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Nutrición, Nutracéuticos, y Alimentos Funcionalas

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NUT31

Caracteristicas Fisicoquímicas y Microestructurales de Botanas Directamente Expandidas por Extrusión Adicionadas de Calabaza

(Cucurbita moschata D)

Lizárraga-Ramírez, M.G., Aguilar-Palazuelos, E.*, Zazueta-Morales, J.J., Delgado-Nieblas, C.I., Ordorica-Falomir, C.A., Jacobo-Valenzuela, N,

Camacho-Hernández, I. L., Limón-Valenzuela, V.

Maestría en Ciencia y Tecnología de Alimentos, Facultad de Ciencias Químico- Biológicas. Universidad Autónoma de Sinaloa. Culiacán, Sinaloa, México. *Correspondencia:

[email protected]

RESUMEN

El sector industrial de los alimentos botana se encuentra en franca expansión. Actualmente, estos alimentos se están rediseñando para incrementar su valor nutrimental, añadiendo fitoquímicos que aporten beneficios a la salud. Su elaboración se puede realizar por diversas tecnologías, destacando la extrusión. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el impacto de la temperatura de extrusión (TE, 112-168°C) y el contenido de humedad (CH, 14-21%) sobre características de funcionalidad y microestructurales de alimentos botana de segunda generación. Se utilizó un extrusor de tornillo simple y un diseño central compuesto para el análisis de datos. Se encontró que a bajas TE y altos CH se presentaron los mayores valores de densidad aparente y de fuerza de penetración. Los menores valores de diferencia total de color se presentaron a bajas TE y CH. Asimismo, los mayores valores de índice de adsorción de agua se presentaron a bajas TE y CH. Igualmente, los mayores valores de índice de solubilidad en agua se presentaron a TE de ~140°C y altos CH. Los datos de viscosidad indican que el proceso de extrusión afectó la estructura nativa de las muestras. Por otro lado, las muestras sin extrusión presentaron un patrón de rayos x tipo A típico de almidones de cereales, mientras que las muestras extrudidas fue tipo Vh, característico de productos extrudidos, por la formación de complejos amilosa-lípidos. Los resultados indican que se pueden elaborar botanas de calidad, directamente expandidas, con la adición de harina de calabaza como fuente de carotenos y fibra dietaria.

INTRODUCCIÓN

Las botanas son una industria que abarca diversos mercados, y cubren muchas de las necesidades del consumidor: precio accesible, amplio surtido en sabor y tamaño, alta disponibilidad en venta, etc. Los alimentos botana hoy en día se están rediseñando para aumentar su valor nutrimental, adicionando micro y/o macronutrientes, componentes fitoquímicos, vitaminas, antioxidantes, etc. ingredientes que los hacen atractivos al consumidor (Van Hulle y col. 1983). Existe una gran diversidad de métodos y tecnologías


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que pueden ser utilizadas para la manufacturación de alimentos botana, sin embargo, la extrusión ha venido destacando sobre todas las demás. El proceso de cocimiento por extrusión representa una de las tecnologías de mayor impacto en el área de alimentos, ésta es importante en la producción de hojuelas de maíz, arroz inflado, cereales para desayuno, proteínas texturizadas, bebidas instantáneas, análogos de carne, alimentos para mascotas y alimentos botana, entre muchos otros productos (Martínez-Bustos 1999). Por lo anterior, es importante producir alimentos botana con mejor contenido nutrimental, es por ello, que en el presente proyecto, se propone adicionar harinas de calabaza cehualca para fortalecer nutrimentalmente los alimentos botana, ya que esta hortaliza es buena fuente de carotenoides y fibra dietaria. Asimismo, realizar una caracterización fisicoquímica y funcional de alimentos botana directamente expandidos, utilizando el proceso de extrusión termoplástica, a partir de mezcla de harinas de maíz, almidón y calabaza cehualca.

MATERIALES Y MÉTODOS.

A. Materias primas Se utilizó calabaza (Cucurbita moschata D.) variedad cehualca, seleccionada en

base al grado de madurez. Asimismo, como fuentes de almidón se utilizaron harina de maíz blanco y almidón comercial marca Almex, estas fueron mezcladas con harina de calabaza cehualca. La proporción de la mezcla fue de 46% de harina maíz, 46% de almidón y 8% de calabaza. B. Proceso de extrusión

El proceso de extrusión se realizó en un extrusor monorosca, de laboratorio marca Brabender (20DN, modelo 8-235-00, Brabender OHG Duisburg, Alemania), con 3 zonas de calentamiento. Se utilizó una matriz con abertura de salida cilíndrica con diámetro de 2 mm, así como un tornillo con relación de compresión 3:1, esto con el propósito de obtener un alimento tipo botana expandido (tipo Cheeto). Durante el proceso se utilizó un flujo constante de ~40-50 g/min, manteniendo constante la velocidad de tornillo. C. Análisis fisicoquímicos. 1. Densidad aparente (DA).

Para la determinación de la densidad aparente en el producto extrudido se utilizó la siguiente ecuación: Donde, d (mm) es el diámetro promedio del producto extrudido y l (mm) es la longitud. La densidad aparente se calculó dividiendo el peso de la pieza entre su volumen aparente (Gujska y Khan 1990). Cada valor fue el promedio de 15 mediciones. 2. Diferencia total de color

El color de las muestras se determinó con un colorímetro triestímulo Hunter Lab (MiniScan Hunter Lab, modelo 45/0L, Hunter Associates Lab., Ind., USA). Se utilizó como estándar para su calibración el mosaico color blanco los valores L, a y b definidos (L=97.46, a=0.26, b=2.006). Las lecturas de las muestras se registraron por quintuplicado. La diferencia total de color, de la muestra representativa para cada tratamiento experimental, se expresó en función del valor ∆E que se obtiene utilizando la siguiente fórmula: Cálculos: ∆E=[(∆L)2 + (∆a)2 + (∆b)2]1/2 Donde: ∆L, ∆a y ∆b = Diferencia de color de los valores L*, a* y b* de los productos extrudidos con respecto al mosaico. 3. Fuerza de penetración. (FP)

La fuerza de penetración requerida para determinar la firmeza de los productos (extrudidos) se determinó usando un texturómetro Instron 3342 de acuerdo con los métodos


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reportados por Zazueta-Morales (2003), en modo de compresión, por punción, para determinar la fuerza requerida para penetrar el producto extrudido y registrar el área bajo la curva de deformación (N) . 4. Índices de adsorción (IAA) y solubilidad en agua (ISA)

Se determinaron de acuerdo al método descrito por Anderson y col. (1969), el IAA se reportó en g agua adsorbida/g de sólidos secos. Con el sobrenadante obtenido de la determinación de IAA, se realizó la técnica de ISA y se reportó en porcentaje (%). D. Análisis microestructurales 1. Perfiles de viscosidad

Las características de viscosidad se evaluaron utilizando un equipo “Rapid Visco-Analyzer” (RVA), modelo 3C (Newport Scientific PTY Ltd., Sydney, Australia) siguiendo las especificaciones del manual de operación. 2. Análisis de Rayos X

Esta propiedad se determinó empleando un difractómetro de Rayos-X Rigaku (Modelo Ultima D/Max-2100, Rigaku Denki Co. Ltd, Japón), de acuerdo con el procedimiento descrito por Martínez-Flores (1997). Se utilizó un potencial de 30 kV, una corriente de 16 mA, con incrementos (step size) de 0.02°. El ángulo de barrido 2θ fue de 4 a 50° con una velocidad de 4.5°/min y un ángulo de incidencia de 5°. E. Análisis estadístico

Se utilizó un diseño central compuesto rotable de dos factores (Tabla 1) evaluando el efecto de la temperatura de extrusión y del contenido de humedad. El modelo fue ajustado para cada respuesta, analizando los datos obtenidos con el paquete estadístico Design Expert 7 (Stat-Ease 2008).

Tabla 1. Diseño experimental para el estudio de extrusión para 2 factores.

TRATAMIENTO TEMPERATURA

(°C)

HUMEDAD

(%)

1 120 15.5

2 160 15.5

3 120 20.5

4 160 20.5

5 111.72 18


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6 168.28 18

7 140 14.46

8 140 21.5

9 140 18

10 140 18

11 140 18

12 140 18

13 140 18

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

A. Análisis fisicoquímicos 1. Densidad aparente (DA)

En el análisis de esta respuesta se utilizó un modelo cuadrático dando valores de R2

ajustada= 0.89 y CV= 12.33%, sin presentar falta de ajuste (p=0.218). Los valores de densidad aparente (DA) se encontraron en un rango de 127.94 a 602.44 Kg/m3. En la Figura 1A se muestra el efecto que tuvo la temperatura (TE) y la humedad (CH) sobre la DA. Se puede observar que a mayor TE y menor CH la DA disminuyó, esto debido a la degradación del almidón. Un incremento en el CH en todo el rango de TE tiende a aumentar DA, este efecto es consecuencia de mayor fluidez y al efecto lubricante proporcionado por el CH, lo cual disminuye el daño mecánico del extrusor sobre el almidón. 2. Fuerza de penetración (FP)

Para el análisis de esta respuesta se utilizó un modelo cuadrático dando valores de R2

ajustada= 0.67 y CV= 10.70%, sin presentar falta de ajuste (p= 0.27). En la Figura 1B se muestra que al incrementar la temperatura (TE) y disminuir el contenido de humedad (CH), la fuerza de penetración (FP) disminuyó, esto está relacionado con el índice de expansión y densidad aparente, ya que al obtener productos más expandidos y con menor densidad aparente se presentan celdas de aire con paredes más delgadas, lo cual resulta en menores valores de FP.


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Figura 1. Efecto de la temperatura de extrusión y contenido de humedad sobre la densidad aparente (DA) (Figura A) y fuerza de penetración (FP) (Figura B) de alimentos botana directamente expandidos 3. Diferencia total de color (∆E)

A)

B)


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En la Figura 2A se presentan los valores obtenidos para la diferencia total de color de las harinas de los productos extrudidos respecto al blanco. En la figura se aprecia que el ∆E presenta valores mínimos a baja temperatura (TE) y humedad (CH). Esto puede deberse a que en estas condiciones se pudo haber provocado menor pérdida de pigmentos y oscurecimiento en las muestras y por lo tanto menores cambios de color. 4. Índice de adsorción de agua (IAA) Para el análisis de esta respuesta se utilizó un modelo cuadrático dando valores de R2

ajustada= 0.74 y CV= 2.67%, sin presentar falta de ajuste (p =0.07). En la Figura 2B se puede observar que el índice de adsorción de agua (IAA) aumenta conforme va disminuyendo el contenido de humedad (CH) a lo largo del rango de temperatura (TE) estudiado. Tambien, se puede observar que a altos CH el IAA disminuye, debido probablemente al efecto lubricante del agua disminuyendo la severidad del proceso provocando una menor degradación del almidón. 5. Indice de solubilidad en agua (ISA) Para el análisis de esta respuesta se utilizó un modelo cuadrático dando valores de R2

ajustada= 0.68 y CV= 13.24%, sin presentar falta de ajuste p= (0.09). En la Figura 2C se muestra que al aumentar la temperatura (TE) hasta aproximadamente 140°C y el contenido de humedad (CH), el índice de solubilidad en agua (ISA) aumentó. Esto es probablemente debido a que en


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Figura 2. Efecto de la temperatura de extrusión y contenido de humedad sobre la diferencia total de color (∆E) (Figura A), índice de adsorción de agua (IAA) (Figura B) e índice de solubilidad en agua (ISA) (Figura C) de alimentos botana directamente expandidos


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estas condiciones se presentó una mayor cantidad de material gelatinizado provocando una mayor precipitación de componentes solubles. B. Análisis microestructurales 1. Perfiles de viscosidad

En la Figura 3A se puede observar los perfiles de viscosidad de la mezcla empleada para la elaboración de botanas, sin proceso de extrusión (C), así como el perfil de la harina del producto extrudido (D). Se aprecia que la mezcla sin extrudir, no absorbe agua inicialmente, sin embargo al ir aumentando la temperatura aproximada hasta los 90°C se muestra un incremento en la viscosidad hasta 900 cP. Por otro lado, la viscosidad inicial de las muestras extrudidas es mayor, esto se debe a que ya han sido sometidas a un tratamiento térmico por lo cual los almidones presentan degradación y la etapa de adsorción de agua se produce desde el inicio de la prueba. 2. Análisis de Rayos X

En la Figura 3B se muestran los difractogramas de rayos X del almidón de maíz nativo (E) y del producto extrudido (F). La muestra sin extrudir presentó un patrón de rayos X tipo A típico de almidones de cereales con dos picos principales a valores 2θ de ≈15.1 y ≈23.2 Å. Asimismo, el patrón de las muestras extrudidas fue tipo Vh, característico de productos extrudidos, con un pico principal a valores 2θ de ≈20, el cual pudo deberse a la formación de complejos amilosa-lípidos, debido en gran parte a moléculas de amilosa retrogradada.


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Figura 3. Perfil de viscosidad de la mezcla empleada antes (C) y después (D) del proceso de extrusión (Figura A) y Patrón de difracción de rayos X de la muestra sin extrudir (E) y con proceso de extrusión (F) (Figura B) CONCLUSIONES


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La mezcla empleada en el proceso de extrusión (46% Maíz, 46% almidón, 8% calabaza) presentó características fisicoquímicas aceptables en la elaboración de productos directamente expandidos. El modelo matemático utilizado en el análisis de datos del estudio de extrusión fue adecuado para la mayoría de las respuestas, sin presentar falta de ajuste. Los resultados obtenidos por medio de análisis de rayos X y perfiles de viscosidad sugieren que los productos presentaron modificaciones en sus estructuras nativas. Fue posible obtener un alimento tipo botana directamente expandido elaborado a partir de la mezcla de maíz, almidón y calabaza, el cual presentó buenas características fisicoquímicas y funcionales. BIBLIOGRAFÍA Anderson, R.A., Conway, H.F., Pfeifer, V.F. y Griffin, E.L. 1969. Gelatinization of corn grits by

roll and extrusion cooking. Cereal Science. 14: 4,11,12. Gujska, E y Khan, K. 1991. Effect of temperature on properties of extrudates from high starch

fractions of navy, pinto bean meal (Phaseolus vulgaris L.). J. Food Sci. 55:466-469. Martínez-Bustos, F. 1999. A Tecnologia de extrusão como instrumento no desenvolvimiento

de novos produtos. Apoyo del curso princípios teóricos e práticos na elaboração de “snacks” por extrusão termoplástica.

Martínez-Flores, H.E. 1997. Estudios bioquímicos y nutricionales en tortilla de maíz elaboradas por un proceso de extrusión. Tesis Doctoral. Centro de investigación y de estudios avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN). Departamento de Biotecnología y Bioingeniería. México, DF. México.

Stat-Ease. 2008. Desing-expert versión 7.1.6. Stat-Ease, Inc. East 2021 Hennepin Ave., Suite 1991. Minneapolis, MN 55413.

Van Hulle, G.J., Ander, C.A. y Franssell, D.E. 1983. Method for preparing sugar coated, puffed snacks upon microwave heating. US patent 4,251,551.

Zazueta-Morales, J.J. 2003. Extrusión de maíz (Zea mays L.) azul: efecto del hidróxido de calcio sobre las propiedades fisicoquímicas y funcionales. [Tesis de doctorado] Santiago de Querétaro, Qro.: Universidad Autónoma de Querétaro. Disponible en: Programa de postgrado en alimentos del centro de la república. Santiago de Qro. Querétaro.

ABREVIATURAS

% Porciento g.s.s. Gramos de sólidos secos. ∆E Diferencia total de color IAA Índice de adsorción de agua ° Grados ISA Índice de solubilidad en agua °C Grados Celsius L* Parámetro Hunter-Lab Å Amstrongs RVA Rapid visco-analyzer. a* Parámetro Hunter-Lab TE Temperatura de extrusión b* Parámetro Hunter-Lab CH Humedad CV Coeficiente de variabilidad DA Densidad aparente. FP Fuerza de penetración g Gramos g.a.a Gramos de agua adsorbida

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