Obtención y caracterización estructural y funcional de almidón acetilado de malanga (Colocasia esculenta Schott)*
Obtaining and structural characterization and functional of acetylated starch of taro (Colocasia esculenta Schott)
Mario Torres Becerril1§, Roselis Carmona García1 y Andrés Aguirre Cruz2
1 Instituto Tecnológico de Tuxtepec. Av. Dr. Víctor Bravo Ahuja s/n. C. P. 68350, Col. 5 de Mayo. (rosel_car@hotmail.com).
]]> 2 Universidad del Papaloapan. Calle Circuito Central No. 200. C. P. 68301, Col. Parque Industrial. (antarcruz@hotmail.com). §Autor para correspondencia: Alucard_27_27@hotmail.com.
* Recibido: noviembre de 2014
Aceptado: marzo de 2015
Resumen
En el presente trabajo de investigación se realizó la presente obtención, modificación y caracterización (estructural) del almidón nativo y acetilado de malanga (Colocasia esculenta Schott). Al almidón nativo como modificado se le realizó un análisis químico proximal y una determinación de propiedades funcionales (capacidad de retención e índice de solubilidad en agua, capacidad de retención de aceite y capacidad de hinchamiento). Se obtuvo un almidón con un grado de sustitución (GS) de 1.7, en cuanto a la composición química proximal hubo una disminución en el contenido de proteínas, lípidos en el almidón modificado esto se puede deber a la solubilización y degradación de estos componentes durante la reacción, sin embargo el contenido de cenizas aumentó, debido a la presencia del grupo acetilo. En cuanto a sus características estructurales los espectros obtenidos por FTIR mostraron las señales características del grupo funcional introducido (C= O) (1 750, 1 470, 1 375 y 1 270 cm-1), confirmándose la modificación química El almidón de malanga presentó un patrón de difracción tipo A, el almidón acetilado presentó un aumento en las propiedades funcionales en comparación con el almidón nativo, este almidón acetilado observó un comportamiento similar con otros almidones acetilados de otras fuentes por lo que podrían ser utilizados a nivel industrial.
Palabras clave: acetilación, almidón, GS, malanga.
Abstract
]]> In the present investigation this acquisition, modification and characterization (structural) of native and acetylated starch is made from taro (Colocasia esculenta Schott). Modified native starch as she underwent a proximal chemical analysis and determination of functional properties (capacity retention rate and solubility in water, oil retention capacity and swelling capacity). Starch was obtained with a degree of substitution (DS) of 1.7, in terms of nutritional content there was a decrease in protein content, lipid modified starch that can be caused by the solubilization and degradation of these components during reaction, however increased ash content due to the presence of the acetyl group. As for its structural characteristics, FTIR spectra showed characteristic signs introduced functional group (C= O) (1 750, 1 470, 1 375 and 1 270 cm-1), confirming the chemical modification of taro starch presented a diffraction pattern of type A, acetylated starch showed an increase in the functional properties compared to the native starch, acetylated starch. This behaviour was observed similar with other acetylated starches from other sources which could be used at industrial level.Keywords: acetylation, GS, starch, taro.
El almidón es el principal polisacárido de reserva de la mayoría de los vegetales, y la principal fuente de calorías de la humanidad ya que es muy abundante en la naturaleza. Está compuesto de dos componentes que son la amilosa y la amilopectina y dependiendo en las proporciones en las que se encuentren estos dos componentes va a ser la funcionalidad o propiedades que este almidón va a poseer. Es importante como constituyente de los alimentos en los que está presente, tanto desde el punto de vista nutricional como tecnológico. Puede llegar a constituir hasta 70% del peso de granos de cereales (maíz y trigo) o de tubérculos (Fernández-Sevilla, 2005). El almidón es principalmente obtenido de las plantas superiores por métodos físicos más comúnmente de tubérculos como la papa, de cereales como el trigo, arroz y más principalmente del maíz donde su producción es más considerable. Su uso se extiende en diferentes industrias como la farmacéutica, biotecnológica, química y mas principalmente en la industria alimentaria.
Sin embargo la producción del almidón obtenido de fuentes convencionales no es suficiente por lo que se buscan obtener fuentes no convencionales para obtener este polímero. Una de estas fuentes no convencionales para obtención de almidón puede ser la malanga (Coocasia esculenta Schott) que es un tubérculo comestible perteneciente a la familia de las Araceae originario de Asia, de forma ovoide-redonda con una pulpa blanca almidonosa y una cáscara de color marrón obscura (Onwueme, 1999) ya que este tubérculo tiene un contenido elevado de almidón (74%).
Sin embargo, las propiedades funcionales de los almidones nativos no cumplen con los requerimientos de la industria por lo que existen métodos de modificación para mejorar la funcionalidad de almidones y hacer un almidón a la medida o a los requerimientos de la empresa. Los métodos de modificación más usados son los métodos químicos que consiste en la introducción de grupos funcionales en la molécula del almidón, lo que altera significativamente las propiedades físicas y químicas del almidón nativo (Singh et al., 2007).
Entre los métodos de modificación química se encuentra la acetilación que consiste en una reacción de esterificación agregando anhídrido acético o vinil acetato en un medio alcalino produciendo acetato de almidón. Como características estos almidones tienen baja temperatura de gelatinización así como una baja retrogradación, al igual a tener una baja tendencia a formar geles y una pasta clara. Son usados para la elaboración de alimentos congelados y como estabilizantes de emulsión y para productos de encapsulación (Singh et al., 2007).
Por lo que el objetivo del presente trabajo es obtener y caracterizar el almidón nativo y modificado de malanga y sugerir posibles aplicaciones.
Aislamiento del almidón
]]> El almidón se va a obtener por el método de Novelo y Betancur (2005) en donde la malanga previamente es seleccionada, limpiada, lavada, posteriormente es cortada en trozos y se sumerge en una solución de ácido cítrico al 3% durante 30 min, luego la malanga es molida y tamizada a diferentes tamaños de malla para obtener una lechada que va a ser filtrada en una bomba al vacio, la pasta obtenida es secada en una estufa a 50 °C durante 48 h.
Acetilación del almidón
La acetilación del almidón se llevó a cabo por medio del método de Phillips et al. (1999), donde se va a colocar almidón nativo en un matraz de tres bocas y se le va agregar ácido acético glacial y se va a mantener la mezcla en agitación por 2 min, posteriormente se le va a adicionar anhídrido acético por un periodo de 5 min, después se agrega una mezcla de ácido acético glacial con ácido sulfúrico por 10 min. Terminando de agregar todos los reactivos se lleva mezcla a una temperatura de 70 °C para comenzar la reacción a diferentes tiempos de reacción para obtener almidones a diferentes grados de sustitución, finalmente pasado el tiempo de reacción esta se corta adicionando agua para después darles filtrados y lavados al almidón hasta que el almidón tenga un pH de 7, después se mete el almidón a secar a 50 °C por 48 h.
Grado de sustitución
Este se determino por el método de Wuzburg (1964), donde se coloco 1 g de muestra en un matraz erlenmeyer y se le adiciono 50 ml de etanol al 75% luego esta mezcla se puso en agitación a 50 °C por 30 min, después se dejo enfriar la mezcla y se le agregaron 40 ml de hidróxido de potasio al 0.5 N y se dejo en agitación por 72 h. Transcurridas las 72 h la mezcla se hizo una titulación con ácido clorhídrico al 0.5 N usando como indicador fenolftaleína.
Análisis químico proximal
El análisis químico proximal el cual consistio en la determinación de humedad, cenizas, lípidos, proteínas y carbohidratos todos por los métodos establecidos de la AACC (2000).
]]>FTIR
Esta es una técnica confirmatoria para corroborar que hubo modificación química es de tipo cualitativa.
XRD
Consiste en distinguir los patrones de difracción y la estructura cristalina del almidón usando un difractometro de rayos X.
Propiedades funcionales
La capacidad de absorción de agua y de solubilidad en agua se determinó por el método de Larrauri (1996) asi como la capacidad de absorción de aceite por el método de Larrauri (1996).
]]> Grado de sustitución
Se calculó el grado de sustitución del almidón modificado por acetilación y se obtuvo un almidón con un porcentaje de acetilos de 45.24% y un grado de sustitución de 1.7 a un tiempo de reacción de 30 min, este valor obtenido fue similar al obtenido por Xu et al., (2004) en un estudio realizado a almidón de amilomaíz reportando un (%) de acetilos de 45, a un tiempo de reacción mucho mayor (240 min).
Composición química proximal
La composición química proximal del almidón nativo y acetilado se muestra a continuación en la Cuadro 1.
El almidón acetilado mostró una disminución en el contenido de humedad (2.4%) en comparación con su contraparte nativa (7.21%), con respecto al contenido de lípidos y proteínas, el almidón nativo presentó un mayor contenido de estos componentes (0.79% y 7.29%, respectivamente) que en el almidón acetilado, esta disminución pudo ser debido a la solubilización y precipitación de los lípidos y proteínas periféricas y consecuentemente la salida de estos componentes al medio de reacción durante las etapas del proceso de modificación (Lawal, 2004 y Adebowale et al., 2005). Por otro lado el contenido de cenizas es mayor en el almidón acetilado, que en el almidón nativo, esto se pudo deber principalmente a la introducción del grupo acetilo en la molécula de almidón.
Análisis de espectroscopia de infrarrojo por transformadas de fourier (FTIR)
]]> En la Figura 1 se muestra la espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier del almidón nativo y acetilado de malanga.
En el espectro obtenido del almidón nativo (AN) (Figura 1) se observaron señales a números de onda de 1 159, 1 082, 1 014 cm-1, que son atribuidas a los estiramientos de los enlaces C-O (Goheen y Wool, 1991). Otras señales de absorción características se observaron a 992, 929, 861, 765 y 575 cm-1 debido a las vibraciones de estiramiento del anillo de anhidroglucosa. La señal observada a 2923 cm-1 corresponde a las vibraciones de los enlaces C-H de los grupos metilos y la banda amplia que aparece a 3 421 cm-1 es debida a los estiramientos de los enlaces H-O de lo grupos hidroxilos presentes en la molécula de almidón (Fang et al., 2004).
El espectro de FTIR del almidón acetilado mostró nuevas señales de absorción a 1 754, 1 435, 1 375 y 1 240 cm-1, que han sido asignadas a la vibración de deformacion antisimetrica de los grupos carbonilos (C= O) la vibración antisimetrica /simetrica de los grupos CH3 y las vibraciones de estiramiento del grupo carbonilo (C-O), respectivamente.
Difracción de rayos X (XRD)
En la Figura 2 se muestra el difractograma del almidón nativo y modificado de malanga para observar el cambio en su patrón de difracción.
Por su parte el almidón acetilado (AA1.7) presentó picos típicos en almidones acetilados, que son picos amplios a 2θ= 9° y 20°. Este patrón de difracción indica que con el proceso de esterificación, la estructura nativa cristalina del almidón es destruida y una nueva estructura es formada en los almidones acetilados. Estos resultados son consistentes con los reportados en otros estudios en almidones acetilados a altos GS de maíz (GS= 1.7 y 2.83) y jengibre amarillo (GS= 1.51 y 2.67) (Chi et al., 2008).
Propiedades funcionales
Capacidad de retención de agua (CRA)
A continuación en el Cuadro 2 se muestra la capacidad de retención de agua (CRA) del amidón nativo (AN) y acetilado de malanga (AA 1.7) a diferentes temperaturas.
Por efecto de temperatura se puede observar que tanto en el almidón nativo como en el acetilado (AA1.7) la CRA aumenta en todos los casos, esto es debido al fenómeno de gelatinización del almidón, ya que cuando los gránulos son calentados en solución acuosa, estos se van hinchando y atrapando una mayor cantidad de agua con forme la temperatura aumenta hasta llegar a la temperatura de gelatinización del almidón.
Por otro lado por efecto del GS de grupos acetilos, se puede apreciar que a 50 ºC el almidón nativo presentó una CRA mayor que el almidón acetilado (AA 1.7). A 70 ºC la CRA del AN y AA1.7 es similar pero presenta diferencias estadísticas entre ellas. Por otro lado a 90 ºC tanto el almidón AN como AA1.7, presentaron la mayor CRA, pero no presentaron diferencia estadística significativa entre ellas.
]]>Capacidad de retención de aceite (CRAc)
La CRAc fue evaluada en los almidones AN y AA1.7. De manera general como se muestra en el Cuadro 3, conforme va aumentando la temperatura de medición, la CRAc va aumentando tanto en el AN como en el almidón acetilado (AA1.7), este mismo comportamiento fue reportado por Lawal (2004) con almidón acetilado de malanga (Xanthosoma sagittifolium) de la región de Nigeria donde también al aumentar la temperatura la capacidad de retención de aceite aumenta.
Por otro lado el almidón acetilado muestra valores mayores de CRAc a 50 ºC, que su contraparte nativa (AN). A 70 ºC el almidón AA1.7 presenta una CRAc similar al del almidón nativo. En este mismo sentido a 90 ºC el almidón AA1.7 muestra una CRAc similar al del AN. Este aumento en la capacidad de retención de aceite en los almidones acetilados se debe al carácter hidrofóbico que le da el grupo funcional que es introducido en el almidón; asimismo, este grupo funcional causa un impedimento estérico facilitando el paso del aceite dentro del granulo del almidón.
Conclusiones
Se demostró que el almidón presentó una disminución en su contenido de humedad, lípidos y proteínas y un aumento en cenizas por efecto de la acetilación. Por medio de la técnica de FTIR se comprobó la modificación realizada, ya que se observaron señales características del grupo funcional introducido a número de onda de 1 754, 1 435, 1 375 y 1 240 y por consiguiente su patrón de difracción se vio modificado apareciendo nuevos picos (2Ө= 9° y 20°). La reacción de acetilación modificó la estructura del almidón mejorando ligeramente las propiedades funcionales de este.
]]> Literatura citada
AACC (American Association of Cereal Chemists). 2000. 10th (Ed.). Advancing cereal science Worldwide, USA. [ Links ]
Abedowale, K. O.; Olu-Owolabi, B. I.; Olawumi, E. K. and Lawal, O. C. 2005. Functional propierties of native, physically and chemically modified breatfruit (Artocarpus artilis) starch. Ind Crops Prod. 21:343-351. [ Links ]
Agama-Acevedo, E.; García-Suarez, F. J.; Gutiérrez-Meráz, F.; Sánchez- Rivera, M. M.; San Martín, E. and Bello-Pérez, L. A. 2011. Isolation and partial haracterization of Mexican taro (Colocasia esculenta L.) starch. Starch/Starke. 139-146. [ Links ]
Chi, H.; Xu, K.; Wu, X.; Chen, Q.; Xue, D.; Song, C.; Zhang, W. and Wang, P. 2008. Effect of acetylation on the propierties of corn ctarch. Food Chem. 106:923-928. [ Links ]
Fang, J. M.; Fowler, P. A.; Sayers, C. and Williams, P. A. 2004. The chemical modification of a range of starches under aqueous reaction conditions. Carbohydrates Polymers. 55:283-289. [ Links ]
Fernández-Sevilla, J. M. 2005. Estructura y función de los hidratos de carbono: azúcares, almidón, glucógeno, celulosa. Hidratos de carbono y su aprovechamiento. 1-38. [ Links ]
Goheen, S. M. and Wool, R. P. 1991. Degradation of polyethylene stach blends in soil. J. Appl. Polymer Sci. 42:2961-2701. [ Links ]
Jane, J.; Shen, L.; Chen, J.; Lim, S.; Kasemsuwan, T. and Nip, W. K. 1992. Physical and chemical studies of taro starches and l ours. Cereal Chem. 69(5):528. [ Links ]
Larrauri, J. A.; Rupérez, P.; Borroto, B. and Saura-Calixto, F. 1996. Lebensm Wiss Technol. 29:729-733. [ Links ]
Lawal, O. S. 2004. Composition, physicochemical propierties and retrogradation characteristics of native, oxidized, acetylated and acid-thinned new cocoyam (Xanthosoma sagittifolium) starch. Food Chem. 87:205-218. [ Links ]
Novelo, C. L. and Betancour, A. D. 2005. Chemical and functional properties of Phaseolus lunatus and Manihot esculenta starch blends. Starch/Stärke. 57(9):431-441. [ Links ]
Onwueme, I. 1999. Taro cultivation in Asia and the Pacific. Food and Agriculture. Bangkok: Organization (FAO) of the United Nations Regional office for Asia and the Pacific. [ Links ]
Phillips, D. L; Liu, H. L; Pan, D. and Corke, H. 1999. General application of Raman spectroscopy for the determination of level of acetylation in modified starches. Cereal Chem. 76:439-443. [ Links ]
Singh, J.; Lovedeep, K. and Mccarthy, O. J. 2007. Factors influencing the physico-chemical, morphological, thermal and rheological properties of some chemically modified starches for food applications -a review. Food Hydrocol. 21:1-22. [ Links ]
Wuzburg, O. B. 1964. Acetylation. In: methods in carbohydrate chemistry. 288 pp. [ Links ]
Xu, Y.; Miladinov, V. and Hanna, M. A. 2004. Synthesis and characterization of starch acetates with high substitution. Cereal Chem. 81:735-740. [ Links ]
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