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Mucilage from chia seeds (Salvia hispanica) : microestructure, physico-chemical characterization and applications in food industry.

Pontificia Universidad Católica de Chile

 
Título Mucilage from chia seeds (Salvia hispanica) : microestructure, physico-chemical characterization and applications in food industry.
 
Autor Muñoz Hernández, Loreto.
 
Tema Chia - Composición.
Chia - Semillas.
 
Descripción Salvia hispanica L. es una semilla oleaginosa conocida comúnmente como chía. Fue uno de los cultivos principales de las sociedades precolombinas, siendo superado sólo por el maíz y los porotos (frijoles). En el tiempo de la Conquista existían una serie de especies botánicas, cuatro de ellas sobresalían desde el punto de vista nutricional: amaranto (Amaranthus hypochondriacus), frijoles (Phaseulus vulgaris), chía (Salvia hispanica L.) y maíz (Zea mays). La semilla de chía entera y molida era usada como alimento, pero además a través de prensado se obtenía aceite, el cual se utilizaba posteriormente como base para pinturas para el rostro y el cuerpo. Los aztecas recibían semilla de chía como tributo anual de los pueblos bajo su dominio y era entregada a los dioses como ofrenda en las ceremonias religiosas. Las semillas son pequeñas con forma ovalada y achatada, miden entre 2 y 2,5 mm de largo, entre 1,2 y 1,5 mm de ancho y 0,8 \2013 1 mm de espesor. Su coloración va de café oscuro a negro, a veces gris o blanco; las semillas blancas son de mayor peso, ancho y espesor que las oscuras.
La semilla limpia y seca puede conservarse durante años ya que posee antioxidantes que evitan el deterioro de los aceites esenciales que contiene. Una de las principales propiedades que posee esta semilla es ser fuente natural de ácidos grasos omega \2013 3, que corresponde al 75% del aceite total de la chía y omega \2013 6, posee concentraciones importantes de antioxidantes naturales, primarios y sinérgicos, como son el ácido clorogénico, ácido caféico, miricetina, quercetina y kaempferol, fibra soluble e insoluble, vitaminas y minerales. También posee una cantidad importante de fibra dietética, que se encuentra en mayor cantidad en comparación a otras frutas y semillas y que el sistema digestivo no puede digerir. Una gran particularidad de la semilla es que cuando es puesta en un medio acuoso exuda un polisacárido mucilaginoso que la rodea. Este mucílago posee interesantes propiedades para la industria alimentaria, cosmética y farmacéutica. Se ha reportado que el consumo del mucílago de chía facilita la digestión y que junto con la semilla forma un alimento nutritivo.
Para determinar la potencial utilización de este mucílago como ingrediente es necesario en primer lugar, estudiar la microestructura de la semilla con el objetivo de adquirir mayor información a cerca de la ubicación del mucílago dentro de la semilla y conocer el mecanismo por el cual el se libera durante la extracción. La morfología de la semilla de chía se estudió por medio de estereomicroscopía (SM), microscopía óptica (OM) y de barrido electrónico (SEM). Para el uso del estereomicoscopio las semillas fueron separadas en grupos por color y acondicionadas a tres niveles de humedad relativa (RH) dentro de desecadores, 20-25%, 40-50% y 75%. La humedad relativa entre 20-25% se ajustó empleando silica gel; previamente se acondicionó el desecador durante 15 días midiendo la RH por medio de un higrómetro cada 2 días hasta alcanzar el equilibrio. La humedad relativa del 75% se alcanzó usando una solución saturada de NaCl y se procedió de igual manera y para humedad relativa entre 40 \2013 50% el desecador se mantuvo vacío.
Para todos los casos la humedad relativa fue controlada y al cabo de 15 días (equilibrio) las semillas fueron situadas dentro de cada desecador y mantenidas en estas condiciones a 20°C por otros15 días. Al cabo de este tiempo las semillas se retiraron de cada desecador y se dispusieron 100 unidades de cada muestra en portaobjetos en forma vertical y horizontal. Posteriormente se determinaron sus tres principales dimensiones para cada humedad relativa: largo, ancho y espesor, además de diámetro, esfericidad, superficie, densidad y peso de 1000 unidades. Las observaciones microscópicas se realizaron a través de un microscopio de luz con aumentos de 10x y 40x. Las semillas fueron teñidas con tres diferentes técnicas; inicialmente se tiñeron con una solución safranina en agua (0,01%) por 24 horas, otro grupo se tiñó con \201Cfast green\201D y safranina y el último grupo con lugol y \201Cfast green\201D. Posteriormente se tomaron fotografías usando una cámara digital conectada al microscopio y las imágenes se almacenaron en computador hasta su posterior análisis por medio del programa Image Pro Plus 6.0.
Para microscopía de barrido electrónico las semillas maduras secas sin tratamiento fueron recubiertas con oro a través de pulverización catódica y posteriormente examinadas. Se usó una interfase ADDA II entre el computador y el microscopio y las imágenes fueron capturadas y analizadas posteriormente por medio del programa AnalySIS® ver. 3.2 La extracción del mucílago se investigó empleando diseño de experimentos con modelo Box-Behnken y posterior optimización, las condiciones incluyeron como variables independientes temperatura (20 \2013 80 °C), pH (4 \2013 8) y proporción semilla:agua (1:20; 1:40) y la variable respuesta fue el porcentaje de extracción. Luego que el mucilago fue extraído, se procedió a estudiar su hidratación empleando también un diseño de experimentos modelo Box-Behnken 33. Se seleccionaron niveles altos y bajos para cada variable independiente: temperatura (20 \2013 80 °C), pH (3 \2013 9) y fuerza iónica (0 \2013 1%) determinada por CaCl2, NaCl y KCl en forma separada.
A continuación el mucílago fue sometido al estudio de sus propiedades químicas, térmicas y funcionales a través del análisis químico proximal, orgánico elemental, FT-IR, termogravimetría, DSC, determinación de monosacáridos, solubilidad, reología, propiedades emulsificantes y espumantes. Finalmente se estudiaron algunas aplicaciones en la industria de alimentos. Como primera aplicación se estudió la elaboración de películas comestibles y posteriormente se elaboró un postre lácteo donde el estabilizante empleado comercialmente se remplazó en su totalidad por el mucílago de chía. Las películas comestibles fueron obtenidas empleando una mezcla del mucílago y proteínas de suero concentrado en proporción 1:3 y 1:4 a pH 7 y 10 y usando glicerol como plastificante. Cada dispersión formadora de película fue examinada usando microscopía de trasmisión electrónica y cada una de las películas fue analizada posteriormente a través de microscopía de barrido electrónico. Se determinaron a su vez las propiedades físicas, análisis de color, opacidad, contenido de humedad, solubilidad, propiedades de barrera al vapor de agua y propiedades mecánicas de cada una de las películas del estudio. Finalmente se elaboró un postre lácteo en base a una formulación comercial y se procedió a realizar una evaluación sensorial que constó de un test triangular y de preferencia, caracterización reológica, determinación de sinéresis, color y viscosidad.
Se presume que el mucílago está localizado en las células externas que forman la testa (cáscara), estas estructuras son denominadas células mucilaginosas. La testa tiene un grosor de 13 ± 0.41 \03BCm y está compuesta de tres capas, una externa formada por células delgadas rectangulares de 4.2 ± 0.26 \03BCm donde aparentemente se encuentra el mucílago, una capa de escleroides, compuesta por células largas y delgadas similares a fibras y el endocarpio, una delgada capa interna. Este tipo de conformación no había sido reportada para la semilla de Salvia hipanica. Inmediatamente cuando la semilla se pone en contacto con agua el mucílago comienza a aparecer y filamentos en forma de espiral (fibras del mucílago) se hacen evidentes en la superficie. Estos filamentos comienzan a expandirse hasta estar completamente estirados al alcanzar la hidratación máxima al cabo de 2 horas y se revelan nuevas estructuras en la superficie de la semilla. Estas nuevas estructuras se denominan columella, poseen forma de volcán y están uniformemente distribuidas en toda la superficie de la semilla. En el extremo de cada columella se observó además un racimo de pequeñas esferas de 11.6 ± 1.4 \03BCm de diámetro que fueron fácilmente visibles cuando se tiñeron con safranina. El mucílago está presente dentro de las células epidérmicas de la testa de la semilla madura y cuando ésta se pone en contacto con agua se rompe la primera capa de células permitiendo la salida de las fibras de mucílago que posteriormente rodean la semilla.
Cuando el mucílago se encuentra completamente hidratado forma una cápsula transparente que rodea la semilla adherida con gran tenacidad y cuando muchas semillas se hidratan forman una solución altamente viscosa y estable. Estudios preliminares demostraron que al cabo de 2 horas de hidratación el peso total de las semillas permanece constante y la absorción de agua está completada. Este tiempo fue considerado el máximo para la realización de la extracción y posterior hidratación. La optimización en el proceso de extracción se logró a temperaturas cercanas a 80°C y proporción semilla:agua de 1:40, obteniéndose un 7% de rendimiento. Se observó que el mucílago aislado posee una gran capacidad de retener agua debido a que 100 g fueron capaces de absorber 2,7 g de agua, es decir, tiene la capacidad de retener 27 veces su peso en agua, a diferencia de la semilla que se hidrata solamente hasta 12 veces.
Se determinó que un aumento en las concentraciones de las sales estudiadas induce una disminución en la capacidad de retención de agua. Se observó que la máxima hidratación se logró a bajas concentraciones de sales, pH cercano a 9 y temperaturas alrededor de 80 °C. El análisis químico proximal mostró un contenido de azúcares totales de 48±0,55 %, proteínas de 4±0,05 %, cenizas 8±0,57 %y lípidos de 1,78±0,02%; mientras que el análisis elemental mostró que el mucílago posee niveles de nitrógeno, carbono, hidrógeno y oxígeno de 1,38±0,04%, 37,99±1,19%, 5,64±0,13% y 47,27±1,02% respectivamente. La composición de monosacáridos fue 16,78±0,59% D-xilosa+Dmanosa, 2,11±0,18% D-arabinosa, 6,77±0,30% D-glucosa, 3,9±0,32% ácido galacturónico y 12,1±2,30% ácido glucurónico, con un 41,66% de azúcares totales. El mucílago mostró una temperatura de descomposición térmica extrapolada (TDT) de 271,2 °C. Adicionalmente se usó FT-IR para comparar los grupos funcionales del mucílago con goma xantana. Las principales bandas registradas fueron asignadas al \2013OH del grupo hidroxilo, -C-H alifático, (C=O) para el grupo de ácidos carboxílicos y aromáticos, \2013COO correspondiente al grupo carboxilato de los ácidos urónicos y finalmente C\2013O como grupo ester.
Las bandas observadas en ambos polisacáridos fueron muy similares, solo se visualizaron diferencias en intensidad. El espectro DSC en conjunto con el punto de fusión, mostraron una temperatura estable y la posibilidad del empleo del mucílago en procesos que involucren altas temperaturas, ya que no presenta un punto de fusión exacto, solamente se degrada a los 320°C. El mucílago fue completamente soluble en agua bajo las condiciones estudiadas: temperatura (30, 60, 70 y 90 °C), concentración (0,15; 0,25; 0,5 %) y condiciones de centrifugación (800 y 2000 g); este comportamiento puede deberse a la completa dispersión del mucílago seguida de la solubilización, lo que permite que el agua penetre en las partículas hinchadas provocando una completa interacción entre las macromoléculas. Las películas comestibles formadas a partir del mucílago de chía (MC) y proteínas de suero concentrado (WPC), en proporciones 1:3 y 1:4 MC:WPC a pH 7 y 10 usando glicerol como plastificante, presentaron excelentes propiedades mecánicas y baja permeabilidad al vapor de agua.
Se analizó el efecto del pH y proporción polisacárico:proteína sobre las dispersiones formadoras de películas a través de TEM. Se observa que cuando ambos componentes son mezclados aparecen microestructuras de conformación esférica y ovoide. Estos elementos o agregados, adquieren la forma de masas blancas debido al procedimiento de tinción negativa. Esta formación de agregados puede atribuirse a interacciones electrostáticas entre el mucílago y las proteínas del suero concentrado. Sin embargo, al pH investigado, que es más alto que el punto isoeléctrico (pI) de las proteínas (4,5), los componentes están negativamente cargados; esto promueve una repulsión electrostática entre ellos y da como resultado la formación de agregados. En este caso, los complejos solubles pueden formarse cuando los dos biopolímeros están cargados negativamente (pH>pI) debido a la existencia de parches positivamente cargados en la proteína interactuando con el polisacárido aniónico. Las diferencias microestructurales en las películas terminadas observadas a través de SEM también pueden ser atribuidas a la formación de los agregados producidos por la interacción entre polisacáridos y proteínas.
La proporción de mucílago adicionada tiene influencia sobre los valores registrados en resistencia a la tracción, alargamiento a la ruptura y menor influencia, pero no menos significativa sobre la permeabilidad al vapor de agua. Las películas elaboradas con mayor proporción de mucílago mostraron mejores propiedades de barrera al vapor de agua. Con la incorporación del mucílago en las películas además mejoró la resistencia y la flexibilidad. El pH tuvo una influencia positiva sobre las propiedades de tracción y en términos de permeabilidad; los films preparados a pH 10 mostraron mejores propiedades de barrera. El uso de este nuevo polisacárido es una opción para modificar y/o mejorar las propiedades físicas de películas comestibles hidrofílicas.
En conclusión, las semillas de Salvia hipanica poseen un enorme potencial como fuente de nutrientes y nutracéuticos, de gran interés para la ciencia, tecnología e ingeniería de los alimentos. Las semillas poseen, dentro de otros nutrientes, un mucílago compuesto principalmente por polisacáridos que se encuentra ubicado en las tres capas que forman la testa (cascarilla) y puede ser extraído fácilmente previa hidratación. El mucílago obtenido de la semilla es una potencial fuente de hidrocoloides con diferentes propiedades funcionales atractivas para la industria, tales como; gran capacidad de retención de agua, emulsificante, espesante, estabilizante en la formación de espumas, altamente soluble en agua fría y/o caliente. El mucílago de Salvia hispanica además puede ser incorporado en diferentes alimentos y formulaciones; tiene la capacidad de formar películas comestibles en combinación con proteínas mejorando las propiedades mecánicas y funcionales de las mismas. El mucílago puede remplazar en una formulación comercial el 100 % del estabilizante empleado tradicionalmente, proporcionando a un postre lácteo iguales y/o mejores propiedades sensoriales. Finalmente se concluye que el mucílago de Salvia hispanica es un nuevo ingrediente funcional con grandes posibilidades de ser explotado en las industrias de alimentación humana, animal y farmacéutica.
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2012.
 
Colaborador Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Díaz Rubio, Olga, profesor supervisor.
Cobos García, Ángel, profesor supervisor.
Aguilera, José Miguel, profesor supervisor.
 
Fecha 2012.
 
Tipo Tesis
 
Formato xiii, 120 h.
 
Identificador (URI) http://repositorio.uc.cl/xmlui/handle/123456789/1889
 
Idioma eng