M. en C. Beneranda Murúa Pagola
Dr. Fernando Martínez Bustos

“Desarrollo de nuevos procesos para la preparación de almidones modificados utilizando la tecnología de extrusión termoplástica, para su aplicación en la encapsulación de aceites esenciales: caracterización y estabilidad”

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados –Unidad Querétaro

Los sabores comerciales en forma líquida son difíciles de manejar e incorporar a los alimentos.  Los sabores están compuestos por volátiles que fácilmente se evaporan de la matriz del alimento que los contiene durante su almacenamiento.  La encapsulación de éstos permite una mayor retención y protección de reacciones inducidas por la luz y de la oxidación.  El secado por aspersión es el proceso más utilizado a nivel industrial para la encapsulación de sabores.  El objetivo de este trabajo fue desarrollar alternativas para la producción de almidones de maíz de alta amilopectina modificados químicamente utilizando la tecnología de extrusión termoplástica y su evaluación en la encapsulación de aceite esencial de naranja (limoneno) mediante secado por aspersión. Como primera etapa se llevó a cabo una hidrólisis ácida de almidón, el cual fue esterificado con los siguientes reactivos: anhídrido acético (acetilación), tripolifosfato de sodio (fosfatación) y anhídrido n-octenil succínico (succinatación).  Los almidones acetilados y succinatados fueron preparados en suspensión y extrudidos para su hidrólisis y los almidones fosfatados fueron directamente preparados por extrusión, utilizando un extrusor de tornillo simple.  La introducción de grupos funcionales con carga (fosfato) o de naturaleza hidrofóbica (acetilo y succinato) confirieron a los almidones propiedades lipofílicas que mejoraron sus propiedades emulsificantes. Los almidones modificados exhibieron baja viscosidad y alta solubilidad en agua, propiedades esenciales para su uso como agentes encapsulantes. Se prepararon emulsiones con 30% (p/p) de almidón y 20% de aceite esencial de naranja (p/p) con respecto a los sólidos. La retención total de aceite fue del 55.7% para almidones fosfatados, 66.8% para almidones acetilados y 94.75% para almidones succinatados. La adición de 2% (p/p) de concentrado de proteína de suero (CPS) incrementó la capacidad emulsificante de almidones fosfatados y acetilados, así como la retención de aceite a 66.8% y 72.4% respectivamente. El aceite esencial encapsulado con almidón fosfatado mostró buena estabilidad durante 28 días de almacenamiento a temperatura ambiente y a 50ºC (50% HR), con una retención de aceite del 86% y 68% respectivamente, mientras que el almidón succinatado presentó una retención menor a ambas temperaturas (70.86 y 24.88% respectivamente). Los almidones fosfatados y acetilados desarrollados mostraron un alto potencial como agentes encapsulantes.

La estabilidad de los sabores en diferentes alimentos ha sido de gran interés en la industria alimentaria debido a su relación con la calidad y aceptabilidad de los alimentos. Muchos sabores son volátiles y pueden ser retenidos más eficientemente en los alimentos cuando están encapsulados (Brazel 1999).  Actualmente la microencapsulación se aplica para preservar y/o proteger numerosos ingredientes comerciales (Pszczola 1998, Brazel 1999, Gibbs y col. 1999). El secado por aspersión es el principal método utilizado en la industria  para transformar sabores líquidos en polvos (Dziezak 1988, Goubet y col. 1998). El material pared ideal debe tener buenas propiedades emulsificantes, formar películas, tener baja viscosidad a altos niveles de sólidos (300 cps a >35% de sólidos), exhibir baja higroscopicidad, liberar el sabor cuando es reconstituido en el producto final, ser de bajo costo, de sabor tenue, de suministro estable, y proveer buena protección al sabor encapsulado (Reineccius 2006). La estabilidad de emulsión es considerada como un factor determinante en la selección de materiales encapsulantes.

Los almidones hidrolizados, almidones modificados y goma Arábiga representan las tres principales clases de material pared que son utilizadas ampliamente para encapsulación de sabores (Shahidi y Han 1993, Reineccius 2006,  Gibbs y col. 1999, Qi y Xu 1999).  El costo y el suministro limitado de la goma Arábiga han originado la necesidad de desarrollar nuevas alternativas de materiales encapsulantes. Las maltodextrinas y sólidos de jarabe de maíz proporcionan protección a la oxidación, aunque no poseen un efecto estabilizante de emulsión sobre compuestos insolubles en agua (Reineccius 1991) y además, no presentan una buena retención de compuestos volátiles durante el proceso de secado por aspersión (Shahidi y Han 1993). Estos han sido utilizados en mezclas con almidones modificados, gomas naturales y proteínas en la encapsulación de diversos ingredientes (Reineccius 2006, Varavinit 2001, Kanakdande y col. 2006, Bhandari y col. 1992, McNamee y col. 2001, Sheu y Rosenberg 1998).  Los almidones con capacidad emulsificante (almidones esterificados con anhídrido n-octenil succínico, OSA) son hidrolizados y derivatizados para impartirles propiedades emulsificantes y excelente retención de volátiles, no obstante, son de alto costo y proporcionan una deficiente protección contra la oxidación, aunque su eficiencia como encapsulantes los hace altamente demandados.

La aplicación de materiales activos encapsulados se ha incrementado sustancialmente en la industria alimentaria.  Los costos de los agentes encapsulantes comerciales entre los que se incluyen la goma Arábiga y almidones OSA los hace prohibitivos a pequeñas y medianas industrias, por lo que diversas empresas internacionales y grupos de investigación se encuentran en la búsqueda de nuevos agentes encapsulantes. El objetivo general de este estudio fue desarrollar nuevas alternativas de producción de almidones fosfatados y acetilados de maíz ceroso usando la tecnología de extrusión termoplástica y caracterizar la funcionalidad de estos almidones como agentes  encapsulantes de aceite esencial de naranja en el proceso de secado por aspersión.  Para alcanzar este objetivo se utilizó la tecnología de extrusión termoplástica para la modificación química de almidón de maíz alto en amilopectina (fosfatación) o en alguna etapa del proceso de preparación del almidón modificado (acetilación y succinatación).

Los métodos convencionales de modificación de almidón requieren reactivos en exceso que pueden causar contaminación ambiental, así como tiempos prolongados para conseguir su funcionalidad. La tecnología de extrusión es un proceso de alta-temperatura y corto tiempo con la ventaja de alta versatilidad y sin generación de efluentes (Harper, 1992).  La fosfatación de almidón por extrusión ha tenido importantes progresos en años recientes. Durante este proceso el almidón es transportado, gelatinizado y plastificado por un sistema de tornillo simple o de doble tornillo dentro de un tambor calentado mediante resistencias eléctricas y forzado a fluir través de un dado que se encuentra a alta temperatura y presión resultando en cambios moleculares y maximizando sus propiedades funcionales. Se han reportado varias aplicaciones de almidón fosfatado por extrusión en alimentos (San Martín-Martínez 2004, Salay y Ciacco 1990, Chang y Lii 1992, Seker y col. 2003, Landerito y Wang 2005, Kim y col. 1999), sin embargo, no se ha reportado información acerca de almidones fosfatados preparados ya sea por el proceso convencional de calentamiento o por extrusión que sean utilizados con propósitos de encapsulación. Por otro lado, la acetilación de almidón es una modificación química conocida por más de un siglo (de Graaf y col. 1998). Su uso se basa en sus propiedades para formar películas, adhesividad, estabilizante y texturizante, pero no se ha reportado tampoco su uso como agente encapsulante.