Effect of microstructure on the bióphysical degradatión of starch

Abstract

La respuesta glicémica producida al consumir alimentos que contienen almidón está determinada por la tasa y extensión en que éste es digerido en el tracto digestivo. Hoy en día está ampliamente aceptado que almidones cuya respuesta glicémica es menor ayudarían a prevenir ciertas enfermedades crónicas no transmisibles como obesidad, enfermedades cardiacas, diabetes, y algunos cánceres. Desde este punto de vista, el control de los factores que afectan la digestibilidad del almidón resulta un paso clave en el desarrollo de alimentos amiláceos nuevos y más saludables, principalmente para controlar la obesidad y diabetes tipo 2 en los consumidores. La hipótesis de esta tesis fue que la microestructura de los gránulos de almidón y/o de la matriz en que se encuentran en un alimento, afecta la digestibilidad del almidón, siendo esta relación cuantificable. El objetivo general fue cuantificar y relacionar la microestructura y la digestibilidad (in vitro e in vivo) de . almidón de papa, aislado y en varias matrices, un componente muy importante de la dieta en Chile y en varias partes del mundo. Como objetivos específicos se plantearon: revisar el estado del arte en cuanto al efecto de la microestructura sobre la biodisponibilidad de nutrientes en general, y del almidón en particular; estudiar el efecto de la cristalinidad nativa de los gránulos de almidón de papa en la gelatinización, y así, en la respuesta glicémica; estudiar el efecto del grado de gelatinización en la digestibilidad del almidón de papa; y estudiar el efecto de la interacción entre almidón y otros posibles constituyentes de la matriz alimentaria (fibra y gluten) en la digestibilidad del almidón. Técnicas in vitro e in vivo se utilizaron para estudiar la digestibilidad del almidón, mientras que técnicas como microscopía (luz visible, polarizada, y confocal de barrido laser), micro tomografía de rayos X, difracción de rayos X and calorimetría diferencial de barrido fueron utilizadas para evaluar la microestructura. Los resultados demostraron que existe una relación entre las estructuras cristalinas nativas del almidón de papa y su estado biofísico durante la gelatinización en exceso de agua, demostrándose una relación muy fuerte entre el grado de gelatinización y la respuesta glicémica (R2 > 0.9). Adicionalmente, se demostró que las estructuras formadas durante dos distintos procesos (mezclado y extrusión) juegan un rol crucial en la digestibilidad del almidón, mucho más allá de cualquier consideración meramente composicional. Como conclusión de esta tesis se puede decir que la microestructura del almidón afecta fuertemente la capacidad de éste para gelatinizar, y que el grado de gelatinización podría ser una de las claves en el control de la digestibilidad del almidón. Además, se verificó que la interacción del almidón con otros componentes de la matriz afecta tanto el grado de gelatinización alcanzado durante el procesamiento, como a la tasa de digestión del almidón, pero no tanto a la extensión de ésta. Los resúmenes específicos correspondientes a cada capítulo son: Capítulo 2 - Existe un gran interés en el rol que algunos nutrientes pueden jugar en la prevención o alivio del efecto de varias enfermedades (por ejemplo, algunos tipos de cáncer, enfermedades cardiovasculares, problemas a la visión, entre otras). En este sentido, la biodisponibilidad o la proporción de un nutriente ingerido que se toma disponible (esto es, liberado al torrente sanguíneo) para su acción es más relevante que la cantidad total presente originalmente en el alimento. La alteración de la matriz natural o de la microestructura creada durante el procesamiento puede influenciar la liberación, transformación, y subsecuente absorción de algunos nutrientes en el tracto digestivo. Alternativamente, extractos de moléculas bioactivas (por ejemplo, nutracéuticos) y microorganismos beneficiosas pueden ser protegidos durante su tránsito en el sistema digestivo por encapsulación en matrices sintéticas. Esta revisión resume métodos relevantes in vivo e in vitro usados para analizar la biodisponibilidad de algunos nutrientes (principalmente fitoquímicos ), tipos de cambios microestructurales fruto del procesamiento y durante la ingestión de alimentos, que son relevantes en la interacción entre matriz y nutriente, y sus efectos en la biodisponibilidad de algunos nutrientes. Capítulo 3 -El almidón es la más importante fuente de energía para el ser humano, y se encuentra presente en muchos productos derivados de cereales, legumbres y tubérculos. Interesantemente, algunos de estos alimentos pueden tener efectos metabólicos diferentes (por ejemplo, cambio de la concentración de glucosa sanguínea postprandial) a pesar de que la cantidad total de almidón sea la misma. Esta revisión se centra en una perspectiva microestructural de la respuesta glicémica, en la búsqueda de una explicación alternativa y complementaria de este fenómeno. Varias microestructuras son responsables de la bioaccesibilidad del almidón. Aspectos tales como la caracterización de la microestructura de productos amiláceos, su relación con el problema metabólico, el rol crucial de la matriz del alimento y otros componentes en el alimento ingerido, y los vacios en nuestro conocimiento actual son discutidos. Capítulo 4 - El efecto de la estructura cristalina de dos almidones aislados de papa en la gelatinización y respuesta glicémica fue estudiado. Los resultados sugirieron que ambos almidones tenían diferente estructura fina. El almidón 1 exhibió un patrón de difracción de rayos X tipo B típico, mientras que el patrón del almidón 2 sugirió la presencia de imperfecciones en la estructura cristalina general tipo B (no se observó peak a 5,5° 2 8), tomando la estructura menos ordenada. Esta diferencia se reflejó en la gelatinización y en la respuesta glicémica de los almidones. El "almidón 2" inició su fundido a una temperatura más baja que el "almidón 1" (por ejemplo, T0 fue 60.9 y 61.84 °C, respectivamente, para los almidones nativos), y la entalpía de gelatinización residual (LJH) del "almidón 2" fue siempre menor que la del "almidón 1" cuando los almidones fueron calentados a 54-65 oc por 1 O m in. La respuesta glicémica se incrementó con el grado de gelatinización (DG) de los almidones, independientemente de la estructura cristalina nativa (área bajo la curva = 2.59xDG-75.83, R2 = 0.986; concentración máxima de glucosa sanguínea= 0.042xDG-0.23, R2 = 0.935). Los resultados sugirieron que la estructura cristalina nativa del almidón aislado de papa afecta la respuesta glicémica del almidón calentado al afectar el proceso de gelatinización. Capítulo 5 - La microestructura del gránulo de almidón afecta su digestión e impacto nutricional, sin embargo, la relación exacta entre ambos factores no está clara. Este estudio reporta cuantitativamente la relación entre tamaño del gránulo (largo y área poligonal), grado de gelatinización (DG), digestibilidad in vitro (por método enzimático) y respuesta glicémica de almidón de papa con distintos grados de gelatinización obtenidos por calentamiento a varias temperaturas en el rango de 55 a 65 °C. DG medido por calorimetría diferencial de barrido se relacionó estrechamente con la temperatura de calentamiento (R2 =0.997), parámetros de tamaño del gránulo (medido por análisis de imágenes), digestión in vitro y respuesta glicémica in vivo (R2 de los modelos ajustados > 0.9); los parámetros de forma de los gránulos (medidos por análisis de imágenes) no se relacionaron con DG. Los resultados demostraron que DG del almidón afecta fuertemente su digestibilidad in vitro, y puede influenciar la respuesta glicémica postprandial. Futuros estudios se deben realizar para investigar el efecto de la gelatinización del almidón de papa sobre su valor nutritivo, a otras temperaturas y en matrices más complejas. Capítulo 6- El objetivo fue estudiar cómo diferentes niveles de goma guar (0% a 10%) en una receta básica (cuatro tipos de harina fueron analizadas) afectan diferentes propiedades de productos extruidos, y entender la relación entre esas características físicas y la digestibilidad in vitro del almidón. La inclusión de goma guar incrementó la digestibilidad del almidón en 24, 15, 25 y 43 %, para productos a base de harina de maíz, papa, arroz, y trigo, respectivamente. En general, la digestibilidad se incrementó cuando la microestructura se tomó más débil (por ejemplo, cuando la dureza de la textura fue más baja) y presentó mayor superficie de contacto. Esta conclusión se basó en el análisis por microscopía de las muestras (por ejemplo, de 0% a 10% de goma guar, la densidad de superficie de la matriz se incrementó en 260 y 208%, en productos a base de harina de trigo y papa, respectivamente). Estos resultados sugieren que los cambios microestructurales deben ser considerados para entender y desarrollar alimentos que posean propiedades nutricionales específicas. Capítulo 7- Alimentos procesados a base de almidón y proteína pueden exhibir variadas microestructuras, y así diferencias en la digestibilidad del almidón, pero la relación entre estos parámetros aún no está del todo clara. Este estudio se centró en el efecto de tres factores de proceso (grado de mezclado, temperatura de cocción y tiempo de cocción) en la microestructura de un producto modelo (a base de almidón de papa, gluten de trigo y agua), así como en la digestibilidad in vitro del almidón en la matriz, y en cómo es la relación entre microestructura y digestibilidad del almidón. Las muestras sometidas a un mayor nivel de mezclado mostraron menor fuerza y defonnación de ruptura (decrecieron un 54 % y 46 %, respectivamente), una mayor entalpía de gelatinización residual del almidón (LJH), y una mayor cantidad total de gránulos birrefringentes (se incrementó un 25 % ). Adicionalmente, a un mayor nivel de mezclado la digestibilidad in vitro del almidón resultó en un 24 % menos de glucosa lentamente disponible, mientras la glucosa rápidamente disponible se incrementó en un 25 %. Estos resultados se relacionaron con la microestructura original de la inasa examinada por microscopía confocal de barrido laser.