Effect of extrusion parameters on the texture and bioaccesibility of third-generation snacks enriched with catechin
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Date
2023
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Abstract
La creciente tendencia de los consumidores por alimentos más saludables, con propiedades texturales deseadas y que requieran un esfuerzo mínimo de preparación, brinda una oportunidad para que la industria desarrolle nuevos productos, aumentándose la demanda de snacks saludables para satisfacer estas necesidades. En este contexto, la extrusión es una tecnología relevante para manufacturar estos productos. En la operación de un extrusor se transporta la materia prima, generalmente matrices amiláceas, a lo largo de un barril, donde se transforman en una masa visco elástica mediante la combinación de temperaturas, presiones y fuerzas de cizallamiento mecánico. A pesar de que opera a altas temperaturas (100-200°C), es posible evitar la degradación de compuestos sensibles al calor debido a los cortos tiempos de procesamiento (8-50s). Las combinaciones de procesamiento producen transformaciones moleculares y reacciones químicas que pueden sobrecalentar la masa fundida dentro del extrusor. A medida que esta masa es forzada a salir por el orificio del extrusor, la rápida evaporación de la humedad interna expande rápidamente la masa, obteniendo un snack expandido, referido también como snack de segunda generación (2G snack, en inglés). Por otro lado, es posible ajustar modificando las condiciones de la materia prima, particularmente su humedad así como las condiciones de procesamiento, como la temperatura, la velocidad de giro de los tornillos y su configuración de forma de evitar la expansión a la salida del equipo, obteniéndose de esta forma pellets, los que consisten en productos mínimamente expandidos que requieren un proceso de calentamiento posterior (e.g. microondas) para expandir, y así obtener un snack de tercera generación (3G snack, en inglés). Los pellets permiten un almacenamiento prolongado aumentando la vida útil por al menos un año, tienen una gran facilidad de almacenaje y transporte, y permite la entrada de actores que no cuentan con capacidad de extrusión a la industria de los snacks expandidos, lo que resulta muy atractivo.
Durante la extrusión, se producen cambios físico-químicos que afectan la microestructura final de los snacks. Como estos cambios ocurren a niveles micrométricos el uso de técnicas no invasivas como la microtomografía de rayos X (micro-CT) es relevante para caracterizar y cuantificar la microestructura interna del producto, particularmente su red porosa interna. Esto se torna particularmente relevante cuando se ha incorporado un ingrediente funcional debido al efecto en la estructura y propiedades de los snacks.
La incorporación de ingredientes funcionales a snacks con el fin de mejorar su valor nutricional y contribuir a la dieta balanceada de los consumidores es una tendencia relevante. Entre ellos, los polifenoles son una excelente opción, principalmente por su alta capacidad antioxidante. Consecuentemente, es pertinente considerar que los snacks 3G puedan mejorar su contenido nutricional al agregar polifenoles, sin embargo, la biodisponibilidad juega un papel significativo. Durante la extrusión debido a las fuerzas de cizallamiento mecánico y temperaturas, los compuestos fenólicos se pueden degradar. Es por esto que es relevante analizar su retención durante el procesamiento, y particularmente su capacidad antioxidante, para lo cual resultas propicias las técnicas in vitro. En concordancia, el objetivo principal de esta tesis consistió en evaluar la relación entre parámetros microestructurales de pellets de harina de arroz obtenidos mediante extrusión con doble tornillo con su posterior expansión, así como investigar la relación entre estos parámetros microestructurales y las variables de extrusión, con el fin de aplicar el conocimiento obtenido para establecer bases que permitan desarrollar un pellet expandido con una capacidad antioxidante significativa al agregar catequina en la formulación.
Los pellets se formularon a base de harina de arroz (12 % b.s.) y agua (para obtener formulaciones con un contenido de humedad de 27, 29 y 31 % base húmeda, b.h.) o a base de harina de arroz (12 % base seca, b.s.), catequina (3 % b.s.) y agua (para obtener formulaciones con 27 y 31% de contenido de humedad b.h). Las diferentes formulaciones se extruyeron usando una extrusora de doble tornillo con seis temperaturas independientes, variando la temperatura máxima de extrusión entre 110, 135 y 150°C para cada formulación. Para ello, se mantuvo constante la velocidad del tornillo a 100 rpm para disminuir la presión. Los pellets obtenidos se recolectaron, almacenaron y expandieron en un microondas (800 W), para analizar la expansión, textura y microestructura, utilizando micro-CT. Finalmente, la actividad antioxidante, bioaccesibilidad y descomposición de los expandidos se analizó utilizando un sistema de digestión dinámica in vitro.
Los resultados mostraron que la adición de catequina influyó significativamente en la calidad de la textura del producto expandido. Estos mostraron una mayor expansión, baja densidad y mayor crocancia que el producto expandido sin catequina. Adicionalmente, se retuvo casi el 100% de catequina en los productos expandidos, mostrando una mayor capacidad antioxidante en comparación con los pellets. Este comportamiento se atribuye a la formación de una estructura vítrea que atrapa a los compuestos fenólicos dificultando su liberación. Por el contrario, la expansión del pellet involucra un aumento de temperatura que plastifica la matriz y debilita las interacciones entre los grupos hidroxilo del fenol y el almidón facilitando la liberación de fenoles.
Con respecto a la digestión dinámica in vitro, ni la temperatura de extrusión ni el contenido de humedad influyeron significativamente sobre el contenido de catequinas o polifenoles totales en el producto final. Como resultado, no hubo un impacto sustancial en la capacidad antioxidante. Estos resultados indicaron que se pueden emplear distintas combinaciones de parámetros dentro de los rangos especificados para producir un producto comparable. En consecuencia, optimizar los parámetros de extrusión dentro de este rango puede mejorar las propiedades deseables orientadas al consumidor, como los atributos sensoriales y la textura, al tiempo que garantiza cualidades digestivas consistentes.
Sin embargo, cabe destacar que las muestras procesadas con un contenido de humedad del 27 % y una temperatura de extrusión de 150°C demostraron consistentemente los niveles más altos de catequina y polifenoles, junto con la capacidad antioxidante más sólida en comparación con los otros tratamientos. Este resultado puede atribuirse a la mayor expansión lograda en este conjunto de productos, lo que puede aumentar el área superficial para la difusión del jugo gástrico y debilitar la interacción almidón-fenol, permitiendo una mayor liberación de los compuestos fenólicos. En cuanto a la hidrólisis del almidón, se observó un aumento significativo en el grado de hidrólisis con temperaturas de extrusión más altas y contenido de humedad más bajo. Es probable que este efecto se deba a la mayor fricción dentro del extrusor, que promueve la desintegración de las moléculas de almidón.
En conclusión, esta investigación contribuye significativamente al avance y refinamiento de los snacks extruidos funcionales al examinar las propiedades microestructurales, el comportamiento de expansión, la calidad de la textura, la capacidad antioxidante y el comportamiento digestivo. Estos resultados sirven como una base sólida para futuras investigaciones que buscan elevar el valor nutricional y las ventajas para la salud de los snacks extruidos. Tienen el potencial de allanar el camino para la creación de snacks innovadores y nutritivos de tercera generación con las características sensoriales y propiedades funcionales deseadas.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023