Physical modification of gluten-free flours by ultrasound treatments. Application to the development of new products suitable for the celiac population

Zusammenfassung

El mercado de los productos sin gluten ha adquirido una mayor presencia en la industria alimentaria en los últimos años debido al aumento de la población diagnosticada con celiaquía o intolerancia al gluten, y a los consumidores que deciden llevar una dieta libre de gluten por considerarla una opción más saludable, que demandan una mayor gama de productos de buena calidad. La eliminación del gluten, sin embargo, representa un reto técnico en el desarrollo de productos, debido al papel estructural que tiene el gluten en la mayoría de estos productos. Las características naturales de las harinas sin gluten (y de su almidón) no siempre se ajustan a los requisitos específicos de la industria debido a limitaciones en su procesamiento, como la baja resistencia al cizallamiento, la resistencia térmica, y la alta tendencia a la retrogradación. Diferentes técnicas de modificación (químicas, enzimáticas, genéticas, mecánicas y físicas) se aplican a almidones y harinas con el objetivo de aumentar su rango de aplicabilidad industrial, siendo las modificaciones físicas las mejor percibidas por utilizar métodos más respetuosos con el medio ambiente, y por requerir, en general, procesados más cortos y sencillos. Los tratamientos con ultrasonidos son métodos de modificación física que han demostrado importantes mejoras en la modificación de almidones de diferentes orígenes botánicos. Sin embargo, la modificación de harinas sin gluten con ultrasonidos no ha sido estudiada de forma generalizada a pesar de ser un ingrediente importante en la industria alimentaria. El objetivo de esta tesis doctoral fue profundizar en el conocimiento de la modificación física de las harinas sin gluten mediante tratamientos con ultrasonidos, para establecer el impacto que tienen los parámetros clave del tratamiento en el grado de modificación alcanzado, y utilizar la harina ultrasonicada en la elaboración de pan sin gluten para determinar el efecto que la modificación tiene en la calidad del producto final. Los tratamientos con ultrasonidos se realizaron a una frecuencia de 24 kHz, una potencia máxima de 180 W y un ciclo de encendido y apagado del 80%, y se aplicaron a harinas de diferente naturaleza: de arroz, tef, maíz y quinoa. Los tratamientos con ultrasonidos se realizan siempre en exceso de agua para que las ondas acústicas generen una modificación homogénea de la materia estudiada. El estudio incluyó una fase inicial de determinación del efecto que tres parámetros importantes del tratamiento de ultrasonidos ejercían sobre la modificación generada sobre harina de arroz. Estos fueron el tiempo de tratamiento (entre 2 y 60 min), la concentración de harina en la dispersión tratada [entre 5 % y 30 % (p/p)], y la temperatura del tratamiento (entre 20 °C y 60 °C). Se inició la investigación con harina de arroz por tratarse del ingrediente más utilizado en las formulaciones sin gluten. Los resultados obtenidos indicaron que las modificaciones fueron significativas desde tiempos cortos, y que se podían observar incluso a concentraciones elevadas. La temperatura fue la variable que más influyó en la modificación generada en las harinas tratadas. Debido a esto, en la siguiente fase del estudio se trabajó con harina de tef de dos variedades, marrón y blanca, aplicando tratamientos de 10 min, una concentración del 25 % (p/p) y temperaturas entre 20 °C y 55 °C. Las modificaciones provocadas en las harinas de arroz y de tef se cuantificaron en sus propiedades morfológicas, tecno-funcionales, de hidratación, estructurales, térmicas y de empastado, así como en las propiedades reológicas de los geles elaborados con las mismas. Los resultados obtenidos mostraron que los tratamientos con ultrasonidos llevaron a una reducción general del tamaño de partícula de las harinas, lo que incrementó su interacción con el agua, demostrado por un marcado incremento de la capacidad de hinchamiento en las harinas ultrasonicadas. La cromatografía por exclusión de tamaño indicó que los tratamientos con ultrasonidos generaban una mayor proporción de cadenas de amilosa de longitud intermedia (grado de polimerización 300 – 1600), como resultado de la fragmentación de las cadenas del almidón, que tuvieron lugar mayoritariamente sobre los enlaces α-(1,4) frente a los α-(1,6), como se demostró mediante resonancia magnética nuclear de protón. Las propiedades térmicas indicaron una reducción de la entalpía de gelatinización, así como una reducción del rango de temperatura de gelatinización, principalmente en los tratamientos realizados a temperaturas más altas. La temperatura de empastado aumentó en las harinas sonicadas al tiempo que se redujo la altura de sus perfiles viscométricos. Las harinas modificadas con ultrasonidos dieron lugar a geles con una mayor consistencia y una mayor componente elástica en todas las condiciones estudiadas. El método de eliminación de agua de la dispersión demostró tener un efecto muy significativo sobre las propiedades de las harinas obtenidas. La liofilización, que es el método mas conservador y de preferencia en ensayos de laboratorio, se decidió comparar con otro método más fácilmente transferible a la industria, como es la centrifugación seguida de secado a baja temperatura. El estudio se aplicó a cuatro harinas sin gluten de diferente naturaleza y contenido en sustancias solubles o solubilizables por sonicación (arroz, tef, maíz y quinoa) que fueron tratadas siguiendo condiciones ya optimizadas [10 min tratamiento, 25 % (p/p) concentracion y 20 ºC de temperatura]. Los resultados mostraron marcadas diferencias entre pares de muestras tratadas, atribuibles a la eliminación de componentes solubles y solubilizados perdidos en la centrifugación, lo que llevó a diferencias en la composición de las harinas tratadas con ultrasonidos dependiendo del método de secado aplicado. La influencia del método de eliminación de agua fue mayor en harinas integrales (tef y quinoa). La harina de arroz tratada con ultrasonidos se utilizó finalmente en la formulación de panes de arroz en sustitución del 30 % de la harina de arroz utilizada en la fórmula. Se establecieron las propiedades térmicas, de empastado, de fermentación y reológicas de las masas de pan elaboradas, y la calidad física de los panes obtenidos. Los resultados obtenidos mostraron que la fragmentación de partículas de harina y la depolimerización parcial de almidón causada por la ultrasonicación facilitó la accesibilidad de levaduras a azúcares más simples, acelerando la generación de dióxido de carbono y un mayor desarrollo de la masa durante la fermentación, lo que dio lugar a panes con mayor volumen y una miga más suave, mostrando un efecto máximo en el tratamiento de 10 min. Los tratamientos con ultrasonidos demostraron ser una tecnología viable para modificar las propiedades fisicoquímicas de las harinas sin gluten. Los resultados indicaron que las condiciones de tratamiento aplicadas influyen en las características finales de la harina modificada. La temperatura de tratamiento fue la variable más influyente en la modulación de las propiedades de las harinas, debido a un efecto combinado de la ultrasonicación y annealing, resultando en un efecto magnificado de los tratamientos al aplicar las temperaturas más altas. El uso de harinas ultrasonicadas en la formulación de panes sin gluten permitió mejorar el desempeño en panificación de la harina de arroz.