Nixtamalizacion asistida con ultrasonido by Nixta_2013

10/10/2013

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Nixtamalización asistida con Ultrasonido: Efecto en proceso y características de calidad en masa y tortilla Dr. Armando Quintero Ramos Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de Chihuahua

Monterrey, N.L., Octubre, 2013

• Industria de procesamiento del maíz es la más importante del país en términos de volumen de producción y usos del maíz • “Tortilla”, principal producto del maíz y alimento básico para la población mexicana • La nixtamalización, ha permitido el desarrollo de una gama de productos que se encuentran en el mercado

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Proceso de Nixtamalización Cal

Maíz

Agua

(1.0 kg)

Cocimiento (85-100o C /10-40 min)

Remojo (14-18 hr)

Drenado/Lavado

Nejayote Exceso Cal (80-90 g)

Nixtamal (1.6 kg)

Producción Harina Nixtamalizada AGUA

MAÍZ 1 Kg; 12% H

CAL

COCIMIENTO (continuo o por lotes) REMOJO (opcional)

PERICARPIO, MAÍZ SOLUBLES, CAL Y AGUA

DRENADO Y LAVADO

NIXTAMAL 1.5 Kg; 40% H

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El tratamiento térmico-alcalino, aplicado en la cocción y reposo, provoca cambios fisicoquímicos en el grano o Suavización e hidrólisis del pericarpio o Absorción de agua y calcio

Solución alcalina

Hidrólisis de pericarpio (hidrólisis de hemicelulosa)

o Gelatinización parcial del almidón

Flujo de calor

o Saponificación de lípidos o Cambios en proteínas y grasa Difusión de agua y Ca2

Genera gran contaminación  Residuos alcalinos (nejayote)  Largos tiempos de proceso  Gran consumo de energía y agua

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Sales alternativas en procesos de nixtamalización Soluciones de:  NaCl-NaOH  KCl-KOH  CaCl2-Ca(OH)2  KOH  CaSO4 Pueden usarse en la nixtamalización  CaCl2  (C3H5O3)2Ca Tortillas con (C3H5O3)2Ca Buenas características de textura y color Buena aceptación por los consumidores Robles et al., 1988; Maya et al., 2010; Ruiz-Gutiérrez et al., 2011

 Las alternativas pueden contribuir a la reducción de contaminación ambiental  Representan ventajas en nixtamalización de maíces pigmentados (altos en antocianinas)  Estudios recientes han mostrado el potencial de lactato de calcio como medio de cocción para el desarrollo de harinas instantáneas

(Ruiz- Gutiérrez et al., 2012 Sánchez-Madrigal el al., 2013)

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Factores que afectan a las antocianinas Los principales factores que afectan la estabilidad y el color de las antocianinas son:       

pH Temperatura Concentración de antocianinas Oxígeno Luz Enzimas Otros componentes Francis, 1989; Markakis, 1982; Wilska y Jeszka, 2007

Efecto del pH

(pH=1; color púrpura y rojo)

(pH=2-4; color azul)

Descomposición

pH=7 (pH=5; incoloro)

(pH=6; incoloro)

Estructuras principales en equilibrio de las antocianinas en solución acuosa a diferente pH Francis, 1989; Markakis, 1982; Wilska y Jeszka, 2007

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Desarrollos alternativos o de mejoras del proceso de nixtamalización Pre-tratamiento/Ultrasonido. Impacto de este pretratamiento en la remoción del pericarpio (Yang et al. 2002; Wang et al. 2006) y disminución de tiempo de cocción en nixtamalización (Javne, et al 2013) o Información limitada en la calidad de masa y tortilla durante la nixtamalización asistida con ultrasonido o Energía generada por ondas de sonido  20,000 vibraciones/s. Esto está por encima del límite perceptible por el oído humano.

COCCIÓN CONVENCIONAL •TRATAMIENTOS TÉRMICOS •TEMPERATURAS 70-90 °C POR 30-60 MIN •ETAPAS DE REPOSO CON TIEMPOS LARGOS •PROCESOS INDUSTRIALE 2-3 h •PROCESOS TRADICIONALES 812 h

Tiempos largos de proceso

COCCIÓN ASISTIDA CON ULTRASONIDO •TÉCNICAS EMERGENTES •PRE-TRATAMIENTOS CON ULTRASONIDO •TEMPERATURAS 25-60°C •ETAPAS DE SONICACIÓN CONTINUA O INTERMITENTE

Absorción uniforme de humedad y calcio, disminución de tiempos de proceso

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o El ultrasonido se genera vibraciones de alta energía o Estas vibraciones se amplifican y se transfieren a la sonda, que está en contacto directo con el fluido o Cada elemento de volumen experimenta variaciones en la presión o Genera ruptura produciendo una pequeña burbuja llena de vapor y gas o La formación de burbujas y su posterior colapso se llama cavitación

FUNDAMENTOS 1

Generación de burbujas hasta un punto máximo

Emisión de frecuencias por encima del espectro audible.

Cavitación. Las burbujas “implotan”, generando alta energía dañando la estructura del sólido cercano

Pared celular degradada y expuesta a la solución alcalina.

Incremento en la trasferencia de materia. Se mejora la absorción de agua y difusión de calcio en el grano.

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APLICACIONES

Limpieza y Desinfección Mezclado y Emulsificación Congelación y Deshidratación Extracción Nixtamalización

Micrografías de pericarpio de maíz azul nixtamalizado y grano a diferentes tiempos de cocción y reposo, sin y con ultrasonido (375 W :0.538 W/cm2 ) tomadas a un aumento de 20X

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Evaluación de cambios micro estructúrales en la nixtamalización asistida con ultrasonido

85°C

95°C

Microscopías de harina de maíz nixtamalizado con Ca(OH)2 a 85°C y 95°C: sin empleo de ultrasonido (A-400X, B-750X, C-4000X) y con 375W: 0.538 W/cm2 de intensidad ultrasónica (D-400X, E-750X, F-4000X); Datos no publicados

 Equipos: Sistemas de Ultrasonido de Inmersión

 Aplicación de ultrasonido a tanques existentes  El transductor es colocado en la pared o en el fondo para mejora la eficiencia  Tienen controles para variar la potencia y frecuencia

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“EVALUACIÓN DE CAMBIOS FÍSICO-QUÍMICOS Y CONTENIDO DE ANTOCIANINAS DURANTE LA NIXTAMALIZACIÓN DEL MAÍZ AZUL CON ULTRASONIDO”

OBJETIVO

o Evaluar el efecto del ultrasonido durante la nixtamalización en maíz azul con hidróxido y lactato de calcio sobre los cambios en las propiedades físicas, químicas y contenido de antocianinas en grano, masa y tortilla.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Determinar cinéticas de absorción de agua, calcio, pérdida de antioxidantes maíz durante la nixtamalización de maíz azul con y sin ultrasonido en hidróxido y lactato de calcio • Evaluar las características físicas, químicas y en contenido de antocianinas en el grano nixtamalizado, masa y tortilla con y sin ultrasonido en hidróxido y lactato de calcio

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL CINÉTICAS DE NIXTAMALIZACIÓN MAÍZ AZUL

Caracterización Físico- Química

Nixtamalización

Ca(OH)2 1.2%

(C3H5O3)2Ca 2.67%

Relación 5:1

Con Ultrasonido (375 W: 0.538 W/cm2 ) y 85°C)

Sin Ultrasonido (85°C)

Con Ultrasonido (375 W: 0.538 W/cm2 ) y 85°C)

Cinéticas: Humedad, Calcio, Polifenoles totales, Antocianinas totales, Actividad antioxidante

Sin Ultrasonido (85°C)

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Análisis del nixtamal  Métodos Físicos - Químicos Humedad (AOAC, 1998) Calcio (AOAC, 1998) Antocianinas Totales (Abdel-Aal y Huel,1999) Polifenoles Totales (Singleton y col.,1999) Actividad Antioxidante (Brand -Williams y col.,1995)

ANÁLISIS DE DATOS

• Se evalúo el el efecto de los tratamientos sobre las diferentes determinaciones en las cinéticas de nixtamalización, mediante un ANDEVA.

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RESULTADOS

Composición Proximal Determinación

% Base Húmeda*

% Reportado**

Carbohidratos

76.7± 0.926

66 - 76

Humedad

9.0 ± 0.565

9.5 - 12

Grasa

4.1 ± 0.127

2-7

Proteína

6.8 ± 0.494

5 - 13

Cenizas

1.2 ± 0.351

1-3

Fibra

2.2 ± 0.403

1-5

Pericarpio

4.97 ± 0.129

5–6

17.985 ± 1.365

12 – 48

Calcio (mg/100g)

Los valores reportados son el promedio de tres replicas **Fuente: FAO, (2009); Bressani, Breuner y Ortiz, (1989).

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CINETICAS DE NIXTAMALIZACIÓN

Absorción de humedad a diferentes condiciones de nixtamalización a una temperatura de 85°C

Cinética de absorción de calcio a diferentes condiciones de nixtamalización a una temperatura de 85°C

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Cinética de degradación de antocianinas a diferentes condiciones de nixtamalización a una temperatura de 85°C

Cinética de polifenoles totales a diferentes condiciones de nixtamalización a una temperatura de 85°C

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Cinética de la actividad antioxidante en diferentes condiciones de nixtamalización a una temperatura de 85°C

Efecto de la nixtamalización con diferentes fuentes de calcio asistida con ultrasonido en características de masa y tortilla

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Diagrama de procesos de la nixtamalización con diferentes fuentes de calcio asistida con ultrasonido MAÍZ AZUL

Caracterización Físico- Química Nixtamalización Ca(OH)2 1.2% w/v

Nixtamalización (C3H5O3)2Ca 2.67%

Relación: 5:1 Con Ultrasonido (375 W : 0.538 W/cm2 y 85°C) a 60 min

Relación: 5:1

Sin Ultrasonido (85°C) a 60 min

Molienda

Húmeda

Tortillas

Con Ultrasonido

Sin Ultrasonido

(375 W :0.538 W/cm2 y 85°C) a 180 min

(85°C) a 180 min

Molienda

Húmeda

Tortillas Tortillas

Tortillas

Análisis de nixtamal  Métodos Físico – Químicos Humedad (AOAC, 1998) Evaluación de textura (Ruiz-Gutiérrez y col., 2010) Propiedades Térmicas (Arámbula y col., 2007) Calcio (AOAC, 1998) Antocianinas Totales (Abdel-Aal y Huel, 1999) Polifenoles Totales (Singleton y col., 1999) Actividad Antioxidante (Brand -Williams y col., 1995)

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Análisis de masa  Métodos Físicos Contenido de Humedad (AOAC, 1998) Adhesividad (Ruiz-Gutiérrez y col., 2010) Cohesividad (Ruiz-Gutiérrez y col., 2010) Color (Yuliani y col., 2006)

Análisis de Tortilla

•

Métodos Físico - Químicos Color (Yuliani y col., 2006) Humedad (AOAC, 1998) Rolabilidad (Suhendro y col., 1998) Firmeza (Cortés y col., 2005) Contenido de calcio (AOAC, 1998) Antocianinas Totales (Abdel-Aal y Huel, 1999) Polifenoles Totales (Singleton et al., 1999) Actividad Antioxidante (Brand -Williams y col., 1995)

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ANÁLISIS DE DATOS  Los datos colectados fueron analizados mediante un ANDEVA, para determinar el efecto de los tratamientos. Un

análisis de comparaciones de medias fue realizado para determinar diferencias significativas, empleando la prueba Tukey (p<0.05)

Propiedades fisicoquímicas* del nixtamal con diferentes tratamientos de nixtamalización Tratamientos

Con Hidróxido ultrasonido de calcio Sin ultrasonido Con Lactato ultrasonido de calcio Sin ultrasonido

Humedad [%]

Antocianinas Totales [mg/kg]

Polifenoles Totales [mg EAG/100g]

Actividad Calcio Antioxidante [mgCa++/100g] [µmol ET/100g]

44.72±0.3ª

142.12±1.12c

69.08±0.5b

128.06±0.37b

94.72±2.9b

44.72±0.2ª

109.49±0.77d

88.37± 0.7ª

71.37±0.67d

105.71±5.5ª

43.26±0.3b

200.70±1.38b

55.39±0.8c

144.51±1.22ª

109.01±27ª

43.07±0.2b

211.59±1.01a

46.93±0.9d

104.04±1.06c

106.01±2.1ª

*Los valores presentados son la media de tres réplicas ± desviación estándar. **Las medias por columna con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05) Fuente Fuente de calcio (FC) Tratamiento ultrasónico (TU) FC×TU

gl Humedad P>F 1 1 1

0.000 0.632 0.290

Antocianinas P>F

Polifenoles P>F

AA P>F

0.0001 0.0001 0.0001

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Propiedades térmicas* del nixtamal para los diferentes tratamientos de nixtamalización Temperatura de Inicio [℃]

Tratamientos

Temperatura Temperatura Pico Final [℃] [℃]

Entalpia [J/g]

Con ultrasonido

66.295±0.480c

71.87±0.039c

79.027±1.387a

7.280±0.315a

Sin ultrasonido

66.193±0.172c

71.89±0.238c

79.617±0.621a

6.697±0.461a

Con ultrasonido

73.471±0.334a

76.66±0.417a

80.228 ±1.060a

3.617±0.622c

Sin ultrasonido

70.403±0.639b

74.445±0.274b

79.543±1.194a

5.611±0.695b

Hidróxido de calcio

Lactato de calcio

*Los valores presentados son la media de tres réplicas ± desviación estándar. **Las medias por columna con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05)

Fuente Fuente de calcio (FC) Tratamiento ultrasónico (TU) FC×TU

To P>F

Tp P>F

Tf P>F

E P>F

1 1 1

0.000 0.632 0.290

0.0001 0.0001 0.0001

0.225 0.917 0.0.172

0.001 0.005 0.001

Propiedades* de la masa con diferentes tratamientos de nixtamalización Tratamientos Con ultrasonido Hidróxido de calcio

Lactato de calcio

Sin ultrasonido Con ultrasonido

Sin ultrasonido

Humedad [%]

Parámetro L*

Parámetro a*

Parámetro b*

52.226±0.575c

57.103±0.839ab

8.765±0.512b

-0.5767±0.0625b

52.250±0.229c

58.210±2.465a

7.196±0.166c

-0.3767±0.0250b

54.461±0.275a

55.952±0.086a

8.148±0.14b

0.5917±0.4029a

53.596±0.405b

55.170±0.177b

9.763±0.856a

-0.4050±0.2255b

*Los valores presentados para humedad son la media de tres réplicas y para los parámetros L*, a* y b* son las medias de diez replicas ± desviación estándar. **Las medias por columna con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05).

Fuente Fuente de calcio (FC) Tratamiento ultrasónico (TU) FC×TU

H P>F

L* P>F

a* P>F

b* P>F

1 1 1

0.000 0.017 0.012

0.001 0.764 0.092

0.001 0.912 0.001

0.001 0.001 0.001

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Efecto de tratamientos en la textura* de masa Tratamientos

Adhesividad [N]

Cohesividad

Con Ultrasonido

-2.044±0.529a

0.116±0.009b

Sin Ultrasonido

-3.072±1.269b

0.183±0.057a

Con Ultrasonido

-1.652±0.863a

0.122±0.010b

Sin Ultrasonido

-1.446±0.934a

0.117±0.012b

Hidróxido de calcio

Lactato de calcio

*Los valores presentados son la media de doce réplicas ± desviación estándar. **Las medias por fila con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05).

Nota: Ambas determinaciones fueron afectadas significativamente por los tratamientos en sus efectos simples e interacciones

Propiedades físicas* de las tortillas a diferentes tratamientos de nixtamalización Tratamientos Con Hidróxido ultrasonido de calcio Sin ultrasonido Con Lactato de ultrasonido calcio Sin ultrasonido

Humedad [%]

Parámetro L*

Parámetro a*

Parámetro b*

41.848±0.62a

47.190±1.95b

2.973±0.139c -0.536±0.065c

41.654±0.62a

46.127±2.76b

2.053±0.82d

-0.468±0.04c

42.681±0.73a

53.902±1.62a

5.460±0.33b

3.248±0.67a

41.988±0.892a

51.413±2.355a

6.776±0.16a

2.635±0.30b

*Los valores presentados para humedad son las medias de tres réplicas y para los parámetros L*, a* y b* son las medias de diez replicas ± desviación estándar. **Las medias por fila con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05).

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Propiedades químicas * de las tortillas a diferentes tratamientos de nixtamalización Tratamientos

Hidróxido de calcio

Lactato de calcio

Con ultrasonido Sin ultrasonido Con ultrasonido Sin ultrasonido

Antocianinas Totales [mg/Kg]

Polifenoles Actividad Totales Antioxidante [mgEAG/100g] [µmolET/100g]

119.657±0.435c

64.515±0.821b

118.233±0.633b

101.745±0.883d

77.383±1.035a

61.762±0.999d

177.702±1.313b

44.047±1.563c

133.375±1.269a

199.752±0.855a

35.348±1.021d

87.101±0.593c

*Los valores presentados para calcio, antocianinas totales, polifenoles totales y actividad antioxidante son las medias de tres réplicas ± desviación estándar. **Las medias por fila con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05).

Nota: Todas las determinaciones fueron afectadas significativamente por los tratamientos en sus efectos simples e interacciones

Propiedades de rolabilidad y extensibilidad en las tortillas con diferentes tratamientos de nixtamalización Tratamientos Hidróxido de calcio

Lactato de calcio

Extensibilidad [N]

Rolabilidad [N]

Con Ultrasonido

3.357±0.531a

0.210±0.088b

Sin Ultrasonido

1.537±0.475c

0.156±0.052b

Con Ultrasonido

2.586±0.361b

0.213±0.0924b

Sin Ultrasonido

3.527±0.796a

0.338±0.094a

*Los valores presentados son las medias de quince réplicas ± desviación estándar. **Las medias por fila con letras diferentes presentan diferencia significativa, prueba Tukey (P<0.05).

Nota: Todas las determinaciones fueron afectadas significativamente por los tratamientos en sus efectos simples e interacciones

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CONCLUSIONES  El ultrasonido como pre-tratamiento a la nixtamalización disminuye la degradación de antocianinas durante la cocción y reposo del grano.

 La nixtamalización con lactato de calcio, asistido con ultrasonido, derivó en valores de retención de antocianinas en tortillas de 32-36% y con Ca(OH)2 valores de 18-22%.  Las tortillas derivadas de la nixtamalizacion con lactato de calcio presentaron una mayor rolabilidad y firmeza