Cambios morfológicos y fisicoquímicos en almidón de yuca (Manihot esculenta) modificado por pirodextrinización e hidrólisis enzimática

Introducción

La fibra dietaria constituye un grupo heterogéneo de sustancias que tienen la propiedad de ser indigeribles en el intestino delgado y llegar al colón donde son parcialmente fermentadas (1). Dentro de estas sustancias destaca el almidón resistente (AR), también existe una fracción de almidón digerible llamada almidón de digestión lenta (ADL), que presenta efectos benéficos sobre el estado fisiológico tanto en humanos como en modelos animales (2,3). El AR, ejerce un valioso papel fundamental en la prevención y control de enfermedades crónicas, al mejorar la salud digestiva, el control glucémico, la sensibilidad a la insulina, los niveles de colesterol y favorecer la microbiota intestinal con lo cual se promueve la homeostasis intestinal, lo que impacta positivamente en la regulación metabólica e inflamatoria del organismo (4,5). Estudios previos demostraron que un almidón nativo (AN) con un porcentaje de AR del 75 al 85 %, disminuyó en ratas obesas la grasa corporal, la presión arterial, los niveles de glucosa y los lípidos séricos; y en un grupo de sujetos con obesidad mejoró la insulinoresistencia (IR) y disminuyó el promedio de glucemia de 48 h estimada por monitoreo continuo (6,7). Al ser el almidón uno de los biopolímeros naturales más abundantes y versátiles, se ha utilizado ampliamente en la industria alimentaria debido a su bajo costo, ser renovable, su alta biodegradabilidad y sus propiedades fisicoquímicas. Sin embargo, hay AN que no presenta resistencia a la digestión, lo que representan desventajas físico-químicas, como retrogradación, alta viscosidad, poca estabilidad térmica, entre otras características que limitan su uso tanto en la industria alimentaria y la no alimentaria (8,9). Para superar estas limitaciones, el AN puede someterse a procesos de modificaciones químicas, físicas y/o enzimáticas, permitiendo optimizar sus propiedades fisicoquímicas intrínsecas y sus características funcionales, con el fin de optimizar sus propiedades estructurales y funcionales para aplicaciones específicas, incluyendo su digestibilidad (10,11). Una estrategia de modificación al almidón es la pirodextrinización, que al controlar condiciones de calor y un catalizador ácido provoca reacciones de transglucosilación y despolimerización, resultado la formación de enlaces atípicos que reducen su digestibilidad y alteran su estructura molecular (12,13). La pirodextrinización permite producir fibras solubles con propiedades fisicoquímicas específicas, alta solubilidad, baja viscosidad y una estabilidad excepcional en condiciones ácidas y de alta temperatura (14). Las propiedades de los almidones varían significativamente entre diferentes fuentes y en variedades de una misma especie, lo que influye en su funcionalidad y beneficios para la salud (15). Entre las fuentes más relevantes se encuentran los tubérculos, debido a su amplia disponibilidad y facilidad de extracción, al respecto, la yuca (Manihot esculenta) representa una materia prima estratégica por su alto rendimiento de almidón y sus propiedades fisicoquímicas favorables para modificaciones tecnológicas (16). Este tubérculo es altamente utilizado para fines culinarios o industriales debido al rendimiento del almidón y sus propiedades funcionales y fisicoquímicas (11). Modificar almidón nativo de yuca mediante piroconversión e hidrólisis enzimática podría ser una estrategia efectiva para producir maltodextrinas enzimáticamente resistentes (MER) con enlaces menos susceptibles a la digestión, alto contenido de fibra soluble y potencial prebiótico (17,18), esto permitiría la mejora de solubilidad, colocando a la MER como un ingrediente prometedor para incrementar el contenido de AR en una amplia gama de alimentos, especialmente en bebidas, productos lácteos, cremas y sopas, pues las tendencias del mercado muestran un aumento del uso en la industria para productos con bajo índice glucémico, en particular en las categorías de nutrición para diabéticos y control de peso (19, 20). El objetivo de este trabajo fue evaluar los cambios morfológicos y fisicoquímicos en almidón de yuca (Manihot esculenta) modificado por pirodextrinización e hidrólisis enzimática.

Materiales y métodos

Extracción de almidón nativo de yuca

La yuca (Manihot esculenta) se adquirió en una plantación del municipio Jalpa de Méndez, Tabasco. El período de cosecha se realizó durante seis meses entre los meses agosto y febrero. Posteriormente, el trabajo experimental fue realizado durante los siguientes 18 meses. El AN de M. esculenta se extrajo de la siguiente manera (6): los rizomas fueron pelados, cortados en cubos de 3 cm y sumergidos por 30 min en solución de ácido cítrico (0,3 %) a un volumen doble de su peso (1:2 p/v), se trituraron en una licuadora industrial T-304 (International®) durante 4 min para reducir las partículas utilizando el agua de remojo. El material resultante se colocó en recipientes para ser lavado con una solución de ácido cítrico (0,3 %) en una relación 1:1 (v/v), fue filtrado (malla No. 100) y posteriormente se realizó un segundo lavado al sedimento con la solución de ácido cítrico al 0,3 % en una relación 1:1, finalmente la fibra retenida en el tamiz se eliminó y el filtrado se dejó sedimentar a 5 °C durante 24 h. Después de eliminar el líquido por decantación, el sedimento fue secado en un horno de convección ED 115 (Binder) a 55 °C durante 24 h, posteriormente se trituró en un molinillo 80385 (Hamilton) hasta obtener un polvo y se tamizó (malla No. 100). El almidón se almacenó en recipientes de plástico con tapa de rosca hermética para su posterior uso.

Modificaciones al almidón nativo

La pirodextrinización se llevó a cabo mediante un diseño factorial 32 con cuatro réplicas del tratamiento central empleando relación almidón/ácido (80:1 y 160:1 p/v), tiempo de reacción (1 y 3h) y temperatura (90 y 110 °C). Se colocaron 15 g de almidón nativo (b. s.) en una caja Petri de 100 x 15 mm. Se adicionó a la muestra HCL 2,2 M con base a la relación establecida para cada tratamiento. El ácido se dispersó en el almidón y se dejó reaccionar por 16 h. Posteriormente, las cajas Petri se colocaron en un horno de convección ED 115 (Binder) a la temperatura y durante el tiempo correspondiente a las condiciones del tratamiento. Los almidones pirodextrinizados fueron tamizados (malla no. 100). La hidrólisis enzimática se realizó con el almidón obtenido en el mejor tratamiento de pirodextrinización. Para llevarla a cabo se empleó enzima α-amilasa EC. 3.2.1.1 (Sigma A-3306, 4000 unidades/mL). Se utilizó un diseño factorial 22, con cuatro réplicas del tratamiento central. Los factores y niveles correspondientes fueron: concentración enzimasustrato (0,1 y 0,05 %) y tiempo de reacción (10 y 30 min). Posterior a ambas modificaciones se llevó a cabo la determinación de AR y ADL (6).

Determinación de almidón resistente y almidón de digestión lenta

La determinación de AR y de ADL se realizó de acuerdo a la técnica descrita en el kit para análisis que provee Megazyme (Megazyme© International Ireland), el cual ha sido aceptado y avalado por los métodos oficiales de la AOAC International (2002.02) y la AACC International (32-40.01).

Determinación de equivalentes de dextrosa

Se pesó 1 g de cada MER obtenida, la muestra seca finamente molida y tamizada fue aforada a 100 mL en agua destilada. A 1 mL de esta solución, se le adicionó 1,5 mL de solución de ácido 3,5-Dinitrosalicílico (DNS), se mezcló y fue calentado en un baño a ebullición durante 15 min. Posterior a su enfriamiento, se procedió a la lectura a 550 nm. La curva de calibración se realizó a partir de soluciones de glucosa (0,2 a 1,0 mg/mL) (14).

Evaluación de las propiedades morfológicas y funcionales a los productos obtenidos por pirodextrinización e hidrólisis enzimática.

Propiedades morfológicas

Microscopía electrónica de barrido: Este análisis se realizó para determinar los cambios en tamaño, forma y estructura granular por efecto de los tratamientos. Se realizó en un microscopio electrónico (JEOL, JSM-7610F FESEM, EE. UU.) con resolución de 1 nm, ampliación de 500 X con micrografía de 10,3 mm, acelerador de voltaje de 5 kV y corriente de sonda de hasta 200 nA. Las muestras se colocaron sobre papel conductor de carbono y se metalizaron con una aleación de oro-platino durante 1 min con la ayuda de un revestidor giratorio (Quorum, Q150R ES, Reino Unido); posteriormente se analizaron en el microscopio electrónico para determinar los cambios de tamaño, forma y estructura granular por efecto de los tratamientos (8).

Difracción de rayos X y cristalinidad: La medición se llevó a cabo con un difractómetro (Bruker D8-Advance, USA) utilizando radiación CuKα (λ = 1,5418 Å) a 40 kV y 30 mA, cada 0,02 °/s, los datos se recolectaron en un intervalo de 4 a 8 ° cada 0,1 °. La línea base del difractograma se corrigió en el intervalo de barrido y el vector se normalizó con el programa OPUS 3.0. (21).

Propiedades funcionales

Gelatinización, solubilidad y poder de hinchamiento: La temperatura de gelatinización se determinó mediante calorimetría diferencial de barrido. La temperatura inicial, pico, final y la entalpía de gelatinización se obtuvieron del termograma resultante (22).

Resultados

Pirodextrinización de almidón nativo de Yuca Manihot esculenta

El contenido de AR y de ADL de los diferentes tratamientos de pirodextrinización a los cuales fue sometido el almidón nativo de yuca Manihot esculenta, se presenta en la Tabla 1.

No mostraron cambios de color visibles y los valores más altos de AR se registraron en los tratamientos 1 y 2 (p<0,05).

Modificación del almidón pirodextrinizado mediante hidrólisis enzimática

De acuerdo al análisis de varianza de los datos obtenidos, los factores concentración de almidón-ácido, temperatura y tiempo de reacción, fueron significativos (p<0,05) para obtener la mayor concentración de AR (Tabla 2). Al no haber un tratamiento que haya registrado mayor contenido de AR, de acuerdo con el análisis de varianza, se eligió como mejor tratamiento al número 2, debido a que tuvo la tendencia de presentar mayor AR dentro de los tratamientos con equivalentes de dextrosa (ED) menores a 20. Siendo elegida la maltodextrina con 12,29 % de AR, 1,32 % de ADL y ED de 9,45 %, utilizando la condición con mayor concentración de enzima y menor tiempo de reacción.

Propiedades morfológicas

En la figura 1a) se puede observar en la microscopia electrónica de barrido que los gránulos del almidón nativo de yuca M. esculenta presentan una forma esférica y oval y tienen un tamaño disperso, con diámetro entre 4,69 y 17,2 µm. En el almidón pirodextrinizado (Figura 1b) se observaron gránulos con rupturas, probablemente causadas por el proceso de pirodextrinización, aunque también fueron observados gránulos resistentes al tratamiento, que preservaron su forma esférica y oval, con tamaño hasta de 20,8 µm. Referente a la micrografía de la MER no fueron observados cambios aparentes (Figura 1c). Con respecto a la difracción de rayos X, el almidón en su forma nativa, mostró un patrón de DRX tipo C (Figura 2a), la pirodextrina mostro un patrón de DRX no cristalino sin cambio aparente (Figura 2b). El patrón de DRX de la MER (Figura 2c), presentó un patrón menos definido con un pico más fuerte en el ángulo 17 ° sin más presencia de picos, evidenciando ausencia de estructuras granulares claras. La cristalinidad para el AN fue de 41,5 %, posterior al proceso de pirodextrinización disminuyó 5,7 % (35,8 %).

Propiedades funcionales

El AN de M. esculenta registró una entalpía de gelatinización de 1,32 J/g y las temperaturas de gelatinización de 62,09 °C (inicial), 64,56 °C (pico) y 70 °C (final). En la pirodextrina, la entalpía de gelatinización fue de 0,96 J/g y las temperaturas de gelatinización fueron 62,04 °C (inicial), 65,07 °C (pico) y 70 °C (final). Y en la MER, la entalpía de gelatinización fue de 0,35 J/g, en cuanto a la temperatura inicial fue de 79,07 °C, pico 80,48 °C y final de 83,75 °C aproximadamente, observando pérdida en las unidades de entalpía, en comparación al AN y la pirodextrina. La mayor solubilidad en la pirodextrina (12,76 %) fue a los 90 °C, sin embargo, no representó una diferencia en comparación al almidón nativo (10 %), no así para la MER donde se observa el valor máximo de solubilidad (35 %) a los 90 °C. Con respecto al poder de hinchamiento de los productos obtenidos se observó incremento en la pirodextrina de yuca, en comparación con el AN. Lo que concuerda con la resistencia de los gránulos a la hidrólisis ácida total en la pirodextrinización, ya que fue posible la producción de geles, los cuales son más deformables que los geles obtenidos de gránulos con menor poder de hinchamiento. El poder de hinchamiento y la capacidad de absorción de agua están íntimamente ligados.

Discusión

Si bien, los efectos benéficos por consumo del AR tales como la prevención y control de enfermedades crónicas, el mejoramiento de la salud digestiva, el control glucémico, la sensibilidad a la insulina, la disminución de los niveles de colesterol y el mejoramiento de la microbiota intestinal, dependen en gran medida de las diversas fuentes y especies utilizadas para la extracción del almidón en su fuente nativa y su posterior modificación (23). Los tubérculos son fuentes potenciales para extraerlo, tal es el caso de la Yuca Manihot esculenta, un alimento típico de la región sureste de México. Este estudio analizó los efectos de la pirodextrinización y la hidrólisis enzimática del almidón nativo de yuca (Manihot esculenta). Tras la pirodextrinización, se observó un aumento del 10 % en el contenido de AR, atribuido a la presencia de enlaces atípicos, los cuales se forman mediante la hidrólisis ácida produciendo fragmentos de residuos de glucosa más pequeños que al recombinarse mediante reacciones de transglucosilación, se reorganizan dando lugar a nuevos enlaces glucosídicos menos comunes. Estas estructuras reconfiguradas presentan mayor resistencia a la acción de las enzimas digestivas, favoreciendo así el incremento en el contenido de almidón resistente AR (6). Este comportamiento es consistente con lo reportado por otras investigaciones donde se observó incremento de almidón indigerible, bajo condiciones similares (110 °C, 1 h, relación 160:1). No obstante, las diferencias observadas en relación almidón/ ácido respecto al presente estudio pueden explicar las variaciones en la cantidad de AR obtenido (14).

Sin embargo, durante la hidrólisis enzimática, se observó una disminución en el AR y el ADL, lo que sugiere una mayor proporción aún presente de almidón de digestión rápida, probablemente debido a la modificación estructural de enlaces atípicos por el incremento de temperatura. Es sugerido que en los intentos de producir fracciones de ADL y AR en almidones modificados, las estructuras de doble hélice podrían romperse; observando un aumento o descenso en la producción de AR y ADL 24 y 25 (24-25).

Por otro lado, el patrón de DRX del almidón nativo y la pirodextrina de M. esculenta, mostró un patrón no cristalino, similar a un tipo de maltodextrina comercial de yuca antes reportado (16), esto se podría explicarse por la formación de una estructura mayormente amorfa, debido a la escasa generación de enlaces atípicos y a una baja compactación molecular; no obstante, la DRX evidencia picos débiles que indican la presencia de regiones parcialmente ordenadas.

Además, la entalpía de gelatinización fue menor en la pirodextrina, lo que indica que este material requirió menos energía para gelatinizarse debido a que el tratamiento térmico provocó modificaciones parciales en sus regiones cristalinas, debilitando parte de su estructura organizada. Sin embargo, dichas estructuras no fueron completamente destruidas, ya que aún conservaron cierto grado de orden. En el caso del AN, se registró una entalpía de gelatinización similar a la reportada para el almidón de yuca, indicando que mantiene las características estructurales típicas de este tipo de almidón sin modificaciones importantes (26).

Debido a la temperatura no es factible incluir este AN en productos sometidos a altas temperaturas; este estudio sugiere que no se presentó una ruptura en las dobles hélices de la región cristalina, sin embargo, las regiones amorfas tal vez fueron afectadas, lo que bastó para observar el aumento en el contenido de AR. Sin embargo, en la MER, la perdida en los valores de entalpia de gelatinización y los valores similares de temperatura presentados durante la determinación de gelatinización, podría reflejar la perdida en la cristalinidad lo que pudo haber influido en la reducción de AR. La disminución de la cristalinidad se asocia con una menor estabilidad térmica y mayor accesibilidad enzimática. Estos resultados evidencian que la ruptura parcial de las estructuras ordenadas puede favorecer o reducir la formación de AR dependiendo del grado de reorganización molecular (27).

En términos funcionales, la solubilidad del almidón aumentó tras los tratamientos, indicando una posible desintegración estructural. El aumento en la solubilidad del almidón posterior a los procesos de modificación química y enzimática; se debe a la posible desintegración estructural, a partir de la cual, se debilitan los gránulos de almidón, aumentando los lixiviados reflejándose en un producto más soluble.

El poder de hinchamiento también se incrementó con la pirodextrinización, pero disminuyó con la hidrólisis enzimática, lo que concuerda con lo reportado en MER de yuca reflejando la relación entre la porosidad de los gránulos y su capacidad de absorción de agua (14, 27-30). Estos resultados sugieren que los procesos de modificación afectan las propiedades funcionales del almidón, lo que tiene implicaciones para su uso en alimentos. Ha sido reportado mayor contenido de almidón indigerible posterior al tratamiento por pirodextrinización en yuca, empleando concentración de almidón/acido 160:1, temperatura 110 °C y tiempo de reacción 1 h. Difiriendo en la relación almidón/ácido reportado en este estudio, probablemente debido a la técnica empleada para el análisis de AR (19).

Entre las limitaciones de este estudio se encuentran la ausencia de caracterización molecular sobre los enlaces glucosídicos formados.

Conclusiones

Este estudio resalta la influencia significativa de la pirodextrinización y la hidrólisis enzimática en las propiedades del almidón nativo de yuca (Manihot esculenta). La pirodextrinización incrementó el contenido de AR, sugiriendo la formación de enlaces atípicos, mientras que la hidrólisis enzimática condujo a una disminución del AR y del ADL, favoreciendo un almidón de digestión rápida. Estos cambios estructurales fueron corroborados por los análisis de DRX, que mostraron un patrón menos cristalino en la pirodextrina, indicando una alteración en la cristalinidad del almidón.

Además, el aumento en la solubilidad y el poder de hinchamiento tras la pirodextrinización, junto con la disminución observada en la hidrólisis enzimática, evidencian cómo estas modificaciones afectan las propiedades funcionales del almidón. Estos resultados son relevantes para la industria alimentaria, ya que ofrecen nuevas perspectivas sobre la utilización del almidón de yuca y sus derivados en productos alimentarios, especialmente en formulaciones que requieran características específicas de digestibilidad y funcionalidad.

Agradecimientos

Al Laboratorio Nacional de Nano y Biomateriales y al Laboratorio de Difracción de Rayos X del Cinvestav, Mérida, Yucatán, México.

Conflictos de intereses

Los autores declaran no presentar conflicto de intereses.

Contribución de los autores

• Maloy Hernández Hernández: Estudiante de posgrado y responsable de la ejecución del proyecto.
• Jorge Luis Ble Castillo y Viridiana Olvera Hernández: directores principales del proyecto.
• Isela Esther Juárez Rojop, Crystell Guadalupe Guzmán Priego, Mirian Carolina Martínez López, Nury Hernández Díaz y Patricia Quintana Owen: Determinaciones de muestras.
• Luis Fernando Trujillo Castillo, David Betancur Ancona, Valentino Mukthar Sandoval Peraza: Asesores de estadística en el proyecto.

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