QUÍMICA DE LOS CEREALES

1. QUÍMICA DE LOS CEREALES • 1. INTRODUCCIÓN • 2. ANATOMÍA DEL GRANO: COMPOSICIÓN GENERAL • 3. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS CEREALES • 4. ALMIDÓN Y ALMIDONES MODIFICADOS • 5. QUÍMICA DE LA PANIFICACIÓN

2. 1. INTRODUCCIÓN • Fuente principal de alimentos para el hombre • Se cultivan: trigo, arroz, maíz, cebada, sorgo, avena, mijo, centeno y triticale (cruce de trigo y centeno) • Producción mundial aprox. 1 600 millones de Tm (arroz, trigo y maíz, 3/4 partes) • Consumo:- Trigo: pan y otros productos horneados- Arroz: alimento básico en Oriente (88%)- Maíz: fundamentalmente América del Sur- Sorgo y mijo: grandes áreas de Africa • Uso:- consumo directo- piensos- Industrial: almidón (maíz), cerveza (cebada), aceite comestible

3. 2. ANATOMÍA DEL GRANO: COMPOSICIÓN GENERAL • Además, los granos de arroz, avena y cebada presentan una cubierta lignocelulósica (cascarilla)

4. COMPONENTES SEGÚN CAPAS DEL GRANO • Pericarpio: rico en celulosa • Testa (o tegmen): sustancia grasa pigmentos (coloración típica del grano) • Capa de aleurona: glóbulos de grasa y proteína • Endospermo: rico en almidón. Poca proteína y grasa • Germen: rico en lípidos y proteínas. Poco almidónEl endospermo forma el 70-83% del peso del grano, las capas más externas del salvado junto con la capa de aleurona hasta el 15% y el germen del 2-11%

5. 3. COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS CEREALES3.1. HIDRATOS DE CARBONO • Almidón • Hemicelulosas (pentosanas) • Celulosa • Mono y oligosacaridos- sacarosa (di)- rafinosa (tri)

6. 3.2. PROTEÍNAS • Concentración no uniforme: alta concentración en las capas más externas del endospermo (subaleurónicas), en la capa de aleurona y en el germen: OJO MOLIENDA • Fundamentalmente:- prolaminas (solubles alcohol 70%)......GLIADINAS (trigo, 69%)- glutelinas (insolubles alcohol 70% y disol.salinas)...GLUTENINAS (trigo,16%) (arroz, 80%)GLIADINAS + GLUTENINAS = GLUTEN • Además albúminas y globulinas (alta activ. enzimática) • Son proteínas de bajo VB, deficitarias en lisina

7. 3.3. LÍPIDOS • Contenido medio: 1-4 % del peso del grano (avena 9-10%) • Distribución: testa y aleurona (80%), germen. • Fundamentalmente triacilglicéridos y fosfolípidos • También mono y diglicéridos y A.G. libres • Existe una fracción que se encuentra químicamente combinada al almidón: “ lípidos por hidrólisis” (sólo se extraen con eter tras hidrólisis)

8. 3.4. VITAMINAS Y MINERALES • Vitaminas del grupo B: niacina, ac. pantoténico, piridoxina, tiamina • Minerales: P, K, Mg (fosfatos y sulfatos de K, Mg y Ca, 85%) • Ácido fítico (hexafosfato de mioinositol)Fitina: sal Ca 2+ /Mg 2+ del ácido fíticoImportancia en nutrición:- el P fítico se asimila mal- además es quelante ----> disminuye la asimilación de otros iones (Ca, Mg, Zn, Fe, Cu...) (existen fitasas termorresistentes que actuan durante la panificación, hidrolizando la fitina y liberando el grupo fosfato)

9. 4. ALMIDÓN Y ALMIDONES MODIFICADOS4.1. EL ALMIDÓN • Se encuentra en el endospermo de cereales en forma de gránulos de distinto tamaño y forma según cereal • Birrefringentes: “cruz de Malta” bajo luz polarizada----> desaparece durante la gelatinización

10. 4.1.2. PROPIEDADES DE LOS CONSTITUYENTES DEL ALMIDÓN • A) AMILOSA- Se dispersa en agua /Q- Al enfriar -----> GELIFICA O RETROGRADAFundamento: * en agua/ Q las cadenas lineales de la amilosa están desordenadas, y al enfriarse se asocian por puentes de H en un retículo que solidifica en forma de gel: GELIFICA * si la disolución de amilosa es diluída o se enfría muy lentamente, las moléculas lineales se ordenan en haces cristalinos que precipitan: RETROGRADA

11. B) AMILOPECTINA • Poca tendencia a retrogradar • Agua/ Q ---> disoluciones viscosas que no gelifican al enfriar ( por la estructura ramificada) Los almidones normales tienen 20-25% de amilosa, las variedades céreas es casi todo amilopectina Importante: no confundir gelatinización con gelificación

12. GELATINIZACIÓN * Proceso de hinchamiento y ruptura de los gránulos de almidón. A la tª de gelatinización (55- 75ºC, según cereales) el gránulo pierde su estructura organizada y ya no se observa la cruz de Malta* La tª de gelatinización marca el nivel energético por encima del cual se pueden empezar a disociar los puentes de H entre cadenas vecinasGELIFICACIÓN* Proceso de formación de un gel* Al enfriarse las soluciones calientes de almidón por unión entrecruzada de cadenas de amilosa

13. 4.1.3. ALMIDONES MODIFICADOS • Almidón: ingrediente usual en la preparación de distintos tipos de alimentos (sopas, precocinados, postres...) • En cada alimento ha de aportar diferentes características:- consistencia al paladar- viscosidad- formación de geles • Ha de suministrar estabilidad en la fabricación y almacenamiento • Necesidad de preparar distintos almidones modificados con distintas características, por lo que se someten a :- modificación física: pregelatinización-modificación química: oxidación, esterificación...

14. ALMIDONES MODIFICADOS MÁS IMPORTANTES

15. PROCESOS MÁS COMUNES PARA LA OBTENCIÓN DE ALMIDONES MODIFICADOSA) PREGELATINIZACIÓN • Obtención: a partir de almidón que ha sido cocido o gelatinizado (pasta agua- almidón entre rodillos calientes) y luego secado • Características: hincha en frío • Aplicación:- bebidas instantáneas de cacao- postres instantáneos

16. B) FLUIDIFICACIÓN POR ÁCIDOS Obtención: calentar a tª suave (50ºC) una suspensión de almidón en HCl diluído + filtrar + lavar + secar Características: se produce hidrólisis parcial de amilosa y amilopectina (desramificación)- producto que en caliente presenta baja viscosidad- al enfriar retrograda y gelifica mejor que el almidón natural Aplicación:- caramelos- confites de estructura gomosa

17. C) INTRODUCCIÓN DE CADENAS LATERALES EN LOS GRUPOS OHC1. Por enlace éter • Fórmula • Características: - disminuye la ordenación cristalina por lo que disminuye la tª de gelatinización- hay más átomos de O que forman puentes de H con el agua --> absorben y retienen más agua --> mayor capacidad de hinchamiento- el impedimento de las cadenas laterales hace que gelifiquen mal y no retrograden --> soluciones frías viscosas • Aplicación: salsas o cremas espesas para platos congelados (retienen agua --> disminuye exudación en congelación/ descongelación)

18. C2. Por formación de éster fosfórico • Fórmula • Características:- la presencia de grupos fosfato disminuye la tª de gelatinización- hinchan mucho en agua fría- se pueden obtener pastas de elevada viscosidad, transparentes, que no retrogradan • Aplicación: - textil- papelera- alimentaria (alimentos que han de sufrir congelación/ descongelación)

19. C3. Por formación de grupos de éster acético • Fórmula • Características: - disminuyen la tª de gelatinización- disminuyen la capacidad de retrogradación y gelificación- no aumenta la retención de agua- dan soluciones claras y estables • Aplicación: - lacas y barnices- seda al acetato- película fotográfica- poco uso en la industria alimentaria

20. C4. Introducción de cadenas laterales iónicas • Fórmula • Características: los grupos iónicos confieren una elevada capacidad de solvatación, por lo que:- aumenta la capacidad de retención de agua- hincha muy rápidamente • Aplicación: - espesante en la industria alimentaria- industria textil y papelera

21. D. ALMIDONES OXIDADOS • Obtención: tratamiento con- ácido peryódico: más usado en papeleras y curtidos- hipoclorito: autorizado para alimentación oxidación del C6 a carboxilo, otros OH a carbonilo, e hidrólisis de las cadenas • Características:- tª de gelatinización y viscosidad menor que en almidón natural- pastas muy estables al enfriamiento (poca retrogradación y gelificación) • Aplicación:- chocolate instantáneo ( alimentos con alto % de sólidos y viscosidad moderada)

22. E. ALMIDONES CON ENLACES CRUZADOS • Obtención: reacción con oxicloruro de P, tripolifosfato Na, dialdehídos y dianhídridos terminales, epiclorhidrina (fórmulas) • Características:- menor absorción de agua- gelatiniza a tª más altas- da soluciones más viscosas cuanto mayor es su tamaño molecular- gran estabilidad a tratamientos térmicos y ácidos • Aplicación:- alimentos que han de sufrir esterilización o han de prepararse a pH ácido)

23. 5. QUÍMICA DE LA PANIFICACIÓN5.1. FASES DE LA PANIFICACIÓNa) AMASADO • Mezcla de harina, agua, sal y levadura---> obtención de la masa panaria (elástica) • Funciones:- hidratación de los componentes- desarrollo de la masa: se va formando la red de gluten que englobará al CO2- incorporación de aire

24. b) FERMENTACIÓN: las levaduras fermentan los azúcares (25-30ºC) -----> desprenden CO2 y aromas • azúcares que fermentan:- preexistentes inicialmente....se agotan rápidamente- las amilasas producen maltosa y glucosa (desde que existe humedad suficiente) • aparición de aromas (compuestos volátiles):- alcoholes y aldehídos ---> aroma típico a pan cocido • desprendimiento CO2:- gracias a su elasticidad la masa panaria pude retener el gas generado- aumenta su volumen ---> la masa se “esponja”

25. c) COCCIÓN: se forma el pan por endurecimiento de la masa con dos partes diferenciadas • corteza (tª > 100ºC):- producida por evaporación de agua (dura)- en ella se produce caramelización de azúcares y R. Maillard ---> formación de color • miga (tª < 100ºC):- actividad de las levaduras con desprendimiento de CO2 (impulso horno)- gelatinización del almidón (55ºC)- coagulación del gluten (> 70ºC)

26. 5.2. PAPEL DE LAS PROTEÍNAS EN LA PANIFICACIÓN5.2.1. Proteínas no enzimáticas: gluteninas y gliadinas • Las proteínas constituyen el 9-13 % del peso de la harina • El 85% de ellas (+ agua) tienen la capacidad de formar GLUTEN • GLUTEN (confiere a la masa capacidad de retener gas)- Aislamiento: sometiendo a la masa a trabajo mecánico bajo corriente de agua- El gluten aislado aumenta: # cohesividad # extensibilidad # elasticidad

27. Proteínas que componen el gluten: • Gluteninas (16% aprox.):- son glutelinas ---> solubles en ácidos y bases diluidas- de elevado Pm- con agua forman una masa muy tenaz y elástica • Gliadinas (69% aprox.):- son prolaminas ---> solubles en alcohol al 70%- de bajo Pm- con agua forman una masa fluida y poco elásticaAsí, el gluten presenta propiedades intermediasEl resto de proteínas de la harina (15% aprox.) son albúminas (solubles en agua) y globulinas ( solubles en Na Cl) ---> fundamentalmente proteínas enzimáticas

28. reducción • El elevado Pm de las gluteninas es debido a a asociación de cadenas de < Pm mediante puentes S-S intermoleculares- Si: -S-S- ------------------> -SH + SH- · pierde sus propiedades mecánicas · adquiere prop. viscoelásticas semejantes a las gliadinas FUERZA DE LAS HARINASa) harinas fuertes: retienen CO2, dan panes esponjados (gluteninas con muchos S-S ---> est. reticular) b) harinas flojas: panes más densos (gluteninas con pocos -S-S-, y Pm bajo)

29. MEJORANTES DE LAS HARINASLa adición de agentes químicos permite regular la proporción relativa de enlaces cruzados y modificar las características reológicas de la masa • a) Agentes oxidantes: para aumentar la fuerza de las harinas - bromatos- persulfatos- vitamina C (dehidroascórbico)Produce:- mantenimiento de S-S- formación de nuevos S-S

30. b) Agentes reductores: para harinas con demasiada fuerza, poco extensibles- Na H SO3 (sulfitos)- Cisteína (-SH)- Glutatión (tripéptido)Producen- ruptura de S-S- disminución tiempo amasado- mejora propiedades reológicas de la masa

31. 5.2.2. Proteínas enzimáticas: amilasas • a - amilasa: liberan dextrinas (8-14 unidades glucosa)- hidrolizan enlaces a (1-->4)- al azar, rompen enlaces internos a ambos lados de las ramificaciones- no hidrolizan enlaces a (1-->6) (respetan ramificaciones)- liberan fragmentos más cortos (dextrinas).......y luego, maltosa/ maltotriosa- la actividad a-amilolítica es: · elevada en la maduración del grano · baja en el grano maduro

32. b - amilasa: liberan maltosa (2 unidades glucosa)- hidrolizan enlaces a (1-->4)- empiezan el ataque sólo por extremo reductor - no hidrolizan enlaces a (1-->6) (respetan ramificaciones)- liberan maltosa- queda dextrina limite residual-la actividad b -amilolítica es: · elevada en la maduración del grano · se mantiene en el grano maduroLos enlaces a (1-->6) son hidrolizados por otras enzimas (glucoamilasas o amiloglucosidasas) ---> glucosa + maltosa

33. Las amilasas actúan:- desde el amasado........mezclado de ingredientes para dar la masa panaria- hasta la cocción.........en que se desnaturalizan (a - amilasa + termorresistente) • Aportan maltosa para la fermentación (por las levaduras)- la velocidad de formación de la maltosa depende de la concentración de amilasas y de % de álmidón utilizable

34. Es importante la % b-amilasa/ a-amilasa (normalmente > % de b) • si hay elevada actividad a- amilolítica (p.e. en harinas de trigo con muchos granos germinados):- se forma mucha % de dextrina- debilita la miga, se hace más pastosa y pegajosa • si hay una actividad a- amilolítica intermedia:- % dextrinas adecuado- durante la cocción se produce pirólisis de las dextrinas- producción de miga y corteza del pan adecuadas • si hay una baja actividad a- amilolítica :- % dextrinas bajo- producción de corteza pálida, poco quebradiza- en últimas fases de cocción faltan azúcares---> falta CO2---> el pan no” levanta “

35. la actividad actividad b- amilolítica :- da elevada % de maltosa- se forma color tostado- se forma aroma - producción de gases • Posibilidad de adecuación de la actividad enzimática por adición de enzimas industriales

36. 5.3. PAPEL DE LOS LÍPIDOS EN LA PANIFICACIÓN • 25% de los lípidos está ligados al almidón ( a las cadenas helicoidales de la amilosa en el interior del grano) • Lípidos libres:- triglicéridos (55%)- glicolípidos (galactosilgliceridos)- fosfolípidos (lecitinas) • En la panificación, los lípidos que cumplen misión más importante son los polares (fosfolípidos y glicolípidos)- agentes humectantes: facilitan hidratación de la harina- permiten ordenación y desplazamiento de proteínas en el amasado- lípidos polares+ proteína-->asociaciones en doble capa-la adición de glicolípidos aumenta la calidad de la masa panaria porque liga el almidón y las glutelinas

37. 5.4. PAPEL DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN LA PANIFICACIÓN • a) ALMIDÓN- diluye el gluten dando consistencia adecuada a la masa- fuente de maltosa y glucosa para la fermentación- gelatiniza y retiene agua---> contribuye a la textura del pan- causa principal del valor calórico del pan • b) HEMICELULOSAS SOLUBLES EN AGUA- producen absorción de H2O ---> mejora el volumen del pan y su textura- disminuye tiempo de amasado • c) AZÚCARES- contribuyen al sabor del pan- constituyen el sustrato principal de la fermentación- intervienen en el desarrollo del color de la corteza- influyen en la textura y aspecto del producto final horneado