NOMBRE: Iván Andrés Luzardo Ocampo UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTAROFECHA: 12 de Diciembre/2014 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE CEREALES Y LEGUMINOSAS

ARTÍCULO 2: ASPECTOS MICROESTRUCTURALES, DUREZA DEL GRANO DE MAÍZ, RENDIMIENTO DE CADA RAZA DE MAÍZ Y SUS USOS FINALES INDUSTRIALES

INTRODUCCIÓN:

Casi toda la diversidad genética del maíz se concentra en América, principalmente en México, donde se consume en gran variedad de productos que demandan productos con granos de determinadas características. Existen en general pocos trabajos que tengan que ver con las características físicas del grano para elaborar ciertos productos (como totopos, botanas, tamales, etc.) o estudios microestructurales que se han enfocado más en almidón que en alimentos. No se han hecho estudios comparando las características entre razas de regiones (Narváez González,Figueroa Cárdenas, & Taba, 2007)

Específicamente para el caso mexicano, gran parte de la producción de maíz se destina al consumo de tortilla, donde sus requerimientos están regulados por la normatividad (NMX-FF-034/1-2002). El maíz mexicano nutre principalmente dos tipos de industria: Industria de Masa/Tortilla (IMT) y la Industria de Harinas Nixtamalizadas (IHN). En la industria de las harinas de maíz, se considera como factor crítico el estado físico de sus diferentes fracciones porque ésta es altamente heterogénea (Fernández-Muñoz et al., 2008)

MATERIALES Y MÉTODOS:

Se analizaron 71 muestras (200 granos) de razas de maíces de México, El Caribe, Centro y Sudamérica, proporcionadas por el Centro Internacional de Mejoramiento del Maíz y Trigo (CIMMYT). Asimismo, se realizaron las siguientes mediciones:

Composición Anatómica: Siendo un método un poco empírico porque utiliza las mismas variables independientemente del tipo de maíz y está fuertemente influenciado por errores experimentales de quién lo realiza, consiste en la expresión porcentual de los diferentes elementos anatómicos del grano (pedicelo, germen y endospermo) a partir de una hidratación en agua caliente del grano y el secado de cada ingrediente en un horno (12 horas a 100°C) (Narváez González, Figueroa Cárdenas, & Taba, 2007)

Composición de Endospermo Suave y Duro: Se realizó por observación microscópica y fotografía, método igualmente empírico porque se basa, al parecer, en una observación de las áreas y volúmenes que abarcan cada uno, pero a través de una observación fotográfica (Narváez González, Figueroa Cárdenas, & Taba, 2007)

Microestructura: Consistió en la medición del grado de compactación del almidón en el endospermo clasificado de acuerdo a los criterios (Narváez González, Figueroa Cárdenas, &Taba, 2007):

Forma de Almidón Espacio Libre entre Gránulos Visibilidad de Matriz Proteica

Esférico Mucho No visibleAchatado Poco No visiblePoligonal Ninguno VisiblePoligonal Entre gránulos rodeando al cuerpo celular -

Tabla 1. Clasificación de Almidón propuesta. Fuente: Narváez González, Figueroa Cárdenas & Taba (2007)

Por medio de un microscopio electrónico de barrido ambiental, el cual tiene la ventaja de poder permitir la observación de imágenes hasta extender el rango de resolución hacia imágenes nanométricas (aumentos bastante grandes, como de 500X como se reporta en los dos artículos) (CNEA, 2012). El microscopio fue ajustado con parámetros experimentales específicos con el fin de permitir la replicabilidad del mismo (20 kV, 50 μA, detector GSE con tamaño de láser de 4.6 a 5.0) (Narváez-González et al., 2007a; Narváez-González et al., 2007a 2007b). Algo interesante es la forma como se buscó la uniformidad del grosor de los granos por medio de la realización de cortes con un disco de diamante para poder pegar las muestras a un portamuestras de aluminio, tomándose fotografías de cada área. La pulcritud del trabajo se ve reflejada en la manera como se toman varias fotografías de las muestras por grano.

Propiedades de Gelatinización: Se realizó por medio de medidas de viscosidad de mezcla en un Analizador Rápido de Viscosidad. La mezcla, preparada suspendiendo una porción de muestra de harina de grano de maíz entero cribado en agua, se calentó por rangos de temperatura (50-62°C y posteriormente a 92°C) con el fin de inducir el hinchamiento y luego rotura de los granos que absorben agua y llegan al proceso de retrogradación cuando la mezcla se enfría a 50°C por 8.5 minutos (Narváez-González et al., 2007a; Narváez-González et al., 2007b).

Propiedades Térmicas: Se utilizó un equipo de medición de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) con el fin de determinar parámetros termodinámicos de importancia para el comportamiento del almidón, método que ha sido ampliamente evaluado y valorado por la comunidad científica como instrumento fiable de medición en almidones (Biliaderis et al., 2006; Krueger et al., 1987; Liu et al. 2009). El método descrito por uno de los artículos (Narváez-González et al., 2007a) se basó en el de Lauro et al. (2000) pero modificado para almidón de maíz.

Variables de Calidad para Nixtamalización: Las masas se obtuvieron por medio de un cocimiento óhmico, método consistente en hidratar 7 g. de maíz molido con un exceso de agua (4.9 mL), necesario para la gelatinización, y se colocó en una celda para calentarse a 70 V

por calentamiento óhmico hasta un registro de temperatura de 110°C por el termopar (Mauricio Sánchez, 2004).

RESULTADOS GENERALES:

Las diferentes razas de maíz tienen cualidades diferentes en función de la medida de sus características de calidad. Una forma que se ha propuesto para clasificarlas es de acuerdo a la textura de las razas. De acuerdo con lo reportado por Mauricio et al. (2004), las diferentes razas tienen diferencias significativas apreciables frente a su capacidad de absorción de agua, pérdida de peso y resistencia al corte.

Características Microestructurales correlacionadas con las razas de maíz:

No hay un consenso de los investigadores frente a la clasificación de las razas. En el artículo de Narváez-González de 2007a, se reporta que las razas “Cónico Norteño Bofo” y “Cónico” corresponden a textura suave, aunque en el artículo clasificado como 2007b, se identifica como una raza de textura intermedia.

Razas de Textura Suave Razas de Textura Intermedia Razas de Textura Dura

Ejemplos

Cacahuazintle. San Jerónimo

Huancaveliano. Chillo Shima Avatí Morotí Blando

Cónico Negrito Naltel Dzit-Bacal Bolita Dulce Azul Común Montaña Vandeño

Perla Palomero Reventador Cuban Flint Pisingallo Celaya Uchuquilla Curagua Arrocillo Popcorn Apachito

Gránulos de Endospermo Suave

90% diámetro mayor a 12 μm.

Gránulos pequeños (2 – 9 μm de

diámetro)

72% diámetro menor a 12 μm

Gránulos de Endospermo Duro

85% diámetro menor a 12 μm Gránulos grandes (2 – 9 μm de diámetro)

78% diámetro mayor a 12 μm.

Endospermo Harinoso (EH) - - Menor que en las demás

razasEndospermo

Cristalino (EC) - - Mayor que en las demás razas

Grosor de Pericarpio Menores a 30 μm Intermedio Mayor a 90 μm.

Grado de Compactación

Menor en comparación a otras razas. Intermedio Mayor en comparación a

las razas suaves.Tamaño del Grano

de Maíz - Mayor de todos los tipos

Más pequeño de todos los tipos de textura

PericarpioTienen mayor cantidad que las razas duras (y se

retiene prácticamente del mismo modo en todas las razas).

-

Contenido de Almidón

Mayor contenido que los de textura dura e intermedia Menor contenido que los maíces de textura suave

Contenidos de Amilosa y

Amilopectina

Mayores cantidades de amilosa; Menores cantidades

de Amilopectina-

Menores contenidos de Amilosa; Mayores

cantidades de AmilopectinaExtensibilidad de

la TortillaMayor que en los demás

tipos Intermedia Menor que en los demás tipos

Tabla 2. Clasificación de las diferentes razas de maíz por su textura y de acuerdo a la distribución de su microestructura. Fuente: Narváez-González, E. D. et al. (2007a, 2007b); Salinas-Moreno et al. (2010)

Precisamente esas características anteriores son las que definen el uso industrial del maíz, donde algunas razas tienen varios usos, especialmente las razas intermedias que muestran características entre las razas duras y suaves, por lo que tienden a ser mucho más versátiles. Es de notar que para la industria de las harinas la textura puede ubicarse entre dura o intermedia de acuerdo a lo reportado por Narváez-González (2007a).

También, se sabe que la dureza del maíz depende casi exclusivamente de las proporciones de endospermo harinoso y cristalino, donde a mayor porcentaje del harinoso la dureza del grano disminuye (Watson, 2003. Citado por (Salinas-Moreno et al., 2010). Los endospermos intermedios y duros tienen mayor contenido de proteínas en relación al endospermo suave. Respecto al contenido de humedad, la siguiente tabla resume lo reportado por Narváez et al. (2007b):

Endospermo Suave Endospermo Duro

Humedad

Gránulos grandes tienen mayor aw

por su alta amilosa.

Gránulos pequeños tienen alto contenido de complejos amilosa-lípido.

-

Proteína (Gránulos embebidos en matriz

proteica)-

Matriz proteica más gruesa que en el suave (mayor dificultad para romper)

Tabla 3. Comportamiento de la humedad y proteína en el endospermo suave y duro. Sorprenden las humedades referidas como aw cuando éste valor indica el contenido de agua libre en el alimento. Fuente: Narváez-González et al. (2007b).

Las cantidades de amilosa y amilopectina son complementarias, por lo que un mayor contenido de la primera implica un menor contenido de la segunda, valores que son contrarios entre sí (en las proporciones) al comparar los maíces de textura suave con los de textura dura (Salinas-Moreno et al., 2010). Sin embargo, los valores medidos por Salinas-Moreno no son absolutos, puesto que se ha reconocido que en los maíces mexicanos, en los destinados al proceso de nixtamalización, las cantidades pueden variar de un 26.5% a un 31.7% (Seethamaran et al., 2001).

OTRAS PROPIEDADES DE IMPORTANCIA QUÍMICA:

Propiedades de Pastificado: A medida que aumenta la viscosidad pico, se incrementa el tamaño promedio de los gránulos. Entre más grandes son los gránulos menos tiempo y temperatura se requiere pasa alcanzar la viscosidad.

Gránulos grandes son más cristalinos por lo que muestran alto hinchamiento. Entre más grandes los gránulos, mayor retrogradación porque éstos se hidratan mucho mejor y se

hinchan con mayor fuerza, provocando rupturas mayores que se evidencian al bajar la temperatura con un mayor ordenamiento de las cadenas de amilosa y amilopectina. El siguiente gráfico muestra un viscoamilograma (ideal para el cálculo de la temperatura de pasta) donde se observa el comportamiento de diferentes razas de maíz (correlacionadas con el tipo de textura que representan cada una de ellas):

Figura 1. Viscoamilogramas. Granos de almidón grande (Cacahazintle) tienen mayores picos de viscosidad (Curagua tiene gránulos de almidón pequeños). Fuente: Narváez-González (2007b).

Propiedades Térmicas: Correlación negativa con temperaturas pico y finales de gelatinización pero positiva con la entalpía de gelatinización. Granos suaves gelatinizan a temperaturas más bajas y entalpías más altas que los granos duros por su arreglo de cadenas polisacáridos menos ordenado, con cristales menos estables. Los gránulos pequeños tienen cristales más perfectos por lo que fusión inicia antes y a baja velocidad (lenta gelatinización). En el siguiente gráfico se observa que los granos de textura suave alcanzan mayor flujo de calor a la misma temperatura que los duros (por lo tanto, llegan a la temperatura de gelatinización más rápidamente)

Figura 2. Comportamiento térmico. Gránulos de almidón grande (Cacahuazintle, Cónico Norteño) tienen menores rangos de gelatinización y mayores capacidades caloríficas. Popcorn y Curagua son maíces pequeños. Fuente: Narváez-González (2007b).

Relación Tamaño de Gránulo y Propiedades Térmicas y de Pastificado: El Análisis APC mostró que el 78% de la variabilidad se explica por dos componentes: CP1 (viscosidad pico, viscosidad mínima, velocidad final, retrogradación, tamaño de gránulo) y CP2 (temperaturas de gelatinización y pastificado). Razas de gránulos grandes desarrollan altas viscosidades y alta entalpía pero más tiempo de pico de viscosidad y gelatinizan muy rápido.

CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS POR APLICACIÓN INDUSTRIAL

En general, se puede indicar que entre más suave se requiera el producto final, se requieren menores grosores del endospermo duro y menores grosores de pericarpio (sin embargo, téngase en cuenta que Narváez-González et al. (2007) también realiza una clasificación geográfica de acuerdo al uso del maíz que no necesariamente coincide con las características deseables de cada maíz para su uso; por ejemplo, en Paraguay usan la raza Avatí-Morotí para fabricar tortillas, cuando siendo un maíz de textura suave, no sería el precisamente ideal):

Maíz para palomitas: Se requieren razas de textura dura. Sin embargo, tienen la excepción frente a los demás usos que estos maíces necesitan tener tamaños pequeños de gránulos de almidón en el endospermo, con tamaños hexagonales.

Maíz para botanas: Se requieren razas de textura dura, que tienen mayores contenidos de amilopectina (por lo que tienen alta capacidad de retención de agua). Como se requieren éstos tipos de maíces, se necesitarían que sus perfiles de viscosidad fueran más altos (ya que las mayores viscosidades indican mayor atrapamiento de agua). Como se observa en la gráfica siguiente, la Harina de Maíz Nixtamalizado de Malla 100 es el más viscoso y sería ideal para éste tipo de industria:

Figura 3. Perfiles de RVA de las fracciones de Harina de Maíz Nixtamalizado (HMN). Se observa que los de malla 100 muestran el mejor pico de viscosidad y la mejor viscosidad final, tras 1 hora de reposo. Fuente: Fernández-Muñoz et al. (2008).

Sin embargo, al pasar el tiempo, el que mejor se comporta es el de Malla 60, porque su viscosidad es la que permanece más alta, tal como lo reportado por Fernández-Muñoz (2008)

Maíz para Harinas: Razas de textura dura o intermedia. Tienden a presentar las dos morfologías posibles de gránulos de almidón porque los maíces utilizados presentan proporciones iguales de endospermos suaves y duros. Se requiere que los maíces utilizados en harinas tengan buenos rendimientos por lo que lo ideal es que absorban la mayor cantidad posible de agua sin comprometer las características estructurales del producto final. La humedad de éste producto es totalmente diferente, por normatividad, a la industria de la masa y la tortilla (Salinas-Moreno, 2010).

El tamaño de partícula es importante en las características de viscosidad final del producto.

Maíz para tortillas: Razas de textura intermedia. Como la proporción de endospermo suave y duro es casi el mismo, pueden presentar granos de morfología hexagonal o esférica (Narváez-González et al., 2007). Los maíces usados en esta industria (textura intermedia) son adecuados porque absorben una cantidad adecuada de agua (por lo que presentan mayor cantidad de agua que la harina nixtamalizada), permitiendo que el rendimiento final del producto sea el adecuado (Salinas-Moreno et al., 2010). Las humedades de tortilla son mayores en la textura intermedia (razón por la que se prefiere).

Maíz para Pozoles: Razas de textura suave. Sus gránulos de almidón son de morfología esférica. Los maíces de textura suave son adecuados para éste producto porque durante la nixtamalización se hidratan mejor al tener menos cuerpos de zeína circundando a los gránulos de almidón, permitiéndole a los mismos ser alcanzados mejor por el agua.

Maíz para Atoles: Razas de textura suave. Sus gránulos de almidón son de morfología esférica.

Figura 4. Humedad final alcanzada tras diferentes tiempos de almacenamiento frente a tres tipos diferentes de dureza de maíz. Se observa (señalado en los recuadros naranjas) que es mayor la humedad para los granos de dureza intermedia cuando el tiempo supera las 24 horas. Fuente: Salinas-Moreno et al. (2010)

Del mismo modo, debe tener en cuenta que la “ampolla” que se forma al final del producto no sea tan grande (afectada por la proporción de amilosa-amilopectina). Otra propuesta de la formación de la ampolla se relaciona con la liberación de agua: entre mayor facilidad para dejarla escapar por evaporación, más formación de ampolla (Salinas-Moreno et al., 2011).

El rendimiento puede aumentar en función de la retención del pedicelo en el maíz (entre mayor retención, más rendimiento) (Salinas-Moreno et al. 2011). Respecto a la textura, generalmente el rompimiento de la tortilla se da en dos formas: ambas caras se rompen simultáneamente y la cara de la ampolla se rompe antes que la principal. La fuerza de rompimiento se relaciona con el grado de retrogradación del almidón, donde un incremento en el endurecimiento y la pérdida de flexibilidad indican más retrogradación, incrementada por la pérdida de humedad a medida que pasa el tiempo de almacenamiento.

Figura 5. Gráfico de fuerza de rotura en función del tipo de textura y el tiempo de almacenamiento. Se observa el aumento en la dureza a medida que pasa el tiempo (por la pérdida de humedad y el incremento en la retrogradación) mayor en los granos de textura duros (que absorben menos agua en el proceso de nixtamalización). Fuente: Salinas-Moreno (2011)

En general, las razas centroamericanas y de México son adecuadas para elaborar tortillas y harinas nixtamalizadas, mientras que algunas razas mexicanas destacan por su suavidad para consumo como elote (como el caso del maíz Pozolero). Las cercanías genéticas entre razas sugieren el desplazamiento que en algún momento histórico hubo de razas desde el punto de origen (México) hacia Sudamérica, entrando por Colombia, por lo que no es de sorprender que algunas razas de maíz del sur del continente tengan características similares (expresión fenotípica).

CONCLUSIONES:

Los enlaces genotípicos de las diferentes razas de maíz indican que las razas de centro y sur américa pudieron haberse originado en México, considerado como centro de origen del maíz.

Dependiendo de las características micro estructurales de cada raza de maíz, se define su uso comercial en diversos productos. En general, los productos que requieren mayor suavidad final requerirán texturas suaves (pozole, atole) mientras que los productos que requieren cierta fuerza estructural (tortillas, palomitas) requieren razas de textura intermedia y duras.

El endospermo suave absorbe más agua durante la nixtamalización porque los gránulos de almidón pueden ser mejor alcanzados por ésta al estar menos rodeados de cuerpos de zeína (que normalmente cincuncindan a los mismos; en el endospermo duro los cuerpos de zeína los rodean casi en su totalidad). Los tamaños de granos de maíz son mayores en los de textura suave que los duros.

La dureza del grano depende de las proporciones entre endospermo suave y duro, donde los duros tienen mayor cantidad de endospermo duro y mayor cantidad de proteínas (cuerpos de zeínas).

El tamaño del gránulo influye de forma importante en las propiedades térmicas y de pastificado (cuya temperatura se mide en un viscoamilograma). Los granos duros presentan más gránulos de almidón pequeños y gelatinizan más rápidamente a temperaturas más bajas.

El grado de retrogradación influye en la textura final de la tortilla: mayores tiempos de exposición al ambiente (o almacenamiento) acentúan la pérdida de agua y con ello, la retrogradación, expresándose en mayor dureza del producto y de pérdida de flexibilidad.

Un perfil de RVA muestra los puntos característicos de evaluación de harinas de maíz nixtamalizadas en cuanto a sus fracciones, de importancia para la industria harinera. Los maíces más viscosos tienen mayores contenidos de amilopectina y atrapan más agua, por lo que dan mejores rendimientos y son más adecuados para la industria de las botanas (en efecto, las botanas requieren maíces de textura dura, con demostrada mayor cantidad de amilopectina).

BIBLIOGRAFÍA:

Biliaderis, C. G., Maurice, T. J., & Vose, J. R. (2006). Starch gelatinization phenomena studied by Differential Scanning Calorimetry. Journal of Food Science, 45(6), 1669-1674.

Fernandez-Muñoz, J. L. et al. (2008). Evaluación de las Distribuciones de Tamaño de Partícula de Harina de Maíz Nixtamalizado por medio de RVA. Superficies y Vacío, 21(3), 25-30.

Krueger, B. R., Knutson, C. A., Inglett, G. E., & Walker, C. E. (1987). A Differential Scanning Calorimetry (DSC) study on the effect of annealing on gelatinization behavior of Corn Starch. Journal of Food Science, 52(3), 715-718.

Liu, P., Yu, L., Liu, H., Chen, L., & Li, L. (2009). Glass transition temperature of starch studied by a high-speed DSC. Carbohydrate Polymer, 77(2), 250-253.

Narváez-González, E. D. et al. (2007a). Aspectos microestructurales y posibles usos del maíz de acuerdo a su origen geográfico. Revista de Fitotecnia Mexicana, 30(3), 321-325.

Narváez-González et al. (2007b). Efecto del tamaño del gránulo de almidón en sus propiedades térmicas y de pastificado. Revista de Fitotecnia Mexicana, 30(303), 269-277.

Salinas-Moreno, Y. et al. (2010). Efecto de la dureza del grano de maíz (Zea mays L.) sobre el rendimiento y calidad de la tortilla. Ingeniería Agrícola y Biosistemas, 2(1), 5-11.

Salinas-Moreno, Y. et al. (2011). Mezclas de maíz normal con maíz ceroso y su efecto en la calidad de la tortilla. Revista Mexicana de Ciencias Agrícolas, 2(5).

Seethamaran, K., Tziotis, A., Borras, F., White, P. J., Ferrer, M., & Robutti, J. (2001). Thermal and Functional Characterization of Starch from Argentinean Corn. AACC, 78(4), 379-386.