Estudio de la Modificación alcalina de Almidón de Maíz: microestructura, caracterización Físico-Química y comportamiento reológico - Chávez Esquivel, Gerardo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2017)
En este trabajo se sintetizaron geles de almidón de maíz al 7 % en peso, modificados con hidróxido de calcio Ca(OH)2 e hidróxido de aluminio Al(OH)3 a diferentes concentraciones. Dichas modificaciones introdujeron trasformaciones físico-químicas en el almidón de maíz, por efectos producidos por interacciones entre los iones de calcio y aluminio con los grupos -OH del almidón, generando cambios estructurales y funcionales al gránulo de almidón. Los cambios estructurales de los geles de almidón se observaron mediante técnicas de caracterización como: micrografía óptica, distribución de tamaño de partícula (DTP), espectroscopia FTIR, difracción de rayos X (DRX), mediciones reológicas (curvas de flujo y barrido de amplitud) y voltamperometría. Por medio de micrografías ópticas se observó que los geles de almidón formaron aglomerados insolubles de amilopectina llamados ¨ghosts¨, donde el hidróxido de calcio interrumpió la integridad de estos aglomerados. Esto aumentó el grado de sinéresis de los geles de almidón y disminuyó su tamaño, con DTP monomodales y ancho de banda más estrecho. Por otra parte, los geles modificados con hidróxido de aluminio mostraron la coexistencia de ghosts y aglomerados de hidróxido de aluminio. Se observó un aumento en el tamaño de partícula y el ancho de banda creció al aumentar la concentración de Al(OH)3. Los espectros de FTIR mostraron que la cristalinidad se redujo asintóticamente para geles con 0.20% de Ca(OH)2 y de 2.0 % para los geles Al(OH)3, mediante la relación de bandas 1047/1022 cm-1 asignadas a vibraciones C-O y C-C, se calculó el porcentaje de cristalinidad para estas zonas relacionadas con la parte ordenada y la parte amorfa del almidón, respectivamente. Con DRX se observó un decremento en el porcentaje de cristalinidad del almidón, respecto al espectro del almidón sin modificación. Al incrementar la concentración de sales resulto un dominio de los patrones de calcita para el caso de geles con Ca(OH)2 y gibbsita para los geles modificados con Al(OH)3. Este comportamiento se debió posiblemente, a que los iones metálicos sobrepasaron los grupos -OH de la matriz del gel almidón para interaccionar químicamente por medio de fuerzas iónicas, generando iones libres. Los geles tratados con Ca(OH)2 mostraron comportamiento tixotrópico y/o viscoelástico, en la región viscoelástica lineal. El módulo de almacenamiento o módulo elástico (G´) fue mayor que el módulo de Resumen Estudio de la Modificación Alcalina de Almidón de Maíz: Microestructura, Caracterización Físico-química y Comportamiento Reológico Página 2 pérdida y/o módulo viscoso (G´´), pero un cruce entre estos módulos se produjo en la región no lineal viscoelástica. Las propiedades viscoelásticas disminuyeron con el aumento de la concentración de Ca(OH)2. En contraste para los geles tratados con Al(OH)3, los geles mostraron incrementos en la viscosidad y los módulos de (G´) y (G´´), respectivamente. Para concentraciones bajas de Al(OH)3 se observaron regiones de viscosidad lineal. Posiblemente, lo anterior se debió a que el Al(OH)3 actúa como un agente hidrolizante promoviendo reacciones de hidrólisis y condensación de los grupos hidroxilos de las cadenas externas de D-glucosa. Por otra parte, para concentraciones altas de Al(OH)3, el índice de tixotropía creció generando procesos menos reversibles a la deformación, posiblemente debido a que se formaron conglomerados de hidróxido de aluminio generando un reordenamiento de la amilosa en la microestructura del gel. Las propiedades electroquímicas sugirieron que los restos ricos en amilosa o fase dispersa se lixivió de tal forma que la fase acuosa se erosionó debido a los iones de calcio, lo que alteró la microestructura de gel de almidón. En contraste con los geles modificados con Al(OH)3, una vez alcanzando el límite de saturación de aluminio ligando químicamente al almidón, se generaron oxo-especies que atraparon el agua intermolecularmente de la red del almidón, disminuyendo la sinéresis y por lo tanto, aumentan la capacidad de retención de agua, en comparación con los geles almidón con Ca(OH)2. En ambos casos de estudio, se determinó que la amilosa en fase dispersa puede lixiviarse durante la degradación alcalina y modificar la solubilidad de la amilopectina, dadas las interacciones de los iones de calcio y/o aluminio la estructura cambio, dando lugar a la formación y reorganización de la matriz del gel, generando diferentes tipos de interacciones. La degradación alcalina modificó la microestructura posiblemente destruyendo las dobles Hélices y dominios cristalinos para Ca(OH)2. La erosión de las regiones amorfas por degradación alcalina puede reducir el impedimento entre cadenas helicoidales dobles. Por lo tanto, las regiones cristalinas podrían forzarse a quedar estrechamente empaquetadas, de manera que las fuerzas intermoleculares, es decir, la fuerza de Van de Waals y puentes de Hidrogeno, aumentan. La degradación de las regiones amorfas en los puntos de ramificación también puede permitir que las cadenas de ramificación de amilopectina sean más móviles, dando lugar a un reordenamiento dentro de los gránulos de almidón y finalmente éstos se comprimen. En contraste los geles modificados con Al(OH)3 presentaron menor susceptibilidad a la degradación alcalina, posiblemente relacionado a un mayor grado de solvatación y una menor densidad de carga respecto al Ca(OH)2, esto conlleva una mayor movilidad del agua. Resultando en la reducción de Estudio de la Modificación Alcalina de Almidón de Maíz: Microestructura, Caracterización Físico-química y Comportamiento Reológico Página 3 temperaturas de gelificación, un menor grado de sinéresis resultando en geles con baja retrogradación, así como de geles más capacitivos y elásticos. La aplicación de estos geles está marcada por la concentración de iones presentes, de tal forma que el fin al cual sean empleados. Va depender si se requieren geles con propiedades: organolépticas, alto índice glucémico, viscosidad, elasticidad, capacitancia, inductancia, menor grado de sinéresis, menor retrogadación así como un mayor grado de reticulación entre otras propiedades, el conocimiento de las concentraciones de iones presentes en los geles, determinara si pueden ser empleados como materia prima, en diferentes áreas de la industria alimentaria y no-alimentaria.