La goma guar , también llamada guarán , es un polisacárido galactomanano extraído de las semillas de guar que tiene propiedades espesantes y estabilizadoras útiles en alimentos, piensos y aplicaciones industriales. [1] Las semillas de guar se descascaran mecánicamente, se hidratan, se muelen y se tamizan según la aplicación. [2] Por lo general, se produce como un polvo blanquecino que fluye libremente.
El frijol guar se cultiva principalmente en India , Pakistán , Estados Unidos , Australia y África . India es el mayor productor, representando casi el 80% de la producción mundial. [3] En India, Rajastán , Gujarat y Haryana son las principales regiones productoras. Estados Unidos ha producido de 4.600 a 14.000 toneladas de guar en los últimos 5 años. [4] [ ¿cuándo? ] La superficie cultivada en Texas desde 1999 ha fluctuado entre aproximadamente 7.000 y 50.000 acres. [5] La producción mundial de goma guar y sus derivados es de aproximadamente 1,0 millones de toneladas. La goma guar no alimentaria representa aproximadamente el 40% de la demanda total. [6]
Químicamente, la goma guar es un exopolisacárido compuesto por los azúcares galactosa y manosa . [7] La estructura principal es una cadena lineal de residuos de manosa unidos por enlaces β 1,4 a los que los residuos de galactosa se unen por enlaces 1,6 cada segunda manosa, formando ramificaciones laterales cortas. La goma guar tiene la capacidad de soportar temperaturas de 80 °C (176 °F) durante cinco minutos. [8]
La goma guar es más soluble que la goma de algarroba debido a sus puntos de ramificación de galactosa adicionales . A diferencia de la goma de algarroba, no es autogelificante. [9] Tanto el bórax como el calcio pueden reticular la goma guar, provocando que se gelifique . En agua, es no iónica e hidrocoloidal . No se ve afectada por la fuerza iónica o el pH , pero se degradará a pH y temperatura extremos (p. ej., pH 3 a 50 °C). [9] Permanece estable en solución en un rango de pH de 5 a 7. Los ácidos fuertes causan hidrólisis y pérdida de viscosidad y los álcalis en concentraciones fuertes también tienden a reducir la viscosidad. Es insoluble en la mayoría de los disolventes de hidrocarburos. La viscosidad alcanzada depende del tiempo, la temperatura, la concentración, el pH, la velocidad de agitación y el tamaño de partícula de la goma en polvo utilizada. Cuanto menor sea la temperatura, menor será la velocidad a la que aumenta la viscosidad y menor será la viscosidad final. Por encima de los 80°, la viscosidad final se reduce ligeramente. Los polvos de guar más finos se hinchan más rápidamente que la goma en polvo gruesa de mayor tamaño de partícula. [ cita requerida ] [10]
La goma guar muestra una meseta de cizallamiento baja clara en la curva de flujo y es fuertemente pseudoplástica. La reología de la goma guar es típica de un polímero de bobina aleatoria. No muestra las viscosidades de meseta de cizallamiento muy bajas [ aclaración necesaria ] que se observan con cadenas de polímeros más rígidas como la goma xantana. Es muy tixotrópica por encima del 1% de concentración, pero por debajo del 0,3%, la tixotropía es leve. La goma guar muestra sinergia de viscosidad con la goma xantana . [ aclaración necesaria ] Las mezclas de goma guar y caseína micelar pueden ser ligeramente tixotrópicas si se forma un sistema bifásico. [9] [11]
Uno de los usos de la goma guar es como agente espesante en alimentos y medicamentos para humanos y animales. Debido a que no contiene gluten, se utiliza como aditivo para reemplazar la harina de trigo en productos horneados. [12] :41 Se ha demostrado que reduce el colesterol sérico y disminuye los niveles de glucosa en sangre. [13]
La goma guar también es económica porque tiene casi ocho veces la capacidad de espesar el agua de otros agentes (por ejemplo, el almidón de maíz ) y solo se necesita una pequeña cantidad para producir suficiente viscosidad . [ aclaración necesaria ] [14] Debido a que se requiere menos, se reducen los costos.
Además de los efectos de la goma guar sobre la viscosidad, su alta capacidad para fluir o deformarse le otorga propiedades reológicas favorables . Forma geles frágiles cuando se reticula con boro . Se utiliza en varias formulaciones multifásicas para fracturación hidráulica, en algunas como emulsionante porque ayuda a evitar que las gotas de aceite se fusionen, y en otras como estabilizador para ayudar a evitar que las partículas sólidas se sedimenten y / o se separen .
El fracking implica el bombeo de fluidos cargados de arena en un depósito de petróleo o gas natural a alta presión y caudal. Esto agrieta la roca del yacimiento y luego mantiene abiertas las grietas. El agua sola es demasiado fina para ser eficaz en el transporte de arena de soporte , por lo que la goma guar es uno de los ingredientes añadidos para espesar la mezcla de lechada y mejorar su capacidad para transportar el soporte. Hay varias propiedades que son importantes 1. Tixotrópico : el fluido debe ser tixotrópico, lo que significa que debe gelificarse en unas pocas horas. 2. Gelificación y desgelificación: la viscosidad deseada cambia en el transcurso de unas pocas horas. Cuando se mezcla la lechada de fracturación, debe ser lo suficientemente fina para que sea más fácil de bombear. Luego, a medida que fluye por la tubería, el fluido debe gelificarse para sostener el soporte y arrastrarlo profundamente en las fracturas. Después de ese proceso, el gel debe descomponerse para que sea posible recuperar el fluido de fracturación pero dejar atrás el soporte. Esto requiere un proceso químico que produce y luego rompe la reticulación del gel a un ritmo predecible. La combinación de guar + boro + productos químicos patentados puede lograr ambos objetivos a la vez. [ cita requerida ]
La goma guar retarda el crecimiento de los cristales de hielo al ralentizar la transferencia de masa a través de la interfaz sólido/líquido. Muestra una buena estabilidad durante los ciclos de congelación y descongelación, por lo que se utiliza en helados sin huevo. La goma guar tiene efectos sinérgicos con la goma de algarroba y el alginato de sodio . Puede ser sinérgica con la goma xantana : junto con la goma xantana, produce un producto más espeso (0,5 % goma guar / 0,35 % goma xantana), que se utiliza en aplicaciones como sopas, que no requieren resultados claros. [15]
La goma guar es un hidrocoloide, por lo que resulta útil para elaborar pastas espesas sin formar un gel y para mantener el agua ligada en una salsa o emulsión. La goma guar se puede utilizar para espesar líquidos fríos y calientes, para elaborar geles calientes, espumas ligeras y como estabilizador de emulsiones. La goma guar se puede utilizar para requesones, cuajadas, yogures, salsas, sopas y postres helados. La goma guar también es una buena fuente de fibra, con un 80 % de fibra dietética soluble en peso seco. [9]
La goma guar se analiza para
Los estándares para el polvo de goma guar son:
Dependiendo del requerimiento del producto final, se utilizan varias técnicas de procesamiento. La producción comercial de goma guar normalmente utiliza tostado, atrición diferencial, tamizado y pulido. La goma guar de grado alimenticio se fabrica en etapas. La selección de la goma guar partida es importante en este proceso. La goma guar partida se tamiza para limpiarla y luego se remoja para prehidratarla en un mezclador de doble cono. La etapa de prehidratación es muy importante porque determina la tasa de hidratación del producto final. Las gomas partidas remojadas, que tienen un contenido de humedad razonablemente alto, pasan a través de un descascarillador. La goma guar partida en copos se muele y luego se seca. El polvo se tamiza a través de tamices rotatorios para obtener el tamaño de partícula requerido. Las partículas de gran tamaño se reciclan para obtener la ultrafina principal o se vuelven a moler en una planta de remolido separada, según el requisito de viscosidad. [ cita requerida ]
Esta etapa ayuda a reducir la carga en el molino. Las hebras remojadas son difíciles de moler. La molienda directa de las mismas genera más calor en el molino, lo cual no es deseable en el proceso, ya que reduce la hidratación del producto. A través del proceso de calentamiento, molienda y pulido, la cáscara se separa de las mitades del endospermo y se obtiene la hebra de guar refinada. A través del proceso de molienda adicional, la hebra de guar refinada se trata y se convierte en polvo. El proceso de fabricación de la hebra produce cáscara y germen llamados “harina de guar”, ampliamente vendidos en el mercado internacional como alimento para el ganado. Tiene un alto contenido de proteínas y contiene aceite y albuminoides, aproximadamente el 50% en germen y aproximadamente el 25% en cáscara. La calidad del polvo de goma guar de grado alimenticio se define a partir de su tamaño de partícula, tasa de hidratación y contenido microbiano. [ cita requerida ]
Los fabricantes definen diferentes grados y calidades de goma guar según el tamaño de partícula, la viscosidad generada con una concentración dada y la velocidad a la que se desarrolla esa viscosidad. Las gomas guar de malla gruesa normalmente, pero no siempre, desarrollarán viscosidad más lentamente. Pueden alcanzar una viscosidad razonablemente alta, pero tardarán más en lograrla. Por otro lado, se dispersarán mejor que las de malla fina, en igualdad de condiciones. Una malla más fina, como una malla 200 , requiere más esfuerzo para disolverse. [ cita requerida ] Existen formas modificadas de goma guar disponibles comercialmente, incluidas la guar modificada con enzimas, la catiónica y la hidropropil guar. [16]
Los fluidos de fracturamiento normalmente consisten en muchos aditivos que cumplen dos propósitos principales: primero, mejorar la creación de fracturas y la capacidad de transporte de apuntalante y, segundo, minimizar el daño a la formación. Los viscosificadores, como polímeros y agentes de reticulación, estabilizadores de temperatura, agentes de control de pH y materiales de control de pérdida de fluido se encuentran entre los aditivos que ayudan a la creación de fracturas. El daño a la formación se minimiza mediante la incorporación de rompedores, biocidas y surfactantes. Los agentes gelificantes más apropiados son los polisacáridos lineales, como la goma guar, la celulosa y sus derivados.
Las gomas guar son preferidas como espesantes para la recuperación mejorada de petróleo (EOR). La goma guar y sus derivados representan la mayoría de los fluidos de fracturamiento gelificados. El guar es más soluble en agua que otras gomas, y también es un mejor emulsionante, porque tiene más puntos de ramificación de galactosa. La goma guar muestra una alta viscosidad de bajo cizallamiento, pero es fuertemente pseudoplástica. Al ser no iónica, no se ve afectada por la fuerza iónica o el pH, pero se degradará a un pH bajo a una temperatura moderada (pH 3 a 50 °C). Los derivados de guar demuestran estabilidad en entornos de alta temperatura y pH. El uso de guar permite lograr viscosidades excepcionalmente altas, lo que mejora la capacidad del líquido de fracturamiento para transportar el apuntalante. El guar se hidrata bastante rápido en agua fría para dar soluciones pseudoplásticas altamente viscosas de, generalmente, mayor viscosidad de bajo cizallamiento que otros hidrocoloides. Los sólidos coloidales presentes en el guar hacen que los fluidos sean más eficientes al crear menos torta de filtración. La conductividad del material de soporte se mantiene utilizando un fluido que tiene un excelente control de pérdida de fluido, como los sólidos coloidales presentes en la goma guar.
La goma guar tiene hasta ocho veces más poder espesante que el almidón. La derivatización de la goma guar produce cambios sutiles en las propiedades, como una menor formación de enlaces de hidrógeno, una mayor solubilidad en mezclas de agua y alcohol y una mejor compatibilidad con electrolitos. Estos cambios en las propiedades dan como resultado un mayor uso en diferentes campos, como la impresión textil, los explosivos y las aplicaciones de fracturación de petróleo y agua.
Las moléculas de guar tienen tendencia a agregarse durante el proceso de fracturación hidráulica, debido principalmente a los enlaces de hidrógeno intermoleculares. Estos agregados son perjudiciales para la recuperación de petróleo porque obstruyen las fracturas, restringiendo el flujo de petróleo. La reticulación de las cadenas de polímero de guar evita la agregación mediante la formación de complejos de metal-hidroxilo. Los primeros geles de guar reticulados se desarrollaron a fines de la década de 1960. Se han utilizado varios aditivos metálicos para la reticulación; entre ellos, se encuentran el cromo, el aluminio, el antimonio, el circonio y el boro, el más utilizado. El boro, en forma de B(OH)4, reacciona con los grupos hidroxilo del polímero en un proceso de dos pasos para unir dos cadenas de polímero y formar complejos de bis-diol.
El complejo de 1,2 diol 1:1 y el complejo de 1,3 diol 1:1 colocan el ion borato cargado negativamente en la cadena de polímero como un grupo colgante. El ácido bórico en sí no forma un complejo con el polímero, de modo que todo el boro unido está cargado negativamente. La forma primaria de reticulación puede deberse a la asociación iónica entre el complejo de borato aniónico y los cationes adsorbidos en la segunda cadena de polímero. El desarrollo de geles reticulados fue un avance importante en la tecnología de fluidos de fracturación. La viscosidad se mejora uniendo las hebras de bajo peso molecular, lo que produce de manera efectiva hebras de mayor peso molecular y una estructura rígida. Los agentes de reticulación se agregan a las suspensiones de polisacáridos lineales para proporcionar un mayor rendimiento de transporte de soporte, en relación con los geles lineales.
Se necesitan concentraciones más bajas de agentes gelificantes de guar cuando se entrecruzan cadenas de guar lineales. Se ha determinado que las concentraciones reducidas de guar proporcionan rupturas mejores y más completas en una fractura. La ruptura del gel de guar entrecruzado después del proceso de fracturación restaura la permeabilidad de la formación y permite un mayor flujo de producción de productos derivados del petróleo.
El mercado más grande para la goma guar se encuentra en la industria alimentaria . En los EE. UU., se establecen diferentes porcentajes para su concentración permitida en diversas aplicaciones alimentarias. [18] [19] En Europa, la goma guar tiene el código de aditivo alimentario de la UE E412. La goma xantana y la goma guar son las gomas más utilizadas en recetas y productos sin gluten.
Las aplicaciones incluyen:
La goma guar, como fibra soluble en agua, actúa como un laxante formador de masa . Varios estudios han descubierto que reduce los niveles de colesterol . Se cree que estas disminuciones son una función de su alto contenido de fibra soluble. [23]
Además, su baja digestibilidad hace que se utilice en recetas como relleno, lo que puede ayudar a proporcionar saciedad o ralentizar la digestión de una comida, reduciendo así el índice glucémico de esa comida. A finales de la década de 1980, la goma guar se utilizó y promocionó intensamente en varios medicamentos para bajar de peso. La Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE. UU. finalmente los retiró del mercado debido a informes de bloqueo esofágico por ingesta insuficiente de líquidos, después de que una sola marca causara al menos 10 usuarios hospitalizados y una muerte. [24] Por esta razón, la goma guar ya no está aprobada para su uso en medicamentos para bajar de peso de venta libre en los Estados Unidos, aunque esta restricción no se aplica a los suplementos. Además, un metaanálisis encontró que los suplementos de goma guar no eran efectivos para reducir el peso corporal. [25]
Los compuestos a base de guar, como el hidroxipropil guar , se han utilizado en lágrimas artificiales para tratar el ojo seco . [26]
Algunos estudios han demostrado que algunas personas que trabajaban en un entorno industrial en el que había concentraciones de la sustancia en el aire desarrollaron una sensibilidad alérgica a la goma guar. En las personas afectadas por la inhalación de partículas en el aire, las reacciones adversas más frecuentes fueron rinitis ocupacional y asma. [27]
En julio de 2007, la Comisión Europea emitió una advertencia sanitaria a sus Estados miembros tras detectarse altos niveles de dioxinas en la goma guar, que se utilizaba como espesante en pequeñas cantidades en productos cárnicos, lácteos, postres y delicatessen. La fuente se atribuyó a la goma guar procedente de la India, que estaba contaminada con pentaclorofenol (PCP), un pesticida que ya no se utiliza. [28] El PCP contiene dioxinas, que dañan el sistema inmunológico humano. [29]