4.2.1 Procesamiento Extrusin
La extrusin es una herramienta de procesamiento que se puede
utilizar para incorporar fibras a los alimentos que se consumen,
como cereales para el desayuno y aperitivos. La tecnologa de
extrusin ha tenido un papel importante en el desarrollo de la
industria alimentaria, ya que es un proceso de fabricacin eficiente
y rentable. En una forma, se puede considerar como una herramienta
de intensificacin de procesos, un trmino que se utiliza para
clasificar los procesos que resultan en buenos productos y los
procesos que son ms seguros, ms limpio, ms pequeo y ms barato. La
tecnologa coccin por extrusin se utilizan para cereales y
procesamiento de la protena en el alimento, estos pueden ser para
mascotas como para humanos. Las propiedades de las materias primas
son muy crticas para la determinacin de la magnitud de diferentes
variables utilizadas en el proceso, tales como la presin, la
temperatura, la humedad, alimentacin, as como proporcionar
estructura para el producto final (Guy 2001 ). Los ms comnmente
utilizados materiales son el maz y el trigo, harinas o alimentos.
Otras fuentes de almidn, tales como el arroz, patata, centeno,
cebada y harinas tambin se utilizan para fines de extrusin, as como
las protenas globulares tales como los presentes en la soja, que
proporcionan estructura a la producto alimenticio cuando se utiliza
a altas concentraciones de ms de 40% (Guy 2001 ; Moraru y Kokini
2003). Mientras que las protenas se desnaturalizan a altas
temperaturas existentes en las extrusoras, se inform de fibras que
no son afectadas por el calor y cizallamiento aplicado durante el
proceso de extrusin (Guy 2001).Moraru y Kokini (2003) han descrito
ampliamente el mecanismo de extrusin expansin. Durante la expansin,
hay una rpida disminucin de la humedad y temperatura del producto,
lo que provoca un cambio dramtico en el producto extruido, siendo
las propiedades reolgicas y de transporte (Fan et al. 1994). Varios
investigadores (Lai y Kokini 1990; Kokini et al. 1992; Fan et al.
1994; Della Valle et al. 1996, Li et al. 2004) han planteado la
hiptesis de que las propiedades reolgicas de la matriz polimrica
slo antes de salir de la mquina de extrusin (conocido como fusin)
tienen un papel importante en la expansin, puesto que determinan la
resistencia al crecimiento de las burbujas de aire debido a la
diferencia de presin entre el interior y el exterior de la
burbuja.
Ambas propiedades de las materias primas y los parmetros de
funcionamiento afectan a las propiedades reolgicas, propiedades de
la masa fundida, y tienen una gran influencia en la expansin del
producto. La pelcula de biopolmeros que rodean las burbujas debe
fluir fcilmente en las paredes de la burbuja y que la vez permitan
que las burbujas se expandan, como el agua sobrecalentada se libera
muy rpidamente a presin atmosfrica una vez que el producto sale de
la boquilla extrusora. La resistencia a este flujo se rige por la
viscosidad de cizallamiento. La expansin parece estar favorecida en
ciertas viscosidades de cizallamiento ptimas dependiendo del
material, ya que se ha observado que viscosidades excesivamente
altas o bajas que impiden la ampliacin (Fan et al 1994; Della Valle
et al. 1996; Li et al. 2004; Moraru y Kokini 2003; Kokini et al.
1992). Al fundirse el producto, la viscosidad de cizallamiento se
ve afectada por la estructura del biopolmero, hay una reduccin de
dimensiones (L/D), velocidad del tornillo, la temperatura, y la
humedad. En cuanto a la estructura biomolecular, varios
investigadores han informado de diferencias en la expansin de
extrusin y la reologa como resultado de fundir el producto debido a
las diferencias en el contenido de amilosa/amilopectina (Guy 2001;
Chinnaswamy y Hanna 1988; Della Valle et al. 1996; Kokini et al.
1992; Lai y Kokini 1990; Li et al. 2004).El mecanismo del proceso
de expansin puede ser descrito como consistente en varias etapas a
partir de una etapa de nucleacin, que genera una de dos fases
estructura, en pequeas burbujas de gas estn rodeados de pelculas
polimricas (burbuja pared). A medida que crecen las burbujas, estas
pelculas se estiran a un punto en el que hay suficiente fuerza para
soportar las fuerzas de estiramiento (Gendron y Daigneault 2000;
individuo 2001). Cuando la pelcula se vuelve ms fina, los efectos
de corte se vuelven menos importantes y el flujo de deformacin de
relevancia es la de un flujo de extensin. Por consiguiente, las
propiedades extensionales de la masa fundida, que miden la
resistencia de la pelcula a la deformacin de estiramiento, se
convierten en el control para la medida de crecimiento de la
burbuja. Incluso aunque la relevancia de las propiedades
extensionales y estiramiento biaxial han sido reconocido como uno
de los principales modos de deformacin en la extrusin de alimentos
(espuma extrusin), se han realizado pocos estudios reolgicos que
utilizan este tipo de flujo, principalmente debido a la dificultad
de encontrar tcnicas fiables para medir las propiedades biaxial
extensionales de extrusin cuando se funde.Un aspecto que ha sido
investigado en el rea de extrusin de los plsticos, pero no en
alimentos, es el efecto de la estructura molecular de los
materiales en la expansin y extensional propiedades de la masa
fundida. Para plsticos se ha reconocido que las propiedades
extensionales de la masa fundida son muy sensibles a las
diferencias estructurales macromoleculares (Hingmann y Marczinke
1994; Gendron y Daigneault 2000). En este sentido, los aspectos
estructurales de polisacridos alimenticios y sus efectos
potenciales sobre la reologa de fusin son discutidos en este
captulo.4.2.2 Desafos en el procesamiento de la fibra de mazSe ha
informado de que la presencia de una alta proporcin de fibras en el
producto como resultado de la formulacin tiene un efecto en la
reduccin de la expansin durante la extrusin, que a su vez los
rendimientos de los productos que son densos, duro, y no crujientes
(Lue et al. 1991). Mendonca et al. (2000) informaron de que la
co-extrusin de salvado de maz y harina de maz result en una menor
la expansin radial y productos con caractersticas de textura no
deseables cuando se aument la cantidad de salvado de maz. Garber et
al. (1997) investigaron la influencia del tamao de las partculas de
salvado de maz en la expansin de extrusin y se encontr que la
expansin radial disminuy con el aumento del tamao de partcula,
dando extruidos muy duras de pobres propiedades de textura.
Moraru y Kokini (2003) plantearon la hiptesis de que por encima
de una concentracin crtica, fibras pueden alterar la estructura
continua de la masa fundida, impidiendo as su deformacin elstica
durante la expansin. Dado que las fibras no estn muy afectadas por
la dura medio ambiente existente en el interior de la extrusora y
en gran medida mantener su macroestructura (Guy 2001), la presencia
fsica en las paredes de la burbuja del extruido tender a reducir la
expansin, ya que interrumpen la pared de la pelcula de burbujas
cuando sus estructuras son han penetrado. Adems, se ha planteado la
hiptesis de que, incluso a concentraciones pequeas, la anisotropa
estructural causada por la alineacin de fibras largas y rgidas de
las molculas en la direccin del flujo de la extrusora aumenta la
viscosidad extensional al fundir la pelcula, reduciendo as la
expansin radial del producto.4.2.3 Qumica de la fibra de mazEl
salvado de maz, como cualquier otro producto alimenticio, es un
sistema complejo. Se compone de clulas de paredes gruesas de
pericarpio, germen y la capa de aleurona, y un tejido residual de
endospermo del grano de maz (Saulnier et al. 1995. Salvado de maz
contiene aproximadamente 80-90 % de fibra diettica (Shelton y Lee
2000). Los principales polisacridos presentes en salvados de
cereales son la celulosa y hemicelulosas. La celulosa es un polmero
hecho de ( 4) unidades con enlaces de glucosa. Las hemicelulosas se
definen clsicamente como polisacridos que pueden extraerse de las
plantas con altas de soluciones alcalinas acuosas (Schulze 1891).
Se sabe ahora que hay por lo menos cuatro tipos principales de
hemicelulosas, a saber, xilanos , mananos , glucanos de ligamiento
mixtos, y xiloglucanos (Ebringerova et al . 2005). Adems de la
celulosa y heteroxilanos, las paredes celulares primarias de los
cereales consistir en cierta -D-glucanos, xiloglucanos, sustancias
aromticas (como fenlica cidos), y las protenas estructurales tambin
estn presentes (Saulnier et al 1995; Carpita 1996).Los principales
heteroxilanos en los cereales son arabinoxilanos, con una cierta
cantidad de cido glucurnico presente. Los arabinoxilanos del
salvado de maz, por ejemplo, comprenden aproximadamente el 60% del
peso total del salvado y contienen algo de cido glucurnico y al
rastrear las cantidades de D - y L -galactosa que se extrae de la
fibra de maz crudo bajo condiciones alcalinas.El salvado de trigo
contiene aproximadamente 45% de fibra diettica total que se compone
de 44% de hemicelulosa, 32% de celulosa, 5% de lignina, y 4%
pectinas insolubles (Claye et al. 1996). Saulnier y Thibault (1999)
sugirieron, basndose en sus estudios sobre el salvado de maz, que
la pared celular de maz es una red tridimensional de paquetes de
celulosa incrustada en una red de arabinoxilanos altamente
reticulados (fig. 4.1).
Arabinoxilanos se componen de ( 4)-ligada al xilano como columna
vertebral, con residuos arabinosil que se adjuntan como ramas
cortas. Algunos de los residuos de arabinosil estn esterificados
con cido ferlico, que es un cido fenlico (Doner y Hicks 1997).
Fig. 4.2 (a) Esquema de feruloylated molcula de arabinoxilano.
(b) Esquema de dos cadenas de arabinoxilano reticulado por puentes
diferulato.La figura 4.2a muestra una estructura esquemtica de un
arabinoxilano feruloylated. La reticulacin de las cadenas de
arabinoxilano a travs de puentes de cido diferlico han sido
identificados (Saulnier et al. 1995). Esto se muestra en la figura
esquemtica. 4.1, y en mayor detalle en la figura 4.2b. Cada
heteroxylano del salvado de maz contiene aproximadamente 75 steres
de cido ferlico y est conectado por aproximadamente 30 enlaces
cruzados diferlico (Saulnier y Thibault 1999).
4.2.4 Estrategias para la Modificacin de la fibra de
mazEstrategias de modificacin de fibra generalmente se dividen en
tres categoras: qumica, fsica, y enzimtica. El objetivo final de
todos estos mtodos es el de alterar la estructura molecular y/o
supramolecular de la fibra de manera que su funcionalidad se puede
mejorar.
4.2.4.1 modificacin qumicaLas modificaciones qumicas de inters
aqu son las destinadas a aumentar la funcionalidad a travs de la
rotura selectiva de cido ferlico de enlaces cruzados, as como otras
reacciones de hidrlisis para reducir el tamao molecular. La
eliminacin del reticulacin del cido ferlico y otros efectos de
hidrlisis de la cadena principal se consiguen mediante la adicin de
un cido o una base. Esto ayuda a la dispersin de polisacridos de
salvado, esto puede disminuir la longitud de la cadena polimrica, y
puede abrir zonas de unin para aumentar los sitios de unin del agua
y la solubilidad. Estos tratamientos, adems, permiten una mayor
funcionalidad, ya que sueltan las cadenas polimricas de fibra
apretados. El tratamiento con perxido de hidrgeno tambin se ha
utilizado para remover la lignina (Gelroth y Ranhotra 2001) y para
blanquear el color marrn indeseable (Doner y Johnston, 2001).
4.2.4.2 Modificacin fsicaLos tratamientos fsicos implican alta
cizalla, alta temperatura, extrusin y molienda del salvado de maz.
La reduccin de tamao de las partculas se ha estudiado como un
posible mtodo para la incorporacin de la fibra en un producto a
base de maz extruido (Blake 2006). Sin embargo, se ha encontrado
que en el rango estudiado, tamao de partcula no tiene mucho efecto
sobre las propiedades del material extruido, en particular de
expansin.La alta cizalladura puede disminuir la longitud de la
cadena de polmero y aumenta la capacidad de una fibra al asociar
con otros componentes de los alimentos. La cizalla se ha utilizado
para crear una patente de fibra diettica (Z-Trim TM) del USDA en
laboratorios que se utiliza como mimticos de grasa. Por otra parte,
los resultados del procesamiento de alta temperatura en la hinchazn
del material de la pared celular y la mejora en la solubilizacin de
hemicelulosa y pectinas insolubles (Ng et al. 1999).
El uso de la extrusin como una herramienta de procesamiento para
el pretratamiento fsico ofrece ventajas que implican una combinacin
de alta temperatura y de cizallamiento, lo que resulta en la
dispersin de la fibra diettica producido por la despolimerizacin y
la alteracin de su estructura cristalina dentro de la pared celular
(Ning et al. 1991; Ralet et al 1993).
4.2.4.3 Modificacin enzimtica
Una revisin sobre la modificacin enzimtica de fibras dietticas
(Arrigoni 2001) describe dos enfoques de la Modificacin de la fibra
diettica por medios enzimticos. El primero es para aumentar el
contenido de fibra diettica en un alimento mediante la eliminacin
de compuestos digeribles; la segunda es a utilizar enzimas para
alterar la fraccin de fibra en s. El segundo enfoque, que es ms
correspondiente a la fortificacin de fibra de los alimentos, est
dirigido a la modificacin de la fibra. Este enfoque requiere una
mezcla de celulosa, hemicelulosa, y pectinasas. Enzimas tambin se
puede utilizar para modificar fracciones de fibra, como para
hidrolizar polisacridos con el fin reducir el peso molecular y
posiblemente mejorar la funcionalidad purificada.
