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Importancia de la enzima α-amilasa en la producción de imitadores de grasa en alimentosnoemíReyesVázquezFabiolaEstherPereiraPacheco
InTRODUCCIónEs indiscutible que la grasa juegaun papel importante en el orga-nismo, tanto desde el punto devista nutrimental como biológico.Adicionalmente, es fundamentaldesdeelpuntodevistasensorialenlos alimentos. Sin embargo, en lapresentedécada,tantoenlospaísesdesarrolladoscomoenEstadosUni-dosdenorteaméricayEuropa,asícomoennuestropaís, losexpertosennutriciónysaludhandetectadounexcesoenelconsumodegrasa. ConrespectoaEstadosUnidos,elconsumodegrasayaceitesseincre-mentóa60librasporañoentre1985y1993(Giese,1996).Loanteriorhagenerado la incidencia elevada deenfermedadescardiovasculares,asícomohipercolesterolemia, algunostiposdecáncer,ademásdesobrepe-so(Hollingsworth,1996).Adicional-
mente, en estudios realizados porPaniangvaitet al. (1995)sedeterminóunefecto tóxicopotentedel coleste-roldebidoaalgunosóxidosdeéste,comosonel25hidroxicolesterolyelcolestanetriol;loscualespuedenllegarasercitotóxicos,mutagénicos,carcino-génicosyocasionararterioes-clerosis.Estosóxidosseencuentranprincipal-menteenproductosdeorigenanimalcomoelhuevo,mantequilla,grasadecerdo,obienenalimentosprocesadoscomo:alimentosparabebés,mezclasparapasteles(conmantequillayhue-vo),aderezos,papasfritas,etcétera. EnMéxicoseestápresentandounproblemaque incideenunampliosector del país, principalmente enla clase obrera ymedia, el cual secaracteriza por la coincidencia enel individuo tanto de deficienciasen su alimentación en la infanciacomodeexcesosensuetapaadul-
Noemí Reyes Vázquez.Maestraen ciencia y tecnología dealimentos,delaFacultaddeIngenieríaQuímica.Obtuvoel premio otorgado por elInternational Life ScienceInstitute,almejortrabajodeinvestigacióncientíficanacio-nalen1998.
Fabiola Esther Pereira Pacheco.Doctoraencienciasmarinas,porelCinvestav,delInstitutoPolitécniconacional-UnidadMérida.Consejera científicadelaFundaciónInternacionalparalaCiencia,deEstocolmo,Suecia.
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Uta, particularmente en el consumode alimentos ricos engrasa, lo queenconsecuenciavieneaagravarunode losproblemas fundamentalesdealimentaciónysaludennuestropaís,elcualsecaracterizaporelaumentoen las enfermedades crónicas, talescomolaarterioesclerosisconsuscon-secuencias, como son los infartos ylas trombosiscerebrales, ladiabetes,lahipertensión,lacirrosisdelhígadoyvariostiposdecáncerqueestánre-lacionadosconunaalimentaciónricaengrasassaturadas,obesidadyfaltadeejercicio(Chávezycol.,1993). Conrespectoalconsumodegrasasqueantesnosecalculabaalpreparardietas y no se sugerían cantidadesrecomendadas,ahoraesuntemaim-portanteparalasalud.Enelámbitoin-ternacional,laAsociaciónnorteame-ricanadeCardiologíaproponequeelconsumodegrasarepresentesóloel30%deltotaldelascaloríasingeridas,yenloqueconcierneanuestropaís,elInstitutonacionaldelanutriciónSalvadorZubiránZubieta (InnSZ)aconsejaunmáximode 25%de lascaloríastotales,delascuales10%pue-deprovenirdegrasassaturadasque,comosesabe,provienendeproductosanimalesricosencolesterol(Chávezycol., 1993;PérezdeGallo,1994). Por lo anterior, sectores impor-tantesdelapoblacióncadavezestánmás conscientesde lanecesidaddecambiar sushábitosde consumoenla alimentación cotidiana, loqueha
originado un interés especial porconsumiralimentoselaboradosaloscualesseleshasustituidototalopar-cialmentelacantidaddegrasa;porloqueelretotecnológicoquesepresentaes investigarmateriales que actúencomoimitadoresosustitutosdegrasayelaborarconellosproductosbajosencalorías,sinmodificarsuscaracterísti-casorganolépticasynutrimentales. EnlaFacultaddeIngenieríaQuí-mica de laUniversidadAutónomadeYucatánsehanrealizadoinves-tigaciones que han demostrado lafactibilidaddeemplearelalmidóndeVigna unguiculata L.Walp, cono-cida en la localidad como x'pelon,comounimitadordegrasa,previahidrólisis conα-amilasa. Dichosimitadoreshansidoutilizadosconéxitoenlaelaboracióndeproductoscárnicos(Reyes,2000).
LOSREEMPLAZADORESDEGRASAEnLOSALIMEnTOSLanecesidaddedisminuirlagrasaen las dietas ha llevado a la pro-ducciónde un número elevadodealimentosquelacontenganenpocacantidad o sin ella, comonuggets,postrescongelados,carneparaham-burguesas,helados,pasteles,adere-zos,embutidosyotros(Egbertycol., 1991;SummerkampyHesser,1990). Enlasinvestigacionesrealizadasparaofreceralosconsumidoresali-mentosconbajocontenidodegrasa,los tecnólogos han desarrollados
Importanciadelaenzimaα-amilasaenlaproduccióndeimitadoresdegrasaenalimentos
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algunos reemplazadores de grasaquenoproporcionancaloríasosonbajos en éstas. Estos ingredientestienen la particularidad de dismi-nuir el aporte calórico sin alterarlaspropiedadesorganolépticasqueidentificanaunagrasa,comosabor,textura,palatabilidad,viscosidadyotras(SummerkampyHesser,1990). Unproductobajoengrasaoligthsedefinecomo"productoquecon-tiene una tercera parte de caloríaso50%degrasaconrespectodeunalimento.Siel50%delascaloríasomásprovienendelagrasa,lareduc-cióndebedeserde50%delagrasa"(Mermelestein,1993). Laliteraturareportadosclasifica-cionesde reemplazadoresdegrasa.Unalosclasificaencuatrocategorías:1)basadosenproteínas,2)compuestossintéticos,3)basadosencarbohidratosy 4) combinaciónde los productosanteriores (SummerkampyHesser,1990).Lasegunda,losclasificaenva-riascategorías,talescomo:sustitutossintéticos,hidrocoloides(derivadosdealmidón,hemicelulosas,β glucanos,agentesqueaumentan laespesuraocuerpo,materialesmicroparticula-dosygomas),ademásdematerialescompuestos ymezclas funcionales(Glicksman,1991).Adicionalmente,sereportaunanuevacategoríadesusti-tutosdegrasaquesebasaenanálogosde lípidos, los cuales sonusados ensistemas alimentarios de humedadbaja(Kosmark,1996).
Los términosydefinicionesqueseutilizanparadescribirunreem-plazador de grasa varían segúnlos diferentes autores, originandoconfusión. Por lo anterior, recien-temente se les ha categorizado endos grupos: sustitutos de grasa eimitadores de grasa. Los primerosestán formados pormacromolécu-las que física y químicamente seasemejanalostriacilglicéridos.Sontambién llamados reemplazadoresdegrasabasadosenlípidos;tienenlacaracterísticadesustituirlagrasaenalimentosenunarelación1:1enbasegramoagramo.Seobtienenporsíntesisquímicaopormodificaciónenzimáticadegrasasoaceitestradi-cionales, siendoalgunosestablesalastemperaturasdecocciónyfreído.Ejemplosdeellossonlospoliésteresdesacarosa(OlestraMR);mono,diotriésteresdesacarosaconácidosgra-sos; triacilglicéridos estructuradosconcadenasdeácidosgrasosdeca-denacorta(C2:0,C3:0oC4:0)ylarga(C18:0)ligadosalazaralaestructuradelglicerol(SalatrimMR).Losimita-dores de grasa son sustancias queimitanlaspropiedadesfísicasyor-ganolépticasdelostriacilglicéridos,peronopuedenreemplazarlagrasaenalimentosenunarelación1:1enbasegramoagramo.Sonllamadosreemplazadores de grasa basadosen proteínas o carbohidratos, loscualespuedensermodificadosensuestructurafísicaoquímica.Sucarac-
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Uterísticaprincipalesqueposeenunacapacidadderetencióndeabsorcióndeaguaimportante,loqueloslimitaaserutilizadosenelfreído;sinem-bargo,algunosdeellosseempleanenelhorneo(Akoh,1998). Con excepción de los sustitutosdegrasasintéticosyemulsivoscomola lecitina, ningún ingrediente porsímismo imita satisfactoriamenteaunagrasaoaceite.Laelaboraciónde adecuados imitadores de grasaincluyelacombinacióndeunoomásingredientes. Se ha observado quedichas combinaciones están com-puestasbásicamentede tres ingre-dientesprincipales:unhidrocoloide,un agente que refuerza la texturayunmaterialmicroparticulado.Elprimerodeellos tieneelpropósitode proporcionar lubricidad; estematerialessolubleehinchable,en-contrándoseentreelloselalmidónylashemicelulosas.Elsegundotienelafuncióndecontrolarlaabsorciónyessoluble,porejemploloshidro-coloides de viscosidad baja. Y elúltimotienecomofinproporcionarflujosuave,esteproductoesinsolu-bleyentrelosmásutilizadosestánlosmicroparticulados de proteínaycelulosa.Cadaunodeellostieneuna funciónespecíficaen la "cons-trucción" del imitador de grasa ydependiendodelalimentoenelquesepretendareemplazar lagrasaseusarán combinaciones de estos in-gredientes.Aestascombinacionesse
lesconocecomosistemasimitadoresdegrasa(Glicksman,1991). Sepuedeasumirquenohayunacombinaciónúnicadecomponentesenunaformulacióndeterminada,debidoaquevariascombinacionesdecompo-nentesdanresultadossimilares. Actualmenteexisteunagranva-riedaddereemplazadoresdegrasacomerciales, que ya sea solos o encombinaciónsonaplicadosaungrannúmerodealimentos. EnelCuadro1sepresentanalgu-nosreemplazadoresdegrasausadosenalimentos.
USODELALMIDónHIDROLIZADOEnZIMÁTICAMEnTE(MALTODExTRInAS)COMOSUSTITUTODEGRASAParamejorar su funcionalidad losalmidonesdebendesermodificadosfísica,químicaoenzimáticamente,loque les confiereun rangodeaplica-ciónenlamanufacturadealimentosprácticamenteilimitado.Laliteraturareportaenformaabundanteelusodealmidonesmodificados, demaneraquenosóloactúancomoagentesgeli-ficantesoespesantes;sinoquetambiénseutilizancomotexturizantes,ligado-resdegrasaodeaguayauxiliaresenemulsiones(Luallen,1985). La mayoría de los almidonesutilizadoscomoimitadoresdegra-sa sufrenmodificaciones y una delasmás empleadas es la hidrólisis
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enzimática,lacualesutilizadaparaelaborar polímeros de almidón depesomolecularmáspequeño (Gie-se, 1996). Se han desarrollado unsinnúmero de compuestos obteni-dosporhidrólisisenzimática,comomaltodextrinasdeharinadeavena,maltodextrinasdealmidóndemaíz,yalmidóndepapaconunvalordedextrosa equivalente (DE)menorque 5 llamado Paselli SAR lo quepermiteobtenergelesdebajavisco-sidad,saborsuaveytexturasimilaralasgrasashidrogenadas(Luallen,1985;SummerkampyHesser,1990;
Inglett y Grisamore, 1991). Granparte de las patentes utilizadas enel procesamiento enzimático delalmidónmencionansuconversiónamaltodextrinasusandoα-amilasas,así también como enzimas desra-mificantes como las pululanasas oisoamilasas (InstitutoMexicanodelaPropiedadIndustrial,1996). Cualquierα-amilasa apropiadaparalalicuefacciónpuedeserusada(IngletyGrisamore,1991).Sinembar-go,debidoaqueelalmidónrequieregelatinizarsepreviamenteosometersea temperaturasque lo gelatinicen e
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Cuadro1Productos comerciales usados como reemplazadores de grasa de alimentos
Fuente:Summerkamp,1990;Glicksman,1991;Kosmark,1996.MR:Marcaregistrada.
ProductoComerical
StellarMR PaselliSA2
MR
MaltrinMR040
RamyriseMR TrailblazersMR (mat.compuesto) AvicelMR (mat.compuesto) n-FlateMR OlestraMR SalatrimMR
Tipodematerial
Almidóndemaízmodificadoporhidrólisisácida Almidón depapadegradadoenzimaticamenteDE<5
AlmidóndemaízdegradadoenzimáticamenteDE=5
Almidónpregelatinizadodearroz
Mezclas:gomaxanthan,sólidosdelechecoprocesados
Coprocesamientodecelulosamicrocristalinay
carboximetilcelulosa
Combinaciónalmidónmodificado,gomasemulsificantes yotrosingredientes
Sustitutosintéticodegrasa
Lípidoanálogo
Usos
Aderezos,mayonesas Aderezos,productosde
pastelería,mayonesa,productoscárnicos
Margarinasbajasengrasa,aderezosparaensaladassopas,pastelesdequeso
Postres,aderezos,cárnicos
Helados
Helados
Pastelería
Postres,margarinas,freídoyhorneado
Chocolate,confitería
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Uhidrolisen simultáneamente; requie-redelusodeα-amilasas estables alcalentamiento(LeeyKim,1990). Lasmaltodextrinas comercialesutilizadascomoimitadoresdegrasaseempleancomopolvoogelenunaamplia gama de productos como:helados, aderezos, pasteles, carnesy productos dietéticos en general(IngletyGrisamore,1991). Según su gradoDE así como elgradodepolimerizacióndelasmal-todextrinas,seránsuspropiedadesfuncionalesquepresenteyportantosuaplicaciónalsistemaalimenticio.El grado deDE se define como lamedida del contenido de azúcaresreductores calculado como gluco-sa anhidra y expresado como unporcentajedeltotaldemateriaseca(Pomeranz,1991).EnelCuadro2se
puedenapreciar laspropiedadesyusosdelasmaltodextrinasobtenidasapartirdelmaízcondistintosDE.
HIDRóLISIS EnZIMÁTICADELALMIDónPORMEDIODEα-AMILASAElalmidóneselconstituyenteprin-cipaldemuchos alimentos, siendouna fuente de energía importante,asícomotambiénunfactoresencialenlaestructura,texturaoconsisten-ciadelosalimentos.Seencuentraenvariossitiosdelaplanta,principal-menteenraíces,tubérculos,ygranosdecerealesyleguminosas. Bajo elmicroscopio, el almidónaparececomogránulosdediferentetamaño y forma, dependiendo deltipo de almidón de que se trate,éstossonparcialmentecristalinosy
Cuadro2Maltodextrinas comerciales obtenidas por modificación enzimática de almidón de maíz
Producto
Inamalt110 Inamalt115 Inamalt120 Inamalt130
Inadex340
DE
9-12
13-17
18-22
28-32
36-38
Propiedades
Ligadordeagua,agentederelleno,proveecuerpo
Ligadordeagua,agentederelleno,acarreadordesabor
Sólidoderelleno,sensaciónenlaboca,fácildigestión
Ligadordeagua,mejoracorte,agentederellenomantienefrescura,desarrollodecolor
Controltemperaturadecongelación,proveecuerpo
Usos
Embutidos,bebidas
Sopas,salsasyembutidos
Alimentosparabebé,dispersantedegrasa
Jamónprocesado,pasteles
Helados
IndustrializadoradeMaíz,S.A.DE:Dextrosaequivalente
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amorfos,exhibiendobirrefringenciaenelestadonativo. Elalmidónestáformadoporlasfraccionesdeamilosayamilopecti-na; laprimeraestá constituidaporcadenas de glucosa de aproxima-damente 500unidades, unidasporenlaceglucosídicoα-1,4;lasegundaesunpolímerodeglucosaramifica-do,dondelasramificacionesocurrencada20a30unidadesdeglucosayseunenmedianteenlacesα-1,6. Entre las enzimasmás impor-tantes involucradas en ladegrada-cióndelalmidónseencuentranlasamilasas, las cuales se dividen enα-amilasas,β-amilasasyglucoami-lasas, teniendo toda la particulari-daddehidrolizarenlacesα-1,4.Lasα-amilasas tienen la especificidadde hidrolizar enlaces glucosídicosenelinteriordelsustratolocualdalugaradextrinas,mientrasque lasβ-amilasas y glucoamilasas degra-
danelsustratoapartirdelextremonoreductordelalmidón,paraobte-nermaltosa y glucosa, respectiva-mente(Whitaker,1972). Lasenzimashancontribuidoenor-mementealcrecimientodelaindustriadelalmidón,pormejoramientodelosprocesosyaexistentesytambiénporproporcionarunagranvariedaddehidrolizadosdealmidónconpropie-dadesfisicoquí-micasyperfilesdecar-bohidratosbiendefinidos.Laglucosaisomerasaesunejemploexcelentedeaplicacióndelatecnologíaenzimática;deaquíquesuusoenlaproduccióndejarabesaltosenfructosaproporcionaunrangodejarabescondulzuraigualoexcedentealasacarosa.ElCuadro3proporcionalospríncipalesproductosobtenidosapartirdelahidrólisisenzi-maticadelalmidónysusaplicacionestípicas. Lasprincipalesetapasenlacon-versiónenzimáticadelalmidónson:
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Cuadro3Productos obtenidos por hidrólisis del almidón y sus aplicaciones
Productodealmidón
Maltodextrinas
Jarabesmezclados(42-63DE)
Jarabesaltosenmaltosa
Jarabedeglucosa
Jarabesaltosenfructuosa
Aplicacionestípicas
Rellenos,estabilizadores,pastasyespesantes
Confitería,mermeladas,helados,salsasycomidaparabebé
Confitería
Fermentacionesdevino,bebidassuaves,caramelos
Bebidassuaves,conservas,frutasenlatadas,yoghurt
Fuente:Godfrey,1983
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Ugelatinización, licuefacción, sacari-ficación e isomerización.De éstas,las dos primeras son básicas paralaadecuadahidrólisisdel almidón(GodfreyyReichelt,1983). Anivelindustrial,lalicuefaccióntambién llamada dextrinización sellevaa cabomezclandoel almidóna concentraciones entre 25 y 40%(B.S.)conagua,formandolechadasopastas.Posteriormente,laslechadassecalientanporarribadelos60ºC,de talmanera que los gránulos sehinchan, produciéndose la gelati-nización.Finalmente,alquedarex-puestoslosgránulosdealmidónporefectodelagelatinización,sefacilitalaaccióndelasenzimasα-amilasasllevándoseacabolalicuefaccióndelalmidón(GodfreyyReichelt,1983). Tradicionalmente, el proceso degelatinización y dextrinización delalmidón se realizamediantehidró-lisisácidadelechadasdealmidónapH1.2-2y calentamientoa140-155ºCpor5min;enlaactualidad,elusode sistemas ácido/enzimáticosy en-zimáticosempleandoα-amilasasestásiendocadavezmásutilizado,yaquepresentandiversasventajas:primero,laespecificidaddelasenzimaspermi-telaproduccióndemaltodextrinasyjarabes de azúcar conpropiedadesfísicas y químicas bien definidas;segundo, producepocas reaccionessecundariascomoenelcasodepro-ducción de sales y oscurecimiento(nigamySingh,1995).
α-AMILASASY SUACCIónSOBREELALMIDónLaα-amilasa(α-1,4glucano-4-gluca-nohidrolasa,EC3.2.1.)seencuentracomúnmenteenplantas, tejidosdemamíferos ymicroorganismos. Laenzimaactúademaneraendógenayalazarsobreloscomponentesdelalmidón,produciendoazúcaresre-ductores.Elmododeacción,propie-dadesyproductosdedegradacióndifieren,dependiendode la fuentedelaenzima(Kulp,1975). Algunasenzimasα-amilasaspre-sentanpesosmolecularesde 50,000ycontienencalcioensumolécula,elcualseencuentraligadoalaproteínafuertementeysólopuedeserelimina-doapHbajoyconagentesquelantes.Sielcalcioesremovido,laenzimasetornainestableyseinactiva.Elroldelcalcioenlaenzimaesmuyimportanteyaquemantienelaestructurasecun-dariay terciariade lamolécula. Sinembargo,nohayningunaevidenciaqueelcalciodesempeñeunpapelenelmecanismodeuniónotransformacióndelsustrato(Whitaker,1972). Laaccióndelasα-amilasassobrela fraccióndeamilosadelalmidónse llevaacaboen2etapas: inicial-mente,sellevaacabounacompletayrápidadegradacióndelaamilosaenmaltosaymaltotriosa.El resul-tadode este rompimiento sobre laamilosa es una rápida pérdida deviscosidad.Lasegundaetapaesmáslentaycomprendeunahidrólisisde
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oligosacáridoscon la formacióndeglucosaymaltosa comoproductosfinales(Whitaker,1972). Laaccióndelasα-amilasassobrelaamilopectinallevaaunaformacióndeglucosa,maltosayunaseriededextri-nasα-límite,oligosacáridosdecuatroomásresiduosdeglucosa,loscualescontienenenlacesα-1,6glucosídicos.Sepuedenobtenermezclasdiferentesdedextrinasenfuncióndelorigendelaα-amilasautilizada (Kulp, 1975).Unatípicaseríededextrinasresultadodelaaccióndeα-amilasasdeB. subtillis selistanenelCuadro4.
COnCLUSIónApesar de lasmúltiples investiga-cionesquesehanrealizadoentorno
alusodelasα-amilasasparalapro-ducciónde imitadoresdegrasa, asícomoelusodeéstosendiversostiposde alimentos, aún existeun ampliocampode investigaciónparaprodu-cirimitadoresdegrasadefuentesnoconvencionalesdealmidón,asícomoparaencontrarlesnuevasaplicacionesenlaindustriaalimentaria.
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Cuadro4Distribución cuantitativa de oligosacáridos formados de la digestión de amilosa
y amilopectina por amilasas del B. subtillis
Productohidrólisis
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
HMWb
Amilosaa Amilopectinaa
60minutos
2.3
10.1
12.8
6.0
10.2
20.6
14.7
23.3
180minutos
5.3
12.3
22.0
10.5
14.8
30.1
5.1
0.0
60minutos
1.4
5.5
8.2
0.9
4.9
14.0
9.8
55.3
180minutos
3.3
8.3
10.8
2.5
6.7
26.8
9.2
32.4
Fuente:Kulp,1975.a: Porcentajeenpesodeltotaldecarbohidratosenlamuestra.b: Fraccióndealtopesomolecular.G: Oligosacáridoscondiferentesgradosdepolimerización.
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