QUÍMICA DE LOS CEREALES

• 1. INTRODUCCIÓN• 2. ANATOMÍA DEL GRANO: COMPOSICIÓN

GENERAL• 3. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS

CEREALES• 4. ALMIDÓN Y ALMIDONES MODIFICADOS• 5. QUÍMICA DE LA PANIFICACIÓN

1. INTRODUCCIÓN• Fuente principal de alimentos para el hombre

• Se cultivan: trigo, arroz, maíz, cebada, sorgo, avena, mijo, centeno y triticale (cruce de trigo y centeno)

• Producción mundial aprox. 1 600 millones de Tm (arroz, trigo y maíz, 3/4 partes)

• Consumo:- Trigo: pan y otros productos horneados- Arroz: alimento básico en Oriente (88%)- Maíz: fundamentalmente América del Sur- Sorgo y mijo: grandes áreas de Africa

• Uso:- consumo directo- piensos- Industrial: almidón (maíz), cerveza (cebada), aceite comestible

2. ANATOMÍA DEL GRANO: COMPOSICIÓN GENERAL

• Además, los granos de arroz, avena y cebada presentan una cubierta lignocelulósica (cascarilla)

COMPONENTES SEGÚN CAPAS DEL GRANO

• Pericarpio: rico en celulosa

• Testa (o tegmen): sustancia grasa pigmentos (coloración típica del grano)

• Capa de aleurona: glóbulos de grasa y proteína

• Endospermo: rico en almidón. Poca proteína y grasa

• Germen: rico en lípidos y proteínas. Poco almidón

El endospermo forma el 70-83% del peso del grano, las capas más externas del salvado junto con la capa de aleurona hasta el 15% y el germen del 2-11%

3. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS CEREALES

3.1. HIDRATOS DE CARBONO

• Almidón

• Hemicelulosas (pentosanas)

• Celulosa

• Mono y oligosacaridos- sacarosa (di)- rafinosa (tri)

3.2. PROTEÍNAS

• Concentración no uniforme: alta concentración en las capas más externas del endospermo (subaleurónicas), en la capa de aleurona y en el germen: OJO MOLIENDA

• Fundamentalmente:- prolaminas (solubles alcohol 70%)......GLIADINAS (trigo, 69%)- glutelinas (insolubles alcohol 70% y disol.salinas)...GLUTENINAS

(trigo,16%) (arroz, 80%)

GLIADINAS + GLUTENINAS = GLUTEN

• Además albúminas y globulinas (alta activ. enzimática)

• Son proteínas de bajo VB, deficitarias en lisina

3.3. LÍPIDOS

• Contenido medio: 1-4 % del peso del grano (avena 9-10%)

• Distribución: testa y aleurona (80%), germen.

• Fundamentalmente triacilglicéridos y fosfolípidos

• También mono y diglicéridos y A.G. libres

• Existe una fracción que se encuentra químicamente

combinada al almidón: “ lípidos por hidrólisis” (sólo se

extraen con eter tras hidrólisis)

3.4. VITAMINAS Y MINERALES

• Vitaminas del grupo B: niacina, ac. pantoténico, piridoxina, tiamina

• Minerales: P, K, Mg (fosfatos y sulfatos de K, Mg y Ca, 85%)

• Ácido fítico (hexafosfato de mioinositol)Fitina: sal Ca 2+ /Mg 2+ del ácido fítico

Importancia en nutrición:- el P fítico se asimila mal- además es quelante ----> disminuye la asimilación de otros iones (Ca, Mg, Zn, Fe, Cu...)

(existen fitasas termorresistentes que actuan durante la panificación, hidrolizando la fitina y liberando el grupo fosfato)

4. ALMIDÓN Y ALMIDONES MODIFICADOS

4.1. EL ALMIDÓN

• Se encuentra en el endospermo de cereales en forma de gránulos de distinto tamaño y forma según cereal

• Birrefringentes: “cruz de Malta” bajo luz polarizada----> desaparece durante la gelatinización

4.1.2. PROPIEDADES DE LOS CONSTITUYENTES DEL ALMIDÓN

• A) AMILOSA- Se dispersa en agua /Q- Al enfriar -----> GELIFICA O RETROGRADAFundamento:

* en agua/ Q las cadenas lineales de la amilosa están desordenadas, y al enfriarse se asocian por puentes de H en un retículo que solidifica en forma de gel: GELIFICA

* si la disolución de amilosa es diluída o se enfría muy lentamente, las moléculas lineales se ordenan en haces cristalinos que precipitan: RETROGRADA

B) AMILOPECTINA

• Poca tendencia a retrogradar

• Agua/ Q ---> disoluciones viscosas que no gelifican al enfriar ( por la estructura ramificada)

Los almidones normales tienen 20-25% de amilosa,

las variedades céreas es casi todo amilopectina

Importante:

no confundir gelatinización con gelificación

GELATINIZACIÓN

* Proceso de hinchamiento y ruptura de los gránulos de almidón. A la tª de gelatinización (55- 75ºC, según cereales) el gránulo pierde su estructura organizada y ya no se observa la cruz de Malta* La tª de gelatinización marca el nivel energético por encima del cual se pueden empezar a disociar los puentes de H entre cadenas vecinas

GELIFICACIÓN

* Proceso de formación de un gel* Al enfriarse las soluciones calientes de almidón por unión entrecruzada de cadenas de amilosa

4.1.3. ALMIDONES MODIFICADOS

• Almidón: ingrediente usual en la preparación de distintos tipos de alimentos (sopas, precocinados, postres...)

• En cada alimento ha de aportar diferentes características:- consistencia al paladar- viscosidad- formación de geles

• Ha de suministrar estabilidad en la fabricación y almacenamiento

• Necesidad de preparar distintos almidones modificados con distintas características, por lo que se someten a :- modificación física: pregelatinización-modificación química: oxidación, esterificación...

ALMIDONES MODIFICADOS MÁS IMPORTANTES

PROCESOS MÁS COMUNES PARA LA OBTENCIÓN DE ALMIDONES MODIFICADOS

A) PREGELATINIZACIÓN

• Obtención: a partir de almidón que ha sido cocido o

gelatinizado (pasta agua- almidón entre rodillos calientes)

y luego secado

• Características: hincha en frío

• Aplicación:

- bebidas instantáneas de cacao

- postres instantáneos

B) FLUIDIFICACIÓN POR ÁCIDOS

• Obtención: calentar a tª suave (50ºC) una suspensión de

almidón en HCl diluído + filtrar + lavar + secar

• Características: se produce hidrólisis parcial de amilosa y

amilopectina (desramificación)

- producto que en caliente presenta baja viscosidad

- al enfriar retrograda y gelifica mejor que el almidón natural

• Aplicación:

- caramelos

- confites de estructura gomosa

C) INTRODUCCIÓN DE CADENAS LATERALES EN LOS GRUPOS OH

C1. Por enlace éter

• Fórmula

• Características: - disminuye la ordenación cristalina por lo que disminuye la tª de gelatinización- hay más átomos de O que forman puentes de H con el agua --> absorben y retienen más agua --> mayor capacidad de hinchamiento- el impedimento de las cadenas laterales hace que gelifiquen mal y no retrograden --> soluciones frías viscosas

• Aplicación: salsas o cremas espesas para platos congelados (retienen agua --> disminuye exudación en congelación/ descongelación)

C2. Por formación de éster fosfórico

• Fórmula• Características:

- la presencia de grupos fosfato disminuye la tª de gelatinización- hinchan mucho en agua fría- se pueden obtener pastas de elevada viscosidad, transparentes, que no retrogradan

• Aplicación: - textil- papelera- alimentaria (alimentos que han de sufrir congelación/ descongelación)

C3. Por formación de grupos de éster acético

• Fórmula

• Características: - disminuyen la tª de gelatinización- disminuyen la capacidad de retrogradación y gelificación- no aumenta la retención de agua- dan soluciones claras y estables

• Aplicación: - lacas y barnices- seda al acetato- película fotográfica- poco uso en la industria alimentaria

C4. Introducción de cadenas laterales iónicas

• Fórmula

• Características: los grupos iónicos confieren una elevada capacidad de solvatación, por lo que:- aumenta la capacidad de retención de agua- hincha muy rápidamente

• Aplicación: - espesante en la industria alimentaria- industria textil y papelera

D. ALMIDONES OXIDADOS

• Obtención: tratamiento con- ácido peryódico: más usado en papeleras y curtidos- hipoclorito: autorizado para alimentación

oxidación del C6 a carboxilo, otros OH a carbonilo, e hidrólisis de las cadenas

• Características:- tª de gelatinización y viscosidad menor que en almidón natural- pastas muy estables al enfriamiento (poca retrogradación y gelificación)

• Aplicación:- chocolate instantáneo ( alimentos con alto % de sólidos y viscosidad moderada)

E. ALMIDONES CON ENLACES CRUZADOS

• Obtención: reacción con oxicloruro de P, tripolifosfato Na, dialdehídos y dianhídridos terminales, epiclorhidrina (fórmulas)

• Características:- menor absorción de agua- gelatiniza a tª más altas- da soluciones más viscosas cuanto mayor es su tamaño molecular- gran estabilidad a tratamientos térmicos y ácidos

• Aplicación:- alimentos que han de sufrir esterilización o han de prepararse a pH ácido)

5. QUÍMICA DE LA PANIFICACIÓN

5.1. FASES DE LA PANIFICACIÓN

a) AMASADO

• Mezcla de harina, agua, sal y levadura---> obtención de la

masa panaria (elástica)

• Funciones:

- hidratación de los componentes

- desarrollo de la masa: se va formando la red de gluten

que englobará al CO2

- incorporación de aire

b) FERMENTACIÓN: las levaduras fermentan los azúcares (25-30ºC) -----> desprenden CO2 y aromas

• azúcares que fermentan:- preexistentes inicialmente....se agotan rápidamente- las amilasas producen maltosa y glucosa (desde que existe humedad suficiente)

• aparición de aromas (compuestos volátiles):- alcoholes y aldehídos ---> aroma típico a pan cocido

• desprendimiento CO2:- gracias a su elasticidad la masa panaria pude retener el gas generado- aumenta su volumen ---> la masa se “esponja”

c) COCCIÓN: se forma el pan por endurecimiento de la masa con dos partes diferenciadas

• corteza (tª > 100ºC):- producida por evaporación de agua (dura)- en ella se produce caramelización de azúcares y R. Maillard ---> formación de color

• miga (tª < 100ºC):- actividad de las levaduras con desprendimiento de CO2 (impulso

horno)- gelatinización del almidón (55ºC)- coagulación del gluten (> 70ºC)

5.2. PAPEL DE LAS PROTEÍNAS EN LA PANIFICACIÓN5.2.1. Proteínas no enzimáticas: gluteninas y gliadinas

• Las proteínas constituyen el 9-13 % del peso de la harina

• El 85% de ellas (+ agua) tienen la capacidad de formar GLUTEN

• GLUTEN (confiere a la masa capacidad de retener gas)- Aislamiento: sometiendo a la masa a trabajo mecánico bajo corriente de agua- El gluten aislado aumenta:

# cohesividad# extensibilidad # elasticidad

Proteínas que componen el gluten:• Gluteninas (16% aprox.):

- son glutelinas ---> solubles en ácidos y bases diluidas- de elevado Pm- con agua forman una masa muy tenaz y elástica

• Gliadinas (69% aprox.):- son prolaminas ---> solubles en alcohol al 70%- de bajo Pm- con agua forman una masa fluida y poco elástica

Así, el gluten presenta propiedades intermedias

El resto de proteínas de la harina (15% aprox.) son albúminas (solubles en agua) y globulinas ( solubles en Na Cl) ---> fundamentalmente proteínas enzimáticas

• El elevado Pm de las gluteninas es debido a a asociación de cadenas de < Pm mediante puentes S-S intermoleculares- Si:

-S-S- ------------------> -SH + SH-· pierde sus propiedades mecánicas· adquiere prop. viscoelásticas

semejantes a las gliadinas

reducción

FUERZA DE LAS HARINASa) harinas fuertes: retienen CO2, dan panes esponjados (gluteninas con muchos S-S ---> est. reticular)

b) harinas flojas: panes más densos (gluteninas con pocos -S-S-, y Pm bajo)

MEJORANTES DE LAS HARINAS

La adición de agentes químicos permite regular la proporción relativa de enlaces cruzados y modificar las características reológicas de la masa

• a) Agentes oxidantes: para aumentar la fuerza de las harinas - bromatos- persulfatos- vitamina C (dehidroascórbico)

Produce:- mantenimiento de S-S- formación de nuevos S-S

• b) Agentes reductores: para harinas con demasiada fuerza, poco extensibles- Na H SO3 (sulfitos)- Cisteína (-SH)- Glutatión (tripéptido)

Producen- ruptura de S-S- disminución tiempo amasado- mejora propiedades reológicas de la masa

5.2.2. Proteínas enzimáticas: amilasas

- amilasa: liberan dextrinas (8-14 unidades glucosa)- hidrolizan enlaces (1-->4)- al azar, rompen enlaces internos a ambos lados de las ramificaciones- no hidrolizan enlaces (1-->6) (respetan ramificaciones)- liberan fragmentos más cortos (dextrinas).......y luego, maltosa/ maltotriosa- la actividad -amilolítica es:

· elevada en la maduración del grano· baja en el grano maduro

amilasa: liberan maltosa (2 unidades glucosa)- hidrolizan enlaces (1-->4)- empiezan el ataque sólo por extremo reductor - no hidrolizan enlaces (1-->6) (respetan ramificaciones)- liberan maltosa- queda dextrina limite residual-la actividad -amilolítica es:

· elevada en la maduración del grano· se mantiene en el grano maduro

Los enlaces (1-->6) son hidrolizados por otras enzimas (glucoamilasas o amiloglucosidasas) ---> glucosa + maltosa

• Las amilasas actúan:

- desde el amasado........mezclado de ingredientes para dar

la masa panaria

- hasta la cocción.........en que se desnaturalizan ( -

amilasa + termorresistente)

• Aportan maltosa para la fermentación (por las levaduras)

- la velocidad de formación de la maltosa depende de la

concentración de amilasas y de % de álmidón utilizable

Es importante la % -amilasa/ -amilasa (normalmente > % de )

• si hay elevada actividad amilolítica (p.e. en harinas de trigo con muchos granos germinados):- se forma mucha % de dextrina- debilita la miga, se hace más pastosa y pegajosa

• si hay una actividad amilolítica intermedia:- % dextrinas adecuado- durante la cocción se produce pirólisis de las dextrinas- producción de miga y corteza del pan adecuadas

• si hay una baja actividad amilolítica :- % dextrinas bajo- producción de corteza pálida, poco quebradiza- en últimas fases de cocción faltan azúcares---> falta CO2---> el

pan no” levanta “

• la actividad actividad amilolítica :- da elevada % de maltosa- se forma color tostado- se forma aroma - producción de gases

• Posibilidad de adecuación de la actividad enzimática por adición de enzimas industriales

5.3. PAPEL DE LOS LÍPIDOS EN LA PANIFICACIÓN

• 25% de los lípidos está ligados al almidón ( a las cadenas helicoidales de la amilosa en el interior del grano)

• Lípidos libres:- triglicéridos (55%)- glicolípidos (galactosilgliceridos)- fosfolípidos (lecitinas)

• En la panificación, los lípidos que cumplen misión más importante son los polares (fosfolípidos y glicolípidos)- agentes humectantes: facilitan hidratación de la harina- permiten ordenación y desplazamiento de proteínas en el amasado- lípidos polares+ proteína-->asociaciones en doble capa-la adición de glicolípidos aumenta la calidad de la masa panaria porque liga el almidón y las glutelinas

5.4. PAPEL DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN LA PANIFICACIÓN

• a) ALMIDÓN- diluye el gluten dando consistencia adecuada a la masa- fuente de maltosa y glucosa para la fermentación- gelatiniza y retiene agua---> contribuye a la textura del pan- causa principal del valor calórico del pan

• b) HEMICELULOSAS SOLUBLES EN AGUA- producen absorción de H2O ---> mejora el volumen del pan y su textura- disminuye tiempo de amasado

• c) AZÚCARES- contribuyen al sabor del pan- constituyen el sustrato principal de la fermentación- intervienen en el desarrollo del color de la corteza- influyen en la textura y aspecto del producto final horneado