (BSGAR 1500, Verona, Italia) a 10,750

rpm. Los sedimentos de las mallas 100 y 200 U.S. fueron molidos, cribados, y

centrifugados una segunda vez. Los procesos de cribado y centrifugación se

realizaron tres veces. Los sedimentos de almidón se pasaron a un secador por

aspersión (Niro Atomizer, Model P-6.3, Copenhagen, Denmark) con una

temperatura de entrada de 130 a 150 °C, con una concentración de sólidos en

la línea de llenado de 30 a 40 % y una temperatura de salida de 70 a 80 °C; la

velocidad de flujo fue de 1 L/min (Flores-Gorosquera, et al., 2003). Finalmente,

el polvo obtenido se filtro en malla 100, y se almacenó a temperatura ambiente

(25 °C) en un frasco de vidrio, bien tapado.

1.3. Resultados Del procesamiento de 50 Kg de pencas de plátano verde, se obtuvieron en

promedio 24 Kg de cáscara y residuos de las pencas; un 26 % correspondió a

la pulpa en base húmeda. Al ser procesada y después de secar en el secador

por aspersión se obtuvieron aproximadamente 5 Kg de almidón nativo en polvo.

Meta 2. Preparación de almidones acetilados de plátano. Establecer las condiciones de reacción para obtener almidones acetilados con diferente grado de sustitución. 2.1 Metodología

Para la obtención de los almidones acetilados, se siguió la técnica

reportada por Biswas et al., 2008 con ligeras modificaciones. En un vaso de

teflón de 50 mL se mezclaron 4.86 gr (30 mM) de almidón nativo de plátano

(Musa paradisiaca L:), 12.25 g (120 mM). de anhídrido acético y 0.3 mM de

yodo (I2) como agente catalizador. Se deposito un magneto en el vaso de

teflón, se cerró herméticamente para dejar la mezcla de reacción en agitación

durante 5 min. El vaso de teflón se puso dentro de una bomba de

policarbonato de alta presión y se sello adecuadamente para después

introducirla en un horno de microondas (DAEWOO KOR-861G) para calentar a

una potencia de 600 W con un tiempo de reacción de dos minutos. La bomba

se dejo enfriar en una cámara de hielo durante 40 minutos; a la copa de teflón

con la mezcla de reacción acetilada se le adicionaron 4 mL de tiosulfato de

sodio dejando en agitación con un magneto (1 minuto) para remover los sólidos

y después verterlos en un matraz Erlenmeyer de 250 mL, donde se dejaron por

30 minutos en agitación con 100 mL de etanol potable del 96 º; la mezcla se

filtro al vacío utilizando filtros Whatman # 4, en seguida se adicionaron a los

sólidos retenidos, 200 mL de agua destilada, se filtró y posteriormente se

adicionaron 150 mL de etanol fy después 200 mL de agua destilada. Los

sólidos se desprendieron con cuidado del filtro y se depositaron en una caja

petri para llevarlos a secar en una estufa a 40 ºC durante 24 horas. Los

residuos secos se molieron en un mortero y se hicieron pasar por tamices con

tamaño del número 100.

Bajo las misma condiciones, se prepararon almidones acetilados

aplicando concentraciones del catalizador de 0.6, 0.9 y 1.4 mM. También se

obtuvieron almidones acetilados de maíz comercial aplicando el mismo

procedimiento para fines de comparación. Todos los experimentos se

realizaron por triplicado.

2.2 Análisis Dentro de la esterificación, un método eficaz para mejorar las propiedades

del almidón, se encuentra la acetilación que introduce grupos acetilos a las

unidades anhidroglucosa impartiendo propiedades funcionales diferentes a las

del nativo en aplicaciones alimenticias. Las técnicas tradicionales de acetilación

resultan ineficientes (-70%) debido a que el anhídrido reacciona con el agua,

así como a la gran cantidad de hidróxido de sodio que es necesario para

mantener el pH (8-9) durante la reacción. Se ha comprobado que el

calentamiento en microondas acelera la esterificación de los almidones, lo cual

es atribuido a la velocidad con la cual la mezcla se calienta, además las

temperaturas altas son fácilmente obtenibles en recipientes presurizados; por

otro lado la presencia de catalizadores como el yodo (I2) el cual absorben la

radiación de microondas acelera el calentamiento en microondas (Biswas et al.,

2008). Por lo anterior, el método de acetilación en microondas es considerado

como mas rápido, uniforme e incrementa la velocidad de la reacción, a

diferencia de los métodos tradicionales que emplean horas de reacción (6

horas) y con eficiencias de reacción bajas. Biswas et al., 2008, desarrollaron el

calentamiento en microondas para la acetilación del almidón, con este nuevo

método se prepara almidón acetato en un ambiente mas económico y

amigable, se minimiza el consumo de energía, de solventes, toxicidad y

cantidad de catalizador necesario, así mismo, la eficiencia de la reacción se

incrementa se reduce la producción de bioproductos como el acetato de sodio,

que en grandes cantidades se ha reportado que reduce la eficiencia de la

reacción de la acetilación hasta en un 45 %. 2.3 Resultados Se obtuvieron cuatro almidones acetilados de plátano y cuatro de maíz

comercial utilizando anhídrido acético y yodo como catalizador, la reacción de

acetilación se realizo en copas de teflón con sello hermético y dentro de una

bomba de policarbonato. El calentamiento se realizo dentro de un horno de

microondas a una potencia de 600 W (equivalentes a aproximadamente 100

ºC, Biswas et al., 2008) en tiempos de reacción de 2 minutos.

Meta 3. Determinar el grado de sustitución por FT-IR de los almidones acetilados. 3.1 Metodología

Se utilizo la Espectroscopia de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FT-

IR) para obtener los espectrogramas de los almidones nativos y acetilados de

plátano y maíz. Se utilizó el método de Pushpamalar et al., 2006, haciendo una

mezcla de 0.002 g de almidón y 0.2 g de bromuro de potasio (KBr), ambos se

molieron en un mortero hasta obtener partículas finas y homogéneas, para

después por prensado formar una pastilla. Esta pastilla se analizó en un equipo

de FT-IR marca MIDAC, modelo PR5 Prospect serie 269 y se aplicaron 16

escaneos en la región de 400 a 4000 cm-1.

3.2 Análisis

La detección de los cambios estructurales de los almidones sometidos a

modificación química es una necesidad industrial importante para determinar la

calidad de los derivados de almidones (Yadav et al., 2007). La espectroscopia

de IR, provee un método rápido y confiable para evaluar la magnitud de la

acetilación en los almidones (Singh, et al., 2004). Las diferentes bandas de IR

obtenidas corresponden a los espectros correspondientes de los modos

vibracionales de los polímeros de amilosa y amilopectina de los almidones

acetilados, los cuales son sensibles a los cambios en la estructura molecular

(conformación de la cadena, helicidad, cristalinidad procesos de

retrogradación) (Yadav et al., 2007).

Dentro del espectro, una banda muy amplia entre 3000-3671 cm-1

correspondió a los complejos vibracionales de los grupos hidroxilo (O-H) libres,

inter e intramoleculares relacionada con la estructura mayoritaria del almidón;

esta banda tiende a disminuir en su intensidad después de la reacción de

acetilación conforme el número de hidrógenos disminuye (Yadav et al., 2007);

por otra parte la banda de 2900-3000 cm-1 fue característica de los C-H

asociados con los átomos de los anillos de hidrogeno (Yadav et al., 2007) y el

modo de vibración del esqueleto de los enlaces glucosídicos conocido como la

región de huella dactilar entre 933.37-995 cm-1, otros autores la han reportado

entre 1083-1030 cm-1 cuya banda esta asociada con los estiramientos de los C-

O y también disminuye en intensidad relacionado con los estiramientos de los

C-H (Yadav et al., 2007); todos estos modos de vibración fueron claramente

vistos principalmente en las muestras modificadas a 1.4 mM de yodo (Tabla 1).

De las bandas referidas en los espectros de IR se provee evidencia de

que hubo cambio estructural en los almidones por el método de acetilación

aplicado, debido principalmente a la presencia de una banda de absorción del

grupo carbonil ester (C=O) de los grupos acetilos introducidos a 1720 cm-1

(Yaday et al., 2007).

Conforme la concentración de I2 se incremento esta banda aumento su

intensidad tanto en los almidones acetilados de plátano como de maíz. Este

incremento en la intensidad de esta banda se relaciona con un aumento en el

grado de sustitución de grupos acetilo (CH3-C=O); se ha reportado que al

modificarse la estructura del almidón el peso molecular de los gránulos

disminuye (Chi et al., 2008). En los espectros de FT-IR de los almidones

nativos de plátano y maíz se presentaron también diversas absorbancias a

1072.22 a 1427 cm-1 relacionadas con las uniones de los grupos C-O (Goheen

y Wool., 1991), otras bandas de absorción características aparecieron entre

717.38-987 cm-1 debido a las vibraciones de los anillos completos de la

anhidroglucosa (Chi et al., 2008). Los almidones nativos también mostraron

una banda a 1627 cm-1 cuya intensidad disminuyo en las muestras

modificadas, indicativo de cambios en la cristalinidad. Tal variación podría

también ser atribuida al agua absorbida en la región amorfa de los gránulos de

almidón (Yadav et al., 2007).

3.3 Resultados parciales Las bandas de absorción de IR presentaron diferentes intensidades en

función de la concentración del catalizador empleado.

Comparando los espectros de FT-IR de los almidones nativos y acetilados

se confirmo la introducción de grupos CH3-C=O en los almidones acetilados en

horno de microondas tanto en los almidones de plátano como de maíz al

encontrar intensidades relativas a 1720 cm-1 relacionadas con los grupos

carbonilo (C=O) y de los estiramientos de los grupos CH2 a 2900-2915 cm-1

(Tabla 1) En la figura 1a y 1b se presentan los perfiles de FT-IR de los

almidones de plátano y maíz, nativo y acetilados con la concentración más alta

de catalizador (1.4 mM) (Figura 1). Se considera que la introducción de grupos

acetilos durante el calentamiento en el horno de microondas, el I2 contribuyó al

hinchamiento del almidón y rompió puentes de hidrógeno de los constituyentes

del almidón, permitiendo que los grupos OH quedaran más expuestos y libres

para reaccionar (Shogren, 2003) con el anhídrido acético.

El aumento en el contenido de grupos acetilos, conforme se incrementó

la concentración de I2 fue demostrado en los espectros de IR de los almidones

acetilados de plátano y maíz (Figura 1a y 1b). Conforme se incrementó el I2, la

absorción aumento proporcionalmente en las regiones asociadas con los

esteres (C=O) a 1720 cm-1 y en las regiones asociadas con los metilos de los

grupos acetilos a 1627 cm-1 (Biswas, et al., 2008). Una evidente disminución se

observó en las regiones de los OH y las regiones de los CO a 1141 y 1072 cm-1

(Tabla 1) (Biswas, et al., 2008)

Parámetros como el tiempo y temperatura de reacción, la relación de

almidón y anhídrido acético así como la cantidad de yodo son parámetros

importantes a considerar en una reacción en horno de microondas utilizando

anhídrido acético y un catalizador como yodo (Biswas et al., 2008).

Estudios previos realizados por Shogren y Biswas en el 2006, utilizando

un reactor de microondas típicos, en el cual se midió la temperatura con un

termocople insertado directamente en el reactor, se encontró que 600 W de

potencia correspondieron a 100 ºC, manteniéndose esta temperatura por mas

de tres horas. Posteriormente Biswas et al., (2008), realizando estudios con

almidón de maíz acetilado en horno de microondas (600 W/2 minutos),

encontraron que la relación anhídrido acético y almidón fue importante para

acetilar el almidón; sin embargo, la cantidad de yodo fue el factor mas

importante para llevarse a cabo la reacción. Sin la presencia de este

catalizador, la reacción de acetilación difícilmente procedió bajos las

condiciones de reacción antes mencionadas, relacionado con bajos grados de

sustitución (GS 0.03). Se ha reportado que los almidones acetatos con bajo GS

tienen aplicaciones en la industria de alimentos (Shogren, 2003).

Con estos resultados se concluye que el tratamiento de calentamiento en

horno de microondas (600 W/ 2 minutos) y el catalizador (I2) incluido en la

reacción, permitió acelerar la reacción de acetilación en menor tiempo a los

tiempos tradicionales, obteniendo bandas de absorción a 1720 cm-1 en FT-IR,

indicativo de la introducción de grupos acetilo (Figuras 1a y 1b). Debido a que

el I2 absorbe la radiación de microondas, se asume que cualquier reacción que

contenga I2 podría ser grandemente acelerada por el calentamiento en

microondas (Biswas et al., 2008).

a)

0

20

40

60

80

100

120

40080012001600200024002800320036004000

Tran

smita

ncia

(%)

1.4 mM 0.9 mM

Nativo

0.6 mM

0.3 mM

b)

0

10

20

30

40

50

60

400900140019002400290034003900

Tran

smita

ncia

(%)

0.3 mM 0.6 mM 1.4 mM

Nativo

0.9 mM

Figura 1. FTIR de almidones de maíz (a) y plátano (b) de los nativos y

acetilados a diferentes concentraciones de I2 (0.3, 0.6, 0.9 y 1.4 mM).

Tabla. 1. Bandas de absorción de FT-IR registradas en los almidones de plátano y maíz, nativos y acetilados con 1.4 mM de catalizador.

Grupo funcional

Nativo Maìz

Acetilado Maíz

Nativo-Plátano

Acetilado Plátano

OH, CH 3687-

3000

3687-3000 3702-3023 3671-3008

CH2 2908 2915 2900 2908

C=O 1720 1720

CH3 1627 1627 1627 1627

CH3 1450 1427

C-O-H 1427

1241

1141

1103

111.87

1411

1234.21

1133.93,

1072.22

Anillos-

glucopiranosa

979

933.37

879.38

802.24

717.38

948.80

995

871

802,

732.81

987

887.95

732.8

995

941.09

871.66

794.52

755.95

725.10

Meta 4. Obtener los perfiles amilográficos de los almidones nativos y acetilados. 4.1 Metodología Las propiedades de formación de las pastas fueron analizadas usando un

analizador rápido de la viscosidad (ARV) (RVA-4, Newport Scientific, sydney,

Australia) (Jane et al., 1999). Se preparó una suspensión de almidón (8 % p/p),

pesando 2.24 g de almidón en un bote de ARV y se agregó agua destilada

hasta un peso final de 28 g. La suspensión de almidón fue equilibrada a 30 ºC

por 1 min y calentada a una velocidad de 6.0 ºC / min hasta 95 ºC,

posteriormente se mantuvo a esa temperatura por 5.5 min y se enrío hasta 50

ºC a una velocidad de 6 ºC / min. Se utilizó una velocidad de rotación de pala

de 160 rpm durante todo el análisis. La prueba fue realizada por triplicado.

4.2 Análisis

La microviscoamilografía es uno de los métodos más utilizados para medir

los cambios de viscosidad a través de un proceso de calentamiento-cocción-

enfriamiento, evaluando comparativamente y caracterizando la viscosidad de

las pastas, durante el proceso, utilizando un sistema de almidón:agua (Bowers,

1992; Rasper, 1956; Thomas y Atwell, 1999). La disminución en la viscosidad,

se atribuye al rompimiento parcial de los enlaces glucosídicos que resulta en

una disminución del peso molecular de las moléculas del almidón (Kuakpetoon

y Wang, 2001). Por lo que los cambios en la viscosidad, resultan

principalmente del hinchamiento de los gránulos y la solubilización. Los datos

más importantes del amilograma son A) la temperatura a la cual la viscosidad

comienza a ser perceptible (inicio de la gelatinización). B) La viscosidad

máxima alcanzada por la pasta (temperatura en la cual se alcanza la

viscosidad máxima). C) La viscosidad de la pasta antes y después del período

isotérmico a la temperatura máxima programada. D) La viscosidad de la pasta

antes y después del período isotérmico, a la temperatura final programada en

el ciclo de enfriamiento. E) La viscosidad de la pasta en la etapa de disociación

molecular (viscosidad máxima al inicio del período de enfriamiento). F) La

viscosidad de la pastas en la etapa de reasociación molecular (viscosidad al

inicio o término del período de enfriamiento) (Rasper, 1956; Robles, 1986).

El almidón gelatinizado forma una estructura de gel (gelificación) cuando

la amilosa es liberada de los gránulos al medio acuoso (McGrane et al., 2004).

Se ha postulado, que los puentes de hidrógeno tienen un papel crítico en la

gelatinización y gelificación, este último, dependiente de la formación

intermolecular de puentes de hidrógeno entre moléculas de almidón

adyacentes (primariamente amilosa), para formar una estructura de red

interconectada (McGrane et al., 2004). Este sistema permite entender todos los

cambios de viscosidad durante el llamado ciclo de la pasta o “pasting”.

Durante la fase de calentamiento (30-95 ºC), se presenta un aumento en

la viscosidad, la cual es registrada como el inicio del hinchamiento de los

gránulos. Al continuar el calentamiento, la viscosidad de la pasta es controlada

tanto por el hinchamiento de los gránulos, como por la solubilización de los

polímeros de bajo peso molecular, particularmente las moléculas de la amilosa

desde el gránulo, registrándose un pico de viscosidad máximo. Durante la

etapa de cocción (95 ºC), se deja estabilizar por algunos minutos,

presentándose disociación molecular, que se refiere a una continua

solubilización de los polímeros, la cual se incrementa conforme los gránulos se

rompen y la integridad estructural se pierde (Yuan et al., 1993). Paralelamente,

el debilitamiento de las fuerzas de unión dentro de los gránulos y su

rompimiento físico, ocasiona una disminución de la viscosidad. Durante la fase

de enfriamiento (95 a 40 ºC), los polímeros de amilosa solubilizados comienzan

a reasociarse, registrándose un ligero aumento en los valores de viscosidad.

Este segundo incremento en la viscosidad, es referido como la etapa de

gelificación (Thomas y Atwell, 1999). Los polímeros del almidón solubilizados y

los fragmentos insolubles granulares tienen una tendencia a reasociarse en

una estructura ordenada, después del calentamiento. Esta reasociación es

referida como retrogradación, un proceso de reorganización que involucra la

extensión del proceso de gelificación de la amilosa solubilizada durante la

gelatinización y la recristalización de la amilopectina en los gránulos

gelatinizados (Fredricksson et al., 1998). Las cadenas lineales de amilosa

tienen mayor tendencia a reasociarse a través de puentes de hidrógeno que la

amilopectina (Bowers et al., 1992).

4.3 Resultados parciales Se ha reportado para almidones acetilados con anhídrido acético y sin la

presencia de un catalizador en el medio de reacción, incremento en la

viscosidad de pico (VP) que sus correspondientes nativos, atribuido al aumento

en el poder de hinchamiento y la solubilidad (Sodhi y Singh, 2005) así como al

debilitamiento de las fuerzas de asociación de las regiones amorfas de los

gránulos (Sodhi y Singh, 2005). Por lo que en este estudio, la disminución en la

viscosidad con respecto al nativo, es atribuido al efecto hidrolizante que posee

el yodo como catalizador así como al calentamiento en horno de microondas

en recipientes presurizados (Biswas et al., 2008).

La viscosidad de las pastas diluidas en la etapa de cocción (95 ºC) es

principalmente gobernada por las características de hinchamiento durante el

calentamiento de los almidones así como de la magnitud de lixiviación de los

carbohidratos solubles (principalmente amilosa) cuando los gránulos de

almidón llegan hasta su máximo hinchamiento y llegan a romperse (Sodhi y

Singh, 2005). En los almidones de maíz con la concentración más alta del

catalizador (1.4 mM) la viscosidad disminuyó de manera importante (Figura 3)

la disminución en la viscosidad en estos almidones podría estar relacionada

con una erosión mas marcada de la región amorfa de los gránulos por efecto

de las moléculas de yodo en el medio de reacción a diferencia de los almidones

de plátano (Figura 2), lo que pudo resultar en un mayor debilitamiento de los

gránulos de almidón. Por lo que los gránulos debilitados son mas propensos a

ser deformados durante la agitación y el calentamiento, reduciéndose de esta

manera la viscosidad (Sodhi y Singh, 2005).

Además, la acción de los grupos CH3-C=O introducidos en el almidón,

produjeron mayor debilitamiento de las fuerzas de unión entre las cadenas de

los almidones acetilados con catalizador, por lo que una cantidad mayor de

gránulos débiles podrían someterse a rompimiento por las fuerzas de agitación

y disminuir la viscosidad (Sodhi y Singh, 2005). En los métodos tradicionales

de acetilación, se ha observado incremento de la viscosidad en la etapa de

enfriamiento debido a que la acetilación produce mayor número de segmentos

lineales (mayor contenido de amilosa total), y mayor lixiviación de amilosa por

lo que la viscosidad de la pasta fría (Sodhi y Singh, 2005). Este incremento en

la etapa de enfriamiento también esta relacionado con la reasociación dentro

de un cierto nivel de orden de las cadenas de amilosa fenómeno conocido

como retrogradación (Sodhi y Singh, 2005). Además los grupos CH3-C=O

introducidos podrían promover la creación de zonas de unión entre las

moléculas de amilosa, lo que podría facilitar el realineamiento o asociación de

amilosas en la pasta fría de almidón dependiendo de las características

moleculares de este polímero (Sodhi y Singh, 2005). Por lo que la viscosidad

de la pasta fría es grandemente determinada por la tendencia de

retrogradación de la amilosa lixiviada durante el enfriamiento (Sodhi y Singh,

2005). Sin embargo, el método de acetilación por microondas y un catalizador,

en este trabajo produjo perfiles de viscosidad que en todas las concentraciones

de yodo empleadas, la viscosidad de las pastas fueron reducidas en tres

etapas evaluadas (calentamiento-cocción-enfriamiento). Los perfiles de

viscosidad (cP) de las pastas obtenidos de los almidones nativos y acetilados

de plátano y maíz se presentan en las figuras 2 y 3 respectivamente. Por lo

tanto los almidones nativos en ambos casos presentaron los perfiles de

viscosidad más altos durante todo el tiempo de calentamiento-cocción-

enfriamiento. Para los almidones nativos los picos de viscosidad fueron

observados en el intervalo de 1280 cP para los de plátano y 1536 cP para los

de maíz, los valores más bajos fueron para los almidones acetilados de ambas

fuentes (Tabla 2 y 3). A las concentraciones de 0.3, 0.6, 0.9 y 1.4 mM, los picos

de viscosidad máxima (Vp) de los almidones acetilados de plátano presentaron

valores de viscosidad de 772, 852 y 903 cP (Tabla 2), mientras que con 1.4 mM

la Vp máximo fue de 352 cP (Tabla 2). Por otra parte, los almidones acetilados

de maíz presentaron una disminución más marcada de la Vp al incrementarse

la concentración del catalizador de 248 a 46 cP (Tabla 3). En todos los

almidones acetilados de maíz se observó un Vp máximo característico, que no

fue observado en los almidones acetilados de plátano. Después del periodo

isotérmico en la etapa de cocción la viscosidad del almidón nativo disminuyó a

1174 cP, mientras que los acetilados presentaron incrementos en la viscosidad

sin embargo, los almidones nativos y acetilados de maíz presentaron una

importante disminución al llegar a la etapa de enfriamiento (50 ºC).

Por lo que en este estudio, se comprobó que la acetilación con catalizador

provocó reducción del pico de viscosidad (PV) en todos los almidones

modificados de plátano y maíz; sin embargo, los almidones de maíz

presentaron una viscosidad de inicio más temprana que los almidones de

plátano. Las diferencias entre el inicio del PV, es indicativo de que tan rápido o

más rápido es llevado a cabo el hinchamiento de los gránulos del almidón por

efecto del tratamiento de acetilación (Sodhi y Singh, 2005). Por otra parte, la

introducción de grupos CH3-C=O en los almidones particularmente en las

concentraciones más altas de catalizador, se considera que contribuyeron a la

reducción de la VP de sus correspondientes almidones nativos, esto

relacionado con un mayor grado de sustitución como se interpretó en los

perfiles de FT-IR (Figura 1a y 1b).

Tabla 2. Viscosidad (cP) de los almidones nativos y acetilados de plátano a diferentes concentraciones de yodo (mM).

Muestra

Calentamiento

25-95 ºC

(cP)

Cocción

95 ºC

(cP)

Enfriamiento

95-50 ºC

(cP)

Nativo 1280 1174 1907

0.3 mm 772 833 1119

0.6 mm 852 907 1198

0.9 mm 903 916 1308

1.4 mm 352 408 520

Tabla 3. Viscosidad (cP) de los almidones nativos y acetilados de maíz a diferentes concentraciones de yodo (mM).

Muestra

Calentamiento

25-95 ºC

(cP)

Cocción

95 ºC

(cP)

Enfriamiento

95-50 ºC

(cP)

Nativo 1536 572 1157

0.3 mm 298 157 281

0.6 mm 148 76 288

0.9 mm 108 55 190

1.4 mm 46 54 104

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Tiempo (min)

Vis

cosi

dad

(cp)

0

20

40

60

80

100

Tem

pera

tura

(ºC

)

Nativo 0.9 mM 0.6 mM 0.3 mM

1.4 mM

Figura 2. Perfiles amilográficos de almidones nativo y acetilados de plátano.

-100

200

500

800

1100

1400

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Temperatura (s)

Visc

osid

ad (c

p)

0

20

40

60

80

100

Tem

pera

tura

(ºC)

Nativo

0.6 mM

0.9 mM

1.4 mM

0.3 mM

Figura 3. Perfiles amilográficos de almidones nativo y acetilados de maíz.

Meta 5. Determinar las propiedades térmicas de gelatinización de los almidones acetilados. 5.1 Metodología

Las propiedades térmicas de gelatinización como la temperatura máxima

o de pico (Tp) y entalpía (ΔH) de los almidones acetilados y del nativo, se

evaluaron en un Calorímetro Diferencial de Barrido (DSC, TA Instruments,

modelo 2010, New Castle, USA) previamente calibrado con indio (In), siguiendo

el método propuesto por Paredes-López y col. (1994). Se pesaron 2 mg de

muestra (base seca) directamente en charolas de aluminio y se adicionaron 7

μL de agua desionizada dejando reposar las charolas de aluminio

herméticamente selladas por 1 h antes de realizar el análisis. Como referencia,

se utilizó una charola de aluminio vacía herméticamente sellada. Las muestras

se sometieron a un programa de calentamiento en un intervalo de temperatura

de 10 a 120 °C, con incrementos de 10 °C/min. La temperatura de pico ó de

gelatinización (Tp), así como la entalpía de transición (ΔH), se obtuvieron

directamente a partir del análisis de los termogramas utilizando el Software TA

Instruments OS/2 versión 2.1.

Para determinar las propiedades de retrogradación, las muestras después

de gelatinizadas se almacenaron durante 7 y 14 días a 4 ºC; al término de

estos tiempos de almacenamiento, las muestras se estabilizaron a temperatura

ambiente durante 1 h y posteriormente fueron corridas en el DSC bajo las

mismas condiciones de calentamiento aplicadas para la gelatinización.

5.2 Análisis

Si los gránulos en presencia de agua en cantidad suficiente, son

calentados hasta una determinada temperatura, se produce un desorden

molecular dentro de los mismos, fenómeno conocido como gelatinización y la

temperatura a la cual ocurre como temperatura de gelatinización. El proceso es

manifestado por la pérdida de una estructura organizada que incluye cambios

irreversibles en las propiedades de hinchamiento del gránulo, pérdida de la

birrefringencia y solubilización del almidón (Choi y Kerr, 2004; Thomas y Atwell

1999). Durante la gelatinización, el movimiento de las zonas amorfas,

desestabiliza la estructura cristalina; el almidón continúa expandiéndose hasta

alcanzar la temperatura de fusión y conforme se realiza la absorción de agua,

se produce lixiviación de los constituyentes del almidón, principalmente de la

amilosa, hacia el medio de dispersión (Bowers, 1992; Choi y Kerr, 2004). Se ha

observado que la relación amilosa/amilopectina afecta las propiedades

térmicas de los almidones. La gelatinización es un proceso endotérmico

(absorbe calor) (Choi y Kerr, 2004). Este requerimiento de calor es llamado

entalpía y es registrado en términos de cal/g o J/g; la gelatinización del almidón

se da en el intervalo de 10 a 20 J/g (Bowers, 1992). Un método ampliamente

usado para medir la gelatinización y la entalpía, es la Calorimetría Diferencial

de Barrido (CDB) que detecta los cambios en el flujo de calor asociados con

transiciones térmicas de primer orden (fusión) y de segundo orden (transición

vítrea, Tg) (Bowers, 1992).

Para ello, una muestra de almidón y una referencia se someten a un

programa de calentamiento-enfriamiento, registrándose una endoterma (pico)

que relaciona el flujo calórico como una función de la temperatura; es decir, la

energía absorbida dentro de una sustancia y un material de referencia están

sujetos a un programa de temperatura controlada (McKenzie, 1970). El pico

endotérmico entre 60 y 80 °C es designado como Tmax (temperatura a la cual

el requerimiento de calor del almidón es máximo). El área dentro de la curva,

es la medida de la diferencia de entalpía (ΔH), es decir, el calor total necesario

(Bowers, 1992).

Esta técnica se ha vuelto muy popular en el área de alimentos, ya que

proporciona datos termodinámicos y cinéticos acerca de las interacciones

macromoleculares y de los mecanismos de desnaturalización de los principales

componentes del sistema alimenticio (Raemy y Lambelet, 1991).

5.3 Resultados parciales Gelatinización

El efecto de diferentes concentraciones de I2 como catalizador sobre las

propiedades térmicas de almidones acetilados con anhídrido acético de plátano

y maíz se muestra en las tablas 4 y 5. Los almidones acetilados presentaron

los valores más bajos en la temperatura inicial (Ti), temperatura de pico (Tp),

temperatura final (Tf) así como en la entalpía de fusión (ΔHgel). Sin embargo,

las propiedades térmicas de los almidones modificados de maíz presentaron

una disminución mayor que los acetilados de plátano, obteniendo hasta seis

unidades de diferencia en la Tp y ∆Hgel con la concentración mas baja de I2

(0.3 mM) con respecto al no modificado. Las diferencias pueden atribuirse a un

mayor grado del orden molecular de los gránulos de platano que los de maíz.

Por lo que la amilopectina juega un papel importante en la cristalinidad de los

gránulos de almidón, así también la presencia de una determinada cantidad de

amilosa baja el punto de fusion de la región cristalina, así como la energía para

el inicio de la gelatinización (Sodhi y Singh, 2005). La disminución en la ΔHgel

de los almidones de maíz, también puede ser atribuido a la presencia de

grupos sustituyentes hidrofilitos e incremento en los puentes de hidrógeno en

las moléculas de almidón; sugiriendo que la introducción de grupos acetilo

dentro de las cadenas poliméricas resulto en una desestabilización de la

estructura granular, causando incremento en el hinchamiento y disminución en

la temperatura de gelatinización (Sodhi y Singh, 2005).

En almidones acetilados de maíz y papa bajo concentraciones similares

de anhídrido acético y sin el uso de catalizador, se observo que la acetilación

disminuyo las temperaturas de transición tanto de pico (Tp) como la inicial (To)

así como la ΔHgel (Singh et al., 2004). En este estudio realizado, el almidón

acetilado de maíz mostró mayor temperatura de transición y menor entalpía

ΔHgel que el almidón de papa (Singh et al., 2004), atribuido a una mayor

rigidez de la estructura granular de maíz y a la presencia de lípidos en los de

papa. La disminución en las propiedades térmicas por efecto de la acetilación

es atribuida a la presencia de grupos de sustitución hidrofílica y al incremento

en las fuerzas de unión en las moléculas del almidón, que favorece la

gelatinización a baja temperatura. Eliasson et al., (1988), también reportaron

que la acetilación de almidones de maíz altos en amilosa causo disminución en

la temperatura de gelatinzación de 74.6 a 72.1 ºC. Se ha encontrado que la

introducción de grupos acetilo dentro de las cadenas poliméricas de los

gránulos de almidón, desestabilizan la estructura granular, provocando

incremento en el hinchamiento y disminución en la temperatura de

gelatinzación (Singh et al., 2004).

Entre la concentración de catalizador más baja (0.3 mm) y la más alta

(1.4 mM) no se encontraron diferencias estadísticas en la Tp de los almidones

de plátano pero sí en los de maíz. Así mismo se encontraron diferencias

significativas en la ΔH de ambos almidones acetilados. Con respecto a los

almidones nativos de plátano y maíz con la concentración más baja de I2, las

diferencias estadísticas en todas las propiedades térmicas fueron mayormente

apreciables (Tablas 4 y 5) que en los acetilados de plátano. Además el

incremento en la concentración del catalizador, se observó mayor disminución

en las propiedades térmicas tanto para maíz como plátano. Es importante

mencionar que diferencias en la estructura molecular de los gránulos de

almidón de diferentes fuentes contribuyen en las diferencias encontradas en

cuanto a las propiedades térmicas encontradas en almidones acetilados así

como a la cantidad de amilosa u otros componentes como lípidos presentes en

el almidón (Singh et al., 2004). Los resultados obtenidos en este trabajo son

consistentes con los estudios previos reportados, donde se ha reportado que la

acetilación disminuye la temperatura de gelatinización y la entalpía de los

almidones nativos (Gunaratne et al., 2007). Esto también por efecto de los

grupos acetilos introducidos que inhiben las asociaciones entre las cadenas de

los componentes del almidón promoviendo la hidratación granular. Por lo tanto

los gránulos hidratados requieren de menor energía para alcanzar la

gelatinización (Gunaratne et al., 2007).

Tabla 4. Propiedades térmicas de gelatinización de almidones nativo y acetilados de plátano.

MUESTRA Ti (ºC) Tp (ºC) Tf (ºC) ∆H (J/g)

Nativo 71.38±1.0 77.04±0.3 85.55±0.6 10.94±0.4

Acetilado 0.3 mm de I2 68.32±0.6 74.45±0.4 84.65±0.8 9.57±0.4

Acetilado 1.4 mm de I2 67.52±0.4 73.67±0.5 83.48±0.6 7.52±0.3

Tabla 5. Propiedades térmicas de gelatinización de almidones nativo de maíz.

MUESTRA Ti (ºC) Tp (ºC) Tf (ºC) ∆H (J/g)

Nativo 65.02±0.1 70.03±0.1 76.28±0.3 9.16±0.1

Acetilado 0.3 mm de I2 57.88±0.1 64.33±0.2 73.41±0.1 3.93±0.3

Acetilado 1.4 mm de I2 52.93±0.1 60.91±0.3 71.01±0.2 1.54±0.3

6. Conclusiones: 6.1 Sumario de los principales resultados técnicos 1. Se obtuvieron cuatro almidones acetatos de plátano y cuatro de maíz,

obtenidos mediante calentamiento en horno de microondas con anhídrido

acético y yodo como catalizador.

2. Se confirmó por FT-IR modificación en la estructura granular de los

almidones, al observar una banda de diferentes intensidades en la región de

1720 cm-1 relacionada con la introducción de grupos carbonilos (C=O) de los

grupos acetilos (CH3-C=O). Por lo que este método ha permitido disminuir los

tiempos de reacción de horas a minutos para obtener almidones acetilados de

plátano y de maíz.

3. El método de acetilación aplicado en este trabajo redujo la viscosidad de

todos los almidones acetilados a las diferentes concentraciones de yodo en

comparación con los nativos que presentaron los perfiles de viscosidad mas

altos en las tres etapas evaluadas (calentamiento-cocción-enfriamiento). Por lo

que estos almidones acetilados podrían se de uso en aplicaciones como

adhesivos y recubrimientos de papel y textil donde son requeridos almidones

de baja viscosidad. Se recomienda realizar mayores estudios de los almidones

acetilados para estudiar otras propiedades, como la capacidad de

hinchamiento, solubilidad y contenido de amilosa, para obtener una

caracterización más completa de estos almidones.

4. En cuanto a las propiedades térmicas de gelatinización evaluadas se

encontraron diferencias significativas en las temperaturas de gelatinización

como en la entalpía (J/g). Los almidones acetilados tanto de plátano como de

maíz presentaron menor temperatura de gelatinización (Tp) y entalpía (ΔH) que

las correspondientes contrapartes nativas.

6.2 Importancia en el contexto general del proyecto

El almidón, un polisacárido renovable, abundante en la naturaleza y de

bajo costo, tiene amplias aplicaciones en la industria de alimentos y no

alimentos, donde el maiz representa la fuente tradicional para la obtención de

este polisacárido, estimándose una producción a nivel mundial de 32.6 millones

de toneladas (Alexander, 1999). Sin embargo; se está dando atención gradual

a fuentes no convencionales como amaranto, yuca, papa, sorgo y frutos

inmaduros o en estado verde, en estos últimos, el almidón representa el

componente principal (mas del 70 % en peso seco).

Por otra parte, la diversidad de productos alimenticios y no-alimenticios

donde se requiere almidón, se necesita que este sea capaz de tolerar diversas

técnicas de procesamiento en las que se incluyen combinación de esfuerzos de

corte, calor, presión, incluyendo además condiciones de distribución,

almacenamiento y preparación final del producto. Es bien sabido que los

almidones nativos obtenidos de las diferentes fuentes vegetales presentan

diversas desventajas debido a su naturaleza como son baja solubilidad, por lo

que las películas que se obtienen son quebradizas, sensibles a altas

temperaturas, ácidos y pH extremos. Los almidones nativos también presentan

descomposición térmica, alta retrogradación y sinéresis, lo que ha limitando sus

aplicaciones industriales.

Es por ello, que se ha recurrido a métodos de modificación química, fisica

y enzimática o una combinación de ellas para modificar la estructura molecular

de los almidones para mejorar sus propiedades fisicoquímicas y funcionales.

De ahí que los almidones modificados o derivados de almidón, sean

ampliamente utilizados como ingredientes funcionales importantes debido a sus

propiedades funcionales mejoradas sobre los almidones no modificados.

La modificación química involucra reacciones asociadas con los grupos

hidroxilo (-OH) de los polímeros del almidón (Thomas y Atwell, 1999) y produce

cambios estructurales que se relacionan con la desorganización y/o rearreglo

molecular, degradación de los polímeros y oxidación o adición de grupos

químicos en los gránulos (Autio et al., 1992; Laurentin et al., 2002), lo que

conlleva al cambio de funcionalidad del almidón (Thomas y Atwell, 1999).

La modificación química está dirigida a modificar las características de cocción

y gelatinización, disminuir la retrogradación y tendencias de gelificación de la

amilosa, incrementar la capacidad de retención de agua a bajas temperaturas,

así como el carácter hidrofílico, impartir propiedades hidrofóbicas y/o introducir

sustituyentes químicos (Hebeish et al., 1989).

Dentro de la modificación química, la esterificación es un método eficaz

para mejorar las propiedades de los almidones (Elomaa et al., 2004; Chen, et

al., 2008)., dentro de esta se encuentra la acetilación técnica ampliamente

utilizada para la obtención de almidones acetatos en los cuales, la estructura

ha sido modificada por la introducción de grupos acetilo (CH3-C=O) en las

unidades de anhidroglucosa (UAG) , los cuales se ha reportado que imparten

propiedades mejoradas a los productos como son propiedades de

espesamiento en aplicaciones alimenticias (Singh, et al., 2004; Chen, et al.,

2008; Elomaa et al., 2004, Morton y Solarek, 1984). Los picos de viscosidad de

los almidones acetilados se ha reportado que son mas altos que los nativos,

también incrementa la claridad de las pastas, la estabilidad al congelamiento-

deshielo (Gunaratne y Corke, 2007) y son utilizados por su resistencia a la

retrogradación (Wurzburg, 1986; Sodhi y Singh, 2005; Singh et al., 2004), esta

propiedad es atribuida a la introducción de los grupos acetilos, los cuales interrumpen la estructura ordenada de la amilosa y amilopectina, reduciendo

las fuerzas de unión entre las moléculas e interfiriendo en la asociación y

reasociación entre las cadenas de los componentes en el almidón gelatinizado

(Liu et al., 1997; Morton y Solarek, 1984) con esto, la temperatura de

gelatinización disminuye, el poder de hinchamiento y la solubilidad de los

gránulos se incrementa, la estabilidad al almacenamiento se mejora y se

provee de mejorada estabilidad al congelamiento-deshielo (Sodhi y Singh,

2005; Elomaa et al., 2004). Los almidones acetilados son ampliamente usados

en una gran variedad de alimentos incluyendo alimentos congelados, para

bebe, aderezos para ensaladas, entre otros (Wuzburg, 1995; Sodhi y Singh,

2005).

Tradicionalmente, los almidones acetatos se preparan comercialmente a

temperatura ambiente, haciendo reaccionar los gránulos de almidón en una

suspensión acuosa con anhídrido acético en la presencia de agentes

catalizadores alcalinos como el hidróxido de sodio (Morton y Solarek, 1984;

Singh, et al., 2004; Elomaa et al. 2004) el cual neutraliza el ácido formado y

mantiene el pH de alrededor de 8; sin embargo, los tiempos de reacción son de

varias horas (1- 5 h) y las eficiencias de la reacción son bajas (alrededor de 70

% dependiendo del tipo de anhídrido y condiciones de reacción) (Shogren,

2003; Biswas et al. 2008). Los bioproductos de las reacciones son fácilmente

eliminados por filtración y lavados con agua. Existen factores que influyen en la

reacción de acetilación como son la fuente botánica de almidón, concentración

de reactante, tiempo y pH de reacción (Singh et al., 2004).

Debido a que la magnitud de las propiedades fisicoquímicas cambian y

es proporcional al grado de acetilación o grado de substitución incorporada

dentro de las moléculas de almidón (Phillips, et al., 1999; Sudhi y Singh, 2005). La mayoría de los esteres de almidón usados comercialmente como los

acetatos de almidón, alquenilsuccinatos y adipatos son de bajo GS (< 0.1)

(Biswas et al., 2008; Chen et al., 2008) y ampliamente utilizados con fines

alimenticios en pays de frutas, aderezos para ensaladas y rellenos de pasteles

(Elomaa et al., 2004), debido a sus propiedades de baja temperatura de

gelatinización, alto hinchamiento y solubilidad, buena cocción y estabilidad al

almacenamiento (Wang y Wang, 2001; Yadav et al., 2007). También son

aplicados como formadores de películas, uniones adhesivas, espesantes,

estabilizantes y texturizantes (Matti et al., 2004; Chen et al., 2008; Elomaa et

al., 2004).

Figura 4. Grupo acetilo introducido en una anhidroglucosa.

Para acelerar la reacción de acetilación y su eficiencia se han utilizado

catalizadores como el yodo (I2) y calentamiento en horno de microondas lo que

ha permitido reducir de manera importante los tiempos de reacción de 1-5

horas hasta 2 minutos (Shogren y Biswas, 2006). Recientemente se ha

demostrado el potencial de las reacciones asistidas con microondas en

materiales como almidón (Biswas et al., 2008). La reacción acelerada en

condiciones de microondas se atribuye a la velocidad con la cual la mezcla se

calienta, además de que las temperaturas altas son fácilmente obtenidas

debido a la utilización de recipientes presurizados. Además la presencia de

catalizadores como el yodo (I2) el cual es absorbe la radiación de microondas,

contribuye que la reacción sea grandemente acelerada (Biswas et al., 2008).

Por lo anterior, con calentamiento en microondas, la reacción de acetilación es

más rápida, uniforme y la velocidad de la reacción se incrementa (Shogren y

Biswas, 2006). Además de que es obtenida en un ambiente mas económico y

amigable, minimizando el consumo de energía, solventes, toxicidad, cantidad

de catalizador necesario, y con producción de bioproductos (acetato de sodio)

reducida, que en grandes cantidades reduce la eficiencia de la reacción hasta

un 45 %.

6.3 Acciones para concluir el proyecto

1. Vigilar que cada participante realice sus actividades comprometidas en

el protocolo.

2. Obtener recursos humanos que mediante servicios sociales, prácticas

profesionales, residencias o estancias de investigación contribuyan a la

realización de las actividades para alcanzar las metas establecidas.

3. Realizar en forma y tiempo cada una de las actividades comprometidas

en el protocolo.

4. Realizar la búsqueda de la información pertinente que ayude al

establecimiento de los experimentos.

5. Administrar adecuadamente los recursos financieros otorgados al

proyecto para la adquisición de los materiales necesarios para la

realización de las actividades comprometidas.

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