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IX CONGRESO DE CIENCIA DE LOS ALIMENTOS y V FORO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS

XXV Aniversario de la Carrera de Ingeniería en Alimentos en el Instituto de Ciencias Agrícolas, Universidad de Guanajuato

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Oxidación del Almidón de Plátano (Musa paradisiaca L.): Caracterización Parcial. Mirna Ma.Sánchez-Rivera 1, Mayra Rivas-González 2, Ma. Guadalupe del Carmen Méndez-Montealvo 1 y Luis Arturo Bello-Pérez 1 1. Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del IPN. Km 8.5 carr. Yautepec-Jojutla, Col. San Isidro, C.P. 62731 Yautepec, Morelos, México. Fax: + 52 735 3 94 18 96, e-mail: [email protected]. 2. Universidad Autónoma de Querétaro, División de Estudios de Posgrado, Cerro de las Campanas, s/n. Colonia Las Campanas, Santiago de Querétaro, Qro. México. C.P. 76010, Teléfono: 01442 1921304 y 307.

Resumen

El almidón de plátano (Musa paradisiaca L.) fue oxidado con hipoclorito de sodio (NaOCl) al

1 % de cloro activo a diferentes condiciones de pH (7.5, 9.5 y 11.5), temperatura (25, 35, 45

y 55 ºC) y tiempo (1, 2, 3 y 4 h) de reacción. Se evaluaron sus características morfológicas y

fisicoquímicas. El contenido de grupos carboxilo (COOH) se incrementó conforme aumentó

el pH. La morfología de los almidones no fue alterada y el patrón de difracción de rayos X de

todos los almidones no cambio; sin embargo, el grado de cristalinidad de los almidones fue

dependiente de las condiciones de la reacción. La oxidación redujo la viscosidad de las

pastas de almidón, debido a la hidrólisis producida por el hipoclorito.

Abstract

Banana starch (Musa paradisiaca L.) was oxidized with sodium hipochlorite (NaOCl) to 1 % of

active chlorium from differents conditions of pH (7.5, 9.5 and 11.5), temperature (25, 35, 45

and 55 ºC) and time (1, 2, 3 and 4 h) of reaction. It was tested morphological and

physicochemical characteristics. Carboxyl (COOH) group contents increased with increasing

of the pH. The morphology of starches was not altered and X-ray diffraction patterns of all the

starches didn´t changed; but the reaction conditions were dependent on the degree of

crystallinity of starch. Oxidation reduced the starch´s paste viscosity due to the hydrolysis

produced by the hypochlorite.

Introducción

El almidón, principal carbohidrato de reserva de las plantas superiores, presenta una amplia

gama de aplicaciones tanto en la industria alimentaria como en la no alimentaria; ésta

macromolécula está constituida de dos polímeros de glucosa, amilosa y amilopectina, que

difieren en estructura y masa molar (Munhoz et al., 2004; Freitas et al., 2004). Un método

para realizar modificaciones de una o más de sus propiedades físicas y químicas, es la



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modificación química, produciendo almidones modificados, que superen algunas de las

limitaciones de su uso en aplicaciones industriales, como baja solubilidad, sensibilidad a

condiciones de pH, temperatura y esfuerzos de cizallamiento extremos (Thirathumthavorn y

Charoenrein, 2005). Además de producir desorganización, degradación y rearreglo

molecular, la modificación química introduce grupos funcionales (Laurentin et al., 2002) que

sustituyen los grupos OH- de los carbonos C2, C3 y C6 de las unidades α-D-glucopiranosil del

almidón, provocando las alteraciones mencionados (Autio et al., 1992; Rutenberg y Solarek,

1984; Thomas y Atwell, 1999). Una de las modificaciones químicas más empleadas es la

oxidación y el reactivo más utilizado, el hipoclorito de sodio (NaOCl) (Rutenberg y Solarek,

1984); el cual introduce grupos carbonilo (C=O) y carboxilo (COOH) dependiendo del pH

(Forssell et al., 1995; Kuakpetoon y Wang, 2001; Thomas y Atwell, 1999); en condiciones

ácidas se favorece la producción de C=O y a pH alcalino, COOH; estos últimos, determinan

el nivel o grado de sustitución (GS), debido a que se forman a partir de los C=O (Wang y

Wang, 2003). Los almidones oxidados se utilizan en la producción de papel, elaboración de

películas, alimentos, entre otros, debido a su claridad, baja viscosidad y alta estabilidad

(Floor et al., 1989; Kuakpetoon y Wang, 2001). El objetivo de este trabajo fue evaluar la

modificación del almidón de plátano (M. paradisiaca L.) con hipoclorito de sodio a diferentes

pH, temperaturas y tiempos de reacción, caracterizando los almidones obtenidos mediante

técnicas fisicoquímicas y moleculares.

Materiales y Métodos

Almidones oxidados con NaOCl.

A partir del almidón nativo de plátano (Musa paradisiaca L.), obtenido a nivel de planta piloto

(Flores-Gorosquera et al., 2004), se obtuvieron almidones oxidados (Wang y Wang, 2003),

haciendo dispersiones al 40 % de almidón-agua destilada en un contenedor de 4 L con

sistema de recirculación de agua para mantener una temperatura de reacción (25, 35, 45 y

55 ºC) y ajustando a un pH (7.5, 9.5 y 11.5) con NaOH 2 M, manteniéndose en agitación; se

adicionaron 200 mL de NaOCl (1% de cloro activo / 30 min), manteniendo el pH (NaOH 1N);

se dejó reaccionar por 30 min. adicionales (1 h de reacción), se tomó una alícuota (25 mL) y

se detuvo la reacción a pH 7 (H2SO4 1N), se adicionaron 50 mL de metabisulfito de sodio

(Na2S2O5) al 5 % por 15 min, en agitación, se centrifugó a 3500 g por 5 min, se lavó con

agua destilada cada 5 min por centrifugación (3500 g); mismo procedimiento se aplicó a



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alícuotas de almidón oxidado a las 2, 3 y 4 h de reacción. Las muestras se secaron en una

estufa a 40 ºC por 24 horas, se molieron y tamizaron en malla No. 100.

Grado de sustitución (GS)

El GS se midió y calculó con a técnica propuesta por Kuakpetoon y Wang (2003).

Microscopía de luz polarizada

El microscopio de luz polarizada (Leitz, Wetzlar, Alemania) contó con un objetivo 40 X y una

cámara digital. La captura de las imágenes se realizó con el software pixela 3.0.

Difracción de rayos X

Se utilizó un difractómetro de rayos-X (Bruker D5005) de ángulo ancho equipado con una

fuente de cobre, operado a 40 KV y 40 mA que produjo una radiación de CuK� con una

longitud de onda de 1.54 Å. Los datos se colectaron en un intervalo de 4-38º cada 0.1º con

una velocidad de 60 s/º. La línea base del difractograma fue corregida en el intervalo de

barrido y el vector fue normalizado utilizando el programa EVA 5.0 (Bruker, UK). Mediante

esta técnica también se determinó el porcentaje de cristalinidad.

Formación de pastas

Se realizaron pruebas rotacionales en un reómetro TA Instruments AR 2000, haciendo

dispersiones al 5 % (p/v), y utilizando geometría de placa paralela de 40 mm (sandblasted),

el espesor de muestra fue de 1000 µm y la velocidad de cizallamiento de 100 s-1, se utilizo

una velocidad de calentamiento-enfriamiento de 2.5 ºC/min durante el ciclo de calentamiento

(25 ºC a 90 ºC), cocción (isotérmico por 10 minutos) y enfriamiento (90 ºC a 25 ºC) y al final

una etapa isotérmica de 10 minutos,

Resultados y discusión

Grupos carboxilo

Los almidones oxidados de plátano, presentaron un GS más bajo a pH 7.5 y más alto a 11.5,

los COOH se incrementaron conforme aumentó la alcalinidad del medio de reacción

(Kuakpetoon y Wang, 2003; Rutenberg y Solarek, 1984), atribuido al ión hipoclorito (OCl-),

principal especie reactante en la oxidación que predomina a pH alcalino; a pH neutro se

convierte a clorato inactivo y cloro (Cl-), sin actividad oxidante (Rutenberg y Solarek, 1984).

El GS se incrementó al aumentar la temperatura de 25 a 45 ºC (Figura 1) y el tiempo de

reacción de una a cuatro horas (Figura no mostrada); almidones oxidados de amaranto

presentaron valores de COOH, de 0.37 a 0.87 a 60 y 150 min de reacción respectivamente

(Chattopadhyay et al., 1997).



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Figura 1. Efecto de la temperatura sobre el GS de COOH en almidones oxidados con NaOCl

y 4 h de reacción, a diferentes pH: 7.5 ( ), 9.6 ( ) y 11.5 ( ).

Microscopia de luz polarizada

Se encontró que después de 4 h de reacción, los gránulos siguen presentando un orden

estructural, debido a que continúan mostrando birrefringencia, la cruz de malta (Figura 2)

(Katz et al., 1993); por lo que la modificación química no alteró la estructura molecular, en las

condiciones de reacción aplicadas.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

25 35 45 55

Temperatura (ºC)

GS (% C

OOH)



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a) b)

Figura 2. Microfotografías por microscopia de luz polarizada de los gránulos de almidón

oxidados con NaOCl y 4 h de reacción a los pH 7.5 (a) y 9.5 (b).

Difracción de rayos X

Se obtuvieron patrones tipos A- y B-; Faisant et al. (1995) reportaron un patrón tipo B- y Jane

et al. (1999) un tipo C, para otras variedades de almidón nativo de plátano. Este patrón no

presentó modificaciones a las diferentes condiciones de reacción (Figura no mostrada); sin

embargo, se observaron ligeras modificaciones en los porcentajes de cristalinidad (Cuadro

1); a pH y temperaturas mayores, se presentó ligera hidrólisis que afectó a las zonas

amorfas, con ello provocando incremento en la región semicristalina.

Cuadro 1. Porcentaje de cristalinidad de almidones oxidados a 4 h de reacción a diferentes

pH y temperaturas.

pH Temperatura

7.5 9.5 11.5

25 ºC 18.05 19.94 21.19

55 ºC 20.49 20.36 22.26

Formación de pastas

Se observo un aumento en la viscosidad con la modificación. A 4 h de reacción, se

encontraron diferentes comportamientos en la conformación de pastas; a 25 ºC y 45 ºC, el



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perfil mayor se obtuvo a pH 11.5; a 35 ºC, pH 7.5 y a 55 ºC, pH 9.5, relacionado con mayor

degradación en la región cristalina (Rutenberg y Solarek, 1984). El almidón nativo presentó

la viscosidad más alta (Figura 3) debido a que la oxidación produjo hidrólisis parcial, que

permitió mayor entrada de agua; los COOH contribuyeron a la retención de agua dentro de

los mismos (Kuakpetoon y Wang, 2001). A mayor porcentaje de cristalinidad se tuvo menor

capacidad de hinchamiento y valores menores de viscosidades; los COOH, al debilitar la

estructura del almidón, contribuyeron a que las pastas fueran más fluidas, además de una

despolimerización mayor de la amilosa y amilopectina y efecto hidrolizante del NaOH

(Forssell et al., 1995; Kuakpetoon y Wang, 2003; Rutenberg y Solarek, 1984); la mayor

despolimerización de la amilopectina se produce a pH cercano al neutro (Rutenberg y

Solarek, 1984). La oxidación provocó formación de pastas más débiles en almidones

oxidados de papa, cuando se aplicó un período de tiempo de reacción prolongado (Forssell

et al., 1995).

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 20 40 60 80

Tiempo (min)

Viscosidad (Pa.s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temperatura (ºC)

Nativo

9.5

7.5

11.5

Figura 3. Perfiles de viscosidad de almidones de plátano nativo y oxidados con NaOCl con 4

h de reacción a 55 ºC y diferentes pH 7.5, 9.5 y 11.5.

Conclusiones

El GS de COOH se incrementó conforme aumentó la alcalinidad del medio de reacción. La

oxidación no afectó el ordenamiento interno de los gránulos; sin embargo, la cristalinidad

presentó ligeras variaciones. La formación de pastas disminuyó conforme se incrementó el



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tiempo de reacción y la temperatura, pero no el pH. La oxidación incrementó la viscosidad en

la etapa de enfriamiento.

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Agradecimientos: Se agradece a la CGPI, COFAA y EDI del Instituto Politécnico Nacional por los apoyos económicos otorgados para la realización de este trabajo.

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