INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS

ANEXO. DESARROLLO TÉCNICO DE LA INVESTIGACIÓN INFORME FINAL PROYECTO SIP 20070772:

ASPECTOS FISICOQUÍMICOS, MOLECULARES Y ESTRUCTURALES DEL ALMIDÓN DE PLÁTANO MODIFICADO POR MÉTODOS

QUÍMICOS.

M. EN C. MIRNA MARÍA SÁNCHEZ RIVERA DIRECTOR DE PROYECTO

YAUTEPEC, MOR., FEBRERO DE 2008.

CONTENIDO RESUMEN INTRODUCCION MATERIALES Y METODOS RESULTADOS: 1. EXTRACCIÓIN DE ALMIDÓN DE PLÁTANO 2. ANÁLISIS PROXIMAL, CUANTIFICACIÓN DE AMILOSA Y AMILOPECTINA Y DEL ALMIDÓN TOTAL 3. ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICA Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA MODIFICAR EL ALMIDÓN DE PLÁTANO POR LOS MÉTODOS QUÍMICOS: 3.1 Modificación por oxidación 3.2 Modificación por litnerización 4. OBTENER ALMIDÓN MODIFICADO POR LOS DOS MÉTODOS QUÍMICOS. 5. MEDIR GRADO DE MODIFICACIÓN, CUANTIFICANDO EL % DE GRUPOS HIDROXILOS (-OH) QUE SON SUSTITUIDOS POR GRUPOS FUNCIONALES CARBONILO, CARBOXILO, (OXIDACIÓN) Y GRADO DE HIDRÓLISIS (LINTNERIZACIÒN). b) SEGUNDO AÑO: (2006) 6. ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICAS Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA REALIZAR EL ESTUDIO REOLÓGICO DE LOS ALMIDONES: 6.1 Estudio microviscoamilográfico 6.2 Realización de curvas de flujo 6.3 Comportamiento reológico a través de cinéticas de gelatinización y retrogradación 7. REALIZACIÓN DEL ESTUDIO TÉRMICO DE LOS DIFERENTES ALMIDONES MODIFICADOS 7.1 Determinación de la temperatura y entalpía de gelatinización 7.2 Determinación de la temperatura y entalpía de retrogradación 8. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL Y MOLECULAR DE LOS ALMIDONES 8.1 Difracción de Rayos X 8.2 microscopia de luz polarizada 8.3 FT-IR 9. PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS

9.1 Carga eléctrica 9.2 Isotermas de porción 10. GRADO DE SUSTITUCIÓN A DIFERENTES TIEMPOS DE REACCIÓN 10.1 Determinación de grupos funcionales c) TERCER AÑO: (2007) 11. ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICA Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA REALIZAR LOS ESTUDIOS ESTRUCTURALES A TRAVÉS DEL ANÁLISIS DE: 11.1 Cromatografía de líquidos por exclusión de tamaño 12. DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS 12.1 Capacidad de hinchamiento 12.2 Índice de solubilidad 13. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS 13.1 Comportamiento viscoelástico 14. ESTUDIO DE CINÉTICA QUÍMICA 14.1 Cinéticas de oxidación a diferentes condiciones de reacción 14.2 Establecimiento de técnica para determinar consumo de agente reactante 14.3 Estimación de parámetros cinéticos CONCLUSIONES IMPACTO PARA EL SECTOR PRODUCTIVO BIBLIOGRAFIA

RESUMEN

Se obtuvo almidón de plátano (Musa paradisiaca L) a partir de frutos verdes aplicando un

procedimiento semindustrial. Al almidón nativo se le aplicaron dos métodos de modificación

química: oxidación y lintnerización. Los almidones oxidados se obtuvieron utilizando hipoclorito

de sodio (NaOCl) al 1 % de cloro activo y a diferentes condiciones de pH, temperatura y tiempo

de reacción. Los almidones lintnerizados se obtuvieron con ácido clorhídrido (HCl) y a diferentes

tiempos de reacción. Los almidones modificados como el nativo fueron caracterizados desde el

punto de vista fisicoquímico, reológico, térmico y estructural. La concentración de amilosa

aparente en los almidones nativo, oxidado y lintnerizado fue de 36.39, 38.48 y 44.20 %,

respectivamente y de almidón total de 99.96 %, 94.93% y 90.01 % respectivamente. El mayor

contenido de amilosa y almidón total observado con la lintnerización, se relaciona a que este

tipo de modificación provoca mayor despolimerización e hidrólisis del almidón que la oxidación,

la cual introduce principalmente grupos funcionales carbonilo (C=O) y carboxilo a las moléculas

del almidón; en condiciones alcalinas (pH 9.5) y temperatura de 35 ºC se obtuvo un mayor

contenido de grupos COOH (0.03 %) que de C=O (0.013 %). El grado de sustitución (GS) que

es como se mide el nivel de modificación, en función de grupos funcionales introducidos, es

menor al reportado para otras especies vegetales, esto relacionado con el oscurecimiento

enzimático que presenta el almidón de plátano provocado por la presencia de pigmentos que el

agente oxidante también oxida, disminuyendo la concentración de cloro residual para oxidar las

moléculas del almidón. El nivel de modificación en el almidón lintnerizado medido por el grado

de hidrólisis, demostró que la estructura granular del almidón fue atacada principalmente los

primeros días.

La viscosidad de la pasta por RVA del almidón lintnerizado presentó la viscosidad de pico y de

cocción más baja que el oxidado y el nativo; relacionado con el mayor grado de hidrólisis de las

regiones amorfas que produce el HCl, incrementando las zonas cristalinas. Durante el

enfriamiento, la reasociación de las moléculas que fueron solubilizadas durante el

calentamiento; en el lintnerizado fue menor que en los otros almidones, debido a la producción

de cadenas cortas durante lintnerización.

En las curvas de flujo de los almidones oxidados a pH 7.5, 9.5 y 11.5 y diferentes temperaturas

y tiempos de reacción, los valores de esfuerzo de corte más altos se observaron con los que

presentaron GS más bajos a 1 y 2 horas de reacción. Los de mayor GS y 3 y 4 h de reacción,

presentaron los esfuerzos de corte más bajos (< 20 Pa), debido a una disminución del peso

molecular de las moléculas del almidón. Los esfuerzos de corte más altos (>110 Pa), se

registraron a 45 °C. El comportamiento de todos los almidones oxidados fue de tipo

pseudoplástico. Aplicando el modelo de Ley de la Potencia, el índice de comportamiento de

flujo (n) fue menor a 1 para todos los almidones oxidados a los diferentes pH, temperaturas y

tiempos de reacción y el índice de consistencia (k), confirmo que los almidones oxidados a 1 y 2

horas de reacción y con los mayores esfuerzos de corte, presentaron los valores más altos de

viscosidad. La viscosidad medida en cinéticas de gelatinización y retrogradación, en la etapa de

gelatinización, los almidones oxidados a pH 7.5 presentaron las viscosidades más bajas y en la

de enfriamiento, los geles mostraron la viscosidad más alta a 35 °C a los diferentes tiempos de

reacción. A pH 9.5 y 11.5, los geles de mayor consistencia fueron a 45 ºC a los diferentes

tiempos de reacción. A pH 11.5, la viscosidad fue la menor a 3 y 4 horas de reacción. En

comparación con a 9.5 y 7.5 a estos mismos tiempos.

El rango de gelatinización (RG), caracterizó en las propiedades térmicas; el almidón lintnerizado

mostró el valor más alto, sin embargo, la entalpía de gelatinización (ΔH) fue la más baja, debido

a la formación de cristales más pequeños e imperfectos. El almidón oxidado presentó la ΔH de

gelatinización más alta, debido a los C=O y COOH que estabilizaron. El almidón lintnerizado

presentó los valores más bajos de entalpía de fusión coincidiendo con la Tp y la menor

reorganización detectada en el perfil de viscosidad. El almidón nativo presentó mayor tendencia

a retrogradar, propiedad que disminuyó al modificar el almidón

El almidón nativo y los dos modificados químicamente, presentaron un patrón de difracción de

RAX considerado como una mezcla de los tipos A- y B-. Las modificaciones químicas no

afectaron el patrón de difracción de rayos X, pero si el porcentaje de cristalinidad. En los tres

almidones (nativo, oxidado y lintnerizado) se observó birrefringencia dentro de los gránulos; aún

a diferentes condiciones de pH, los almidones oxidados presentaron birrefringencia,

demostrando que los dos procesos de modificación al que fue sometido el almidón de plátano

no alteraron la estructura molecular del almidón. Mediante FT-IR, se demostró que los

almidones lintnerizados mostraron mayor cantidad de zonas cristalinas, así como una densidad

de carga mayor, mientras que el oxidado presentó una carga ligeramente menor que el nativo,

debido a la introducción de C=O y COOH.

Las isotermas de sorción-desorción de los almidones nativo, oxidado y lintnerizado fueron del

tipo C ya que la adsorción y desorción del agua por parte de estos materiales siguieron

comportamientos diferentes. La constante energética y el valor de la monocapa fue para los tres

almidones, similar, lo cual coincide con el comportamiento de esas isotermas de adsorción. La

constante energética en el caso de la desorción fue menor que en la adsorción.

En relación a los concentración de carbohidratos totales en las disoluciones de los diferentes

almidones nativo y oxidados muestra disminución conforme aumenta la concentración de cloro

activo para oxidar el almidón de plátano. Estos valores fueron determinados para el análisis por

HPLC. Encontrando que el tiempo de elusión se incrementó al aumentarse la concentración de

cloro activo en los almidones oxidados. Un distribución bimodal observó en los almidones

oxidados al 1.75 y 2 % de cloro activo. Se encontró que la masa molar (Mw) disminuyó

conforme se incremento la concentración de cloro activo, en comparación con el nativo que

presentó la Mw más alta. La Mw también fue evaluada por HPLC-RI-MALLS.

El análisis de solubilidad y de hinchamiento, revelaron valores correspondientes a un almidón

de tipo normal. Todos los almidones oxidados presentaron un incremento en la solubilidad con

respecto al almidón sin modificar, y en forma inversa, el hinchamiento presentó una

disminución. El proceso oxidación produjo una disminución en el tamaño de las partículas y el

volumen de las mismas.

Para evaluar las propiedades viscoelásticas, se hicieron barridos de deformación al 0.5 % de

deformación. Los valores del módulo elástico (G´) fueron mas altos que los del viscoso (G”), es

decir G’>G’’, típico de geles viscoelásticos. Los valores de la tangente del ángulo de

desfasamiento (tan δ) estuvieron en el intervalo de 0.15 a 0.19, típico de geles viscoelásticos

débiles.

Durante la reacción de oxidación se encontró que las constantes de velocidad fueron más altas

a pH 7.0 que a pH 8.5, atribuido a la velocidad de descomposición o de conversión del OCl- a

clorato inactivo. La energía de activación (Ea) más alta a pH alcalino, se relacionó con el

mecanismo de oxidación propiamente que tiene lugar durante la reacción de oxidación.

INTRODUCIÓN El plátano es una planta herbácea y perenne que se cultiva en nuestro país, principalmente en

los estados de Veracruz, Tabasco y Chiapas, representando una fuente económica importante

para estos estados. Las plantas pueden alcanzar hasta 15 metros de altura y se obtiene a partir

del cultivo de bulbos o rizomas. Los racimos de plátano son cosechados en un periodo

aproximado de 9 a 12 meses, cuando aun los frutos se encuentran en estado inmaduro (verde),

el plátano si no es almacenado bajo condiciones especiales, resulta muy perecedero; por lo que

después de ser cosechado pasa por un periodo de almacenamiento, ya que generalmente, su

consumo es como fruto maduro. En los últimos años se ha registrado disminución en el cultivo

de este producto, debido principalmente a grandes pérdidas que se producen durante la

postcosecha, afectando económicamente a muchos productores, los que prefieren no sembrar

más.

Por lo anterior, se han buscado alternativas para el uso del plátano en estado inmaduro, en

cuya composición química se encuentra principalmente almidón (hasta 77 % en base seca) un

carbohidrato de gran interés y aplicación en la industria alimentaria y no alimentaria; cuando los

frutos maduran, el almidón se transforma en azucares como glucosa, frutosa y sacarosa. Otros

componentes, que se encuentran en menor proporción son proteìnas (1%), grasas (0.03-0.5 %),

fibra (0.5%), fibra dietética (3-5 %) y cenizas (1 %). Químicamente, el almidón está compuesto

de dos homopolímeros de glucosa de diferente estructura, la amilosa y amilopectina que se

encuentran en agregados moleculares semicristalinos denominados gránulos.

El trabajo que se presenta a continuación, tiene como propósito el modificar químicamente el

almidón nativo de plátano (Musa paradisiaca L.) para obtener almidones modificados y

caracterizados desde el punto de vista fisicoquímico, reológico, térmico y estructural. El almidón

nativo (sin modificar) reúne propiedades deseadas para ciertas aplicaciones industriales; sin

embargo en años recientes, se ha recurrido a mejorar sus propiedades; por tal motivo se cree

que al modificarlo por métodos químicos o físicos, cambien sus propiedades fisicoquímicas así

como su comportamiento reológico. A los almidones modificados, por lo general se le modifica

la temperatura de gelatinización, relación solido-líquido y características de cocción, así como la

resistencia a la pérdida de viscosidad por ácidos, calor, fuerzas mecánicas, tendencia a

retrogradar, tolerancia a ciclos de congelamiento-descongelación.

Los almidones modificados, presentan propiedades funcionales mejores que los nativos, por

ello pueden presentar diferentes aplicaciones para la industria alimentaria y no alimentaria;

estos productos pueden ser agentes estabilizantes, emulsionantes, humectantes, espesantes,

etc. se cuenta con un almidón modificado para cada necesidad.

Las propiedades de los almidones son modificados debido a que la modificación química

además de alterar la estructura interna de los gránulos, introduce grupos funcionales a las

moléculas del almidón. La oxidación con NaOCl, es una técnica muy antigua y popular para

obtener almidones oxidados con mejores o diferentes propiedades funcionales a las del nativo

(Morton y Solarek, 1984, Forssell y col., 1995). El hipoclorito (OCl-) es la principal especie

reactante durante la reacción y es selectiva para producir grupos funcionales carbonilo (C=O) y

carboxilo (COOH) que son introducidos en los grupos OH- de los carbonos C2, C3 y C6 de las

de las unidades α-D-glucopiranosil del almidón (Morton y Solarek, 1984; Kuakpetoon y Wang,

2001). Los almidones oxidados, se utiliza en la producción de papel, productos textiles,

fármacos y alimentos; estos proveen una amplia gama de propiedades, como baja viscosidad,

alta estabilidad, mayor claridad, formación de películas claras, entre otras (Wang y Wang, 2003;

Kuakpetoon y Wang, 2001).

La naturaleza de la oxidación con hipoclorito de sodio (NaOCl) es compleja, debido a la

conversión del reactivo en diferentes especies reactantes que se forman en solución en función

del pH. En condiciones alcalinas, la más importante es el ión hipoclorito (OCl-); cerca del pH

neutro, es el ácido hipocloroso (HOCl) no disociado e OCl-; por lo que el mecanismo de

oxidación con hipoclorito es incierto, debido a la naturaleza compleja del oxidante en solución

acuosa (Patel y col., 1974; Morton y Solarek, 1984). Una manera de estudiar la naturaleza de

las reacciones químicas, es a través de experimentos cinéticos que estudian la velocidad a la

que se producen las reacciones (Ancheyta y Valenzuela, 2001); es decir, el modo en el que la

concentración de algunas especies moleculares varían en función del tiempo (Sauer, 1999). El

efecto de la temperatura en una reacción individual puede expresarse por la ecuación de

Arrhenius: K = Ae-Ea/RT. La energía de activación es considerada como la cantidad de energía

adicional, que el sistema necesita para que se lleve acabo una reacción (Ayoub y col, 2004).

MATERIALES Y METODOS A) METAS 2005. EXTRACCION DE ALMIDÓN NATIVO DE PLÁTANO Se compraron frutos verdes de plátano (M. paradisiaca L.) en el mercado local de Cuautla, Mor.

Los frutos presentaban un grado de madurez y tamaño considerados adecuados por los

productores para su colección. De la pulpa se aisló el almidón, aplicando un procedimiento a

escala piloto (Flores-Gorosquera y col., 2004). Primeramente, los frutos fueron pelados,

cortados en cubos de 5 a 6 cm (100 Kg de peso total), inmediatamente remojados en solución

de ácido cítrico (3 g/L) y molidos en una licuadora tipo industrial (6.3 K de fruto: 10 L de

solución) por 2 minutos a baja velocidad. El homogenizado fue consecutivamente cribado a

través de mallas (40, 100 y 200 US) hasta que el agua de lavado (destilada) salió limpia; los

residuos de las mallas 100 y 200 US fueron molidos y cribados una segunda vez, el

procedimiento de cribado y lavado del almidón, se realizó tres veces. Después se concentró en

una centrífuga continua Westfalia Separador (Tipo SB-7-06-076, AG. D4740 Oelde, West

Germany) a 9160 rpm. La suspensión concentrada de almidón se llevó a un secador por

aspersión (Niro Atomizar, Model P-6.3, Copenhagen, Denmark) con una temperatura de

alimentación de 130-150 ºC, con una concentración de sólidos en la línea de alimentación de

30-40 % y una temperatura de salida de 70-80 ºC. Finalmente, el polvo se pasó por la malla 100

y se almacenó a temperatura ambiente (25 ºC) en un recipiente de vidrio; de esta manera se

obtuvo el almidón nativo de plátano.

ANÁLISIS PROXIMAL, CUANTIFICACIÓN DE AMILOSA Y AMILOPECTINA Y DEL ALMIDÓN TOTAL Análisis químico proximal. El análisis químico proximal realizado al almidón nativo, consistió

en determinar el contenido de humedad, proteína, grasas y cenizas aplicando los métodos

14.004, 14.026 de la AOAC (1984); 30.25 y 08.01 de la AACC (2000) respectivamente.

Amilosa total y aparente.Para amilosa aparente se utilizó el método de Hoover y Ratnayake

(2002). 100 mg de almidón (b.s) se disolvieron en 15 mL de DMSO (dimetilsulfóxido) al 90 %, y

se centrifugó por 20 min, se calentó a 85 °C /15 min en agitación constante. Se enfrío a

temperatura ambiente y el contenido se diluyó con agua a 25 mL en un matraz volumétrico. En

un matraz de 50 mL se colocaron 600 µL de la solución anterior y se agregaron 5 mL de I-KI (I2

2.5 mM y KI 6.5 mM), después se ajustó a 50 mL con agua destilada y se dejaron 15 min a

temperatura ambiente antes de leer las densidades ópticas a 600 nm en un espectronic

Genesys 5 (Spectronic Instruments, Inc. Rochester, N. Y. U.S.A). La amilosa total se determinó

por el mismo procedimiento, previa desgrasada con n-propanol-agua (3:1 v/v) por 7 h, para

eliminar lípidos enlazados a la amilosa.

Almidón total .Se aplicó el método Goñi et al. (1997), para cuantificar glucosa liberada como

resultado de la hidrólisis enzimática con amiloglucosidasa, que hidroliza los enlaces alfa-(1-4) y

alfa-(1-6) de la amilosa y amilopectina. 50 mg de muestra, se dispersó con 3 mL de agua

destilada, 3 mL de KOH 4 M aplicando agitación por 30 min. Depues se añadieron 5.5 mL de

HCl 2 M y 3 mL de tampón acetato sódico 0.4 M. Se ajustó a pH 4.75 y se adicionaron 60 µL de

amiloglucosidasa, se dejó en una baño de agua a 60 °C/45 min con agitación constante. Se

centrifugó a 3000 x gn /15 min y el sobrenadante en un matraz aforado de 50 mL se mezcló con

10 mL de agua destilada para se centrifugar y recolectarlo nuevamente, repitiendo varias veces

con la finalidad de purificación. Finalmente se aforó, y se tomaron 50 µL para determinar

glucosa liberada mediante digestión enzimática, por el método de glucosa/oxidasa peroxidasa.

Se leyeron las densidades ópticas a 510 nm en un espectrofotómetro espectronic Genesys 5

(Spectronic Instruments, Inc. Rochester, N. Y. U.S.A).

ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICA Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA MODIFICAR EL ALMIDÓN DE PLÁTANO POR LOS MÉTODOS QUÍMICOS: OXIDACIÓN Y LINTNERIZACION. • Modificación por oxidación Se aplicó el método reportado por Wang y Wang, en el 2003. Como agente oxidante, se utilizó

el hipoclorito de sodio (NaOCl) (Hycel de México, S.A.) a una concentración del 1 % de cloro

activo. Primeramente se hizo una dispersión al 40 % de sólidos, mediante la adición de 300 mL

de agua destilada a 200 g de almidón, obteniendo un peso final de 500 g. La reacción de

oxidación se llevó a acabo en un reactor con circulación de agua. El bulbo de un potenciómetro,

previamente calibrado, se introdujo en la dispersión, también se adapto un soporte universal

para sostener una bureta que contenía la solución de NaOCl y un termómetro. La mezcla de

almidón-agua, se dejó en agitación constante a 500 rpm durante toda la reacción, se equilibró a

una temperatura de 35 °C y se ajustó a un pH de 9.5 con NaOH 2 N. Después se adicionaron

100 mL de hipoclorito de sodio al 1% de cloro activo p/v durante un tiempo de 30 minutos (0.3

mL/ min.), manteniendo el pH de 9.5 con NaOH 1N. Enseguida, se dio un tiempo de reacción de

50 minutos adicionales, manteniendo el mismo pH con el NaOH 1N con la finalidad de

neutralizar las sustancias ácidas liberadas. Posteriormente, la reacción se detuvo,

neutralizando el pH con H2SO4 1 N. La mezcla se vació a un matraz Erlenmeyer de 1 L, y se

decanto la mezcla de reacción. La fase sólida se lavó con agua destilada, hasta observar el

agua cristalina. El almidón oxidado se secó en una estufa a 37 °C por 48 horas; se molió en un

molino mecánico y se tamizó en malla 100 U.S. (0.15 mm) para homogenizar el tamaño de

partícula. Bajo las mismas condiciones se obtuvo un segundo lote.

• Modificación por litnerización

Se aplicó el método de Shin y col., 2003. Se pesaron 500 g de almidón de plátano, al cual se le

adicionaron 4 L de HCl 1 M. La mezcla se agitó con una propela a 50 rpm, se equilibró a 35 °C

y se dio un tiempo de reacción de 6 h, manteniendo estas condiciones de temperatura y

agitación durante todo el tiempo de reacción. Después, la dispersión se ajusto a un pH de 6.0

para detener la reacción, adicionaron 4 L de NaOH 1 M. La mezcla de reacción fue eliminada y

los sólidos del almidón se lavaron seis veces utilizando en cada ocasión 10 L de agua destilada.

Posteriormente, la torta de almidón se secó en una estufa a 37ºC durante 72 horas. Finalmente,

el almidón seco, se molió utilizando un molino mecánico, se tamizó en malla con poro de 100

μm y se guardó en recipientes. Todo el proceso se repitió para obtener dos lotes de almidón

litnerizado.

MEDIR GRADO DE MODIFICACIÓN, CUANTIFICANDO EL % DE GRUPOS HIDROXILOS (-OH) QUE SON SUSTITUIDOS POR GRUPOS FUNCIONALES CARBONILO, CARBOXILO, (OXIDACIÓN) Y GRADO DE HIDRÓLISIS (LINTNERIZACION).

El grado de modificación de los almidones oxidados se determina midiendo el grado de

sustitución (GS), el cual se define como el número promedio de grupos –OH que son sustituidos

por grupos funcionales introducidos por cada 100 unidades de anhidro glucosa (UAG) (Autio,

1992). Para los almidones lintnerizados, el nivel de modificación se mide por el grado de

hidrólisis.

• GS del almidón oxidado El grado de sustitución (GS) del almidón oxidado se midió en función del contenido de grupos

funcionales carbonilo (C=O) y carboxilo (COOH) presentes.

Grupos carbonilo (C=O). Se siguió el método de Smith (1967). Se pesaron 4 g de

almidón oxidado y nativo por separado, se suspendieron en 100 mL de agua destilada en un

vaso de precipitado de 500 mL. La suspensión se gelatinizó en un baño de agua hirviendo por

20 min, después de este tiempo se enfrió a 40° C, se ajustó el pH a 3.2 con 0.1N de HCI, se

adicionaron 15 mL de hidroxilamina y se agitó por 4 h lentamente. El exceso de hidroxilamina se

determinó rápidamente por titulación a un pH de 3.2 con HCI 0.1N estandarizado. El blanco se

determinó de la misma manera. El reactivo de hidroxilamina fue preparado disolviendo 25 g del

reactivo en 100 mL de NaOH 0.5N y se ajustó a un volumen de 500 mL con agua destilada.

El contenido de C=O, se determinó con la siguiente ecuación:

( ) ( ) ( )abaseenmuestraladePeso

ácidodelNormalidadmlmuestraBlancocarbonilogrupossec

100)028.0()(% −=

Grupos carboxilo (COOH). El contenido de carboxilos del almidón oxidado se realizo

por la técnica propuesta por (Chattopadlhyay y col, 1997), se pesaron 2 g de almidón oxidado

se le adicionaron 25 mL de HCI 0.1N, con agitación durante 30 min. La mezcla se filtró al vacío

utilizando un embudo Buchnner y filtros Watman del No. 4, después se lavó con 450 mL de

agua destilada. La pasta de almidón fue trasferida cuidadosamente a un vaso de 500 mL y

posteriormente se le agregaron 300 ml de agua destilada. Se calentó en un baño con agua a

ebullición con agitación constante por 20 min asegurándose que la gelatinización fuera

completa. A la dispersión de almidón caliente se le agregaron 150 mL de agua destilada y se

tituló a un pH de 8.3 con NaOH 0.01N estandarizado. El contenido de carboxilos se determinó

por la siguiente formula:

( )( ) ([ ]( )

) ( )gabaseenmuestraladePeso

NaOHdelNormalidadmlblancomuestragdealmidónmeqdeácido

sec100100 −

=

Grado de hidrólisis (almidón lintnerizado´). La hidrólisis ácida de los almidones se llevó a

cabo con base al método reportado por Franco et. al (2002). Se pesaron en total 18 muestras

de 50 g cada una de almidón nativo de plátano, dispersadas en 2.2 N HCl y dejadas en

incubación a 38 ºC en un baño con agua y en agitación constante, por un tiempo máximo de

nueve días. Cada día se tomó un duplicado para filtrar en filtros Whatman No. 4. Los residuos

sólidos se dispersaron en agua destilada, se neutralizaron con 0.2 N NaOH, se filtraron, lavaron

con agua y secadas a 40 ºC por 24 h. El porcentaje del grado de hidrólisis fue calculado en

relación al peso del almidón antes de la hidrólisis.

METAS 2006 *Estandarización de técnicas y establecimiento de condiciones para realizar el estudio reológico de los almidones: Estudio microviscoamilográfico. Se hicieron dispersiones al 1 % (p/v) de sólidos totales en

base seca, y la viscosidad se estudió en un analizador rápido de viscosidad (RVA) (Newport

Scientifc Pty. Ltd, Australia). La etapa de calentamiento inició a 25 °C y se llevó hasta 95 °C

(cocción) manteniéndose isotérmico 7 min., después se enfrío a 50 °C manteniéndose a esta

temperatura 1 min. La velocidad de calentamiento-enfriamiento fue de 2.5 °C/min y la del tazón

de 160 rpm (AACC, 2000).

Curvas de flujo . Se aplicó el método de cizalla estacionaria. Dispersiones al 5 % (p/v) de

sólidos totales de los almidones por separado y se analizaron en un Reómetro TA Instruments,

modelo AR 2000, con un sistema de placas paralelas, Sandblasted de 40 mm con espesor de

muestra de 1000 µm. Primeramente se realizaron mediciones a 25 ºC, después se siguió el

calentamiento hasta 90 °C y posteriormente se enfrió a 25 °C. La velocidad de calentamiento y

enfriamiento fue de 2.5 °C/min. En la temperatura de enfriamiento, se realizaron dos ciclos de

cuatro barridos consecutivos ascendente y descendente de 0.04 a 100 s-1 y un quinto barrido

descendente de 100 a 0.04 s-1. Se reporta el último ciclo (descendente) como una función del

esfuerzo de cizalla (τ), donde γ. = f(τ), en este ciclo se obtiene la mejor homogenización de la

muestra y se determina el comportamiento del fluido. Para una mejor interpretación de los

resultados, se aplicó la ecuación de la Ley de la Potencia (Doublier, 1986).

Comportamiento reológico a través de cinéticas de gelatinización y retrogradación. Mediante pruebas rotacionales en un reómetro TA Instruments AR 2000, con geometría de

placas paralelas de 40 mm (Sandblasted) y espesor de muestra de 1000 μm, se demostró la

dependencia de la viscosidad con la temperatura (a una velocidad de cizallamiento constante

de 100 s-1) de dispersiones al 5 %. Se programó un ciclo de calentamiento de 25 a 90 ºC,

(isotérmico por 10 minutos) y después se enfrío a 25 ºC, (isotérmico por 10 minutos).

REALIZACIÓN DEL ESTUDIO TÉRMICO DE LOS DIFERENTES ALMIDONES MODIFICADOS Temperatura y entalpía de gelatinización y retrogradación. Se utilizó un calorímetro

diferencial de barrido DSC 7 (Perkin-Elmer, U.K) calibrado con indio y ciclohexano. Se pesaron

11 mg de muestra en base seca en una charola de aluminio y se adicionaron 35 μL de agua de

destilada. La charola se selló herméticamente y posteriormente se equilibró durante 12 h en un

agitador de rodillos. Como referencia se utilizó una charola de vacía. La velocidad de

calentamiento fue de 10 °C/min y los datos se analizaron con el programa “Paris”. Las muestras

gelatinizadas se almacenaron por 24 (tiempo cero), 120 y 312 h a 4 °C. Las determinaciones se

realizaron por duplicado.

CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL Y MOLECULAR DE LOS ALMIDONES 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.

Microscopia de luz polarizada. Se utilizó un microscopio de luz polarizada (Leitz, Wetzlar,

Alemania) equipado con un objetivo 40 X y una cámara digital. La captura de las imágenes se

realizó con un software pixela 3.0.

Espectroscopia de infrarrojo (FT-IR). Se utilizó un espectrofotómetro de infrarrojo (Bruker,

UK) y una celda térmica de simple reflactancia con un diamante (Graseby-Specac Ltd., UK);

para minimizar las pérdidas de humedad durante las mediciones, se utilizó una cubierta sellada

de zafiro con un anillo de goma. Los espectros de infrarrojo para cada muestra se recolectaron

en 32 barridos con una resolución de 4 cm-1 y a 25 °C. Se utilizó el programa OPUS 3.0 (Bruker,

UK) para analizar los datos. A partir de las longitudes de onda 1045 y 1022 cm-1 se

determinaron las regiones cristalina y amorfa (Smits et al., 1998). Cuando el cociente 1045/1022

fue mayor a 1.0 se relacionó con una mayor proporción de material cristalino, y menor a 1.0 de

material amorfo.

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Carga eléctrica. Se utilizó un detector carga de partículas (Mutek PCD03, Alemania) para

medir el potencial (mV) que fluye de las partículas cargadas de los almidones, con la finalidad

de conocer la capacidad de cambio de las cargas de las muestras. Se pesaron 300 mg de

muestra en 30 mL de agua destilada en tubos para centrifuga de 50 mL posteriormente se

taparon para llevar a cabo la agitación y por consiguiente la homogenización de la suspensión,

se colocó la suspensión en la celda de medición del equipo (mutek PCD-03), después se le

colocó el pistón que ejerce cizalladura a la muestra, se colocó el potenciómetro que permitió

conocer el pH de la muestra, una vez en la celda se procedió a hacer la medición, pasados 30 s

se tomo la lectura del pH y del potencial (mV), posteriormente se agregaron 100 µL de titulante

Poly-Dadmac (cloruro de poli-dialildimetilamonio) el cual después de la primer alícuota fue

agregado cada 30 s, una vez que llega a cero se cuantificó la cantidad de mL empleados para

el cambio de potencial para el desarrollo de esta técnica su utilizo un detector de cargas marca

mutek PCD-03. Para calcular la carga de los almidones se llevó a cabo por la siguiente formula:

q = (V) x ( c ) / wt = eq/g.

Donde: V= Volumen gastado después de que llega a cero el mV; c = Concentración del titulador

0.001N (0.001 eq/L); wt =Peso de la muestra en b.s; q = eq / g

Sorción de vapor dinámico. Para la realización de las isotermas de adsorción-desorción, se

usó un aparato DVS-1 (sistema de medición de superficial, Londón U.K) operado con el

software DSV versión 2.18, a una temperatura de 25 ± 0.2 ºC. Las muestras se colocaron en el

equipo y fueron equilibradas a 0 % de humedad relativa (HR). Las condiciones de equilibrio

fueron definidas por el porcentaje de cambio de masa en función a un tiempo menor a 0.002 %/

min., las muestras se equilibraron a 0 % HR por más de 7 h. Una vez alcanzada esas

condiciones, las muestras se mantuvieron a esas condiciones, para posteriormente aplicar un

programa de HR con incremento de 0 - 95 % HR en 7 pasos para caracterizar el

comportamiento de sorción. Una vez alcanzado el 95 % HR disminuyó de manera gradual a 0 %

para obtener las isotermas de desorción. Las mediciones se realizaron por triplicado. Para la

interpretación de los resultados se utilizó la ecuación de BET que permitió conocer el valor de la

monocapa en la adsorción y desorción. La ecuación de BET se caracteriza por dos constantes:

Xm que es la capacidad de sorción de la monocapa y C la constante energética, que es un

parámetro relacionado con la diferencia de energía de las moléculas de sorbato de la primera

capa y los otros restantes (comportamiento líquido), estos parámetros son el resultado del

cálculo de la ordenada al origen y de la pendiente:

GRADO DE SUSTITUCIÓN A DIFERENTES TIEMPOS DE REACCIÓN Primeramente se obtuvieron almidones oxidados de plátano con hipoclorito de sodio (NaOCl) a

diferentes condiciones de reacción de pH (7.5, 9.5 y 11.5) y temperatura (25, 35, 45 y 55 °C) y

tiempos de reacción de 1, 2, 3 y 4 h. Se utilizó un contenedor de 4 L adaptado con un sistema

de circulación de agua, haciendo dispersiones al 40 % de almidón-agua. La mezcla se

mantuvo en agitación a 500 rpm con una propela, primeramente se estabilizó a una

determinada temperatura y a un pH utilizando NaOH 2 N, manteniendo el pH durante todo el

tiempo de reacción con NaOH 1N. Después se adicionaron 200 mL de hipoclorito de sodio

(NaOCl) al 1 % de cloro activo, durante 30 min. Se dieron 30 minutos adicionales para

completar una hora de reacción y tomar una alícuota de 25 mL con una pipeta de vidrio y

después cada 60 min hasta 4 horas de reacción. El tratamiento de las alícuotas fue el siguiente:

se neutralizaron a pH 7 con H2SO4 1N, se dejaron en agitación con 50 mL de metabisulfito de

sodio (Na2S2O5 ) al 5 % por 15 minutos; se centrifugaron a 3500 g/5 min, se lavaron con agua

destilada cada 5 min (3500 g), se secaron en una estufa a 40 ºC por 24 horas, se molieron y se

tamizaron en malla No. 100. El mismo procedimiento fue aplicado

Determinación de grupos funcionales

Grado de sustitución. El contenido de grupos carboxilo (COOH) del almidón oxidado se realizó

por la técnica propuesta Chattopadhyay et al., (1997). Se pesaron 2 g de almidón oxidado, se le

adicionaron 25 mL de HCI 0.1 N, dejando en agitación durante 30 min. La mezcla se filtró al

vacío utilizando un embudo Buchnner y filtros Watman del No. 4, después se lavó con 450 mL

de agua destilada. La pasta de almidón fue trasferida cuidadosamente a un vaso de 500 mL y

posteriormente se le agregaron 300 mL de agua destilada. Se calentó en un baño con agua a

ebullición con agitación constante por 20 min asegurándose que la gelatinización fuera

completa. A la dispersión de almidón caliente se le agregaron 150 mL de agua destilada y se

tituló a un pH de 8.3 con NaOH 0.01 N estandarizado. El contenido de carboxilos se determinó

por la siguiente formula

METAS 2007 ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICA Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA REALIZAR LOS ESTUDIOS ESTRUCTURALES A TRAVÉS DEL ANÁLISIS DE: CROMATOGRAFIA DE LIQUIDOS POR EXCLSUCION DE TAMAÑO. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL. Caracterización estructural de amilosa de almidones oxidados y lintnerizados Extracción. Se montó técnica para la extracción de amilosa a partir de almidones oxidados de

plátano a diferentes concentraciones de cloro activo (0.75, 1, 1.5, 1.75 y 2.0 %). La extracción

de amilosa se obtuvo mediante la formación de complejos de amilosa-n-butanol. El

procedimiento consistió en poner 24 g de cada almidón oxidado al 0.75 % de cloro activo, en un

matraz de 2 L los cuales se mezclaron con 1.41 L de agua destilada para dejar en un baño con

agua caliente (80 ºC) durante 30 minutos, la dispersión se mantuvo en agitación

ocasionalmente. Después, la dispersión se centrifugó a 3000 rpm durante 20 min a 12 ºC. El

sobrenadante se filtró al vacío utilizando filtros Whatman # 9. El producto filtrado se vertió a un

matraz, adicionando 120 mL de n-butanol, dejando sedimentar por 16 horas. El complejo

amilosa–butanol se recuperó por centrifugación a 10,000 g por 30 min a 20 ºC. Los

sobrenadantes se eliminaron y el precipitado se dispersó en una mezcla de agua-butanol al 8%

v/v. Finalmente, se liofilizó y el producto obtenido (amilosa pura) se almaceno en un recipiente,

dentro de un desecador. Mismo procedimiento fue aplicado para la obtención de amilosa de

almidones nativo y oxidados de plátano al 1, 1.5, 1.75 y 2 % de cloro activo.

Disolución en microondas. En un vaso de precipitado de 10 mL, se pesaron 5 mg de almidón

que se mezcló con 20 mL de agua grado HPLC (agregando poco a poco para evitar destruir los

pequeños grumos de la muestra). Esta disolución, se vertió en una copa de teflón que se colocó

dentro de una bomba policarbonatada que se introdujo en un horno de microondas y se calentó

a 900 W por un tiempo de 50 segundos. Una vez concluido el tiempo en el microondas,

inmediatamente se colocó la bomba dentro de un baño de hielo dejando reposar 30 min. La

solución contenida dentro de la copa de teflón, se filtró a través de filtros de jeringa de 5 µm

(Daigger & Company, Inc. vernon Hills, IL).y se pasaron a un frasco de vidrio especiales para

HPLC de 2 mL para inyectarlos en el cromatógrafo. A las muestras filtradas se les aplicó la

técnica de carbohidratos totales. Mediante este mismo procedimiento se solubilizaron

estándares de pullulanos (Fluka Chemie GmbH, Steinhein, Switzerland) de diferentes pesos

moleculares de 1.6 x 106, 3.8 x 105, 1.8 x 105, 1.0 x 105, 4.8 x 104 and 1.2 x 104, los cuales

fueron utilizados para obtener las curvas de calibración correspondientes y mediante

extrapolación obtener el peso molecular de los polímeros de amilosa (Millan-Testa y col., 2005).

Distribución de pesos moleculares por GPC-RI. Se inyectaron 50 μl de cada muestra de

almidón y de pullulanos en un HPLC AT 1100 (Angilent Technology, Deutchland GmbH

Waldbronn, Germany) con el sistema de Cromatografía de Permeación en Gel, con una

columna acoplada PL aquagel-OH mixed (Agilent Technologies Deutchland GmbH Waldbronn,

Germany), con un tamaño de exclusión de 8 µm. El tiempo de elusión fue de 1 mL por min yla

fase móvil fue agua grado HPLC. La concentración de carbohidratos de los sobrenadantes

después de la filtración fue medido mediante el método colorimetrico de fenol-sulfúrico.

Análisis estructural por HPSEC-MALL-RI. Caracterización de amilosas por HPSEC-MALLS-

RI. El sistema consistio de una bomba 515 HPLC con un loop simple de 200 µl (Water, Millford,

MA) con un desgasificador en linea, con una guarda columna TSK gel PWXL (Tosoh Corp,

Tokio Japan), dos columnas de tamaño por exclusión en serie (TSK gel G5000PWXL y

G4000PWXL, Tosoh Corp.), un detector de dispersión de luz DAWN-EOS de 18 ángulos (Wyatt

Technology, Sta. Barbara CA.) y un detector de indice de refracción Optilab rEX (Wyatt

Technology). Los voltajes de salida para los detectores RI y LS fueron colectados con la

temperatura de la columna mantenidas a 55 PC y del detector de IR a 35 ºC, con un salto a una

respuesta del detector 21x, un valor de dn/dc de 0.146 y así el procesamiento de los datos con

ASTRA 5.1.3 software (Wyatt, Technology).

Disolución. Se utilizaron 10 mg de amilosa purificada en 10 mL de agua millipore que se

dejaron 30 min en agua hirviendo. Los sobrenadantes fueron centrifugados a 9000 g por 10

minutos, los cuales fueron corridas en el MALLS. La fase móvil consistio de 0.15 M de azida de

sodio NaNO3 y 0.02 % de NaN3 (filtradas al vacío dos veces a traves de un filtro de membrana

de 0.1 µ) a un flujo de 0.7 mL /min.

Carbohidratos totales

Los carbohidratos totales se determinaron con el método propuesto por Dubois y col., 1996. En

presencia de ácido sulfúrico concentrado los azucares se hidrolizan para dar derivados del

furfural, los cuales se condensan con el fenol obteniéndose complejos amarillos-naranja. Se

preparó una curva estándar con una solución de glucosa de 0.01 g/100 mL. En 7 tubos se

colocaron 100, 200, 300, 400, 500, 600 y 7000 microlitros de esta solución completando con

agua hasta un volumen de 1 mL. A cada tubo se le añade 1 mL de fenol al 5 % y lentamente

se le agregan 5 mL de ácido sulfúrico concentrado directamente al centro de la muestra. Se

deja reposar 10 min. Se agitan y se dejan reposar 10 minutos mas antes de leer a 490 nm en

un espectrofotometro. Se toman alícuotas de 1 mL de las muestras de almidón y se someten al

mismo procedimiento.

DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS Hinchamiento y solubilidad. En forma individual, las pastas de almidón se prepararon

mediante la dispersión de los polisacáridos en agua a temperatura ambiente y entonces se

calentaron a 92 °C a una tasa de 1.5 °C/min bajo agitación mecánica (125 rpm) en un recipiente

cerrado de acero inoxidable. Cada mezcla se mantuvo a 92 °C por 10 min y entonces se enfrió

a 60 °C a una tasa de 1.5 °C/min. Una vez a 60 °C, la pasta se diluyó con agua caliente (≈ 60

°C) tomando una alícuota necesaria para obtener una concentración final de 0.5% de almidón.

Se enfrió rápidamente la dilución a 25 °C y se centrifugaron 8 mL de ésta a 700g durante 15

minutos en una centrífuga. Los restantes 8 mL se secaron en una estufa durante 24 horas a 100

°C para obtener la masa de almidón seco. Se calculó la solubilidad, S, referida a la masa de

almidón seco, a partir de la concentración de almidón soluble en el volumen total de

sobrenadante, la cual se determinó empleando el método de fenol-sulfúrico, el cual cuantifica la

cantidad de azúcares totales. El hinchamiento del gránulo, H, se calculó a partir de la masa de

residuo de la concentración y la masa de almidón seco.

Distribución de tamaño de partícula en almidones oxidados sin cocer. Ésta se realizó por

triplicado a temperatura ambiente (25 °C) empleando un equipo de difracción de rayo láser

(Malvern Master SizerS 2000, Malvern Instruments, Ltd) y una unidad de dispersión (Hydro

2000 MU). El almidón modificado y sin cocer se dispersó en 800 mL de agua desionizada en el

módulo Hydro 2000 MU. Los resultados se muestran como el diámetro mediano D[v, 0.5].

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS

PRUEBAS DINAMICAS:

Se utilizó un reómetro (TA Instruments modelo AR-2000, New Castle, E.U) para estudiar las

propiedades viscoelásticas aplicando pruebas oscilatorias dinámicas a una cinética de

calentamiento-cocción-enfriamiento en tres etapas: 1) Proceso de calentamiento de 25 a 90 °C,

2) Proceso isotérmico a 90 °C por 10 min y 3) Proceso de enfriamiento de 90 a 25 °C. Las

velocidades de calentamiento y enfriamiento fueron de 2.5 °C /min. Se prepararon dispersiones

de almidón al 10 % (p/v) de ST en agua destilada y se colocó una muestra en el reómetro

utilizando una geometría de cono y placa de 40 mm diámetro y un ángulo de 10 º. Para

determinar los lìmites del comportamiento viscoelástico lineal (RVL) se programó el ciclo

calentamiento – enfriamiento descrito previamente y se realizaron los barridos de amplitud de

deformación de 0.1 al 10 % en intervalos fijos de temperatura (25, 90 y 25 °C) a frecuencia

constante de 1 Hz. Las mediciones se realizaron después de haber alcanzado el equilibrio

térmico de la temperatura correspondiente a cada etapa. Bajo estas condiciones se obtuvieron

los barridos de amplitud de la deformación a cada etapa de temperatura programada (25, 90 y

25ºC), en un intervalo de tensión de 0.1 al 10 %, manteniendo una frecuencia constante de 1

Hz. Una vez determinada la RVL, se aplicaron barridos de frecuencia en un intervalo de 0.1 a

10 Hz a una deformación tal que el sistema se encuentre en la región lineal en las mismas

temperatura citada previamente. Por lo que el valor de deformación que se aplicó en todos los

casos para los almidones oxidados con hipoclorito y al almidón sin modificar fue del 0.5 % de

deformación. Los parámetros evaluados fueron: G` (módulo de almacenamiento), G`` (módulo

de pérdida) y la tangente de delta (().

ESTUDIO DE CINÉTICA QUÍMICA Cinéticas de oxidación a diferentes condiciones de reacción El almidón nativo de plátano (Musa paradisiaca L.) se sometió a cinéticas de oxidación con

hipoclorito de sodio al 2 % de cloro activo w/w, a diferentes temperaturas (25, 35 y 45 y 55 ºC),

tiempos de reacción (0-2100 s) y a los pH de 7.0 utilizando regulador de fosfatos 50 mM y pH

8.5 con bicarbonato de sodio al 4 % (Hebeish y col., 1989; Patel y col., 1974). Las relaciones

molares, almidón/oxidante fue de 2.081 y oxidante/UAG de 0.064 mol/L. Se utilizó un reactor de

vidrio con sistema de circulación de agua; primeramente se hizo una dispersión al 40 % de

almidón-regulador, y con agitación constante, la mezcla se estabilizó a 25 ºC; en seguida se

adicionó el NaOCl, todo a una vez; pasados los primeros cinco minutos, se tomaron alícuotas

de 10 mL, que se vertieron en un matraz de 50 mL, el cual contenía 10 mL de una solución de

yoduro de potasio al 10 % y 5 mL de ácido acético concentrado. La mezcla se tituló lentamente

con tiosulfato de sodio (Na2S203) al 0.01 N, hasta observar cambio de color (Powell, 2001).

Mismo procedimiento se realizó con las temperaturas de 35, 45 y 55 ºC, así como con los

blancos (sin almidón) a los pH de reacción. mencionados. La adición del ácido acético al matraz

de titulación, cambia la composición química original del hipoclorito desde NaClO hasta HClO y

Cl2. Bajo estas condiciones, el tiosulfato de sodio se utiliza para reducir la valencia del átomo

de cloro desde +1 hasta -1 (para el Ion cloro –Cl) es decir un cambio de dos electrones. Estos

dos electrones intercambiados son contados para cálculos de estequiometría de 1 hasta 2 ó

0.5 (Powell, 2001).

Establecimiento de técnica para determinar consumo de agente reactante Con la finalidad de evaluar el consumo del agente oxidante hipoclorito (OCl-) a través del

tiempo, se estableció una metodología para determinar la concentración de cloro, como una

medida indirecta de la concentración de OCl a diferentes tiempos de reacción. Así la

concentración de hipoclorito debido a la oxidación del almidón se determinó a partir de la

diferencia entre una muestra blanco (regulador + NaClO) y la muestra conteniendo almidón

(regulador + NaClO + almidón) a los diferentes tiempos de reacción (10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70

minutos de reacción). La siguiente ecuación se utilizó para calcular la concentración de cloro en

el medio de reacción (Hebeish y col., 1989):

mg Cl/g almidón = (a – b) x V x N x 35.5 x 1000

10 x W x 1000

Donde: a es el volumen de tiosulfato consumido de la solución blanco con el regulador y el

NaClO, b el volumen de tiosulfato consumido en la muestra conteniendo almidón a un

determinado tiempo de reacción, V el volúmen de cada muestra utilizada en la titulación, N, la

normalidad de la solución de Na2S203 y W el peso en seco del almidón.

Estimación de parámetros cinéticos Los parámetros cinéticos (orden de reacción, constantes de velocidad y energía de activación)

de la reacción de oxidación con hipoclorito en el almidón de plátano, se obtuvieron como sigue:

Orden de reacción.-Después de obtener las concentraciones inicial (CAo, mol/L) y final (CA,

mol/L) del agente oxidante para cada tiempo de reacción. Las ecuaciones de primer y segundo

orden aplicadas fueron: ln CAo/CA y 1/CA respectivamente, en ambos casos contra el tiempo (s)

(Levenspiel 1999). La pendiente con coeficiente de regresión más próximo a 1, indicó el orden

de reacción.

Constantes de velocidad k (min-1) y energía de activación (Ea). Los logaritmos naturales (ln)

de las constantes se graficaron contra 1/T en ºK, estimando Ea a partir de la pendiente con la

ecuación de Arrhenius: K= Koe-(Ea/RT), donde, k = constante de velocidad de reacción (min-1), Ko

= constante preexponencial ó factor de frecuencia (min-1), Ea= energía de activación en

Kilojulios por mol; R= constante de los gases, T= Temperatura absoluta (ºK). La representación

semilogarítmica de K (en la escala log) frente a 1/T da una línea recta. El valor de la pendiente,

se multiplicó por la constante de los gases (0.0081341 Kj mol-1 k-1) para obtener la Ea.

RESULTADOS Recuperación de almidón nativo Para obtener el almidón nativo a nivel planta piloto (Flores-Gorosquera y col., 2004) se utilizaron

100 kg de pencas de plátano; el 48 % correspondió a pulpa (base húmeda) y el 48.2 %

correspondió al rendimiento, del cual se obtuvieron aproximadamente 10 Kg de almidón nativo

en base seca para realizar las modificaciones por oxidación y lintnerización y obtener los

almidones de plátano modificados químicamente correspondientes. Del almidón de plátano

litnearizado se obtuvo un rendimiento promedio de los dos lotes del 55 % y del proceso de

oxidación, se obtuvo un 60 %. Estas diferencias se relacionan con el efecto que tienen los

reactivos sobre el almidón, el HCl utilizado en la litnerización produce una mayor

depolimerzación de las moléculas del almidón, en tanto que el NaOCl en la oxidación, se ha

reportado que el 70 % del reactivo es utilizado en la introducción de grupos funcionales (C=O y

COOH) y solamente alrededor del 30 %, en la hidrólisis del almidón (Morton y Solarek, 1984).

ANÁLISIS PROXIMAL, CUANTIFICACIÓN DE AMILOSA Y ALMIDÓN TOTAL Los resultados obtenidos del análisis químico proximal fueron 7.14 % de humedad, 0.94 % de

proteína, 0.10 % de lípidos y 0.58 % de cenizas. El análisis químico proximal realizado, se

encuentran próximo a lo reportado en la literatura; para frutos de plátano en estado inmaduro

(verde) se reporta una composición química del 1 % de proteínas, grasas 0.3-0.5 %,

carbohidratos del 20-30 %, fibra 0.5 %, fibra dietética 3-5 % y cenizas 1 % (Tester y col., 2004).

Estudios realizados por Bello-Pérez y col., (2001) reportaron en almidón de plátano 10.37 % de

humedad (base seca), 0.25 % de cenizas, 0.04 % de lípidos y 1.03 % de proteínas.

La concentración de amilosa aparente en los almidones nativo, oxidado y lintnerizado fue de

36.39, 38.48 y 44.20 %, respectivamente. Aparicio-Saguilán et al. (2005) reportaron valores

similares de amilosa para el almidón nativo de plátano (37.0 %) y lintnerizado (44.8 %). Los

resultados obtenidos se atribuyen a los métodos de modificación química aplicada al almidón

de plátano, los cuales producen hidrólisis y despolimerización (rompimiento en los puntos de

ramificación de la amilopectina), siendo el efecto más pronunciado por la lintnerización.

El almidón de plátano presentó un contenido de almidón total (AT) de 99.96 %, para el nativo,

94.93% para el oxidado y 90.01 % en el lintnerizado; los valores presentaron diferencias

estadísticas significativas, atribuido al tipo de modificación que se produjo en los almidones; la

oxidación provoca principalmente despolimerización y la lintnerización una hidrólisis más

marcada de las regiones amorfas, en ambos casos se provoca una disminución en el contenido

de almidón total (Aparicio-Saguilán et al., 2005). Bello-Pérez et al., (1999), reportaron valores de

AT similares para el almidón de plátano nativo (macho) de 97.2 % y para plátano criollo de 98.1

%.

GRADO DE MODIFICACIÓN, CUANTIFICANDO EL % DE GRUPOS HIDROXILO (-OH) QUE FUERON SUSTITUIDOS POR GRUPOS FUNCIONALES CARBONILO, CARBOXILO, (OXIDACIÓN) Y GRADO DE HIDRÓLISIS (LINTNERIZACION). En una reacción de oxidación con hipoclorito de sodio, y en condiciones alcalinas, se favorece

la producción de COOH y en condiciones ácidas se favorece la formación de grupos C=O

(Morton y Solarek, 1984; Chattophadhihay y col., 1997). El grado de sustitución de grupos C=O

y COOH en el almidón oxidado de plátano fue de 0.013 y 0.03 % respectivamente, obteniendo

un GS mayor de COOH que de C=O, resultados similares fueron obtenidos por Sánchez-Rivera

y col. (2005). De manera general, el GS de los almidones oxidados de plátano fue menor al

0.1%, es decir, con un GS bajo, si se considera que el máximo permitido por la FAO (1972) es

del 1.1 % (3.6 grupos COOH por cada 100 unidades de glucosa) y 0.5 % (2.9 grupos C=O por

cada 100 unidades de anhidro glucosa).

Se considera, que los grupos COOH, son los que prácticamente determinan el grado de

oxidación en este tipo de modificación, debido a que son los productos que se obtienen

después de formados los grupos C=O, en una segunda etapa del proceso de oxidación

(Kuakpetoon y Wang, 2001; Morton y Solarek, 1984). Además, la producción de estos grupos

son favorecidos en condiciones de pH alcalino (Kato y col., 2003), a diferencia de los grupos

C=O que se producen en mayor proporción en condiciones ácidas (Morton y Solarek, 1984).

Otros productos que se forman en una reacción de oxidación con NaOCl, son moléculas de HCl

y H2O en condiciones ácidas y alcalinas respectivamente (Morton y Solarek, 1984). En este

estudio y en cuanto al pH alcalino de reacción, los almidones oxidados de plátano, presentaron

un mayor contenido de grupos carboxilo que de carbonilo, lo cual se relaciona con otros

trabajos realizados bajo estas condiciones (Chattopadhyay y col., 1997; Kuakpetoon y Wang,

2001; Wang y Wang, 2003).

Wang y Wang (2003), reportaron un GS de grupos COOH de 0.062 para almidones oxidados

de maíz, utilizando una concentración del 1 % de cloro activo. La diferencia encontrada con el

almidón oxidado de plátano se debe por una parte a la fuente vegetal y la composición química

de los gránulos; los de plátano tienen mayor contenido de amilosa (34.9-36.9 %) que los de

maíz (27.7 %) (González-Soto y col., 2004; Liu y col., 1999; Oates, 1999), así como a la

oxidación de los pigmentos (Morton y Solarek, 1984), que junto con otros compuestos son

primeramente atacados por el hipoclorito (OCl-), antes de ser oxidados los grupos -OH de las

glucosas; por lo que quizás, sea menor la cantidad del cloro residual que es utilizado para

oxidar las moléculas del almidón del plátano.

Lo anterior se explica, debido a que el almidón nativo de maíz es más blanco que el de plátano,

esto podría ser una condición que podría favorecer una mayor oxidación de las moléculas del

almidón de maíz, debido a que mayor cantidad de hipoclorito (OCl-) disociado del NaOCl, podría

actuar más directamente sobre la oxidación de los polímeros del almidón; a diferencia del

almidón de plátano, que presenta una cierta coloración y en el cual, una parte del OCl-, podría

ser desviado para oxidar otros compuestos como pigmentos, particularmente polifenoles, que

son los compuestos a los que se les ha atribuido el oscurecimiento del almidón de plátano. En

este caso, se cree que una menor cantidad de cloro residual podría estar actuando para oxidar

las unidades de glucosa en dicho almidón (Morton y Solarek, 1984).

En relación al grado de hidrólisis de los almidones lintnerizados, se presenta en una grafica el

porcentaje de hidrólisis en función del tiempo, mostrando un incremento importante en el grado

de hidrólisis del almidón de plátano correspondiente a los cuatro días de incubación con

tratamiento ácido; después del cual, prácticamente se mantuvo con ligeras variaciones (figura

no mostrada); demostrando que la estructura granular principalmente fue atacada durante los

primeros días. Franco y col., (2002), reportó de igual manera una velocidad de hidrólisis ácida

alta durante los primeros días de tratamiento para diferentes almidones nativos y fermentados

de Yuca.

ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICAS Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA REALIZAR EL ESTUDIO REOLÓGICO DE LOS ALMIDONES: Estudio microviscoamilográfico La viscosidad de las pastas por RVA del almidón lintnerizado presentaron las viscosidades de

pico y de cocción de la pasta más bajas; relacionado con una mayor hidrólisis de las regiones

amorfas del almidón e incremento de las zonas cristalinas. Cuando el calentamiento se continuó

por 5 min a la temperatura máxima del experimento, la viscosidad de los almidones disminuyó

apreciablemente debido al rompimiento de la estructura granular aún presente en los almidones

modificados. Durante el enfriamiento, se observó reasociación de las moléculas que fueron

solubilizadas durante el calentamiento; en el lintnerizado en particular fue menor, debido a la

producción de cadenas cortas durante esta modificación. En almidones oxidados de papa y

maíz al 0.8 % de cloro activo, la viscosidad de pico fue menor y más alta respectivamente en

relación al nativo; estos resultados obedecen a las diferencias estructurales propias de los

almidones (Kuakpetoon y Wang, 2001).

Curvas de flujo Los valores de esfuerzo de corte más altos se obtuvieron en los almidones oxidados a los

diferentes pH evaluados con los GS más bajos obtenidos a tiempos de reacción de 1 y 2 h; los

almidones oxidados con los GS más altos (3 y 4 h de reacción), presentaron los esfuerzos de

corte más bajos (< 20 Pa); la disminución de la viscosidad, fue ocasionada por el rompimiento

parcial de los enlaces glucosídicos del almidón durante la reacción de oxidación, resultando en

una disminución del peso molecular de las moléculas que las constituyen. Esta degradación

parcial de los almidones, debido principalmente al tiempo de reacción, hizo que los almidones

no mantuvieran la integridad de los gránulos y por lo tanto no resistieran el cizallamiento como

los oxidados a una y dos horas de reacción; produciéndose una viscosidad menor (Wang y

Wang, 2003). Las diferencias mas marcadas de esfuerzo de corte se observaron a 1 y 2 h de

reacción a las diferentes temperaturas; a pH 7.5 fueron menores a 80 Pa, a 9.5 y 11.5 (Figura

9), estuvieron cercanos ó por arriba de los 100 Pa a las temperaturas de 25, 35 y 45 ºC. Los

esfuerzos de corte más altos (>110 Pa), se registraron a 45 °C a pH 9.5, sin embargo a pH 11.5

disminuyó por debajo de los 60 Pa. A pH cercano al neutro, los gránulos de almidón con

menores GS, presentan una estructura molecular más degradada debido a que la región

cristalina es mayormente hidrolizada que en condiciones alcalinas, ocasionando que los geles

resistan menores esfuerzos de deformación (Patel y col., 1974). Cuando la temperatura se

incrementó a 55 ºC, los esfuerzos de corte disminuyeron sin importar el pH (< 20 Pa), siendo a

pH 11.5 donde se observaron los valores más bajos sin importar el tiempo de reacción; estos

resultados se relacionan con el efecto hidrolizante que se ha reportado el NaOH adicionado al

medio de reacción para estabilizar y mantener el pH, por lo que el comportamiento

reofluidizante observado a los diferentes tiempos de reacción, podría estar relacionado con la

cantidad de NaOH adicionado al medio de reacción en comparación con los otros pH; lo anterior

porque se ha reportado que el exceso de NaOH produce despolimerización del almidón (Patel y

col., 1974).

El comportamiento de flujo evidenciado en las gráficas fue de tipo pseudoplástico para todos los

almidones oxidados a los diferentes pH, temperaturas y tiempos de reacción; es decir, las

viscosidades de las pastas no se mantuvieron constantes con la velocidad de deformación y

este valor es determinado por el esfuerzo de corte (Hebeish y col., 1989). Es importante

señalar que la presencia de COOH en los almidones, es un factor importante que regula las

propiedades del almidón, ya que favorece la absorción y retención de agua por su carácter

hidrofílico, por lo tanto, se considera de importancia la determinación de esta propiedad para la

caracterización del almidón oxidado y como criterio de control para evaluar la efectividad del

proceso de reacción.

Aplicando el modelo de Ley de la Potencia, los coeficientes de determinación y de correlación

fueron iguales o mayores a 0.95 en la mayoría de los almidones oxidados, considerando como

aceptable la adecuación de los resultados a este modelo matemático así como adecuado grado

de asociación entre las variables. Los valores del índice de comportamiento de flujo (n) fueron

menores a 1 para todos los almidones oxidados a los diferentes pH, temperaturas y tiempos de

reacción, por lo que el comportamiento de flujo de los almidones oxidados de plátano fue de tipo

pseudoplástico a las diferentes condiciones de reacción. Los valores de n disminuyeron al

aumentar el tiempo de reacción, esto se conoce como aclaramiento o adelgazamiento de los

fluidos y son clasificados como reofluidizantes. El índice de consistencia (k), confirmo que los

almidones oxidados de plátano a 1 y 2 horas de reacción y con los mayores esfuerzos de corte,

presentaron los valores mas altos de viscosidad, los valores disminuyen conforme se

incrementó el tiempo de reacción; a pH 11.5 se presentaron los valores mas bajos de

viscosidad y a 9.5 los más altos, encontrando gran similitud con los valores de esfuerzo de corte

obtenidos en los reogramas. Los cambios estructurales en la molécula del almidón con el

cambio de pH en el medio de reacción, afecta la velocidad de reacción (Kato y col., 2003) y con

ello el comportamiento de flujo de los almidones oxidados a determinadas condiciones de

temperatura y tiempo de reacción.

Comportamiento reológico a través de cinéticas de gelatinización y retrogradación La viscosidad de las pastas de los almidones oxidados se incrementó conforme aumentó la

temperatura de reacción; relacionado con el hinchamiento de los gránulos al absorber una

mayor cantidad de agua por efecto de la temperatura de calentamiento (Kato 1992) y la

modificación. Los almidones oxidados de plátano a pH 7.5 presentaron las viscosidades más

bajas (menores a 0.15 Pa.s), mientras que a pH 9.5 y 11.5 los valores fueron cercanos a 0.2

Pa.s. En condiciones cercanas al pH neutro, las viscosidades más bajas que presentaron los

almidones oxidados de plátano, obedece a una mayor despolimerización, ya que se ha

reportado que la amilopectina es más fácilmente degradada (Morton y Solarek, 1984). En la

etapa de enfriamiento, los geles formados a pH 7.5, mostraron los perfiles de viscosidad más

altos a 35 °C y a los diferentes tiempos de reacción. A pH 9.5 y 11.5, los geles de mayor

consistencia se obtuvieron a 45 ºC a los diferentes tiempos de reacción Estos resultados

demuestran que estos almidones oxidados pueden soportar temperaturas más altas en

comparación con los oxidados a pH 7.5, donde las regiones cristalinas sufren mayor

despolimerización durante la reacción de oxidación (Morton y Solarek, 1984). También se ha

sugerido que la formación de grupos aldehídos a bajos niveles de oxidantes forman

entrecruzamientos hemiacetales que estabilizan el hinchamiento de los gránulos, favoreciendo

menores despolimerizaciones (Wang y Wang, 2003). Por otra parte, se sabe que los grupos

COOH producen enlaces hemiacetales entre los polímeros del almidón, lo cual podría reforzar

la estructura de los geles y con ello incrementar la viscosidad (Wang y Wang, 2003). Sin

embargo a pH 11.5, se obtuvieron perfiles de viscosidad menor en los almidones oxidados a 3

y 4 horas de reacción, en comparación con los oxidados a pH 9.5 y 7.5 a estos tiempos, esto

debido a un mayor efecto hidrolizante del NaOH adicionado al medio de reacción, aunado a un

mayor grado de sustitución de grupos COOH que por su carácter hidrofílico contribuyen a que

las pastas sean mas fluidas, relacionado también con los menores esfuerzos de corte de estos

almidones como se mencionó anteriormente. Cuando la temperatura se incrementó a 55 ºC a

los tiempos de reacción más largos, particularmente a pH 11.5, se presentaron las viscosidades

más bajas; esto, relacionado con una despolimerización más pronunciada de las moléculas de

amilosa y amilopectina del almidón de plátano, que además de las condiciones de reacción, la

introducción de grupos COOH contribuyeron a un debilitamiento mayor de la estructura del

almidón (Forssell y col., 1995); además de que la reacción de oxidación es invariablemente

afectada por la liberación de ácido como producto (Kato y col., 2003). Estudios realizados con

almidón de papa con alto grado de oxidación, se encontró la formación de geles débiles

después de un período de tiempo largo de reacción (Forssell y col., 1995). En almidones

oxidados de papa a pH 11, se presentó un pico de menor viscosidad comparado con el obtenido

de los almidones oxidados entre pH 7 y 8 (Wang y Wang, 2003). Por lo que la oxidación con

OCl-, provee un método conveniente para la reducción de la viscosidad al igual que otros tipos

de modificación del almidón (Wang y Wang, 2003). El perfil de viscosidad del almidón nativo

presentó los valores más altos comparado los oxidados a los diferentes pH evaluados,

demostrándose que la oxidación favorece que los gránulos de almidón se hinchen más

fácilmente y a una magnitud mayor, debido a la hidrólis parcial de los polímeros del almidón,

permitiendo que más agua entre a los gránulos, contribuyendo los grupos COOH a una mayor

retención de agua dentro de los mismos.

ESTUDIO TÉRMICO DE LOS DIFERENTES ALMIDONES MODIFICADOS No se encontraron diferencias estadísticas (P<0.05) en la temperatura de gelatinización (Tp)

entre los almidones nativo y lintnerizado, así como entre el nativo y el oxidado (Cuadro 1). Estas

diferencias se vieron mejor reflejadas cuando se determinó el rango de gelatinización (RG), el

almidón lintnerizado mostró el valor más alto, debido a un mayor arreglo cristalino lo que

permitió que la desorganización del almidón se llevara en un intervalo más amplio de

temperatura. Sin embargo, la entalpía de gelatinización (ΔH) para el lintnerizado fue la más

baja, debido a la formación de cristales más pequeños e imperfectos, requiriendo de menor

energía para desorganizarse. El almidón oxidado presentó la ΔH de gelatinización más alta,

debido a que los grupos C=O y COOH estabilizan la estructura a través de puentes de

hidrógeno, requiriendo mayor energía para su desorganización. La Tp de fusión de la

amilopectina retrogradada para los tres almidones fue menor que la de gelatinización, debido a

la formación de cristales pequeños e imperfectos durante la retrogradación (Paredes-López et

al., 1994). La entalpía de fusión se incrementó hasta las 96 h de almacenamiento y después se

mantuvo constante. La entalpía de fusión de la amilopectina retrogradada fue menor a la de

gelatinización para el mismo tipo de almidón, indicativo de que la recristalización del almidón

produce una estructura diferente. El almidón lintnerizado presentó los valores más bajos de

entalpía de fusión coincidiendo con la Tp y la menor reorganización detectada en el perfil de

viscosidad. El almidón nativo presentó mayor tendencia a retrogradar, propiedad que disminuyó

al modificar el almidón (Cuadro 2).

Cuadro 1 . Propiedades térmicas de almidones de plátano*.

Almidón de plátano Ti (ºC) Tp (ºC) Tf (ºC) RG (ºC) ΔH

(J/g)

Nativo 70.65 ± 0.0b

75.33 ± 0.0a,b

82.18 ± 0.4b

11.50 ± 0.6b

16.79 ± 0.0b

Oxidado 69.50 ± 0.0c

75.05 ± 0.3b

81.02 ± 0.6c

11.75

± 0.9b 17.54 ± 0.5a

Lintnerizado 71.06 ± 0.2a

76.17 ± 0.5a

84.59 ± 0.4a

13.53 ± 0.5a

15.54 ± 0.4c

*Media de cuatro determinaciones ± Desviación estándar Letras minúsculas diferentes por columna indican diferencias estadísticas significativas (p<0.05) Ti= temperatura de inicio; Tp= temperatura de pico; Tf= temperatura final; ΔH= Entalpía de gelatinización; RG= rango de gelatinización (Tf - Ti) ** J/g de muestra Cuadro 2. Propiedades térmicas de retrogradación de almidones de plátano *.

Tf (ºC) ΔH (J/g)** Almidón de plátano

24 h 120 h 312 h 24 h 120 h 312 h Nativo 59.33

± 0.9a,A 58.13

± 0.1a,A 57.83 ± 0a,A

6.58 ± 0.1a,B

8.30 ± 0.1a,A

8.38 ± 0.3a,A

Oxidado 59.63 ± 0.9a,A

58.29 ± 0.1a,B

57.92 ± 0.4a,B

7.29 ± 0.2a,B

8.15 ± 0.1aA,B

8.41 ± 0.2a,A

Lintnerizado

58.46 ± 0.1a,A

56.37 ± 0.1b,B

54.46 ± 0.1b,C

6.72 ± 0.3a,B

7.68 ± 0.1b,A

7.85 ± 0.0a,A

*. Media de cuatro determinaciones ± Desviación estándar Letras minúsculas diferentes por columna para cada parámetro medido indican diferencias estadísticas significativas (p<0.05) Letras mayúsculas diferentes por fila para cada parámetro medido indican diferencia estadística significativa (p<0.05) Tf= temperatura de fusión ** J/g de muestra CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL Y MOLECULAR DE LOS ALMIDONES Difracción de RX. En los tres almidones se encontró un patrón de difracción que podría

considerarse como una mezcla de los tipos A- y B-, aunque en el almidón de plátano analizado

no se encontró el pico a 2θ=5º, pero si el 2θ=18º que son característicos del patrón tipo B-

(Zobel, 1988). El patrón de difracción de rayos X obtenido para el almidón nativo de plátano,

coincide parcialmente con el reportado para el almidón de plátano tipo C-, ya que en este último

si se mostró el pico a 2θ = 5º (Millán-Testa et al., 2005). Estudios realizados con almidones

nativos aislados de otras variedades de plátano, mostraron un patrón de difracción tipo B-

(Faisant et al., 1995) y un patrón tipo C- también fue reportado (Jane et al., 1999). Las

modificaciones químicas no afectaron el patrón de difracción de rayos X, pero si el porcentaje

de cristalinidad, ya que el almidón nativo mostró un 19.40 %, el oxidado 21.19 % y lintnerizado

de 21.79 %. El incremento de cristalinidad en el almidón oxidado se relaciona con lo reportado

previamente, con la despolimerización de los componentes del almidón que produce la

modificación (Sánchez-Rivera et al., 2005), obteniéndose cadenas lineales que se arreglan en

una estructura ordenada, incrementando la cristalinidada. Se sabe que el proceso de

lintnerización incrementa la cristalinidad del almidón (Bertoft, 2004), lo cual coincidió con el valor

más alto de cristalinidad obtenido en este estudio. Un valor mayor de cristalinidad en este

almidón no fue observado debido a las condiciones de reacción aplicadas. Almidón de tapioca

lintnerizado después de 768 h de reacción presentó una cristalinidad relativa de 57.75 %, a

diferencia del nativo (39.53 %) y después de 12 h (41.59 %) (Atichokudomchai et al. 2001).

Microscopia de luz polarizada. En los tres almidones de plátano (nativo, oxidado y

lintnerizado) se observó birrefringencia dentro de los gránulos; aún a diferentes condiciones de

pH, los almidones oxidados presentaron birrefringencia; es decir, cierto orden de las moléculas

que forman el almidón, sin hacer referencia a alguna forma cristalina; resultados similares se

obtuvieron para los almidones oxidados de plátano a las diferentes condiciones de reacción.

Estos resultados muestran que los dos procesos de modificación al que fue sometido el almidón

de plátano no alteraron la estructura molecular del almidón de manera importante; el ácido

utilizado en la lintnerización afectó en mayor grado la estructura. Estudios realizados con

almidones cerosos de papa y maíz lintnerizados mostraron que aun después de la modificación,

se obtuvieron gránulos con anillos de crecimiento empacados, pero además se encontraron

fragmentos de gránulos que estaban rodeando a dichos gránulos (Bertoft, 2004), lo cual

coincide con la estructura granular observada en los almidones modificados de este estudio.

Espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR). De la relación 1045/1022

se obtuvieron para los almidones nativo (1.678), oxidado (1.689) y lintnerizado (1.883), este

último con la mayor cantidad de zonas cristalinas (Van Soest et al., 1995). Valores similares

entre el nativo y el oxidado obedece a que la oxidación introduce principalmente grupos

funcionales carbonilo y carboxilo en las cadenas de amilosa y amilopectina, siendo la región

cristalina en menor proporción atacada. Almidones nativos de maíz de dos variedades

mostraron valores de 1.36 y 1.47 (Agama-Acevedo et al., 2005), de plátano 1.12 y okenia 1.37

(Millan-Testa et al., 2005).

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Carga eléctrica Durante la oxidación del almidón de plátano con hipoclorito de sodio (NaOCl), los grupos

secundarios de C2 y C3 así como los grupos hidroxilo primarios de C6 en las unidades de

anhidroglucosa son oxidados a grupos carbonilo (C=O) y posteriormente a grupos carboxilo

(COOH). La formación de estos grupos crea la presencia de densidades de carga eléctrica en

las partículas de almidón oxidado, las cuales pueden ser medidas a través de un equipo

convencional Mutek. Por otro lado, el contenido de grupos C=O y COOH y el grado de

depolimerización del almidón oxidado se ven afectados por diversos factores como el pH, la

temperatura, la concentración de hipoclorito de la reacción de oxidación. En este sentido, el

presente estudio buscó relacionar el valor de pH con carga cero de dispersiones de almidón de

plátano oxidado y para relacionarlo con la cantidad de grupos carboxilo obtenidos en diferentes

condiciones de reacción para establecer el efecto del pH y el tiempo de reacción sobre esta

propiedad. La cantidad de grupos carbonilo y carboxilo se determinaron siguiendo la

metodología de Rivas (2006). Se obtuvieron las gráficas del comportamiento del pH y mV en las

suspensiones de almidón de plátano (nativo, oxidado y lintnerizado), observando como el pH va

cambiando con respecto al mV. El almidón de plátano nativo presentó una carga de 9.65 x 10 -2

C/g a pH 6.1 el cual permite conocer la facilidad de cambio de la misma en la suspensión, el

almidón oxidado presentó una carga de 6.43x10-2 C/g y la carga neta cero a pH 6.55 y, el

almidón lintnerizado 1.19 x10-1 C/g a pH 6.41, el resultado de las cargas permite conocer como

este último presenta una mayor carga que el nativo y el oxidado, lo cual puede ser atribuido a

que en ese almidón se encuentra una mayor cantidad de grupos -OH libres debido a la mayor

cantidad de cadena lineales las cuales influyen a que presente una carga mayor, mientras que

el oxidado presenta una carga ligeramente menor que el nativo. Esto puede ser atribuido a que

en este almidón se encuentran sustituidos algunos de sus grupos -OH por grupos carbonilo y

carboxilo, los cuales pueden estar influyendo en la carga neta del almidón oxidado. El cambio

del mV con respecto a los mL agregados de titulador obedece a las cargas presentes en la

suspensión y a las agregadas por el titulador que interactúan como resultado al cambio del mV

y pH para posteriormente dar la carga final de la suspensión y el punto al cual se alcanza el

equilibrio de las cargas (carga neta cero) de la solución de almidón. El comportamiento de los

almidones de nativo, oxidado y lintnerizado con respecto a los mL gastados, se observó el

cambio en el pH de la solución y por consiguiente el mV al cual se alcanza la carga neta cero

para posteriormente conocer la carga de la suspensión de almidón (nativo, oxidado y

lintnerizado). Estos resultados muestran que los dos procesos de modificación al que fue

sometido el almidón de plátano no alteraron significativamente su estructura granular, dejando

ordenadas las moléculas como será discutido más adelante. Los gránulos de los tres almidones

analizados presentaron una forma elíptica, lo cual podría eventualmente explicar algunas de sus

propiedades funcionales, como la viscosidad de pasta y sus propiedades térmicas.

La Figura 1 muestra un ejemplo para la determinación de la carga neta cero en dos muestras de

almidón obtenidos a un pH de reacción 7.5 a dos diferentes tiempos de reacción.

p H

5 .6 5 .8 6 .0 6 .2 6 .4 6 .6 6 .8 7 .0

mV

-2 0 0 0

-1 5 0 0

-1 0 0 0

-5 0 0

0

5 0 0

1 0 0 0

tie m p o d e re a c c ió n 1 h o ratie m p o d e re a c c ió n 4 h o ra s

p H d e re a c c ió n = 7T = 5 5 °C

Figura 1. Determinación de la densidad de carga eléctrica a través de la determinación de carga cero en almidón de plátano oxidado a un pH = 7.5 a 1 (círculos) y 4 (triángulos) horas de reacción.

El pH de carga cero (pHCC) se determinó cuando la densidad de carga se neutralizó y el voltaje

registrado en el equipo Mutek fue de cero. Las flechas verticales indican el valor del pH para el

cual mV=0. Por otro lado, analizando el valor de pHCCa un mismo pH y Temperatura de

reacción, el valor de pH CC incrementó con el tiempo de reacción. Este fenómeno se dio como

una consecuencia de la existencia de una mayor producción de grupos COOH durante la

reacción por 4 horas.

El análisis simultáneo del efecto del pH y el tiempo de reacción sobre el valor de pHCC se

muestra en la figura 2.

pH de reacción

7.5 8.5 9.5 10.5 11.5

pH d

e P

CC

5.8

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

1 4

tiempo de reacción (horas) :

Figura 2. Efecto del tiempo y pH de reacción en los valores del pHCC en almidón de plátano oxidado con NaOCl.

De acuerdo con la figura, a las cuatro horas de reacción existen más grupos COOH formados

con respecto a una hora de reacción. En consecuencia, se requiere un pH más ácido para

obtener un pHCC. Por otra parte, un incremento en el pH de reacción produjo un incremento en

el pHCC. Por otro lado, se analizó la cantidad de grupos COOH producidos en las diferentes

condiciones de reacción descritas en el Cuadro 1. La Figura 3 muestra el efecto del tiempo y pH

de reacción sobre la cantidad de grupos COOH obtenidos durante la oxidación del almidón. En

forma general, la cantidad de grupos COOH se incrementó con el tiempo de reacción cuando

las temperaturas fueron de los 25 a los 45 °C de reacción. Sin embargo, a 55 °C la cantidad de

grupos carboxilo producidos después de una hora de reacción disminuyeron como

consecuencia del la depolimerización que sufrió el almidón. Relacionando estos resultados con

los presentados anteriormente, encontramos que a un mayor tiempo de reacción con un

incremento del pH, se obtiene una mayor cantidad de grupos COOH, la cual requiere de un pH

más ácido par obtener una carga neta de cero.

pH 7.5

Tiempo de reacción (horas)

1 2 3 4

GS

(CO

OH

/100

UA

G)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

25 °C35 °C45 °C55 °C

pH 9.5

Tiempo de reacción (horas)

1 2 3 4

pH 11.5

Tiempo de reacción (horas)

1 2 3 4

Figura 3. Grupos COOH obtenidos durante la oxidación de almidón de plátano a diferentes condiciones de tiempo y pH de reacción.

Isotermas de sorción. Las isotermas de sorción-desorción de los almidones nativo, oxidado y

lintnerizado mostraron similares isotermas de adsorción y deserción (Figuras 5,6 y 7). La

histéresis mostradas por dichas curvas son consideradas del tipo C (Everett, 1967), ya que la

adsorción y desorción del agua por parte de estos materiales siguieron comportamientos

diferentes. Comportamientos parecidos fueron mostrados para los almidones de Kutzu y camote

(Boki y Ohno, 1991). Calzetta-Resio et al., (1999) reportaron isotermas de adsorción con tres

almidones nativos amaranto, maíz y trigo, las cuales en general mostraron comportamiento

similares, ya que a la más alta actividad de agua estudiada se observó una discrepancia en la

capacidad de adsorción comparado con los otros dos, ya que el almidón de amaranto mostró la

mas alta capacidad de adsorción. Estos autores sugieren que los tres almidones tienen

similares adsorciones superficiales de agua y que la más alta adsorción del almidón de

amaranto a una actividad de agua alta se debe principalmente a las diferentes estructuras de

estos almidones. Recientemente Manek et al., (2005) usando una metodología similar a la de

este trabajo encontraron que los isotermas de adsorción para los almidones de yuca y maíz

tuvieron un patrón idéntico de adsorción.

El análisis de BET para los estudios de adsorción de los almidones nativo, oxidado y

lintnerizado, demostraron que la constante energética y el valor de la monocapa fueron para el

nativo (72.81, 6.24), oxidado (83.10, 6.33) y lintnerizado (82, 6.09 g H2O / g muestra). El valor

de la monocapa para los tres almidones fue similar, lo cual coincide con el comportamiento de

esas isotermas de adsorción. Este valor esta relacionado con la facilidad que tiene el agua que

rodea las partículas sólidas de unirse a estas recubriéndolas, por lo que este parámetro pudiera

cambiar si el material bajo estudio tiene características hidrofílicas o hidrofóbicas. Después de

la adsorción de la monocapa el agua se une mas fácilmente al material, fenómeno que también

esta relacionado con la cantidad de agua presente en el medio ambiente. En el caso de la

constante energética, que es un parámetro relacionado con la diferencia de la energía de las

moléculas del sorbato de la primera capa y las otras capas restantes (comportamiento líquido),

los almidones modificados tuvieron valores más altos, debido a que en el almidón oxidado los

grupos funcionales introducidos C=O (carbonilo) y COOH (carboxilo) y en el lintnerizado mayor

cantidad de grupos OH- expuestos, los cuales forman una mayor interacción con las moléculas

de agua de la primera capa, por lo que las restantes se unen entre si mediante interacciones

más débiles, provocando esta diferencia. En el análisis por BET en el caso de la deserción, los

valores obtenidos de la constante energética fueron 68.36, 65.73 y 67.31, y los de la monocapa

de 7.70, 8.00 y 7.71 g H2O/g muestra para los almidones nativo, oxidado y lintnerizado,

respectivamente. La constante energética en el caso de la desorción fue menor que en la

adsorción, comportamiento que esta relacionado con la energía necesaria para ir eliminando el

agua de las múltiples capas, que una vez que llega a la monocapa se hace más fácil debido a

un incremento de la energía cinética del sistema, causado por un aumento de la movilidad de

las moléculas de agua según la teoría del volumen libre (Slade y Levine, 1992). Los valores de

la monocapa fueron muy similares, lo cual coincide con la forma de las isotermas de desorción

obtenidas para los tres almidones estudiados.

GRADO DE SUSTITUCIÓN A DIFERENTES TIEMPOS DE REACCIÓN - Determinación de grupos funcionales en almidones oxidados

El GS se incrementó conforme aumentó la temperatura (25 a 45 ºC) y el tiempo de reacción (1

a 4 h) a los diferentes pH evaluados (Figuras 4). Los GS más altos a pH 7.5, 9.5 y 11.5 se

obtuvieron a 45 ºC, sin embargo se observaron diferencias en cuanto al tiempo de reacción, a

pH 7.5, se observó a partir de la tercera hora de reacción, a 9.5 a partir de la segunda y pH 11.5

a partir de la primera hora de reacción. Los valores más altos de GS obtenidos a pH 11.5,

podrían también relacionarse con el consumo de NaOH utilizado para equilibrar el pH, debido a

que este también participa en la reacción de oxidación, formándose almidón sodio (Patel y col.,

1974; Morton y Solarek, 1984) ya que se ha demostrado que para una oxidación completa de

un grupo OH- primario de almidón, por cada mol de este grupo, se consumen dos moles de

NaOCl más una mol de NaOH (Kato y col., 2003; Patel y col., 1974). El intervalo de COOH

obtenido fue de 0.0004 a 0.335 considerando las diferentes condiciones de reacción; el máximo

permitido de COOH es de 1.1; almidones oxidados con GS de 1.4 se consideran sin

posibilidades de aplicación (OMS, 1974). A pH 7.5 se obtuvieron los GS más bajos y los más

altos a 11.5, es decir, los grupos COOH se incrementaron conforme se aumentó la alcalinidad

del medio de reacción.

El pH juega un papel importante en la reacción de oxidación del almidón, debido a que influye

en la descomposición del NaOCl a ácido hipocloroso e ión hipoclorito (HOCl/OCl-), la relación

de ambos se encuentra en función del pH (Floor y col., 1989) e influye en la producción de

grupos funcionales C=O y COOH. A pH ácido se favorecen los C=O y a pH alcalino COOH,

debido a que en estas condiciones, el agente oxidante predominante es el ión hipoclorito (OCl-)

(Patel y col., 1974) al cual se le atribuye la oxidación del almidón (Wang y Wang, 2003,

Rutenberg y Solarek, 1984; Kuakpetoon y Wang, 2003).

0

0,2

0,4

25 35 45 55

Temperatura (ºC)

GS

(% C

OO

H)

Figura 4. Efecto de la temperatura sobre el GS de COOH en almidones oxidados de plátano a cuatro horas de reacción a pH 7.5 , 9.6 y 11.5 .

ESTANDARIZACIÓN DE TÉCNICA Y ESTABLECIMIENTO DE CONDICIONES PARA REALIZAR LOS ESTUDIOS ESTRUCTURALES A TRAVÉS DEL ANÁLISIS DE CROMATOGRAFIA DE LIQUIDOS POR EXCLUSION DE TAMAÑO. CARACTERIZACION ESTRUCTURAL. Recuperación. La cantidad promedio de amilosa que fue recuperada de los almidones nativo

(sin modificar) y oxidados de plátano a las diferentes concentraciones de cloro activo, y a partir

de 3 g de muestra, fue de alrededor de 1.91 g.

De los almidones lintnerizados obtenidos a diferente tiempo de hidrólisis (1-9 días), se aplico la

misma técnica para la obtención de amilosa, como para los almidones oxidados; sin embargo,

en estos almidones no fue posible recuperar amilosa sin importar el tiempo de hidrólisis con el

HCl. Estos resultados explican el efecto de la modificación química sobre el almidón,

dependiendo del tipo de reactivo utilizado. En la oxidación el NaOCl principalmente actúa

introduciendo grupos funcionales a las moléculas del almidón (Thomas y Atwell, 1999); mientras

que el HCl, no introduce grupos funcionales y su acción es hidrolizar el almidón tanto en los

enlaces α:1-4, como α:1-6. De esta manera, las cadenas de amilosa son particularmente

disminuidas en su grado de polimerización (DP), y eliminadas de los gránulos durante la

reacción y los lavados; por lo tanto, la fracción pequeña que habrá quedado dentro de los

gránulos es insuficiente para poder ser detectada. Así que no se logró caracterizar la amilosa de

los almidones lintnerizados por HPLC.

Del estudio que se realizó a los almidones oxidados a diferentes condiciones de reacción, se

reportan las absorbancias obtenidas en un espetrofotómetro a partir de tres lecturas, siendo

los valores más altos para el almidón nativo de plátano (N) relacionado con la mayor cantidad

de carbohidratos totales presentes. La concentración de carbohidratos totales en las

disoluciones de los diferentes almidones nativos y oxidados se muestra en la siguiente tabla 3

donde se muestra la disminución de estos conforme aumenta la concentración de cloro activo

para oxidar el almidón de plátano.

Tabla 3. Contenido de carbohidratos totales en los almidones de plátano nativo y oxidados a diferentes concentraciones de cloro activo.

MUESTRA Carbohidratos Totales (%)

Nativo 102.66 0.75 98.224 1.0 96.603

1.75 94.97 2.0 92.813

Se obtuvieron los diferentes cromatogramas en el HPLC de los polímeros de amilosa obtenidas

de los almidones oxidados y del nativo de plátano.

En la siguiente tabla (4) se presentan resumidos los tiempos de retención que se obtuvieron de

las amilosas de los diferentes almidones oxidados. Como puede observarse, el tiempo de

elusión o de retención se incrementó conforme se aumentó la concentración de cloro activo, el

tiempo de retención del almidón nativo fue el mas bajo (7.24 min). Es importante observar en

los cromatogramas una distribución bimodal que empezó a observarse en los almidones

oxidados al 1.75 y 2 % de cloro activo; esto atribuido a degradación de la molécula en las

concentraciones más alta de cloro activo.

Tabla 4. Volumen de elusión (min) de almidones oxidados de plátano.

% Cloro activo min.

Nativo 7.24

0.75 7.31

1.0 7.32

1.75 7.40

2.0 7.48

• Distribución de masa molar de polímeros de amilosa de almidones oxidados de plátano.

Después de realizar las extrapolaciones con la curva de calibración de pullulanos, se obtuvieron

las masas molares promedios (Mw), así como el peso molecular promedio en número (Tabla

5), incluyendo el nativo. Estos parámetros moleculares se obtuvieron con un índice de

polidispersidad menor a 1.5. La masa molar (Mw) disminuyó conforme se incremento la

concentración de cloro activo de 2.92 x 105 (0.75 % cloro activo) a 1.4286 x105 (2 % de cloro

activo), en comparación con el nativo (3.9184 x105), cuya Mw fue la más alta.

Tabla 5. Masas molares de número promedio (Mn) y peso promedio (Mw) de amilosas de almidones oxidados de plátano a diferentes concentraciones de cloro activo.

% Cloro activo Mn Mw Mw/Mn

Nativo 2.7200 x105 3.9184 x105 1.44

0.75 2.0424x105 2.9250 x105 1.43

1.0 1.9065 x105 2.7309 x105 1.43

1.75 1.3671 x105 1.9662 x105 1.43

2.0 9.9201 x104 1.4286 x105 1.44

En el estudio realizado por dispersión de luz, los parámetros moleculares encontrados fueron

los que se presentan en la tabla 6. El almidón nativo presento una Mw de 1.767±0.950 x 108

g/mol, la amilosa del oxidado al 1 % de 3.555±0.060 x 106, es decir un peso molecular menor al

nativo, debido al efecto de la modificación aplicada al almidón de plátano, mientras que para el

almidón oxidado de plátano que por HPLC-IR, se encontro una distribución bimodal, referida

como una degradaciòn de la molécula de amilosa, el valor de Mw obtenida por HPLC-RI-

MALLS, fue mas alto que para el almidón oxidado al 1% (5.194±0.127 x 107) pero menor a la

Mw del almidónativo, estos resultados descartan la degradaciòn de la amilosa, sino mas bien

podria pensarse contaminaciones con fracciones de amilopectina que podrian haberse

degradado durante la oxidación.

Tabla 6. Parámetros moleculares de amilosa obtenida de almidón oxidado al 1 y 2 % y de

almidón nativo de plátano.

Muestra Mw g/mol

Rg nm

Modelo y Orden

Nativo 1.767±0.950 x 108 86.5 ± 2.5 Random coil, orden 2

Oxidado 1 % 3.555±0.060 x 106 33.7± 1.1 Debye, orden 1

Oxidado 2 % 5.194±0.127 x 107 74.8± 0.4 Zimm, 1

DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FUNCIONALES DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS Hinchamiento y solubilidad. Durante el calentamiento continuo de los gránulos de almidón en exceso de agua se produce el

hinchamiento de los gránulos y la lixiviación de los componentes solubles (principalmente el

amilosa). Cuando se completan el hinchamiento y la solubilidad, el sistema resultante es una

suspensión de partículas hinchadas dispersas en una solución macromolecular, generalmente

compuesta por amilosa, que constituye el medio continuo, en otros casos, las moléculas de

almidón se disuelven totalmente. Con el hinchamiento del amilopectina contenida en los

gránulos, tales como el de maíz, algunas de las moléculas más pequeñas de amilosa se

disuelven y son conducidas fuera del gránulo para reasociarse y precipitar si la concentración

de almidón es baja, o pueden formar un gel si la concentración es alta. Estas determinaciones

se realizaron en muestras de almidón oxidado obtenido a condiciones constantes variando

únicamente la concentración del NaOCl con el fin de observar y analizar el efecto que la

concentración de agente oxidante tiene sobre el hinchamiento y la solubilidad. El Cuadro 7

muestra los valores obtenidos para las diferentes dispersiones. En forma general, la solubilidad

y el hinchamiento presentaron valores correspondientes a un almidón de tipo normal. Todos los

almidones oxidados presentaron un incremento en la solubilidad con respecto al almidón sin

modificar, y en forma inversa, el hinchamiento presentó una disminución. Sin embargo ninguna

de estas propiedades mostró una tendencia clara con respecto a la concentración de agente

oxidante.

Cuadro 7. Efecto de la concentración de cloro activo sobre el hinchamiento y solubilidad de almidón de plátano oxidado.

Concentración de agente oxidante (% cloro activo)

Solubilidad (%) Hinchamiento (%)

Almidón sin modificar 14.12 17.08 0.25 17.03 15.36 0.50 17.23 16.38 0.75 16.89 14.25 1.00 16.89 16.78 1.25 18.73 15.76 1.50 19.25 16.2 1.75 16.50 14.34 2 00 20 50 15 03

Distribución y tamaño de partícula Se obtuvo la distribución del tamaño de partícula de los almidones oxidados sin cocer. La Figura

5 muestra la distribución del tamaño de partícula de los gránulos de almidón nativo y oxidado

con dos concentraciones de NaOCl. El resto de los almidones presentaron una distribución de

tamaño semejante. La figura muestra que el proceso de oxidación de los almidones produjo una

disminución en el tamaño de las partículas y el volumen de las mismas. Para analizar el efecto

de la concentración de NaOCl sobre el tamaño de los gránulos de almidón, el cuadro 8 resume

los valores del diámetro mediano a diferentes concentraciones de agente oxidante.

Cuadro 8. Efecto de la concentración de NaOCl sobre el diámetro mediano del almidón oxidado.

% NaOCl D[v, 0.5] (�m) 0 36.69

0.25 31.14 0.50 32.47 0.75 32.59 1.00 31.26 1.25 32.29 1.50 31.17 1.75 29.32 2.00 28.98

Diámetro de la partícula (μm)

1 10 100

% v

olum

en

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

almidon sin modificar0.25 % cloro activo2 % cloro activo

Figura 5. Efecto de la concentración de NaOCl sobre la distribución

del tamaño de partícula de almidón de plátano oxidado.

Los resultados mostrados en la tabla 8 y la figura 5 son congruentes entre sí. La reacción de

oxidación del almidón de plátano produjo una disminución del diámetro de los gránulos de

almidón. Es probable que, durante el proceso de oxidación, algunas de las moléculas de

amilosa y/o amilopectina que se encuentran en la superficie de los gránulos se hidrolicen y se

disuelvan simultáneamente, por lo que el gránulo se ve disminuido en su tamaño. Esta

reducción en el tamaño de los gránulos puede ser una de las razones del incremento de la

solubilidad y la disminución del hinchamiento observados previamente.

Entre las perspectivas futuras de esta área, es estudiar el probable efecto que puedan tener

otras variables de reacción, por ejemplo el pH, temperatura y tiempo de reacción sobre el

tamaño de las partículas de almidón oxidado.

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO DE LOS ALMIDONES MODIFICADOS. EVALUACIÓN REOLÓGICA DE LA VISCOELASTICIDAD La conformación de geles se conforman a partir de material lixiviado de los gránulos de almidón

al estar en presencia de agua y por efecto de la temperatura, ya que se producen procesos

hidrotérmicos como son la gelatinización y retrogradación. La gelatinización es la pérdida del

orden molecular dentro de los gránulos de almidón seguida por cambios irreversibles en sus

propiedades tales como hinchamiento granular, desorden de los cristales, pérdida de

birrefringencia y disolución del almidón (Atwell y col., 1988). La retrogradación se define como la

reorganización de las moléculas del almidón, debido a que las cadenas lineales se orientan

paralelamente e interaccionan con ellas por puentes de hidrógeno a través de sus múltiples

grupos hidroxilo. Cada almidón tiene una diferente tendencia a la retrogradación, lo cual esta

directamente relacionado con su contenido de la fracción de amilosa y de amilopectina. El

resultado de estos procesos es la formación de una pasta o gel en las que se tiene a las

moléculas de amilosa formando una red tridimensional que rodean a los gránulos del almidón

hinchados. Un método para poder caracterizar a estos sistemas (pastas y geles) es la reología.

La reología en almidones es particular en cada caso, pues depende de las condiciones

experimentales. El aspecto más importante evaluado es el comportamiento de flujo y su

comportamiento viscoelástico. Se ha descrito que las mediciones viscoelásticas dinámicas han

provisto un excelente medio para estudiar los cambios reológicos ocurridos durante los

procesos de gelatinización y retrogradación de dispersiones acuosas de almidón. Las pruebas

oscilatorias de baja deformación permiten medir sin interrumpir o destruir la estructura del gel,

son muy útiles en la descripción de los cambios dependientes de tiempo y temperatura. Las

pastas de almidón o los geles tienen propiedades viscosas (como fluidos) y elásticas (como

sólidos), mostrando así un comportamiento viscoelástico. Los materiales que presentan esta

propiedad, se caracterizan por la presencia de una estructura tridimensional incompleta, que se

afecta por la aplicación de un esfuerzo y sólo se recupera cuando el esfuerzo es parcialmente

removido. Mientras más completa y resistente a la ruptura sea la estructura, más pronunciada

es su elasticidad, y mientras más fácil se rompa, mayor es su comportamiento viscoso

(Borwankar, 1992).

Estas pruebas consisten en obtener un barrido de deformación (o esfuerzo, según sea el caso),

para determinar los limites del comportamiento viscoelástico lineal de la muestra, dado que en

la región lineal, las propiedades reológicas no son dependientes de la deformación ni del

esfuerzo. Se procede a obtener un barrido de frecuencia, el cual señala los cambios en el

comportamiento elástico y viscoso del material, con el tiempo de aplicación de la deformación o

del esfuerzo. Los resultados de los experimentos dinámicos son representados por los módulos

de almacenamiento (G’) y el módulo de pérdida (G’’).

Barridos de amplitud. Se realizaron los barridos de amplitud de la deformación para cada una

de las muestras de almidones de plátano oxidados con hipoclorito de sodio así como del nativo

para determinar los límites de la región viscoelástica lineal (RVL), durante las tres etapas de

prueba. Esta región viscoelástica lineal es importante de determinar debido a que las

propiedades reológicas en esta región, no dependen de la deformación ni del esfuerzo y no se

manifiesta destrucción de la muestra en el intervalo de deformación que se desee aplicar para

realizar los barridos de frecuencia. Se muestra un ejemplo de una de las gráficas obtenidas,

representando solamente la tercera etapa (cocción a 25 ºC) de enfriamiento.

En las gráficas evaluadas, no se observaron puntos de inflexión, que indicaran destrucción del

sistema en ese punto. El comportamiento de ambos módulos G´ (módulo elástico) y G “ (módulo

viscoso) a lo largo de esta etapa fue similar; en todas las muestras, obteniendo gráficas

lineales en todos los casos. Aunque si se observó incremento en el valor de los módulos al

avanzar a la segunda y tercera etapa de la cinética, relacionado con el efecto de la temperatura

en las muestras obteniendo un comportamiento diferente, ya que el sistema pasa de una

suspensión (primer etapa), a una pasta (segunda etapa) y finalmente conformar un gel (tercera

etapa). De esta última etapa, se escogió un valor de deformación del 0.5 %, donde se asegura

que la estructura del gel se mantiene. Los valores del módulo elástico (G´) fueron mas altos

que los del viscoso (G”), es decir G’>G’’, típico de geles viscoelásticos; mientras que los valores

de la tangente del ángulo de desfasamiento (tan δ) estuvieron en el intervalo de 0.15 a 0.19,

típico de geles viscoelásticos débiles (Ferry, 1980). Por lo que los geles obtenidos son

considerados como viscoelásticos débiles; los valores de los módulos fueron cambiando

durante la cinética, obteniendo en la etapa 3 los valores mayores, esto debido a la interacción

de la moléculas que permanecen en el interior del gránulo y que refuerzan el gel durante el

enfriamiento (Tsai ET AL. 1997, Hsu et al. 2000).

Barridos de frecuencia. Se obtuvieron las gráficas de los barridos de frecuencia en un intervalo de 1 a 10 Hz, para los

almidones oxidados a diferentes condiciones de temperatura y pH reacción; se presentan

solamente los barridos de frecuencia a cuatro horas de reacción (tiempo máximo de reacción, al

cual fueron sometidos los almidones oxidados), en la tercera etapa de la cinética (enfriamiento)

correspondiente a la conformación del gel; el barrido de frecuencia del almidón nativo se utilizó

como referencia bajo las mismas condiciones. En todos los casos el módulo elástico o de

almacenamiento (G`) predominó sobre el módulo viscoso o de pérdida (G”) en el intervalo de

frecuencia analizados; es decir G´>G”, esto fue tanto para los almidones oxidados a las

diferentes condiciones de reacción como para el nativo; relacionado este comportamiento de los

módulos con la conformación de geles eslásticos.

Para determinar el comportamiento viscoelástico, se evalúo la región lineal a través de los

barridos de amplitud de la deformación. En cuanto a los resultados reológicos, en todas las

muestras predomino el módulo de almacenamiento, es decir se obtuvo mayor comportamiento

elástico; los módulos G` y G”, de los geles formados con los almidones oxidados a 25 ºC, a los

diferentes pH (7.5, 9.5 y 11.5) fueron similares entre sí, en cuanto a los valores obtenidos para

cada módulo, juntamente con el almidón sin modificar. Sin embargo, a 35 ºC a pH 11.5, los

módulos de almacenamiento y de pérdida disminuyeron de manera importante, en comparación

con los almidones oxidados a esa misma temperatura a pH 7.5 y 9.5, donde ambos módulos no

mostraron diferencias importantes con los almidones oxidados a 25 ºC. Las diferencia mas

marcadas se observaron a 45 ºC, para los almidones oxidados a pH 7.5, donde los modulos G`

y G” disminuyeron de manera importante, esto relacionado por el efecto de acidez del medio de

reacción que junto con el incremento de temperatura de reacción a este pH, ocasionó una

mayor degradación de la amilopectina (Morton y Solarek, 1984), haciendo que el sistema se

menos elástico, es decir más suave que los obtenidos a 25 y 35 ºC a pH 7.5. A diferencia de los

almidones oxidados a 45 ºC en un medio de reacción alcalino (pH 11.5), donde los módulos

elástico y viscoso, sus valores fueron similares a los oxidados a 25 ºC, pero no a 35 ºC donde

se observó una disminución importante de ambos módulos. Los resultados reológicos a pH

11.5, muestran que los almidones oxidados de plátano a 35 ºC, presentan un comportamiento

menos elástico (más suave) que los oxidados a 45 ºC a este mismo pH, relacionado con el

efecto hidrolizante que produce el NaOH para ajustar el medio de reacción, sin embargo, al

incrementar la temperatura de este medio alcalino, se favorece una mayor introducción de

grupos funcionales como se observo previamente, y que a partir de lo que se ha reportado en la

literatura, estos grupos COOH forman enlaces hemiacetales que podrian estar reforzando la

estructura granular de estos almidones, favoreciendo una sistema más elástico.

Se ha demostrado en otros estudios que el contenido de grupos funcionales se incrementa

conforme aumenta la alcalinidad del medio de reacción (Kuakpetoon and Wang, 2003, Wang y

Wang, 2001). A pH 9.5 sin embargo, el comportamiento reológico observado fue con menores

variaciones en los módulos G´y G”, aunque, se observó disminución de los mismos a 35 ºC y un

sistema más elástico a 45 ºC, estos resultados coinciden con los obtenidos a pH 11.5,. aunque

en una proporción menos acentuada, por lo que los grupos funcionales introducidos (C=O ,y

COOH) podrían estar provocando un efecto de entrecruzamientos hemiacetales en los

gránulos de almidón en una mayor proporción a 45 ºC, que es donde se registraron los valores

más altos de grado de sustitución.

Mediante el estudio reológico, también es posible clasificar los materiales en función de la

tangente de delta (Tan () que se obtiene de la relación de G”/G`, la cual permite interpretar la

manera de cómo se reorganizan los componentes del almidón al final de la cinética para

conformar un gel. De hecho se ha reportado que los valores de la tangente de delta disminuyen

durante la etapa de almidones, como una evidencia de la formación de gel (Reddy y Seib 2000)

y de acuerdo a Ferry (1980), los valores de tangente de delta entre 0.2 y 3 se refieren a

sistemas formados por polímeros amorfos con o sin enlaces cruzados, mientras que para

valores iguales o muy próximos a 0.1 están relacionados con polímeros vítreos o cristalinos. Por

lo que se puede presentar un cambio de un sistema amorfo a uno cristalino o permanecer

amorfo, dependiendo de los valores obtenidos. En la tabla 9, se puede observar los valores de

Tan (, de los geles obtenidos en la etapa de enfriamiento, en todos los casos fueron menores a

0.2, o muy cercanos a este valor, por lo tanto, la clasificación se acercaría más a la de sistemas

amorfos.

Tabla 9. Intervalo de la tangente de delta para los almidones oxidados y nativo de plátano.

Tratamiento

Tan δ= G”/G`.

nativo 0.17-0.18

pH 7.5-25 ºC

0.17-0.18

pH 7.5-35 ºC

0.15-0.17

pH 7.5-45 ºC

0.16-0.17

pH 9.5-25 ºC

0.16-0.19

pH 9.5-35 ºC

0.16-0.18

pH 9.5-45 ºC

0.17-19.0

pH 11.5-25 ºC

0.15-0.19

pH 11.5-35ºC

0.17-0.19

pH 11.5-45 ºC

0.17-0.19

Los valores obtenidos mediante este estudio, pueden manifestar que la conformación de los

geles, si pueden ser afectados por los tratamientos de modificación química, particularmente

por oxidación con hipoclorito de sodio, repercutiendo así en las condiciones finales del o los

producto donde pudiera ser aplicado el almidón de plátano.

ESTUDIO DE CINÉTICA QUÍMICA Se encontró que la concentración del agente oxidante, disminuyó conforme se incrementó el

tiempo y la temperatura de reacción, esto último, relacionado con el aumento de la energía

cinética de las moléculas (Levenspiel, 1999); sin embargo, a 25 y 55 ºC, la concentración fue

más alta a pH 7.0 que a pH 8.5 (0-300 s); lo anterior relacionado con la formación de sustancias

ácidas (HCl) en mayor proporción a pH neutro que en condiciones alcalinas (Morton y Solarek,

1984). Las cinéticas de oxidación con OCl- en el almidón de plátano se ajustaron a una reacción

de primer orden; mismo resultado fue reportado por Patel y col. (1974) para almidón de maíz

normal oxidado con NaOCl. En el Cuadro 10, se presentan los valores obtenidos de las

constantes de velocidad obtenidas a los dos pH y las diferentes temperaturas evaluadas. La

velocidad de reacción a los pH 7.0 y 8.5, se incrementó al aumentarse la temperatura,

relacionado con el incremento en la velocidad de las moléculas por efecto de la temperatura, lo

que hace que choquen con más fuerza y mayor frecuencia (Levenspiel, 1999). A 25 y 55 ºC, las

constantes de velocidad fueron más altas a pH 7.0 que a pH 8.5, la velocidad de oxidación más

alta a pH 7.0 se atribuye a la velocidad de descomposición o de conversión del OCl- a clorato

inactivo (Chattophadyhay y col., 1997; Patel y col., 1974, Morton y Solarek, 1984).

Cuadro 10. Constantes de velocidad de la reacción oxidación del almidón de plátano a pH 7.0 y 8.5 a diferentes temperaturas de reacción.

Constante de velocidad (k) Temperatura

(ºC) R2 pH 7.0 R2 pH 8.5

25 0.983 3 x 10-4 0.989 2 x 10-4

35 0.986 3 x 10-4 0.983 3 x 10-4

45 0.989 4 x 10-4 0.985 4 x 10-4

55 0.959 5 x 10-4 0.985 4 x 10-4

En relación a la energía de activación (Ea) de la reacción de oxidación en el almidón de plátano,

se obtuvo una Ea de 14.253 KJ/mol a pH 7.0 y de 18.82 KJ/mol a pH 8.5 (Figuras 7 y 8). El

incremento de Ea a pH alcalino se debe entre otros factores a la inhibición para eliminar H+ del

medio, ya que el sistema contiene gran concentración de protones e iones adicionales (H+) que

se forman durante la reacción (Patel y Col., 1974); este incremento en la energía, también es

necesario para superar las barreras de carga entre la interacción del almidón con el OCl-. Sin

embargo, el valor obtenido a pH 8.5 para el almidón de este fruto, fue más bajo en comparación

con almidones de cereales, como maíz normal donde se obtuvo una Ea de 76.9 kJ/mol

(Morton y Solarek, 1984), por lo que se observa que la fuente vegetal de almidón, influye de

manera importante en el proceso de oxidación.

y = -1752.3x - 2.3178R2 = 0.8843

-8.3

-8.2

-8.1

-8

-7.9

-7.8

-7.7

-7.6

-7.5

3.00E-03 3.10E-03 3.20E-03 3.30E-03 3.40E-03

1/T (ºK)

ln K

Figura 7. Estimación de la energía de activación de primer orden a pH 7.0

y = -2314.4x - 0.6806R2 = 0.8809

-8.6

-8.5

-8.4

-8.3

-8.2

-8.1

-8

-7.9

-7.8

-7.7

-7.6

3.00E-03 3.10E-03 3.20E-03 3.30E-03 3.40E-03

1/T (ºK)

ln K

Figura 8. Estimación de la energía de activación de primer orden a pH 8.5

CONCLUSIONES

La modificación química por oxidación y lintnerización aplicada al almidón de plátano, modificó

la caracteristicas fisicoquímicas, reológicas y estructuralres; sin embargo, a nivel estructural, los

patrones e difracción de rayos X así como a nivel morfológico los almidones modificados no

mostraron un cambio significativo, indicativo de que la modificación química mantuvo en gran

medida la estructura granular, como se reporta en la literatura. Los cambios inducidos por la

modificación química en el almidón de plátano, demuestra la factibilidad de obtener almidones

modificados químicamente que podrían tener aplicaciones diferentes. Basta con ligeras

modificaciones en la estructura de los gránulos para que las propiedades funcionales sean

modificadas y con ello diversificar los usos del almidón nativo; así mismo, las condiciones de

reacción juegan un papel importante en la funcionalidad del almidón, de ahí la importancia de

ser consideradas en la modificación química.

IMPACTO EN EL SECTOR DE BIENES Y SERVICIOS La importancia de este proyecto, en el contexto general, se fundamenta en variaos aspectos,

por una parte, la búsqueda de fuentes vegetales no convencionales para la obtención de

almidón, debido a que el maíz es la fuente por excelencia para la obtención de este

biopolímero; el buscar alternativas a productos agrícolas perecederos como el plátano que

incrementen su valor agregado, ya que su consumo como fruto maduro es su principal

aplicación, teniendo registros de pérdidas importantes durante la postcosecha; por ello, el

planteamiento de utilizar frutos en estado inmaduro (verde), para aprovechar el contenido de

almidón que poseen (más del 70 % b.s) para ser utilizado con fines industriales, sin pasar por

el proceso de maduración tradicional de postcoseha; por último, la aplicación de métodos de

modificación química que permitan ampliar las aplicaciones de los almidones a nivel

industrial; siendo la oxidación y litnerización de los más utilizados para modificar el almidón,

ofreciendo propiedades fisicoquímicas y reológicas que difieren de los nativos, los cuales en

muchos casos necesitan ser modificados, no solo por métodos químicos, sino físicos,

enzimáticos y genéticos, ya que en parte por sus características naturales, presentan

limitaciones para ser utilizados a nivel industrial; por otra parte, la gran variedad de

productos a base de almidón, por ejemplo de tipo alimenticio que se encuentran en el

mercado, requieren de propiedades fisicoquímicas especificas que solamente los métodos de

modificación pueden ofrecer.

Por lo que los resultados presentados en este trabajo, se demuestra que los cambios

fisicoquímicos, reológicos, térmicos y estructurales que son modificadas en el almidón de

plátano, permiten ampliar las aplicaciones de este almidón con fines industriales específicos.

BIBLIOGRAFÍA AACC 2000. Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists, St.

Paul, M. N.: American Association of Cereal Chemists. 10TH ed Vol. II.

Autio, K., Suortti, T., Hamune, A. and Poutanen, K. (1992). Microstructural and

physicochemical properties of oxidized potato starch for paper coating. Starch/Stärke.

44: 393-398.

Bello-Pérez L. A., Agama-Acevedo E, Sánchez-Hernández L. and Paredes-López. 1999.

Isolation and partial characterization of banana starches. Journal Agricultural Food and

Chemistry. 47:854-857.

Bello-Pérez L. A., Contreras-Ramos, S. M., Romero-Manilla, R., Solorza-Feria, J. and

Jiménez-Aparicio, A. (2002). Propiedades químicas y funcionales del almidón modificado

de plátano Musa paradisiaca L. (var. Macho). Agrociencia. 36(2): 169-180.

Bello-Pérez L. A., Meza-León K., Contreras-Ramos S y Paredes-López O. 2001.

Functional properties of corn, banana and potato strarch blends. Food Technology.

52:62-67.

Chattopadhyay S., Singhal R. S., & Kulkarni P. R. 1997. Optimisation of conditions of

synthesis of oxidized starch from corn and amaranth for use in film-forming applications.

Carbohydrate Polymers. 34: 203-212.

Floor A., Kieboom A. P. G and Delft H. B. 1987. Preparation and calcium complexation of

oxidized polisacarides. Starch/ Stärke. 41:348-354.

Flores-Gorosquera E., García-Suárez, F. J., Flores-Huicochea, E., Núñez-Santiago, M.

C., González-Soto R. A. y Bello-Pérez L. A. 2004. Rendimiento del proceso de

extracción de almidón a partir de frutos de plátano (Musa paradisiaca). Estudio en planta

piloto. Acta Científica Venezolana. 55 (1):86.

González-Soto, R. A., Sánchez-Hernández, L., Solorza-Feria, J., Núñez-Santiago, C.,

Flores-Huicochea, E. and Bello-Pérez, L. A. 2004. Resistant starch production from non-

conventional starch sources by a single-screw extruder. Food Science and Technology

International.

Kuakpetoon D. and Wang Y. 2001. Characterization of different starches oxidized by

hypoclorite. Starch/Stärke. 53:211-218.

Morton, R. W. and Solarek, D. (1984). Starch derivatives: Production and uses. In:

Starch Chemistry and Technology, 2nd Ed. (Eds. R.L. Wistler, J. N. BeMiller, E. F.

Paschall), Academic Press, New York; pp. 311-366.

Smith R. J. 1967. Production and use of hypoclorite oxidized starches. In starch

chemistry and technology. Whistler R. L. and Paschall E. F. (Eds). Academic Press, New

York. 2:620-625.

Sánchez-Rivera M. M., García-Suárez F. J. L., Velásquez del Valle M., Gutiérrez-Meraz

F y Bello-Pérez L, A. 2005. Partial characterization of banana straches oxidized by

different levels of sodium hypoclorite. Carbohydrate Polymers. 62: 50-56.

Tester, R. F., Karkalas, J. and Qi, X. (2004). Starch-composition, fine structure and

architecture. Journal of Cereal Science. 39: 151-165.

Tornerport L. J., Salomonson A. C. and Theander O. 1990. Chemical characterization of

bromine oxidized potato starch. Starch/ Stärke. 42:413-417.

Wang Y and Wang L. 2003. Physicochemical properties of common and waxy corn

starches oxidized by different levels of sodium hypochlorite. Carbohydrate Polymers. 52:

207-217.

Whistler R. L. and Daniel J. R. 1984. Molecular structure of starch. In. Starch: Chemistry

and technology. Whistler R. L, BeMiller J. N. and Phaschall E. F. (eds). Academic Press,

Inc. New York.

Wurzburg O. B. 1989. Converted starches, in modified starches: properties and uses.

Wurzburg O. B. (ed). CRC Press, Boca Raton, Florida.