Procesos de biocatáalisis enzimática en almidones nativos y pre-gelatinizados de yuca: Efectos a nivel morfológico, molecular y de digestibilidad in vitro

• Autores: Jorge Figueroa Flórez
• Directores de la Tesis: Eduardo Rodríguez Sandoval (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) ( Colombia ) en 2020
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Enzymatic biocatalysis processes in cassava native and pre-gelatinized starches: Effects at the morphological, molecular and in vitro digestibility levels
• Materias:
  • Física
    • Electrónica
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Geodesia
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología aeronáuticas
    • Tecnología bioquímica
    • Ingeniería y tecnología químicas
    • Tecnología de los ordenadores
    • Tecnología de la construcción
    • Ingeniería y tecnología eléctricas
    • Tecnología electrónica
    • Ingeniería y tecnología del medio ambiente
    • Tecnología industrial
    • Tecnología de la instrumentación
    • Tecnología de materiales
    • Tecnología e ingeniería mecánicas
    • Tecnología médica
    • Tecnología metalúrgica
    • Tecnología de productos metálicos
    • Tecnología de vehículos de motor
    • Tecnología minera
    • Tecnología naval
    • Tecnología nuclear
    • Tecnología del carbón y del petróleo
    • Tecnología energética
    • Tecnología de los ferrocarriles
    • Tecnología del espacio
    • Tecnología de las telecomunicaciones
    • Tecnología textil
    • Tecnología de los sistemas de transporte
    • Procesos tecnológicos
    • Planificación urbana
    • Otras especialidades tecnológicas
  • Ciencias de las artes y las letras
    • Arquitectura
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: repositorio.unal.edu.co
• Resumen
  • español

    Actualmente, en la industria procesadora de almidón urge la necesidad de implementar procesos y tecnologías limpias fácilmente escalables a nivel industrial, para el desarrollo de almidones modificados con diversas propiedades tecno-funcionales. Investigaciones recientes del Grupo de Investigación PADES han vislumbrado el potencial y la viabilidad económica tanto de procesos enzimáticos como de tratamientos físicos, en la modificación de gránulos nativos de tubérculos, libres de agentes químicos. A partir de ello, se planteó en el presente trabajo de investigación el objetivo de evaluar procesos de biocatálisis enzimática sobre almidones nativos y pre-tratados hidrotérmicamente en la producción de gránulos modificados de yuca con funcionalidades microporosas, hidrofílicas y de baja digestibilidad.

    Procesos de biocatálisis enzimática usando α-amilasa, β-amilasa, pululanasa y amiloglucosidasa en almidones nativos de yuca mostraron una acción preferencial en las lamelas amorfas durante la fase inicial a una mayor tasa de conversión, seguida de una menor velocidad hidrolítica sobre las lamelas cristalinas, afectando signiticativamente el grado de cristalinidad.

    Además, los resultados evidenciaron que la acción exógena de α-amilasa y amiloglucosidasa promovieron fenómenos de exo-corrosión y la aparición de laceraciones en la superficie granular del almidón, mientras que el uso de β-amilasa y pululanasa provocaron la obtención de gránulos fragmentados levemente erosionados.

    La acción enzimática simultánea de α-amilasa con amiloglucosidasa en gránulos de almidón de yuca pre-tratados físicamente, permitió estimar que las condiciones óptimas del proceso hidrotérmico para maximizar las propiedades de solubilidad y de digestión lenta, fueron: relación almidón/agua a 0.145 g/mL, temperatura de calentamiento a 60 °C y enfriamiento a −15°C durante 24 h. Además, que la temperatura de almacenamiento a 4 °C es fundamental en la reorganización molecular después del pre-tratamiento hidrotérmico, afectando el orden semicristalino y maximizando las fracciones de baja digestibilidad. Mientras tanto, el tratamiento de annealing un proceso hidrotérmico realizado por debajo de la temperatura de gelatinización, favoreció la susceptibilidad del gránulo al ataque enzimático. De este modo, el proceso hidrotérmico a 60 °C seguida de la acción enzimática simultánea con amilasas, acrecentó los fenómenos de endo-corrosión en la estructura granular, aumentando el área superficial específica, el tamaño y volumen de los poros. Por otro lado, la desramificación con pululanasa sobre gránulos pre-tratados a 65 °C, produjeron agregados poliméricos de cadenas cortas en forma reticulada con polimorfos semicristalino tipo-V, que favorecieron las propiedades hidrofílicas como la capacidad de retención de agua e índice de solubilidad en agua.

    El análisis de mecanismos de digestibilidad in vitro a través de estudios moleculares, estructurales y morfológicos permitió establecer la redistribución de las longitudes de cadenas durante el annealing, afectando el tamaño granular y la fracción de almidón de digestión rápida (ADR). Además, que la despolimerización de los almidones pre-tratados después del ataque enzimático, conllevó a un aumento en el contenido de cadenas cortas (GP< 12) que, asociado a una reducción en los valores de masa molar y radio de giro, aumentaron las propiedades de digestión lenta. Estos resultados permitieron diseñar un proceso novedoso en la modificación del almidón nativo, implementando un ataque enzimático ternario-secuencial (pululanasa ! β-amilasa ! amiloglucosidasa) sobre gránulos pre-tratados hidrotérmicamente. Los resultados analizados a través de correlación de Pearson mostraron que el contenido de amilosa y la distribución de la longitud de la cadena, fueron determinantes en el aumento significativo de las fracciones de almidón de digestión lenta (ADL) y almidón resistente (AR).

    En síntesis, las diversas aplicaciones de polipéptidos enzimáticos sobre almidones nativos y pre-tratados, permitieron identificar que las características fisicoquímicas y funcionalidades de los gránulos modificados de yuca dependieron del grado de hidrólisis, y de la acción térmica inducida en las suspensiones de almidón cerca de las condiciones de gelatinización. Asimismo, los resultados revelan la factibilidad tecnológica para producir gránulos modificados de yuca con propiedades microporosas, hidrofílicas y de digestión lenta. En este contexto, los resultados de investigación basados en las nuevas funcionalidades de los gránulos modificados, permiten visionar una alta aplicabilidad en el sector agroalimentario, y abre oportunidad a futuras investigaciones para el desarrollo de productos competitivos con respecto a los almidones producidos por vía química existentes en el mercado.

  • English

    Currently, in the starch processing industry there is an urgent need to implement clean processes and technologies that are easily scalable at an industrial level, for the development of modified starches with various techno-functional properties. Recent research from the PADES Research Group has glimpsed the potential and economic viability of both enzymatic processes and physical treatments in modifying native tuber granules, free of chemical agents. From this, the objective of evaluating enzymatic biocatalysis processes on on native and hydrothermally pretreated starches in the production of modified cassava granules with microporous, hydrophilic and low digestibility functionalities was proposed in this research work. Enzymatic biocatalysis processes using α-amylase, β-amylase, pullulanase and amyloglucosidase in native cassava starch showed a preferential action on amorphous lamellae during the initial phase at a higher conversion rate, followed by a lower hydrolytic rate on crystalline lamellae, affecting significantly the degree of crystallinity. Furthermore, the results showed that the exogenous action of α-amylase and amyloglucosidase promoted phenomena of exocorrosion and the appearance of lacerations on the granular surface of the starch, while the use of β-amylase and pullulanase caused the obtaining of eroded slightly fragmented granules. The simultaneous enzymatic action of α-amylase with amyloglucosidase in physically pre-treatment cassava starch granules, allowed estimating that the optimal conditions of the hydrothermal processes to maximize the properties of solubility and slow digestion, were: starch/water ratio at 0.145 g/mL, heating temperature at 60 °C and cooling at −15 °C for 24 h. Furthermore, that the storage temperature at 4 °C is fundamental in the molecular reorganization after hydrothermal pre-treatment, affecting the semicrystalline order and maximizing low digestibility fractions. Meanwhile, annealing treatment a hydrothermal process performed below the gelatinization temperature, favored the granule’s susceptibility to enzyme attack. In this way, pre-treatment at 60 °C followed by the simultaneous enzymatic action with amylases, increased the endo-corrosion phenomena in the granular structure, increasing the specific surface area, the size and volume of the pores. Likewise, the pre-treatment at 65 °C continuous to the de-branching with pullulanase produced cross-linked polymer aggregates in short form with V-type semicrystalline polymorphs, which favored the hydrophilic properties such as the water retention capacity and solubility index in water. XVII XVIII The analysis of in vitro digestibility mechanisms through molecular, structural and morphological studies allowed to establish the redistribution of chain lengths during annealing, affecting the granular size and the fast digesting starch fraction (ADR). Furthermore, that the depolymerization of the pre-treated starches after the enzymatic attack, led to an increase in the content of short chains (GP< 12) which, associated with a reduction in the values of molar mass and gyration radius, increased the slow digestion properties. These results allowed designing a novel process in the modification of the native starch, implementing a ternary-sequential enzymatic attack (pullulanase → β-amylase → amyloglucosidase) on hydrothermally pre-treated granules. The results analyzed through Pearson’s correlation showed that the amylose content and the chain length distribution were decisive in the significant increase in the fractions of slow digesting starch (ADL) and resistant starch (AR). In summary, the various applications of enzymatic polypeptides on native and pre-treated starches allowed identifying that the physicochemical characteristics and functionalities of the modified cassava granules depended on the hydrolysis degree, and the thermal action induced in the starch suspensions near the gelatinization conditions. Also, the results reveal the technological feasibility to produce modified cassava granules with microporous, hydrophilic and slow digesting properties. In this context, the research results based on the new functionalities of the modified granules, allow to envision a high applicability in the agri-food sector, and open opportunities for future research for the development of competitive products with respect to the starches produced by chemical means existing in the market.