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México lidera la producción de jamaica en América, destacando el cáliz seco de la fruta en la elaboración de concentrados y decocciones (SIAP, 2023). Los residuos de decocción (RDC) de jamaica, derivados de procesos de extracción, contienen hasta el 80% de fibra dietética, ofreciendo un potencial significativo (Sáyago-Ayerdi et al., 2013).
Una alternativa para aprovechar los RDC de jamaica es la producción de botanas directamente expandidas (BDE), consumidas como aperitivos. Estas ganan popularidad por su facilidad de consumo, fabricadas mediante un proceso de expansión que implica baja humedad, calor, presión e interacciones proteína-carbohidrato; siendo la extrusión el método más empleado (Félix-Medina et al., 2020).
El mercado de botanas está en constante crecimiento, alcanzando un valor global de 538 mil millones de dólares en 2022, con México contribuyendo con 11.96 mil millones de dólares y un consumo per cápita superior a los 13 kg (Statista, 2023); por lo tanto, elaborar productos con estas características resulta atractivo.
El consumo de BDE está asociado a productos ricos en carbohidratos y grasas, con baja densidad nutricional y problemas digestivos debido a la falta de fibra y un alto índice glicémico (>70) (Calvo-López y Martínez-Bustos, 2017). El crecimiento en la producción y la demanda de opciones saludables ha impulsado la búsqueda de ingredientes que aumenten el valor nutricional, destacando la fibra (Gopirajah y Muthukumarappan, 2017).
Parámetros clave para la aceptación de BDE incluyen el índice de expansión, densidad aparente y firmeza, determinantes en la calidad sensorial. La expansión es crucial por sus efectos en la estructura y ruptura de burbujas; la densidad influye en la textura, buscando una menor densidad y la firmeza, relacionada con la fuerza de corte, disminuye con el aumento de burbujas (Moraru y Kokini, 2003; Meng et al., 2010).
En la producción comercial de BDE, el almidón de maíz es común, pero carece de aporte nutricional. Por ello, se investiga el uso de harinas integrales de cereales, como el maíz morado, rico en polifenoles, proteínas y fibra (Urias-Lugo et al., 2014). Aunque las BDE con harinas integrales muestran menor expansión, ajustar las condiciones de extrusión es esencial (Han et al., 2018). La optimización mediante la metodología de superficie de respuesta se presenta como la estrategia más efectiva.
Este estudio busca evaluar la incorporación de harina de RDC de jamaica a harina de maíz morado. Utilizando la metodología de superficie de respuesta, pretende determinar las condiciones óptimas de temperatura y velocidad de tornillo del extrusor, así como el nivel óptimo de inclusión de jamaica para lograr BDE con características físicas ideales.
Se utilizaron granos de maíz morado variedad olotillo (17° 07’ 49.3” latitud norte, 99° 07’ 18.15” longitud oeste) y cálices de jamaica variedad criolla (16° 58’ 46.2” latitud norte, 99° 06’ 53.9” longitud oeste), recolectadas en municipio de Ayutla de los Libres, Guerrero. Los cálices de jamaica se prepararon de acuerdo a lo mencionado por Mayo-Mayo et al. (2020), los cálices de decocción se deshidrataron a 40 °C por 48 h, los cálices secos se molieron en un molino de café modelo F20342 (KRUPS North America Inc.), hasta un tamaño de partícula ≤ 0.38 mm.
Para el caso de los granos de maíz, estos se limpiaron de manera manual removiendo granos en mal estado y basura, posteriormente se molieron en un molino de semillas eléctrico modelo 1000A (LEJIEYIN, China) hasta un tamaño de partícula ≤ 0.38 mm. Ambas muestras se almacenaron en refrigeración (4 °C) hasta su uso. Previo al proceso de extrusión, las mezclas de maíz-jamaica se acondicionaron a una humedad de 15%.
Para preparar las botanas directamente expandidas (BDE) se utilizó un extrusor de tornillo simple de laboratorio modelo 20DN (CW Brabender Instruments, Inc. Nueva Jersey, EE. UU.), equipado con tornillo de 19 mm de diámetro, longitud 20:1, relación de compresión del tornillo 3:1, dado de salida 3 mm y un flujo de alimentación de 30 kg h.
El equipo cuenta con tres zonas de calentamiento, ajustadas con un gradiente de 20 °C entre cada sección. En el Cuadro 1 se indican las diferentes temperaturas de salida (TS) del extrusor, así como las velocidades de tornillo (VT) y el contenido de inclusión de cáliz de jamaica (J), que se utilizaron para obtener las diferentes BDE de acuerdo con el diseño experimental. Posteriormente, las BDE se cortaron en piezas de 5 cm y se colocaron en una estufa de aire forzado a 60 °C por 30 min.
A las BDE (10 piezas) se les midió el largo (cm), el diámetro (cm) promedio de tres secciones (puntas y centro) y el peso (g). El IE se calculó con la ecuación 1 y la DA con la ecuación 2 (Espinoza-Moreno et al., 2016):
ecuación 1.
ecuación 2.
Para cuantificar la firmeza (Newtons) se utilizaron 50 BDE, un texturómetro Modelo TA1 (AMETEK, Knightdale, North Carolina, EE.UU.), una celda de 500 N y una punta de corte de 2 mm de diámetro, velocidad de penetración de 10 mm min-1 hasta un 60% del diámetro de la botana (Anton y Luciano, 2007).
Se realizaron tres mediciones a las BDE (10 por tratamiento) sobre un fondo blanco, con un colorímetro modelo CM700d (Konica Minolta, EE. UU.). Se reportaron los valores de luminosidad (L), cromaticidad (C) y ángulo de matiz o color verdadero (°H).
Se empleó un diseño experimental de superficie de respuesta con tres factores: temperatura de salida (TS), velocidad de tornillo (VT) y porcentaje de inclusión de jamaica en la mezcla (J). Se utilizó el programa Design Expert 13, el cual generó 20 corridas experimentales (Cuadro 1). Las variables del proceso abarcaron TS entre 120-170 °C y VT entre 70-240 rpm, mientras que J osciló entre 0.5-15%. Las respuestas evaluadas fueron el índice de expansión (IE), densidad aparente (DA) y firmeza (F) de las BDE.
Se usó un diseño experimental central compuesto rotable con 20 experimentos realizados en orden aleatorio. Los tratamientos se ejecutaron una sola vez, excluyendo la media y la desviación estándar (Espinoza-Moreno et al., 2016). El análisis estadístico incluyó regresión por mínimos cuadrados y análisis de varianza para ajustar modelos de regresión de segundo orden a los datos experimentales de variables de respuesta.
Para el proceso de optimización se utilizó el método numérico de deseabilidad de la MSR, tratando de encontrar una deseabilidad (D) mayor a 0.7, se buscó maximizar la variable J y el IE y minimizar la DA y F. Adicionalmente, se generaron gráficas de superficie y contornos para analizar el efecto de las variables del proceso de extrusión y el nivel de inclusión de jamaica sobre las propiedades físicas (IE, DA, F) de las BDE.
En el Cuadro 1 se observan los resultados experimentales de las variables de respuesta estudiadas. Las BDE presentaron valores de IE entre 1.75 a 2.64, DA entre 0.15 y 0.38 g cm-3 y F entre 6.81 y 19.62 N. A pesar de los desafíos señalados por Han et al. (2018) sobre el uso de fuentes ricas en fibra, como los RDC de cálices de jamaica, en la elaboración de BDE, nuestros resultados mostraron altos valores experimentales de expansión y baja densidad y firmeza. A diferencia de las preocupaciones sobre la competencia entre la fibra y el almidón por el agua, nuestras BDE demostraron resultados positivos en la formación de burbujas y propiedades finales.
Los resultados estadísticos del análisis de regresión y varianza de los datos de las variables de respuesta DA, IE y F se presentan como modelos predictivos en factores codificados (ecuaciones 3-5). Todos los modelos de regresión fueron significativos con valores p≤ 0.0001. De manera general, se observó que dichos modelos de regresión presentaron una R2 adj de 82 a 97%.
"E=-4.068+0.093 (TS)+0.002(VT)-0.049 (J)"-0.0003(TS)2 ecuación 3, (valor-p del modelo <0.0001; R2 adj= 0.822). DA=1.976-0.012(TS)0.010(VT)+0.005(J)+0.00006(TS*VT)
ecuación 4, (Valor-p del modelo <0.0001; R2 adj= 0.859). F=22.615+0.504(TS)-0.513(VT)+2.743(J)+0.003(TS*VT)-0.014(TS*J)-0.004(S)2 0.071(J)2 ecuación 5, (Valor-p del modelo <0.0001; R2 adj= 0.9633).
Los modelos de regresión no mostraron falta de ajuste (p> 0.05), además, en todas las respuestas de las BDE, los términos lineales fueron significativos (p≤ 0.1). IE y F demostraron significancia en los términos cuadráticos (TS*TS y J*J). Además, interacciones significativas fueron observadas en DA y F (TS*VT y TS*J solo para F).
Al ser el IE uno de los atributos claves se espera que estos valores sean mayores a 1.5 (Huber 2001). La Figura 1A muestra el comportamiento del IE. Donde los valores son mayores a TS entre 130 y 145 °C, con una J cercana al 0.5%. Este fenómeno se atribuyó al contenido de jamaica, el cual aporta más fibra, inhibiendo la expansión debido a rupturas en las paredes celulares y menor contenido de almodón (Han et al., 2018).
El estudio de Huber (2001) señala que con una mayor VT, se genera mayor presión en el barril y dado, los que crea un diferencial de presión que favorece la expansión de la botana, independientemente de la composición de la matriz alimenticia. La baja humedad en la mezcla maíz-jamaica favoreció la distribución de humedad en los gránulos de almidón y mejoró las propiedades viscoelásticas y de cizallamiento de la mezcla (Anderson, 1969).
Resultados similares a este estudio son respaldados por Rivera-Mirón et al. (2020), quienes evaluaron la inclusión de pulpa de piña en una BDE de maíz, donde observaron que, a mayor contenido de pulpa de piña, el IE disminuía debido al contenido de fibra. Con condiciones de TS de 150 °C, VT de 200 rpm y 15% de pulpa de piña, obtuvieron la mayor expansión (1.86), inferior al máximo reportado en este estudio (2.64).
La DA es inversamente proporcional al IE, refleja el grado de expansión de las botanas. Durante la expansión, la rápida evaporación del agua genera burbujas estables y grandes, reduciendo así la densidad aparente en los productos (Huber, 2001).
En la representación gráfica del modelo para DA, Figura 1B, se evidencia el efecto de TS y J, destacando altos valores de DA a VT de 155 rpm, con TS baja y alto contenido de jamaica (J). O’Shea et al. (2013) mencionan que las altas temperaturas y presiones en el barril del equipo facilitan la rápida expansión al salir el producto por el dado, esto se corroboró con los resultados del modelo y la Figura 2.
En la Figura 1C, a VT de 155 rpm, se evidencia una interacción entre las variables de proceso TS y J. Valores bajos de TS y J resultan en altos valores de F, mientras altas cantidades de ambos indican baja firmeza en las BDE. Esto señala que mayores porcentajes de jamaica favorecen la disminución de la firmeza, este fenómeno puede deberse al contenido de fibra que aporta la jamaica, permitiendo una mayor retención de humedad y mejora las interacciones entre los componentes (Han et al., 2018). Chinellato et al. (2016) indicaron que la adición de polvo de cáliz de jamaica redujo la dureza de BDE de tapioca. En este estudio se observó una relación inversa entre la F y J (Cuadro 1).
El Cuadro 2 presenta los resultados del color de las botanas. En general, las botanas exhibieron una L entre 31.9-52.5, C variable entre 9.7-16.9 y °H que osciló entre13-47.9. Según el círculo de color de Minolta (1994), los valores de color de las botanas se encuentran en el rango rojo-azul característico de sus pigmentos naturales. La falta de un patrón general en las variables de color puede deberse a la riqueza en fenoles de ambas mezclas, que podrían experimentar cambios similares, especialmente debido a la temperatura de salida del extrusor. La variabilidad del color entre las botanas puede atribuirse al efecto variable del haz de luz, influenciado por sus características morfológicas debido a la expansión (Cid-Ortega y Guerrero-Beltrán, 2015).
Los hallazgos de Mayo-Mayo et al. (2020) incorporaron cáliz de jamaica en chips de maíz, obteniendo un ángulo de matiz de 10, indicando colores cercanos al morado, resaltando sus atributos sensoriales y aceptación general gracias al distintivo color de la jamaica, estos autores mencionan que la demanda actual por alimentos naturales y colores vibrantes ha aumentado, destacando frutas y hortalizas ricas en pigmentos intensos como la jamaica.
En esta investigación, la optimización se centró en maximizar IE y J, y minimizar DA y F de las BDE. La deseabilidad global (D) alcanzó 0.809 (Figura 2), considerada buena para alimentos, ya que valores superiores a 0.7 son clasificados como aceptables por los consumidores (Fabila-Carrera, 1998). En la Figura 2, una zona blanca muestra las condiciones óptimas de proceso (TS= 132.3 °C, VT= 240 rpm y J= 12.38%) para obtener una BDE con un IE= 2.21, DA= 0.15 g cm-3 y firmeza= 6.81 N.
El estudio de Rivera-Mirón et al. (2020) reportaron una D de 0.739, para condiciones de TS de 165 °C, 15% de pulpa de piña en BDE de harina de maíz acondicionada a 23.04% humedad y una VT de 200 rpm, las BDE presentaron un IE de 1.53 y DA de 4.01 g cm-3.
Por otra parte, Pensamiento-Niño et al. (2018) evaluaron la adición de pulpa de mango en una botana de almidón de yuca, obteniendo valores óptimos para TS= 135.81 °C, 7.97% de pulpa de mango, humedad de 18.84%, y VT de 100 rpm. Con una D de 0.772, lograron una BDE con un IE de 1.52 y DA de 0.66 g cm-3, se puedo observar que en ambos casos y en este estudio, fue factible lograr BDE con al menos los valores de IE mínimos requeridos para alimentos expandidos (Huber, 2001).
Este estudio se centró en hallar las condiciones óptimas para la elaboración de botanas directamente expandidas (BDE) de maíz morado con harina de RDC de cáliz de jamaica. Las condiciones ideales fueron TS de 132.3 °C, VT de 240 rpm y nivel de inclusión de RDC de cáliz de jamaica de 12.4%, con una deseabilidad global superior a 0.8. Se predijeron valores de IE, DA y F de las BDE de 2.21, 0.15 g cm-3 y 6.81 N, respectivamente, presentando un atractivo color morado-lila.
Espinoza-Moreno, R. J.; Reyes-Moreno, C.; Milán-Carrillo, J.; López-Valenzuela, J. A.; Paredes-López, O. and Gutiérrez-Dorado, R. 2016. Healthy ready to eat expanded snack with high nutritional and antioxidant value produced from whole amarantin transgenic maize and black common bean. Plant Foods for Human Nutrition . 71(2):218-224. Doi: 10.1007/s11130016-0551-8.
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