PROCESO DE GELATINIZACIÓN

Los almidones son insolubles en agua, solo forman una suspensión temporal, que si se deja de agitar continuamente se deshace y los gránulos precipitan. En suspensión las partículas de almidón pueden absorber una pequeña cantidad de agua, sin embargo esto no produce ningún cambio en las condiciones del almidón.

Los gránulos de almidón en suspensión exhiben una formación cruzada o birrefringencia, esto es, cuando son vistos con luz polarizada y a través de un microscopio electrónico muestran una muy ordenada estructura cristalina y la luz es refractada en dos direcciones.

Una vez que se inicia el calentamiento del almidón en presencia de agua ocurre la absorción, o sea la introducción de agua en los gránulos del almidón. La absorción inicia en las áreas menos densas y continua en las regiones más cristalinas de la molécula de almidón. En este punto inicial la gelatinización empieza a ocurrir pero aún es reversible, sin embargo, conforme calentamiento continúa, los gránulos de almidón absorben más agua y se hinchan, incluso algunas cadenas cortas de amilosa se separan de los gránulos. Este proceso, conocido como gelatinización, es responsable de espesar los sistemas de alimentos. Las mezclas gelatinizadas de almidón son opacas y frágiles y la estructura cristalina de los gránulos se pierde.

Es posible determinar los consecuentes estados de gelatinización. En una primera fase, a la temperatura de iniciación del proceso ocurre la pérdida de birrefringencia, la temperatura media se determina por la temperatura final de la pérdida de birrefringencia (TFPB, temperatura a la cual el último gránulo pierde su birrefringencia) y posteriormente ocurre todo el intervalo de temperatura de gelatinización.

Terminado el proceso de gelatinización el almidón se deshace del agua sobrante por lixiviación y la mezcla se convierte en un sistema coloidal de dos fases, con una fase continua líquida y una fase sólida dispersa. Este coloide puede fluir y tiene baja viscosidad o resistencia al flujo.

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Los pasos del proceso de gelatinización son los siguientes:

• La gelatinización es alcanzada aproximadamente a los 60-71°C dependiendo del tipo de almidón y se completa a los 88-90°C o un poco más.
• La energía cinética de las moléculas de agua caliente rompe los enlaces del hidrógeno dentro de la molécula del almidón y ocurre un intercambio con las moléculas de almidón haciendo enlace con las moléculas de hidrógeno del agua. Conforme estos enlaces de hidrógeno se están formando, al agua le es posible penetrar más dentro de los gránulos y estos se empiezan a expandir de manera considerable. Es necesaria una gran cantidad de agua presente para entrar y aumentar el tamaño de los gránulos.
• En este momento ocurre la difusión de las cadenas de amilosa y la lixiviación o eliminación de agua de los gránulos de almidón.
• La birrefringencia y la ordenada estructura cristalina de los gránulos se pierde, formándose una mezcla más translúcida porque el índice de refracción del grano expandido se parece más al del agua.
• El aumento de tamaño por la absorción de agua de los gránulos aumenta conforme aumenta la temperatura, los gránulos más grandes son los primeros en expandirse.
• Los gránulos expandidos ocupan más espacio y la mezcla se espesa. Al mismo tiempo los gránulos que han tomado más agua empiezan a lixiviar amilosa y posiblemente un poco de amilopectina.
• La pasta de almidón continúa volviéndose más espesa, más viscosa y resistente al flujo conforme se va gelatinizado.
• El paso final de la gelatinización involucra la necesidad de cocinar la mezcla de almidones ya gelatinizada, ya sea gravie, relleno de pays, o lo que sea, por aproximadamente 5 minutos para desarrollar el sabor. Una agitación extremada de la mezcla ya cocinada hace que se adelgace, porque los gránulos ya expandidos se rompen y se dispersa alguna la cantidad de líquido que estaba dentro del gránulo expandido.

PROCESO DE GELATINIZACIÓN DE UN ALMIDÓN. (a) Muestra de almidón, (b) Dispersión y formación de la suspensión, (c), (d) y (e) pasos de agitación y aumento de temperatura controlados, y (f) gelatinización terminada.

Factores a controlar en la gelatinización.

Es importante hacer notar que los almidones deben primero ser completamente gelatinizados con el objeto de producir pastas viscosas o geles fuertes. Hay varios factores que deben de ser controlados durante el proceso si queremos producir una mezcla de almidón gelatinizada de alta calidad.

Agitación o mezcla. Al inicio y durante todo el proceso de gelatinización, la correcta y continua agitación hace que los gránulos de almidón se expandan independientemente uno del otro, creando así una mezcla más uniforme, sin grumos. Como ya dijimos una excesiva agitación después de la gelatinización puede romper los gránulos y consecuentemente adelgazar las mezclas de almidón.

Acidez. Ocurre una hidrólisis ácida durante el calentamiento del almidón, como resultado de la fragmentación y la formación de cadenas cortas de polímeros conocidas como dextrinas. Cuando una molécula de almidón es hidrolizada, los gránulos de almidón pueden absorber menos agua, por lo que se logra una pasta caliente más delgada y un producto frío menos firme. Por lo tanto, la adición de ácido a una mezcla de almidones es mejor después de que el almidón ha sido gelatinizado y empieza a espesar. Es común agregar ácido a mezclas de almidones para preparar salsas y aderezos a base de vinagre, tomate, fruta o jugos cítricos.

Enzimas. Los almidones también pueden ser hidrolizados por las enzimas separadoras de almidones: α-amilasa, β-amilasa y β-glucoamilasa.

Las endoenzimas como la α-amilasa actúan en cualquier parte de la cadena del almidón, sobre los gránulos de almidón indemnes y evita su degradación.

La exoenzima β-amilasa actúa sobre los enlaces glucosídicos α-1,4, y los productos de su hidrólisis son glucosa, maltosa y dextrinas. Es posible controlar qué tanto se lleva a cabo la reacción de hidrólisis para lograr diferentes mezclas, lo que puede ser deseable en la fabricación comercial de pan.

La enzima β-glucoamilasa actúa también sobre los enlaces glucosídicos α-1,4 produciendo glucosa, e hidroliza lentamente los enlaces α-1,6.

Grasas y proteínas. La presencia de grasa y proteínas (como en las presentes para producir gravies o salsas espesas de carne) inicialmente cubre la superficie de los gránulos de almidón, causando una disminución en la hidratación y en la viscosidad. El agua presente en la mezcla no puede penetrar fácilmente en los gránulos durante el proceso de gelatinización, por lo tanto, los gránulos no absorben la cantidad necesaria de agua, no se expanden lo suficiente y menos amilosa es expulsada del gránulo, resultando en una menor viscosidad de la pasta de almidón y una menor fuerza en el gel formado.

Azúcar: La adición de aún pequeñas cantidades de azúcar, especialmente disacáridos o lactosa de la leche, disminuye la viscosidad y la firmeza de las pastas de almidón obtenidas. El azúcar compite con el almidón por el agua en la mezcla, lo que retarda su absorción por los gránulos que almidón. La presencia de azúcar también aumenta la temperatura requerida para que ocurra la gelatinización.

Así como con los ácidos, el momento preciso para adicionar azúcar es muy importante. Para lograr mezclas y geles espesos es recomendable una adición parcial de azúcar después de que el almidón haya espesado y completar la adición de azúcar una vez enfriado, así hay menos azúcar que compita con los gránulos por la absorción de agua que si adicionamos toda la azúcar al principio.

Sal. La presencia de sal aumenta la temperatura a la que las mezclas de almidón se espesan.

Temperatura. El rango de temperatura óptimo para que la gelatinización ocurra es entre 88 y 90°C, una gelatinización completa ocurre a los 95°C, aunque estos valores pueden variar dependiendo del origen del almidón.

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Tiempo de calentamiento. Se necesita suficiente tiempo para que todos los gránulos se expandan, especialmente los más grandes, pero sí calentamos por un largo tiempo la mezcla final puede resultar delgada debido posiblemente a una sobre agitación y ruptura de los gránulos expandidos. Por otro lado el calentamiento debe de ser en un recipiente con tapa para evitar que el agua se evapore de la mezcla.

Tipo de calor. Es necesario aplicar calor húmedo para que la gelatinización ocurra. El calor seco hace que el almidón se hidrolice formando cadenas más cortas de dextrina que tendrán un aspecto oscuro y un sabor ligeramente tostado. Sin embargo este efecto puede ser deseable para algunas recetas.

Velocidad de calentamiento. En general mientras más rápido se caliente la dispersión de almidón-agua, más espesa se logrará la mezcla, manteniendo constante la temperatura final del proceso.

Como puede verse hay muchos factores que deben de ser controlados durante el proceso de gelatinización, por ejemplo, si se quiere que la estructura tridimensional de la gelatinización se forme correctamente, el almidón debe de ser del tipo correcto, la concentración debe ser la adecuada, que el calor se aplique correctamente, que si se van a añadir a otras sustancias, se haga en el momento adecuado y otras más.

Existen aparatos en donde la mezcla de agua y almidón puede ser agitada y su viscosidad grabada en una gráfica en tiempo real. Este aparato que aparece en la siguiente figura (a. amilógrafo, b. amilograma) mide constantemente la viscosidad y el espesor de la mezcla durante el calentamiento, la gelatinización y el enfriamiento, y puede ser usado con la idea de determinar los efectos de la α-amilasa en las mezclas de almidón o el espesor de varios almidones a diferentes tiempos y temperaturas.

Principales problemas que ocurren durante la gelatinización.

Ocurren ciertos cambios en la composición de amilosa durante el proceso de gelatinización. Por ejemplo la amilosa puede cuajar y formar un gel, proceso conocido como gelación. La mezcla toma una forma sólida y elástica en un sistema de dos fases, con el sólido en fase continua y el polímero de amilosa disperso en una fase líquida más parecido a un coloide.

Por otro lado puede ocurrir que las moléculas de amilopectina no formen los enlaces requeridos para el proceso de gelatinización, en vez de esto la amilopectina exhibe menos tendencia a re-asociarse y se revierte a una estructura más cristalina. Se mantiene gelatinizado, sin embargo forma una mezcla más espesa que puede ser deseable para algunos artículos como rellenos de pays.

Retrogradación. Es la precipitación espontánea o insolubilización de las moléculas de amilosa. Esta ocurre porque sus cadenas lineales se orientan paralelamente, reaccionando entre sí por puentes de hidrógeno. Ocurre cuando las mezclas de almidón se revierten a una estructura más cristalina al momento de ser enfriadas. La amilosa y la amilopectina pueden participar en este cambio de textura que es se torna más grumosa con el tiempo. Ocurre más fácilmente en almidones con alta amilosa esto se observa fácilmente en los productos de panificación, que se vuelven rápidamente rancios, viejos, o digamos, no frescos.

El efecto de la retrogradación ocurre cuando al haberse formado incorrectamente la gelatinización las estructuras de amilosa son frágiles y muy fácilmente pierden el agua que han atrapado. La amilosa se recristaliza. La retrogradación es similar a cuando las mezclas de almidón son expuestas a los efectos de ciclos de congelación y descongelación. El agua creada por los cristales de hielo derretido no se re asocian con el almidón y la pérdida de agua se vuelve aparente.

Sinéresis. Es el lagrimeo del agua liberada de un gel de almidón. Al momento de enfriar este gel, e inclusive si se deja a temperatura ambiente por suficiente tiempo, las moléculas de amilosa se reordenan, las cadenas lineales se colocan de forma paralela y forman puentes de hidrógeno. Cuando ocurre este reordenamiento, el agua absorbida es expulsada fuera de la estructura, es decir, se separan la fase sólida, los cristales de amilosa y de amilopectina, y la fase acuosa, el agua.

Las investigaciones han establecido que las condiciones de enfriamiento impactan en la fuerza de los geles. Si se enfrían muy rápido, la amilosa no tiene tiempo para formar la estructura tridimensional esperada. Si se enfría muy lento hay fracciones de amilosa que se alinean en forma paralela y no absorberán el agua necesaria. En ambas opciones aparecerá la sinéresis.

Formación de grumos. Un problema muy normal en la preparación de mezclas de almidón es la indeseable formación del grumos. Estos son debidos a una absorción desigual de agua o a la aglomeración de gránulos de almidón. Los gránulos deben de absorber el agua independientemente, así que lo recomendable es separar los gránulos con un agente separador. Para tener un mayor éxito en las mezclas de almidón y harina pueden ser usados agentes separadores como algunas grasas, agua fría y azúcar. Estos, como ya vimos anteriormente, deben de ser añadidos en pequeñas cantidades, adecuadas para solo separar los gránulos, antes de su adición para alguna receta.

Escoger que agente separador usar dependerá del tipo de producto que se va a preparar, pues los alimentos pueden fabricarse, libres de grasa, libres de azúcar, endulzados, etc.

Factores para lograr mejores mezclas de almidón.

Apariencia. La apariencia de una mezcla de almidón calentada y posteriormente enfriada está muy influida por el origen del almidón usado. Los almidones provenientes de cereales en general producen mezclas turbias y espesas cuando enfrían. Dentro de los cereales, el trigo produce una mezcla más turbia que el maíz, ya que el trigo contiene ingredientes adicionales que no están presentes en el almidón de maíz. De los cereales las mezclas más claras se logran usando almidón de maíz. También es posible obtener una mezcla espesa y clara del almidón de arrurruz (arrowroot) o yuca, sólo que la mezcla no espesa tanto, pero esta característica puede ser muy deseable sí se está preparando un relleno para pays.

Método de calentamiento. Se obtienen mejores resultados si se calientan las suspensiones de almidón a baño de vapor que a fuego directo. Esto sucede porque el calor el más uniforme, se tiene un mejor control de la temperatura, obteniendo una gelatinización más uniforme. La desventaja de este método es que es un poco más lento.

Manipulación. Para lograr la consistencia y textura deseadas en una receta que contiene almidón caliente y huevo (para salsas y cremas hojaldradas) el proceso adecuado es manipular la cantidad de almidón que se va agregando. La mezcla caliente se debe incorporar muy lentamente para aumentar la temperatura poco a poco, sin que se presente el peligro de la coagulación. De esta manera el huevo no se cuaja, produciendo una consistencia inadecuada.

Salsas blancas. Las salsas blancas tienen gran aplicación en la cocina. Es muy usual usar leche para fabricar salsas espesas como las salsas blancas. Ya que la leche normalmente se corta a alta temperaturas es mejor añadir la harina a la mezcla para espesarla antes de añadir la mezcla a la receta. La concentración del almidón usado en su formulación varia. Por ejemplo, una salsa blanca usando harina grasa y leche puede ser expresada a varias consistencias: para hacerla delgada se deberá usar una cucharada de harina por taza de líquido, para hacerla media serán 2 cucharadas de harina por taza del líquido y para hacerla muy espesa 3 cucharadas de harina por taza de líquido.

Líquido. Se pueden usar varios tipos de líquidos para fabricar mezclas de almidón. Se puede incorporar agua o jugos de fruta en algunos alimentos que requieren algún sabor.

 

 

Fuentes:

Vickie A. Vaclavik, Elizabeth W. Christian. (2014). Essentials of Food Science. New York: Springer Science+Business.

H.-D. Belitz · W. Grosch · P. Schieberle. (2009). Food Chemistry. Berlin: Springer-Verlag.

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