El almidón o amylum es un carbohidrato polimérico formado por numerosas unidades de glucosa unidas por enlaces glicosídicos . Este polisacárido es producido por la mayoría de las plantas verdes para almacenar energía. En todo el mundo, es el carbohidrato más común en la dieta humana y está contenido en grandes cantidades en alimentos básicos como el trigo , las patatas , el maíz , el arroz y la yuca (mandioca).
El almidón puro es un polvo blanco, insípido e inodoro, insoluble en agua fría o alcohol. Está formada por dos tipos de moléculas: la amilosa lineal y helicoidal y la amilopectina ramificada . Dependiendo de la planta, el almidón generalmente contiene entre un 20 y un 25% de amilosa y entre un 75 y un 80% de amilopectina en peso. [4] El glucógeno , la reserva energética de los animales, es una versión más ramificada de la amilopectina.
En la industria, el almidón se convierte a menudo en azúcares, por ejemplo mediante malteado . Estos azúcares pueden fermentarse para producir etanol en la fabricación de cerveza , whisky y biocombustibles . Además, los azúcares producidos a partir de almidón procesado se utilizan en muchos alimentos procesados.
Mezclar la mayoría de los almidones en agua tibia produce una pasta, como la pasta de trigo , que puede usarse como agente espesante, endurecedor o adhesivo. El principal uso industrial no alimentario del almidón es como adhesivo en el proceso de fabricación de papel . Se puede aplicar una pasta similar, almidón para ropa o ropa , a ciertos productos textiles antes de plancharlos para endurecerlos.
La palabra "almidón" proviene de su raíz germánica y significa "fuerte, rígido, fortalecedor, rígido". [5] El Stärke alemán moderno (fuerza) está relacionado y se refiere durante siglos a su principal aplicación, el uso en textiles: encolado de hilo para tejer y almidonado de lino . También está relacionado el término griego para almidón, "amylon" (ἄμυλον), que significa "no molido". Proporciona la raíz amilo, que se utiliza como prefijo para varios compuestos de 5 carbonos relacionados o derivados del almidón (por ejemplo, alcohol amílico ).
Se han identificado granos de almidón de los rizomas de Typha (totoro, espadaña) como harina en piedras de moler en Europa que se remontan a hace 30.000 años. [6] Se encontraron granos de almidón de sorgo en piedras de moler en cuevas en Ngalue , Mozambique , que datan de hace 100.000 años. [7]
La pasta de almidón de trigo extraída pura se utilizaba en el Antiguo Egipto , posiblemente para pegar papiro . [8] La extracción de almidón se describe por primera vez en la Historia natural de Plinio el Viejo alrededor del 77-79 d.C. [9] Los romanos lo utilizaban también en cremas cosméticas , para empolvar el cabello y espesar salsas. Los persas y los indios lo utilizaban para preparar platos similares al halva de trigo gothumai . El almidón de arroz como tratamiento superficial del papel se ha utilizado en la producción de papel en China desde el año 700 d.C. [10] A mediados del siglo VIII, la producción de papel encolado con almidón de trigo comenzó en el mundo árabe [11] El almidón para lavar ropa se describió por primera vez en Inglaterra a principios del siglo XV y era esencial para fabricar cuellos con volantes en el siglo XVI [12]
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Las plantas producen glucosa a partir de dióxido de carbono y agua mediante la fotosíntesis . La glucosa se utiliza para generar la energía química necesaria para el metabolismo general , así como un precursor de innumerables componentes orgánicos como ácidos nucleicos , lípidos , proteínas y polisacáridos estructurales como la celulosa . La mayoría de las plantas verdes almacenan el exceso de glucosa en forma de almidón, que se empaqueta en gránulos semicristalinos llamados almidón o amiloplastos . [13] Hacia el final de la temporada de crecimiento, el almidón se acumula en las ramitas de los árboles cerca de las yemas. Las frutas , las semillas , los rizomas y los tubérculos almacenan almidón para prepararse para la próxima temporada de crecimiento. Las plantas jóvenes viven de esta energía almacenada en sus raíces, semillas y frutos hasta que encuentran un suelo adecuado para crecer. [14] El almidón también se consume por la noche cuando no se produce la fotosíntesis.
Las algas verdes y las plantas terrestres almacenan su almidón en los plastidios , mientras que las algas rojas , los glaucofitos , las criptomonas , los dinoflagelados y los parásitos apicomplexa almacenan un tipo similar de polisacárido llamado almidón de Florida en su citosol o periplasto . [15]
Especialmente cuando está hidratada, la glucosa ocupa mucho espacio y es osmóticamente activa. El almidón, por el contrario, al ser insoluble y, por tanto, osmóticamente inactivo, puede almacenarse de forma mucho más compacta. Los gránulos semicristalinos generalmente consisten en capas concéntricas de amilosa y amilopectina que pueden volverse biodisponibles según la demanda celular en la planta. [dieciséis]
La amilosa consiste en largas cadenas derivadas de moléculas de glucosa conectadas por un enlace α-1,4-glucosídico . La amilopectina está muy ramificada pero también deriva de la glucosa interconectada por enlaces α-1,6-glucosídicos. El mismo tipo de enlace se encuentra en el glucógeno polisacárido de reserva animal . Por el contrario, muchos polisacáridos estructurales como la quitina , la celulosa y el peptidoglicano están unidos por enlaces β-glucosídicos , que son más resistentes a la hidrólisis. [17]
Dentro de las plantas, el almidón se almacena en gránulos semicristalinos. Cada especie de planta tiene un tamaño granular de almidón distintivo: el almidón de arroz es relativamente pequeño (alrededor de 2 μm), el almidón de papa tiene gránulos más grandes (hasta 100 μm) y el trigo y la tapioca se encuentran en el medio. [18] A diferencia de otras fuentes botánicas de almidón, el almidón de trigo tiene una distribución de tamaño bimodal, con gránulos tanto más pequeños como más grandes que varían de 2 a 55 μm. [18]
Algunas variedades de plantas cultivadas tienen almidón de amilopectina puro sin amilosa, conocidos como almidones cerosos . El más utilizado es el maíz ceroso , otros son el arroz glutinoso y el almidón de patata ceroso . Los almidones cerosos sufren menos retrogradación , lo que da como resultado una pasta más estable. Un cultivar de maíz con una proporción relativamente alta de almidón de amilosa, el amilomaíz , se cultiva por su fuerza de gel y para su uso como almidón resistente (un almidón que resiste la digestión) en productos alimenticios.
Las plantas sintetizan almidón en dos tipos de tejidos. El primer tipo son los tejidos de almacenamiento, por ejemplo, el endospermo de los cereales, y las raíces y tallos de almacenamiento, como la yuca y la patata. El segundo tipo es el tejido verde, por ejemplo las hojas, donde muchas especies de plantas sintetizan diariamente almidón transitorio. En ambos tipos de tejidos, el almidón se sintetiza en plastidios (amiloplastos y cloroplastos).
La vía bioquímica implica la conversión de glucosa 1-fosfato en ADP -glucosa utilizando la enzima glucosa-1-fosfato adenililtransferasa . Este paso requiere energía en forma de ATP . Una serie de almidón sintasas disponibles en los plastidios luego agregan ADP-glucosa a través del enlace α-1,4-glucosídico a una cadena en crecimiento de residuos de glucosa, liberando ADP . Es casi seguro que la ADP-glucosa se agrega al extremo no reductor del polímero de amilosa, así como la UDP-glucosa se agrega al extremo no reductor del glucógeno durante la síntesis de glucógeno . [19] La pequeña cadena de glucano se aglomera aún más para formar iniciales de gránulos de almidón.
La biosíntesis y expansión de los gránulos representa un evento molecular complejo que se puede subdividir en cuatro pasos principales, a saber, iniciación de los gránulos, coalescencia de gránulos pequeños, [20] transición de fase y expansión. Varias proteínas se han caracterizado por su implicación en cada uno de estos procesos. Por ejemplo, una proteína asociada a la membrana del cloroplasto, MFP1, determina los sitios de iniciación de los gránulos. [21] Otra proteína llamada PTST2 se une a pequeñas cadenas de glucano y se aglomera para reclutar almidón sintasa 4 (SS4). [22] También se sabe que otras tres proteínas, a saber, PTST3, SS5 y MRC, participan en el proceso de iniciación de los gránulos de almidón. [23] [24] [25] Además, dos proteínas llamadas ESV y LESV desempeñan un papel en la transición de fase acuosa a cristalina de las cadenas de glucano. [26] Varias almidón sintasas catalíticamente activas, como SS1, SS2, SS3 y GBSS, son fundamentales para la biosíntesis de los gránulos de almidón y desempeñan un papel catalítico en cada paso de la biogénesis y expansión de los gránulos. [27]
Además de las proteínas anteriores, las enzimas ramificadoras del almidón (BE) introducen enlaces α-1,6-glucosídicos entre las cadenas de glucosa, creando la amilopectina ramificada. La enzima desramificante del almidón (DBE), isoamilasa, elimina algunas de estas ramas. Existen varias isoformas de estas enzimas, lo que conduce a un proceso de síntesis muy complejo. [28]
El almidón que se sintetiza en las hojas de las plantas durante el día es transitorio: sirve como fuente de energía durante la noche. Las enzimas catalizan la liberación de glucosa de los gránulos. Las cadenas de almidón insolubles y altamente ramificadas requieren fosforilación para que sean accesibles a las enzimas degradantes. La enzima glucano, agua diquinasa (GWD) instala un fosfato en la posición C-6 de la glucosa, cerca de los enlaces de ramificación 1,6-alfa de la cadena. Una segunda enzima, el fosfoglucano, agua diquinasa (PWD), fosforila la molécula de glucosa en la posición C-3. Después de la segunda fosforilación, la primera enzima degradante, la beta-amilasa (BAM), ataca la cadena de glucosa en su extremo no reductor. La maltosa es el principal producto lanzado. Si la cadena de glucosa consta de tres o menos moléculas, BAM no puede liberar maltosa. Una segunda enzima, la enzima desproporcionada-1 (DPE1), combina dos moléculas de maltotriosa. De esta cadena se libera una molécula de glucosa. Ahora, BAM puede liberar otra molécula de maltosa de la cadena restante. Este ciclo se repite hasta que el almidón se degrada por completo. Si BAM se acerca al punto de ramificación fosforilado de la cadena de glucosa, ya no puede liberar maltosa. Para que la cadena fosforilada se degrade, se requiere la enzima isoamilasa (ISA). [29]
Los productos de la degradación del almidón son predominantemente maltosa [30] y cantidades más pequeñas de glucosa. Estas moléculas se exportan desde el plastidio al citosol, la maltosa a través del transportador de maltosa y la glucosa a través del translocador plastídico de glucosa (pGlcT). [31] Estos dos azúcares se utilizan para la síntesis de sacarosa. Luego, la sacarosa se puede utilizar en la vía oxidativa de las pentosas fosfato en las mitocondrias, para generar ATP por la noche. [29]
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Además de las plantas amiláceas consumidas directamente, en 2008 se procesaron industrialmente 66 millones de toneladas de almidón. En 2011, la producción había aumentado a 73 millones de toneladas. [32]
En la UE, la industria del almidón produjo alrededor de 11 millones de toneladas en 2011, de las cuales alrededor del 40% se utilizó para aplicaciones industriales y el 60% para usos alimentarios, [33] la mayor parte de estos últimos como jarabes de glucosa . [34] En 2017, la producción de la UE fue de 11 millones de toneladas, de las cuales 9,4 millones de toneladas se consumieron en la UE y de las cuales el 54 % eran edulcorantes de almidón. [35]
Estados Unidos produjo alrededor de 27,5 millones de toneladas de almidón en 2017, de las cuales alrededor de 8,2 millones de toneladas fueron jarabe alto en fructosa , 6,2 millones de toneladas fueron jarabes de glucosa y 2,5 millones de toneladas fueron productos de almidón. [ se necesita aclaración ] El resto del almidón se utilizó para producir etanol (1,6 mil millones de galones). [36] [37]
La industria del almidón extrae y refina los almidones de los cultivos mediante molienda, lavado, tamizado y secado en húmedo. Hoy en día, los principales almidones refinados comerciales son el almidón de maíz , la tapioca , el arrurruz, [38] y los almidones de trigo, arroz y patata . En menor medida, las fuentes de almidón refinado son la batata, el sagú y el frijol mungo. Hasta el día de hoy, el almidón se extrae de más de 50 tipos de plantas.
El almidón bruto se procesa a escala industrial para obtener maltodextrina y jarabes de glucosa y jarabes de fructosa. Estas conversiones masivas están mediadas por una variedad de enzimas, que descomponen el almidón en diversos grados. Aquí la degradación implica hidrólisis, es decir, ruptura de enlaces entre subunidades de azúcar mediante la adición de agua. Algunos azúcares están isomerizados. Se ha descrito que los procesos ocurren en dos fases: licuefacción y sacarificación. La licuefacción convierte el almidón en [[dextrinas]. La amilasa es una enzima clave para producir dextrina. La sacarificación convierte la dextrina en maltosas y glucosa. En esta segunda fase se utilizan diversas enzimas, incluida la pullanasa y otras amilasas. [39]
Si el almidón se somete a calor seco, se descompone para formar dextrinas , también llamadas "pirodextrinas" en este contexto. Este proceso de descomposición se conoce como dextrinización. Las (piro)dextrinas son principalmente de color amarillo a marrón y la dextrinización es parcialmente responsable del dorado del pan tostado. [40]
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El almidón es el carbohidrato más común en la dieta humana y se encuentra en muchos alimentos básicos . Las principales fuentes de ingesta de almidón en todo el mundo son los cereales ( arroz , trigo y maíz ) y los tubérculos ( patatas y mandioca ). [41] Se cultivan muchos otros alimentos ricos en almidón, algunos sólo en climas específicos, como bellotas , arrurruz , arracacha , plátanos , cebada , fruta del pan , trigo sarraceno , canna , colocasia , pinta de cuco , katakuri , kudzu , malanga , mijo , avena , oca. , arrurruz polinesio , sagú , sorgo , batatas , centeno , malanga , castañas , castañas de agua y ñame , y muchos tipos de judías , como habas , lentejas , judías mungo , guisantes y garbanzos .
Antes de los alimentos procesados, la gente consumía grandes cantidades de plantas que contenían almidón, crudas y sin procesar, que contenían altas cantidades de almidón resistente . Los microbios dentro del intestino grueso fermentan o consumen el almidón, produciendo ácidos grasos de cadena corta , que se utilizan como energía y apoyan el mantenimiento y crecimiento de los microbios. Al cocinarlo, el almidón pasa de ser un gránulo insoluble y difícil de digerir a cadenas de glucosa fácilmente accesibles con propiedades nutricionales y funcionales muy diferentes. [42]
En las dietas actuales, los alimentos altamente procesados se digieren más fácilmente y liberan más glucosa en el intestino delgado: llega menos almidón al intestino grueso y el cuerpo absorbe más energía. Se cree que este cambio en el suministro de energía (como resultado de comer más alimentos procesados) puede ser uno de los factores que contribuyen al desarrollo de trastornos metabólicos de la vida moderna, incluidas la obesidad y la diabetes. [43]
La relación amilosa/amilopectina, el peso molecular y la estructura fina molecular influyen en las propiedades fisicoquímicas, así como en la liberación de energía de los diferentes tipos de almidones. [44] Además, la cocción y el procesamiento de alimentos afectan significativamente la digestibilidad del almidón y la liberación de energía. El almidón se ha clasificado en almidón de rápida digestión, almidón de lenta digestión y almidón resistente, dependiendo de su perfil de digestión. [45] Los gránulos de almidón crudo resisten la digestión por parte de las enzimas humanas y no se descomponen en glucosa en el intestino delgado; en cambio, llegan al intestino grueso y funcionan como fibra dietética prebiótica . [46] Cuando los gránulos de almidón están completamente gelatinizados y cocidos, el almidón se vuelve fácilmente digerible y libera glucosa rápidamente dentro del intestino delgado. Cuando los alimentos ricos en almidón se cocinan y enfrían, algunas de las cadenas de glucosa recristalizan y vuelven a ser resistentes a la digestión. El almidón de lenta digestión se puede encontrar en los cereales crudos, cuya digestión es lenta pero relativamente completa dentro del intestino delgado. [47] Los alimentos preparados que contienen almidón y que se utilizan ampliamente son el pan , las tortitas , los cereales , los fideos , la pasta , las gachas y las tortillas .
Durante la cocción a fuego alto, los azúcares liberados del almidón pueden reaccionar con los aminoácidos a través de la reacción de Maillard , formando productos finales de glicación avanzada (AGE), que aportan aromas, sabores y textura a los alimentos. [48] Un ejemplo de AGE dietético es la acrilamida . Evidencias recientes sugieren que la fermentación intestinal de los AGE dietéticos puede estar asociada con resistencia a la insulina , aterosclerosis , diabetes y otras enfermedades inflamatorias. [49] [50] Esto puede deberse al impacto de los AGE en la permeabilidad intestinal. [51]
La gelatinización del almidón durante el horneado del pastel puede verse afectada porque el azúcar compite por el agua , lo que evita la gelatinización y mejora la textura.
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El almidón se puede hidrolizar en carbohidratos más simples mediante ácidos , varias enzimas o una combinación de ambos. Los fragmentos resultantes se conocen como dextrinas . El grado de conversión normalmente se cuantifica mediante el equivalente de dextrosa (DE), que es aproximadamente la fracción de enlaces glicosídicos del almidón que se han roto.
Estos azúcares de almidón son, con diferencia, el ingrediente alimentario a base de almidón más común y se utilizan como edulcorantes en muchas bebidas y alimentos. Incluyen:
Los almidones alimentarios modificados tienen la codificación E según la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria y los aditivos alimentarios codificados por el INS según el Codex Alimentarius : [55]
Los INS 1400, 1401, 1402, 1403 y 1405 se encuentran en la UE como ingredientes alimentarios sin número E. [56] Los almidones modificados típicos para aplicaciones técnicas son los almidones catiónicos , el hidroxietilalmidón, los almidones carboximetilados y los almidones tiolados. [57]
Como aditivo para el procesamiento de alimentos , los almidones alimentarios se utilizan normalmente como espesantes y estabilizadores en alimentos como pudines, natillas, sopas, salsas, jugos, rellenos para pasteles y aderezos para ensaladas, y para hacer fideos y pastas. Funcionan como espesantes, extensores, estabilizadores de emulsión y son aglutinantes excepcionales en carnes procesadas.
Los dulces engomados, como las gominolas y las gomas de vino, no se fabrican utilizando un molde en el sentido convencional. Se llena una bandeja con almidón nativo y se nivela. Luego se presiona un molde positivo en el almidón dejando una impresión de aproximadamente 1.000 gominolas. Luego se vierte la mezcla de gelatina en las impresiones y se coloca en una estufa para que cuaje. Este método reduce en gran medida el número de moldes que se deben fabricar.
El almidón resistente es un almidón que escapa a la digestión en el intestino delgado de individuos sanos. El almidón con alto contenido de amilosa procedente del trigo o del maíz tiene una temperatura de gelatinización más alta que otros tipos de almidón y conserva su contenido de almidón resistente mediante horneado , extrusión suave y otras técnicas de procesamiento de alimentos. Se utiliza como fibra dietética insoluble en alimentos procesados como pan, pasta, galletas saladas, pretzels y otros alimentos con bajo contenido de humedad. También se utiliza como suplemento dietético por sus beneficios para la salud. Los estudios publicados han demostrado que el almidón resistente ayuda a mejorar la sensibilidad a la insulina, [58] [59] reduce los biomarcadores proinflamatorios interleucina 6 y el factor de necrosis tumoral alfa [60] [61] y mejora los marcadores de la función colónica. [62] Se ha sugerido que el almidón resistente contribuye a los beneficios para la salud de los cereales integrales intactos. [63]
Se ha demostrado que un proceso quimioenzimático sin células sintetiza almidón a partir de CO 2 e hidrógeno. La ruta química de 11 reacciones centrales se redactó mediante un diseño de ruta computacional y convierte el CO 2 en almidón a una velocidad ~8,5 veces mayor que la síntesis de almidón en el maíz . [64] [65]
La fabricación de papel es la mayor aplicación no alimentaria de almidones a nivel mundial y consume muchos millones de toneladas métricas al año. [33] En una hoja típica de papel de copia, por ejemplo, el contenido de almidón puede llegar al 8%. En la fabricación de papel se utilizan almidones químicamente modificados y no modificados. En la parte húmeda del proceso de fabricación de papel, generalmente denominada "extremo húmedo", los almidones utilizados son catiónicos y tienen una carga positiva unida al polímero de almidón. Estos derivados de almidón se asocian con fibras de papel/ celulosa aniónicas o cargadas negativamente y cargas inorgánicas. Los almidones catiónicos junto con otros agentes de retención y de apresto interno ayudan a dar las propiedades de resistencia necesarias a la banda de papel formada en el proceso de fabricación del papel ( resistencia en húmedo ) y a proporcionar resistencia a la hoja de papel final (resistencia en seco).
En la parte seca del proceso de fabricación de papel, la banda de papel se vuelve a humedecer con una solución a base de almidón. El proceso se llama dimensionamiento de la superficie . Los almidones utilizados han sido despolimerizados química o enzimáticamente en la fábrica de papel o en la industria del almidón (almidón oxidado). Las soluciones de encolado/almidón se aplican a la banda de papel mediante diversas prensas mecánicas (prensas encoladoras). Junto con los agentes de apresto superficial, los almidones superficiales imparten resistencia adicional a la banda de papel y además proporcionan retención de agua o "apresto" para propiedades de impresión superiores. El almidón también se utiliza en revestimientos de papel como uno de los aglutinantes para las formulaciones de revestimiento que incluyen una mezcla de pigmentos, aglutinantes y espesantes. El papel estucado tiene mayor suavidad, dureza, blancura y brillo y, por tanto, mejora las características de impresión.
Los adhesivos para cartón corrugado son la siguiente aplicación más importante de almidones no alimentarios a nivel mundial. Las colas de almidón se basan principalmente en almidones nativos no modificados, además de algún aditivo como bórax y sosa cáustica . Parte del almidón se gelatiniza para transportar la suspensión de almidones crudos y evitar la sedimentación. Este pegamento opaco se llama adhesivo SteinHall. El pegamento se aplica en las puntas de las estrías. El papel acanalado se presiona hasta obtener un papel llamado revestimiento. Luego se seca a fuego alto, lo que hace que el resto del almidón crudo del pegamento se hinche o se gelatinice. Esta gelatinización convierte al pegamento en un adhesivo rápido y fuerte para la producción de cartón corrugado.
El almidón se utiliza en la fabricación de diversos adhesivos o colas [66] para encuadernación de libros, adhesivos para papel tapiz , producción de bolsas de papel , bobinado de tubos, papel engomado , adhesivos para sobres, colas escolares y etiquetado de botellas. Los derivados del almidón, como las dextrinas amarillas, se pueden modificar añadiendo algunos productos químicos para formar un pegamento duro para el papeleo; algunas de esas formas utilizan bórax o carbonato de sodio , que se mezclan con la solución de almidón a 50–70 °C (122–158 °F) para crear un muy buen adhesivo. Se puede agregar silicato de sodio para reforzar estas fórmulas.
Una gran aplicación relacionada con el almidón no alimentario es la industria de la construcción, donde el almidón se utiliza en el proceso de fabricación de paneles de yeso para paredes . Se añaden almidones químicamente modificados o no modificados al estuco que contiene principalmente yeso . Se aplican hojas de papel pesadas superior e inferior a la formulación, y se deja que el proceso se caliente y cure para formar el eventual tablero de pared rígido. Los almidones actúan como pegamento para la roca de yeso curada con la cubierta de papel y también proporcionan rigidez al tablero.
Se puede utilizar una solución de triyoduro (I 3 − ) (formado mezclando yodo y yoduro de potasio ) para analizar el almidón. La solución incolora se vuelve azul oscuro en presencia de almidón. [70] La intensidad del color azul resultante depende de la cantidad de amilosa presente. Los almidones cerosos con poca o ninguna amilosa presente se colorearán de rojo. También se realizan la prueba de Benedict y la prueba de Fehling para indicar la presencia de almidón.
En los EE. UU., la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición al almidón en el lugar de trabajo en 15 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante un período de ocho horas. jornada laboral. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m 3 de exposición total y 5 mg/m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de ocho horas. [71]
El almidón tiene una densidad variable según el origen botánico, el tratamiento previo y el método de medición.
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