INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Centro de Desarrollo de Productos Bióticos

PRODUCCIÓN DE ALMIDONES PREGELATINIZADOS A PARTIR DE MEZCLAS DE ALMIDONES DE FUENTES NO CONVENCIONALES USANDO UN EXTRUSOR DE DOBLE TORNILLO

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS

P R E S E N T A: I. B. Q. NANCY MANRIQUE QUEVEDO DIRECTOR: DR. LUIS ARTURO BELLO PÉREZ.

Yautepec, Morelos 2006

ESTE TRABAJO FUE REALIZADO EN EL LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DEL DEPARTAMENTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO DEL CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS Y EL DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE ALIMENTOS DE LA UNIVERSIDAD DE NOTTINGHAM CAMPUS EN SUTTON BONINGTON, INGLATERRA, BAJO LA DIRECCIÓN DEL DR. LUIS ARTURO BELLO PÉREZ. EL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN SE REALIZÓ GRACIAS AL APOYO ECONÓMICO OTORGADO POR CONACYT Y POR EL PROGRAMA

INSTITUCIONAL

INVESTIGADORES (PIFI).

DE

FORMACIÓN

DE

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL COORDINACIÓN GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

CARTA CESIÓN DE DERECHOS En la Ciudad de Yautepec, Morelos el día 01 del mes de Agosto del año 2006, el que suscribe IBQ. Nancy Manrique Quevedo alumna del Programa de MAESTRÍA EN DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS con número de registro B040682, adscrita al Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, manifiesta que es autora intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección del Dr. Luís Arturo Bello Pérez y cede los derechos del trabajo intitulado “Producción de almidones pregelatinizados a partir de mezclas de almidones de fuentes no convencionales usando un extrusor de doble tornillo” al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación. Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección: Carretera YautepecJojutla, Km. 8.5, Col. San Isidro, Apartado Postal 24, 62731 Yautepec, Morelos, México. Fax: 01 (55) 57296000 ext. 82512. Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

Agradecimientos A mi director de tesis el Dr. Luis Arturo Bello Pérez por permitirme ser parte de su equipo de trabajo y así darme la oportunidad de llevar a cabo la realización de esta tesis. También le agradezco por brindarme su amistad y sobre todo por enseñarme que con disciplina uno puede alcanzar lo que se proponga. Muchas gracias. A los profesores del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del Instituto Politécnico Nacional (CeProBi-IPN) especialmente a los que pertenecen al Departamento de Desarrollo Tecnológico por el apoyo brindado durante mis estudios de posgrado.

M. en C. Ma. Guadalupe del Carmen Méndez Montealvo, Dra. Rosalía A. González Soto, M. en C. Francisco Javier García Suárez, Dra. Rosalva Mora Escobedo y el Dr. José J. Berrios; a todos ellos por compartir sus conocimientos y darme sus opiniones para mejorar este trabajo.

Dr. Imad Farhat, el Dr. Madian Abu-Hardan y el M. en C. George Kaparakis del Departamento de Ciencias de Alimentos de la Universidad de Nottingham, Campus en Sutton Bonington, Inglaterra por todo el apoyo técnico brindado; también agradezco el apoyo y el cariño recibido por la cDra. Angélica Piedad Sandoval de la Universidad del Valle de Cali, Colombia. CONACyT y el Programa Institucional de Formación de Investigadores (PIFI) por el apoyo financiero otorgado para realizar este trabajo de investigación.

Dedicatoria A mis padres (Josefina y Vicente) por todo su apoyo, cariño, bendiciones y consejos para ser una persona de bien y así poder alcanzar mis metas y tener una mejor calidad de vida. A mis hermanos (Nadia y Jorge) por todo su apoyo, comprensión y ánimo, esperando que esta meta alcanzada los inspire a superarla. A mi gordis (Amín Fabián), por todo su amor, entusiasmo, paciencia y confianza durante todo este tiempo que hemos estado juntos. A mis amigos del Departamento de Desarrollo Tecnológico: Mis darling´s (Alejandra y José Brito), Emmanuel Flores, Juan Pablo, Lorenita, Paúl, Alejandro, Polo, Doña Josefina, Felipe y a mi compadre José Juan; a todos ellos por inyectarme su entusiasmo para llevar a cabo este proyecto y sobre todo por permitirme ser su amiga. A mis amigos de muchos años, que a pesar de la distancia pude ver y sentir sus muestras de cariño, apoyo y ánimo en esta difícil etapa de mi vida (Gricelda, Felipe, Marcelo, José Manuel, Juan Torruco, Issis, Maryali, Edna Noemí, Enrique, José Luís Salgado, Gina, Néstor y José Luís Pastrana). A mis compañeros de generación por mostrarme su apoyo y compañerismo: Denisse Ubaldo, Karol Rodríguez, Gabriela Flores, Alicvajan Díaz, Juan José Francisco y Jorge Martínez.

INDICE LISTA DE FIGURAS LISTA DE CUADROS LISTA DE ABREVIATURAS RESUMEN ABSTRACT

Página I II III V VI

I. Introducción

1

II. Antecedentes 2.1. El almidón 2.1.1. Generalidades 2.1.2. Estructura del almidón 2.1.3. Estructura del gránulo de almidón

3 3 3 6 7

2.2. Cambios en el almidón producidos por tratamientos hidrotérmicos. 2.2.1. Gelatinización 2.2.2. Retrogradación

11

2.3. Fuentes del almidón 2.3.1. Generalidades 2.3.2. Fuentes no convencionales 2.3.2.1. El mango 2.3.2.1.1. Origen 2.3.2.1.2. Producción e importancia económica 2.3.2.1.3. Clasificación y descripción botánica 2.3.2.1.4. Composición química 2.3.3. El plátano 2.3.3.1. Origen 2.3.3.2. Producción e importancia económica 2.3.3.3. Clasificación y descripción botánica 2.3.3.4. Composición química

14 14 14 14 14 15 16 16 17 17 17 17 19

2.4. Usos del almidón

19

2.5. Modificación del almidón 2.5.1. Tipos de modificación

20 20

2.6. Almidones pregelatinizados 2.6.1. Generalidades 2.6.2. Producción por diversos métodos 2.6.2.1. Extrusión 2.6.2.2. Clasificación de extrusores 2.6.2.2.1. Por el número de tornillos 2.6.2.2.2. Por la intensidad de cizalla 2.6.2.2.3. Por la generación de energía térmica 2.6.2.3. Proceso fundamental de la extrusión 2.6.2.4. La estructura interna de los almidones y su relación con la extrusión.

21 21 21 22 23 23 24 25 25 26

11 12

2.6.2.5. Almidón resistente 2.6.3. Aplicaciones de almidones pregelatinizados.

29 31

III. Justificación

32

IV. Objetivos

33

V. Estrategia experimental

34

VI. Materiales y Métodos

35

6.1. Materiales 6.1.1. Materia Prima 6.1.2. Reactivos 6.2. Métodos 6.2.1. Aislamiento del almidón 6.2.2. Preparación de las muestras extrudidas 6.2.3. Características estructurales de los extrudidos 6.2.3.1. Difracción de rayos X 6.2.3.2. Espectroscopia de infrarrojo 6.2.4. Propiedades funcionales 6.2.4.1. Índice de absorción de agua e índice de solubilidad en agua 6.2.4.2. Grado de gelatinización 6.2.4.3. Determinación de color. 6.2.5. Determinación del contenido de almidón resistente 6.2.6. Análisis estadístico VII. Resultados y discusión 7.1. Aislamiento del almidón 7.2. Determinación de color 7.3. Grado de Gelatinización 7.4. Características estructurales de los extrudidos 7.4.1. Difracción de rayos X 7.4.2. Espectroscopia de infrarrojo 7.5. Propiedades funcionales 7.5.1. Índice de absorción de agua e índice de solubilidad en agua 7.6. Almidón resistente

35 35 35 36 36 37 37 37 38 38 38 39 39 41 42 44 43 43 47 49 49 51 53 53 57

VIII. Conclusiones

59

IX. Bibliografía

60

LISTA DE FIGURAS

No.

Página

1

Estructura química de los componentes del almidón.

8

2

Modelo del gránulo de almidón a sus dos estructuras

9

amorfas y cristalinas. 3

Patrones de difracción de rayos X de almidones tipo –A,-B,-

10

C y –V. 4

Mecanismo de la gelatinización del almidón.

13

5

Cambios del gránulo de almidón por la fuerza de cizalla

28

ejercida dentro del extrusor. 6

Diagrama de flujo para la producción de almidones

34

pregelatinizados a partir de fuentes no convencionales y su caracterización parcial. 7

Imágenes de los almidones pregelatinizados de los

46

controles de: a) almidón de mango y b) almidón de plátano a las dos velocidades de tornillo estudiadas. 8

Difractogramas de rayos X de los almidones nativos y de la

50

mezcla de los almidones pregelatinizados.

I

LISTA DE CUADROS

No. 1

Página Características morfológicas y contenido de amilosa de los

4

gránulos de almidón 2

Composición química de los gránulos de almidón

5

3

Principales países productores de cultivo de mango a nivel

15

mundial 4

Componentes del color en las mezclas de almidones

44

pregelatinizados a la velocidad de tornillo de 200 rpm 5

Componentes del color en las mezclas de almidones

45

pregelatinizados a la velocidad de tornillo de 250 rpm 6

Grado de gelatinización (GG) en la mezclas de almidones

48

pregelatinizados a dos velocidades de tornillo. 7

Relación de las absorbancias (1045/1022) de la mezcla de

52

almidones pregelatinizados estudiadas por espectroscopia de infrarrojo. 8

Índice de absorción de agua (IAA) en la mezclas de

55

almidones pregelatinizados a dos velocidades de tornillo. 9

Índice de solubilidad en agua (ISA) en la mezclas de

56

almidones pregelatinizados a dos velocidades de tornillo. 10

Contenido de almidón resistente (AR) en las mezclas de

58

almidones pregelatinizados a 2 velocidades de tornillo.

II

LISTA DE ABREVIATURAS

Anotación

Significado

%

Por ciento

µL

Micro litro

Å

Amstrom

AR CDB

Almidón resistente Calorimetría diferencial de barrido

cm

centímetro

Da

Dalton

g

Gramo

TM

Toneladas Métricas

GG

Grado de gelatinización

gn

Gravedad

GP

Grado de polimerización

h

Hora

HCl

Ácido clorhídrico

IAA

Índice de absorción de agua

ID

Intestino delgado

IG

Intestino grueso

ISA KCl-HCl kg KOH kV L L/D

Índice de solubilidad de agua Cloruro de potasio-ácido clorhídrico Kilogramo Hidróxido de potasio Kilovolt litro Longitud/diámetro

m

metro

M

Molaridad

mA

Miliamper

mg

Miligramos III

min

Minutos

mL

Mililitro

mM

Milimolar

nm

nanómetro

ºC

Grados centígrados

pH

Potencial de hidrógeno

rpm

Revoluciones por minuto

S

segundos

UK

Reino Unido

US

Unidades sag

USA

Estados Unidos Americanos

IV

RESUMEN El almidón nativo puede modificarse por medios físicos para producir almidón pregelatinizado. Estos almidones modificados a nivel industrial son llamados pregeles o almidones instantáneos. Actualmente, éstos son muy usados en las diferentes industrias por las propiedades que pueden proveer a productos alimenticios y farmacéuticos, mejorando las características de viscosidad y textura que imparten los almidones nativos. El objetivo de este estudio

fue obtener

almidones pregelatinizados (AP) a partir de mezclas de almidones de mango y plátano usando un extrusor de doble tornillo. Como variables independientes se estudiaron la proporción de los almidones en la mezcla y la velocidad del tornillo, sobre las características moleculares evaluadas mediante difracción de rayos X y espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier; se determinaron el grado de gelatinización, el índice de absorción en agua (IAA) e índice de solubilidad en agua (ISA), el color en las muestras extrudidas, así como en el contenido de almidón resistente (AR). Los almidones nativos de mango y plátano presentaron un patrón de difracción de rayos X tipo A y C respectivamente, ésta cristalinidad se perdió cuando se sometieron al proceso de extrusión, estos resultados se corroboraron con el estudio de espectroscopía de infrarrojo, ya que la relación de absorbancias en los AP fue