Resumen de Extruded flours: applications and new functionalities
- español
Resumen El trigo, el arroz y el maíz, y en concreto su parte almidonosa, son una parte importante de la dieta humana. El almidón puede ser degradado a glucosa, la cual es una fuente de energía importante para el cuerpo humano. Además, el almidón de estas harinas es interesante por su efecto sobre la calidad final de muchos de nuestros alimentos. Sin embargo, la innovación continua en materiales alimenticios y sus nuevos requisitos de calidad están forzando a adaptar aquellas materias primas a las necesidades emergentes en términos de funcionalidad y nutrición. Los tratamientos hidrotérmicos para llevar a cabo estas modificaciones están ganando protagonismo, debido entre otras cosas, a la ausencia de ingredientes químicos o artificiales. Entre estos tratamientos, la extrusión es una de las alternativas más versátiles para lograr modificar el almidón por encima de su temperatura de gelatinización.
El primer objetivo de ésta tesis doctoral consistió en el estudio de la influencia de diferentes condiciones de extrusión (temperatura del extrusor, velocidad de alimentación y cantidad de agua añadida) sobre las propiedades fisicoquímicas y digestivas de harinas de cereal con gluten (trigo) y sin gluten (arroz). Un incremento en la intensidad de la extrusión provocó una mayor cantidad de almidón gelatinizado. Éste almidón gelatinizado tuvo una gran capacidad de absorción de agua, incrementando significativamente las propiedades de hidratación de las harinas (llegando incluso a multiplicar por 5 y por 9 la capacidad de absorción de agua y el poder de hinchamiento de las harinas, respectivamente). Ésta capacidad de hidratación conduce a un alto poder espesante en frío, lo cual puede ser muy interesante para algunas aplicaciones alimenticias. Además, se incrementó la susceptibilidad a la hidrólisis enzimática, indicando que estas harinas podrían ser buenas materias primas para la industria almidonera en la producción de glucosa y maltosa. Sin embargo, ésta ata susceptibilidad también afectó negativamente las propiedades de digestión del almidón, disminuyendo la cantidad de almidón resistente (RS) a medida que se incrementaba la intensidad de la extrusión tanto en las harinas extruidas de trigo como de arroz.
Las nuevas propiedades fisicoquímicas de las harinas extruidas fueron explotadas para estudiar su efecto en productos intermedios durante el procesado, tales como batidos para posterior rebozado, cuyos parámetros más cruciales son su viscosidad y las propiedades reológicas. La sustitución de harina de trigo nativa por harina de trigo extrusionada incrementó el índice de consistencia y la pseudoplasticidad de los batidos, indicando un importante incremento de la viscosidad aparente de los batidos. Aquellos cambios fueron atribuidos a la disminución del contenido en agua, a consecuencia de la alta capacidad de absorción de agua del almidón gelatinizado, así como al desplegamiento de las proteínas en las harinas extruidas. Los resultados sugirieron que una sustitución del 15% de harina de trigo por harina de trigo sometida a diferentes tratamientos de extrusión dio lugar a batidos con diferentes viscosidades y propiedades viscoelásticas, incrementando así la variedad de batidos para posterior rebozado disponible en el mercado.
A pesar de los nuevos perfiles de viscosidad logrados con las harinas extruidas, algunas harinas nativas y extruidas necesitan ser adicionalmente suplementadas con otros ingredientes o aditivos para su uso en ciertos producto con el fin de lograr nuevos perfiles de viscosidad o gelificación. De éste modo, harinas de trigo nativas y extruidas fueron combinadas con agares (Gracilaria and Gelidium) y carragenatos (k-carragenato y i-carragenato), dos de los hidrocoloides marinos más comúnmente usados en la industria alimentaria, para modificar las propiedades de pastas y geles. Las propiedades de viscosidad en ciclos de calentamiento/enfriamiento de las combinaciones con harina nativa mostraron un incremento del pico de viscosidad (Pasting Viscosity) con cualquiera de los hidrocoloides usados, especialmente con agar de Gelidium. No obstante, solamente los agares disminuyeron el inicio del aumento de la viscosidad (Pasting Temperature) e incrementaron la caída de viscosidad en caliente (Breakdown), indicando por lo tanto un mecanismo de acción diferente entre los diferentes hidrocoloides usados. En general, los carragenatos, además de producir pastas más rígidas y estables, dieron lugar a geles más duros y claros en comparación con aquellos hechos con agar, tanto en sus combinaciones con harina nativa o extrusionada. Por su parte, las pastas hechas con combinaciones de harina extrusionada y agar mostraron una mayor tixotropía, la cual podría ser beneficiosa en la fabricación de salsas.
También se estudió el efecto de la adición de harina sometida a diferentes condiciones de extrusión sobre la calidad de panes con y sin gluten. En panes de trigo, los resultados sugirieron que es posible obtener unos panes de calidad usando masas con un 5% de harina de trigo extruida. No obstante, la adición de un 5% de ésta harina permite además incrementar la cantidad de agua en la formulación, siendo éste incremento paralelo a la intensidad de la extrusión de esas harinas. De éste modo, se incrementó el rendimiento productivo de los panes fabricados. En panes sin gluten, la sustitución de un 10% de harina de arroz por harina de arroz extruida también incrementó el rendimiento productivo. Sin embargo, en éste caso su incorporación también redujo el volumen específico de los panes y aumentó su dureza. No obstante, estos efectos negativos fueron minimizados usando una harina de arroz extruida de tamaño de partícula grueso (132-200µm), lo que también redujo el endurecimiento del pan a lo largo del tiempo. Estos efectos sobre panes sin gluten de arroz también fueron avalados por un segundo estudio sobre el endurecimiento de estos panes. En este caso la adición de lipasa o de harina extrusionada incrementó el volumen del pan y redujo tanto la dureza inicial como el endurecimiento de los panes.
Con el objetivo de explotar la alta susceptibilidad de las harinas extruidas a la catálisis enzimática, se estudió la influencia de una amilolisis con las enzimas ¿-amilasa y glucoamilasa sobre harinas de trigo nativas y extruidas. La amilolisis efectuada sobre las harinas de trigo extruidas dio lugar a unos incrementos de un 300 y un 500% del contenido en glucosa y maltosa, respectivamente, en comparación con la amilolisis realizada sobre las harinas de trigo nativas. Así, los resultados sugirieron que las harinas extruidas son buenos sustratos para la flora utilizada en los procesos fermentativos así como los principales reactantes que participan en las reacciones de Maillard y las reacciones térmicas de caramelización.
Desde un punto de vista nutricional, la alta susceptibilidad a la hidrólisis enzimática también implica una alta susceptibilidad a la ¿-amilasa liberada por el páncreas durante la digestión, aumentando así la liberación de glucosa en sangre y pudiendo dar lugar a complicaciones como diabetes tipo II, obesidad o enfermedad cardiovascular en personas sensibles. De éste modo, se estudió el efecto combinado de las enzimas branching enzyme (B) y ¿-amilasa maltogénica (MA) con el fin de atenuar las propiedades digestivas del almidón de las harinas de maíz extruidas. El tratamiento enzimático en sí mismo afectó a la formación de estructuras supramoleculares resistentes, incrementando: 1) las cadenas largas de amilosa susceptibles de retrogradar; 2) el nivel de ordenamiento molecular de pequeño orden, típico de un ordenamiento conformacional de las cadenas laterales de amilosa o amilopectina; 3) y los complejos amilo-lipídicos. Estas nuevas estructuras están asociadas con el RS, siendo el almidón que pasaría íntegro al intestino grueso. Además, la combinación simultánea de B y MA sobre las harinas extruidas incrementó el número de ramificaciones y la relación cadenas cortas/cadenas largas en la amilopectina. Ésta nueva configuración en la amilopectina está asociada con el almidón lentamente digerible (SDS), liberando glucosa a la sangre de una manera lenta y prolongada. Finalmente, cabe destacar que el tratamiento combinado de B y MA en las harinas extruidas incrementó la cantidad de panosa e isomaltotriosa, oligosacáridos catalogados como prebióticos.
- English
¿ Abstract Among cereals, wheat, rice and maize, and especially their starchy fraction, are an important part of the human diet. Starch can be degraded to glucose, which provides the body with an important source of energy. In addition, starch from these flours is important because of its effect on the physical properties of many of our foods. However, continuous innovation in foodstuff and their higher quality requirements force to adapt those commodities to the emerging needs in terms of functionality and nutrition. The modification of the functionality of starchy ingredients by hydrothermal treatments is becoming of great interest, among other things due to the absence of artificial ingredients and chemicals. Among those treatments, extrusion is one of the most versatile alternatives to industrially achieve starch gelatinization.
The first objective of this doctoral thesis consisted on the study of the influence of the different extrusion conditions (barrel temperature, feed rate and feed moisture content) on the physicochemical and digestive properties of gluten-containing (wheat) and gluten-free (rice) flours. An increase in the extrusion severity caused a higher amount of gelatinized starch. This gelatinised starch had a great water absorption capacity, enhancing significantly the hydration properties of flours (5-fold water binding capacity and 9-fold swelling compared to the untreated wheat flour). This hydration ability leads to higher viscosity in cold solution, which might be very interesting for some food applications. Added to that, the susceptibility to enzymatic hydrolysis increased, which could indicate that these flours can be good raw materials for the starch conversion industry in the production of maltose or glucose. Nevertheless, this high susceptibility also affected negatively the starch digestion properties, decreasing the amount of resistant starch (RS) as the extrusion severity increased in both rice and wheat extruded flours.
The different physicochemical properties of extruded flours were also exploited to study the effect of their incorporation in intermediate products during processing, such as batters for coating, whose most crucial parameters is their viscosity and rheological properties. Extruded flour substitution increased the consistency coefficient and pseudoplasticity of batters, indicating an important increase of their apparent viscosity. Those changes were attributed to the diminution of the water content as a consequence of the high water absorption capacity of gelatinised starch and of the unfolded proteins of extruded flour. Results suggested that a 15% of wheat flour replacement by wheat flour subjected to different extrusion treatments would offer batters with different viscosities and viscoelastic properties increasing the range of batters coatings available in the market.
Sometimes native or extruded flours can need further supplementation with other ingredients or additives for their use in certain products. In this way, extruded and native wheat flours were combined with agars (Gracilaria and Gelidium) and carrageenans (k-carrageenan and i-carrageenan), the marine hydrocolloids most commonly used in the food industry, to modify their paste and gel properties. Pasting properties of native flour combinations showed that all hydrocolloids produced an increase in peak viscosity (particularly Gelidium agar), but only agars decreased the onset temperature of gelatinization and increased breakdown, indicating a different mechanism of action. In general, carrageenans, besides producing stiffer and more stable pastes, gave rise to harder and clearer gels compared to those made with agar, for both their combination with extruded and native wheat flours. Meanwhile, pastes made with combinations of extruded flours and agar showed higher thixotropy, which could be beneficial in sauce-making.
The effect of the addition of flour subjected to different extrusion conditions on gluten containing and gluten-free breads was also investigated. In wheat breads, results suggested that it is possible to obtain adequate dough and bread characteristics using dough with 5% extruded wheat flour. The addition of 5% extruded wheat flour allows the quantity of water in the formulation to be increased; the more intense the extrusion treatment, the greater the increase in the quantity of water that can be added. This would increase the bread output. In gluten-free breads, the substitution of 10% of rice flour by extruded rice flour also increased the bakery yield. However, their addition also reduced the specific volume of breads and increased hardness. Nevertheless, these effects were minimized by using the coarse flour fractions (132-200µm), which also reduced the rate of staling. In another study to delay the bread staling in gluten-free breads, the addition of lipase and extruded flour increased bread volume and reduced the initial firmness and hardening of breads.
With the aim of exploiting the high susceptibility of extruded flours to the enzyme catalysis, the influence of an enzymatic amylolysis with ¿-amylase and glucoamylase on native and extruded wheat flours was studied. 300% and 500% increases of glucose and maltose contents, respectively, in extruded flours compared to their native counterparts were achieved. Thereby, results suggested that extruded flours are good substrates for fermentative microflora and the main reactants that participate in Maillard and caramelisation thermal reactions.
From a nutritional point of view, that high susceptibility to the enzymatic hydrolysis also increases the action of the pancreatic ¿-amylase, declining the digestion properties of those flours. In this way, branching enzyme (B) and maltogenic ¿-amylase (MA) were studied to attenuate the starch digestion properties of maize extruded flours. The enzymatic treatment itself affected the formation of resistant supramolecular structures on extruded flours by increasing: 1) the long linear amylose chains susceptible to retrograde; 2) the level of short-range molecular order, typical from conformational ordering of amylose or amylopectin side chains; 3) and the amylose-lipid complexes, structures related with RS. Moreover, the combination of B and MA on extruded flours increased: 1) the number of branching points and the ratio of short chains to longer chains in amylopectin, associated with slowly digestible starch (SDS); 2) and the amount of panose and isomaltotriose, categorized as prebiotic.
