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INTRODUCCIÓN
El ñame, es un cultivo de pequeños y medianos agricultores que constituye en muchas regiones de Colombia, la principal fuente de empleo rural y oferta de alimento a sus pobladores. En Colombia, se cultivaron alrededor de 314991 toneladas en el año 2013, con un rendimiento de 10,7 toneladas por hectárea sembrada [1]. La estructura y propiedades físico químicas de almidones de tubérculos y raíces han sido estudiadas extensivamente [2]; sin embargo, poca atención se ha prestado a especies de ñame (Dioscorea spp). En la Costa Atlántica existen cinco especies de ñame: el ñame criollo (D. alata), ñame espino (D. rotundata), ñame papa (D. bulbífera), ñame azúcar (D. esculenta) y ñampin (D. trífida), entre las cuales se encuentran más de 100 variedades siendo D. alata y D. rotundata las de mayor consumo. El ñame es un producto característico de la franja del trópico y forma parte de la dieta diaria de las personas que viven en estas regiones. El desconocimiento de las propiedades fisicoquímicas del ñame, ha restringido el uso del producto a consumo en fresco y preparaciones tradicionales [3].
Actualmente, la industria de alimentos se encuentra en la búsqueda de almidones nativos que presenten ciertas propiedades específicas de tolerancia a diferentes tratamientos industriales estresantes que deterioren la estructura del gel de almidón, como, por ejemplo: resistencia a la acidez, resistencia a la esterilización y esfuerzos mecánicos y térmicos [2,4]. Las harinas y almidones obtenidos a partir de diferentes variedades de ñame presentan ciertas propiedades funcionales, entre las cuales se destacan la ausencia de un máximo de viscosidad, la estabilidad de las suspensiones a elevadas temperaturas y bajos valores de pH, que podrían ser utilizados en la elaboración de productos que deben mantener su viscosidad estable durante una fase de calentamiento constante, como, por ejemplo, las mezclas para sopas y pudines instantáneos [5,6]. Los procesos de transformación de ñame son escasos, el 78% de la producción de ñame en Colombia está destinado al consumo en fresco desconociéndose sus aplicaciones industriales. Lo anterior es causado por la falta de investigaciones orientadas a la valoración del ñame como materia prima agroindustrial [7], teniendo en cuenta la estimación de sus propiedades fisicoquímicas, que permitan resolver interrogantes como: cuales pueden ser las aplicaciones de los almidones de las variedades de la especie Diocorea alata, que puedan generar un valor agregado al producto.
En este estudio se evaluaron las propiedades fisicoquímicas y funcionales como capacidad de retención de agua, solubilidades, conductividad eléctrica, sinéresis, contenido de amilosa y comportamiento reológico de los almidones nativos de las variedades de ñame D. alata 9506-027, 9403-001, 9605-047, 9506-021 y 9506-025 para valorarlos como materia prima en aplicaciones industriales alimentarias y no alimentarias, que contribuya a evitar la desaparición del germoplasma de estas variedades, por falta de alternativas de comercialización y agroindustrialización viables que incentiven su cultivo en Colombia.
MÉTODO
Los rizomas de ñame D. alata, rotulados como 9506-027, 9403-001, 9605-047, 9506-021 y 9506-025 que pertenecen al banco de germoplasma de la Costa Atlántica Colombiana que comprenden los departamentos de Córdoba, Sucre y Bolívar fueron suministrados por la Universidad de Córdoba, Colombia. La obtención del almidón de ñame se realizó en forma manual y consistió en el lavado, pelado, rallado de los rizomas, extracción con agua, sedimentación y secado artificial. El material rallado se suspendió en una solución de amoniaco (0,03 M) con el objetivo de retirar los mucílagos [8]. El almidón se secó a 40ºC hasta que se obtuvo una humedad de 10 - 12% en base seca.
Análisis proximal
Se utilizaron métodos basados en las normas AOAC de los Métodos Oficiales de Análisis [9]. La determinación de cenizas según método 945.45; humedad por el método 925.10; extracto etéreo método 7.060, 920.39; proteína total según método Kjeldahl 2001.11 y fibra bruta por el método 930.20. El contenido de amilosa se determinó por la norma ISO 6647-1 [10].
Determinación de propiedades físicas y funcionales
Capacidad de retención de agua (CRA). En un tubo de centrifuga graduado previamente pesado, se depositó aproximadamente un gramo (1,0 g) de muestra, se adicionaron 10 mL de agua destilada y se agitó con suavidad hasta homogenizar. Luego se deja reposar y centrifuga a 3500 rpm durante 15 min. El líquido sobrenadante es decantado y el tubo con el precipitado se drena, durante 10 minutos para luego ser pesado. La ganancia en masa, es la capacidad de absorción de agua de la muestra.
pH y conductividad eléctrica. Al sobrenadante de suspensiones acuosas al 10% (p/v) de almidón, se le determino el pH y la conductividad eléctrica, usando un pHmetro 691 Metroh y un conductímetro multi-parámetro WTW Multi 340i.
Solubilidad. En la cuantificación de la solubilidad en agua fría y caliente se preparó una muestra de 15 g de suspensión de almidón al 10% (p/v), se agitó manualmente en un tubo de ensayo, seguido de una centrifugación a 3500 rpm por 15 min a 30°C, 50°C y 70ºC. La masa de líquido sobrenadante se pesó, se trasfirieron 5 g a una cápsula de porcelana y se procedió al secado en una estufa con recirculación de aire a 105ºC hasta peso constante, la solubilidad se determinó por la ecuación (Ec.1):
Características reólogicas de suspensiones de almidón. Se prepararon suspensiones de almidón al 8% (p/v), el comportamiento reológico fue determinado con un viscosímetro Haake Rotovisco RV20, aplicando deformaciones cada 50 rpm en un rango de 50 rpm hasta 500 rpm, en forma ascendente y luego en forma descendente, tomándose lecturas de la tensión tangencial (τ) a intervalos de tiempo de un minuto. Las lecturas de esfuerzo cortante se hicieron a 50°C y 70°C.
Comportamiento de la pasta en frio y caliente. Se prepararon suspensiones con 8% (p/v) de almidón, se midió de manera continua la viscosidad durante su cocción y enfriamiento en un viscosímetro (Haake Rotovisco RV20). La suspensión de almidón, se calentó en la cápsula del sistema, con un sensor NV agitando a velocidad constante (350 rpm) hasta 50°C a una velocidad de calentamiento de aproximadamente 1,5°C min-1. Seguidamente, se llevó a 90°C por 20 min, se enfríó hasta 50°C a una velocidad de 1,5°C min-1, permaneciendo a 50°C por 20 min. Información que es utilizada para la construcción de los viscoamilogramas.
Resistencia a la congelación. En la evaluación de la resistencia a la congelación, se prepararon geles al 2% (p/v) de almidón, se empacaron en bolsas plásticas, luego se congelaron a -10ºC durante dos semanas. En tubos de ensayo se depositaron 5 g de gel, se centrifugaron a 360 rpm durante 15 min para medir la sinéresis. La sinéresis fue determinada como el porcentaje de la ración de masa separada del líquido en la porción de gel inicial.
Diseño experimental
Se aplicó un diseño experimental completamente al azar con arreglo unifactorial categórico con cinco niveles correspondientes a las especies de ñame (9506-027, 9403-001, 9605-047, 9506-021 y 9506-025) y tres repeticiones para un total de 15 unidades experimentales. Para el análisis de medias, se utilizó el test se Tukey con diferencias significativas a un nivel del 5%, mediante el software Statgraphic Plus versión 5.0.
RESULTADOS
Análisis proximal
Los resultados del análisis proximal en base seca (Cuadro 1) indican que existieron diferencias significativas (P<0,05) entre los componentes de los almidones nativos de D. alata, que presentan una pureza entre 92 y 96%, resultado próximo al 94,0% reportado por Hurtado et al; Hurtado y Dufour [11] y al de ñame D. trífida (91,45%) [12] e inferiores al ñame comercial, blanco y purpura con resultados entre 99,71 a 99,9% [13].
El valor del contenido de amilosa mostró diferencias significativas (P<0,05), entre todas las variedades estudiadas y su valor es comparado con almidones de ñame D. alata cv Diamante 22 (22,26%) y yuca con un valor del 17,93% [14] y a los reportados para Dioscorea sp por [15,16]. El contenido de amilosa en la variedad D. alata es alto comparado con las especies de ñame D. trífida y D. esculenta que le otorgan al almidón características de geles y lo hace adecuado para modificaciones enzimáticas que permitan obtener geles termorreversibles y resistentes [17,18]. Por lo general almidones con bajo contenido de amilosa son más cristalinos y digestibles, mientras que almidones con alto contenido a amilosa son menos susceptibles a la degradación enzimática. Además, la digestibilidad depende del tipo de cristalinidad del almidón, que para el caso del ñame es tipo B, que los potencializa hacia el desarrollo de almidones resistentes [19,20,21]. Se observa que los valores nutricionales (proteína, extracto etéreo, fibra y cenizas) son bastante bajos, debido a que gran parte se pierde durante el proceso de extracción.
Propiedades funcionales
En el (Cuadro 2), se observa que la CRA varían significativamente (P<0,05) y es menor a la reportada por Espitia y Salcedo [6] en almidones de D. Bulbífera, D. Trífida y D. Esculenta y son superiores a almidones oxidados de yuca [22]. Esta propiedad es importante para mejorar los rendimientos en productos elaborados por la industria alimentaria (embutidos cárnicos), en los procesos de calefacción óhmica para cocinar alimentos ricos en almidón [23].
Los almidones estudiados presentaron en promedio un rango de pH neutro, que favorece su aplicación en mezclas con otros tipos de alimentos. La variedad 9506-021 mostró el mayor valor de conductividad eléctrica, mientras que la variedad 9403-001 registró el menor valor. Estos valores son inferiores al valor registrado por el almidón oxidado de yuca de 190,75 µs/cm [6]. La estabilidad y el pH de las emulsiones cárnicas son dependientes del tipo de extensor y el porcentaje de inclusión [24]. La introducción de almidón puede sustituir productos ricos en proteínas utilizados como extensores.
Las solubilidades de los almidones de ñame a 30, 50 y 70°C presentaron diferencias estadísticamente significativas (P<0,05). En todas las variedades de ñame estudiadas la solubilidad aumento con la temperatura, se debe a que los gránulos hinchados del almidón permiten una mayor la exudación de amilosa [22], siendo inferiores a las variedades de D. alata, D. rotundata y yuca [6,25]; almidón céreo de ñame, en almidón de maíz acetilado [13 ], ñame D. trífida [12], cebada, almidón oxidado de cebada [4] amaranto, en amaranto modificado con tratamiento acido, maíz céreo fosfatado y succinado [26]. Es importante la solubilidad del almidón en productos elaborados que requieran de tratamientos térmicos menores de 80ºC (néctares pasteurizados a 72ºC). Los almidones nativos de ñame (D. alata) por tener bajas solubilidades no se podrían aplicar en este tipo de productos. La solubilidad baja solubilidad se relaciona con el contenido de amilosa [27] y al tamaño del granulo, en este caso los resultados mostraron contenido de amilosa que es medianamente alto para almidones nativos.
La evaluación de la estabilidad a la refrigeración y congelación consiste en verificar en los geles la sinéresis como consecuencia de la reorganización de las moléculas del almidón. La variedad 9506-021 presentó el mayor valor de sinéresis mientras que la variedad 9506-027 registró el menor valor. Estos almidones tienen menores valores de sinéresis con respecto a las especies D. alata y D. rotundata [16], similar a almidones nativos D. trífida, D. esculenta, D. bulbifera [6] y menos estables con respecto al almidón de papa criolla reportado por Polanco et al. [28]. Los almidones estudiados en este trabajo, presentaron una mediana resistencia a la congelación, muestran geles muy rígidos originados por su fuerte retrogradación, ligada a los elevados contenidos de amilosa que poseen. De acuerdo a estos resultados, los almidones de ñame pueden ser utilizados en aquellos alimentos que requieren ser almacenados en refrigeración y necesitan cierta exudación de humedad para proporcionar una apariencia fresca, como los flanes o salsas.
La Figura 1, muestra los viscoamilogramas de los almidones nativo de ñame, cuando se sometieron las diferentes suspensiones de almidón al calentamiento y enfriamiento controlado. El comportamiento de las suspensiones de los almidones nativos de las diferentes variedades de D. alata durante su calentamiento y posterior enfriamiento, muestra que el almidón de la variedad 9506-027 posee el mayor poder espesante de los cinco almidones al presentar el mayor pico de viscosidad a 93°C seguido por la variedad 9403-001, los restantes almidones no presentaron picos de viscosidad bien definidos. Los almidones D. alata referenciados en esta investigación (Cuadro 3) presentan un valor de viscosidad máxima menor que almidones nativos y acetilados de yuca y ñame [14], harina de ñame [29] variabilidad asociada a la estructura de los almidones [3]. Los almidones de D. alata presentaron una viscosidad estable cuando son enfriados, resultado que debe tenerse en cuenta al momento de pensar en incorporar el almidón a algún producto que necesite enfria miento por largos tiempos, debido a la posibilidad de separación de fases por sinéresis.
Cuadro 3 Resultados de viscoamilogramas de almidones de D. alata
T gel: temperatura gelatinización; V93: viscosidad a 93°C; V93/20: viscosidad a 93°C por 20 min; V50: viscosidad a 50°C; Setback: asentamiento; Breakdown: estabilidad
Las temperaturas de gelatinización variaron entre 83 y 84,2ºC, fueron superiores a temperaturas de gelatinización presentadas por otros almidones como el de la oca amarilla (48,1ºC), maíz céreo (72,2ºC), yuca (65oC), Sagú (74,5oC) y papa (58 a 68oC) [15, 18, 22, 29], arroz (68-74-78ºC), maíz (62-67-72ºC), yuca (59-64-69°C), sorgo (68-74-78°C) y a las de ñame genotipo amazónico blanco (76,8-77°C), purpura claro (75,5-76,9°C) y purpura oscuro (77-80°C) [ 13].
Los almidones de D. alata al mostrar una gran estabilidad (breakdown) a los esfuerzos de corte durante el calentamiento, definen su aplicación en productos que tengan que ser sometidos a procesos de esterilización, escaldado y productos de confitería. Además, presentan valores positivos del setback, indicando un aumento de la viscosidad que se relaciona con el restablecimiento de los enlaces hidrógeno de amilosa y amilopectina formando una consistencia tipo gel. Asimismo, el incremento de la viscosidad durante el enfriamiento, indica una tendencia de los componentes a la retrogradación, que puede ser importante en la aplicación de almidones resistentes a la acción de enzimas amilolíticas [31]. En ese orden, la variedad 9506-027 tiene mayor tendencia a retrogradar, por lo que su utilización en productos alimenticios que debe ser almacenado en frio es limitada, para incorporar los almidones de ñame en este tipo de productos, se debe modificar el almidón de tal forma que conserve su estabilidad y disminuya la retrogradación.
Comportamiento reológico
Los reogramas del esfuerzo de cizalla (() versus el gradiente de velocidad (() de los almidones D. alata, se muestran en la Figura 2. Estos, exhibieron un comportamiento no tixotrópico, su viscosidad aparente decrece al aumentar la velocidad de corte, caracterizándose como fluidos no newtonianos tipo pseudoplásticos. Se han reportado comportamientos pseudoplásticos en estudio de índice de flujo para almidón de plátano (Musa ABB) [31]; No newtoniano para almidón de semillas de huauzontle [32] y Herschel-Bulkley en almidón de yuca reticulado-acetilado [33].
El modelo reológico usado para describir el comportamiento de los almidones de ñame D. alata es el modelo de Herschel-Bulckley (Ec. 2).
Todos los almidones presentaron un índice de comportamiento de flujo (ɳ) menor a 1. El índice de consistencia (K) fue mayor en la variedad 9506-027 (Cuadro 4).
Un aumento en la concentración causa un incremento en la pseudoplasticidad mostrando una disminución en el índice de flujo (ɳ) y por consiguiente el coeficiente de consistencia (K) se incrementa con la concentración [34], caso que se presenta en las variedades de D. alata donde hay mayor pseudoplasticidad en orden de 9506-027>9403-001>9506-025>9605-047>9506-021. Este comportamiento se denomina reofluidizante y ocurre cuando el esfuerzo desorganiza el arreglo de las moléculas de la matriz.
CONCLUSIONES
De las propiedades funcionales de las variedades de D. alata, las 9506-021 y 9605-047 presentaron los valores superiores al 100% de capacidad de retención de agua, posibilitando su uso en la industria alimentaria para el aumento de rendimientos en productos cárnicos, las variedades 9506-027 y 9403-001 presentaron las viscosidades más altas durante el proceso de calentamiento y enfriamiento, por lo que serían útiles como espesantes para productos alimentarios ( cremas ligeras, sopas y coladas), y en general todas registraron viscosidades crecientes. Todas las variedades presentaron valores bajos de conductividad eléctrica menores de 80 µs/cm. Las solubilidades son inferiores del 3%, limitando el uso estos almidones en productos alimentarios procesados a bajos tratamientos térmicos. Las altas temperaturas de gelatinización presentados por los almidones de D. alata los hace importantes en procesos donde se necesiten productos con tratamientos térmicos. Los almidones presentaron sinéresis al ser sometidos a temperaturas a -10ºC, por lo que no son aptos para la elaboración de productos congelados. Se hace necesario implementar modificaciones químicas o físicas las cinco variedades de almidón de D. alata, para lograr extender la gama de aplicaciones industriales en las que podrían ser utilizados. Las cinco variedades de D. alata se comportan como fluidos no newtonianos, independientes del tiempo y comportamiento pseudoplástico, ajustándose al modelo de Herschel-Bulckley.
