1.
V Seminario en ciencia y tecnología de ambientes acuáticos
INTERACCIONES MATRIZ ALIMENTARIA-NUTRIENTES
El alimento como base de la nutrición
Rommy N. Zúñiga
Centro de Investigación y Desarrollo en Nutrición
Región de Los Lagos, Chile
1

2.
Contenidos de
la presentación
Introducción
El proceso de extrusión visto desde la ciencia de
materiales
Efecto del proceso sobre la estructura en la
formación del alimento: caso del almidón
Posibles interacciones matriz-nutriente y digestión
2

3.
¿Por qué un alimento no es
aprovechado al 100%?
Formulación en base a los requerimientos nutricionales del pez
Energía, proteínas, vitaminas, etc.
Ley de conservación de la materia Balance de materia
Entrada = salida + acumulación
0
Entra = Acumula + Sale
Alimento
3

4.
Componentes clave en diseño
de un alimento balanceado
Caracterización de los ingredientes
Medición de la digestibilidad
Determinación de la palatabilidad Interacción
Utilización de los nutrientes
Funcionalidad de los ingredientes
Formulaciones en lugar de diseño!!
4
Glencross et al. 2007. Aquaculture Nutrition

5.
Diferencias en el diseño y ensamblaje de productos
industriales y formulación de alimentos
Productos industriales Alimentos procesados
• Planos de diseño (exactos y a • Basados en «formulaciones»
diferentes escalas)
• Ilimitados tipos de materiales • Ingredientes restringidos en número
• Elementos son ensamblados • La mayor parte de las estructuras se
secuencialmente (carta Gantt) forman durante el procesamiento
(cinéticas).
• Tamaño equipo  tamaño de • Tamaño equipo >> elementos
elementos que se forman
• Eventos ocurren a macroscala • Niveles micro-, nano- y molecular
• Estructuras estables (equilibrio) • Estructuras son metaestables
• Las estructuras no fallan o se • Las estructuras ¡tienen que fallar!
desintegran (durante la digestión)
• Buen respaldo científico • Ciencia está emergiendo
5

6.
¿Qué se entiende por
estructura de un alimento?
Disposición tridimensional y la interacción de los
elementos que componen un alimento (burbujas de gas,
agregados proteicos, gránulos de almidón, etc), la cual le
entrega sus propiedades funcionales.
¿A que escala (escala relevante) deben estudiarse los
elementos que componen un alimento?
2 mm
6

7.
Escala de componentes estructurales de
alimentos y ciencias relacionadas
Física de alimentos
Ciencia de coloides
Ciencia de polímeros
Nano-ciencia Resolución del
ojo humano
Química
Células
Polvos alimentarios
Agua microbianas
0.3 nm
ALIMENTOS
Caseina
120 nm Cristales
Emulsificantes
Paredes Espumas
celulares
Emulsiones
Granos
Geles particulados Fibras de carne
Proteínas
Almidón cocido
1 nm 10 nm 100 nm 1 mm 10 mm 100 mm 1 mm 1 cm 1m
7

8.
Ingeniería de procesos
enfoque integral
Entendimiento
científico
Materiales
complejos: Propiedad
diseño de física
alimentos
Ciencia y
Propiedades
tecnología
de alimentos
Proceso
Relaciones
proceso-estructura
Relaciones
estructura-propiedad funcionales
Función
Diseño y
nutricional
condiciones
de proceso
Comportamiento
predecible
8

9.
Contenidos de
la presentación
Introducción
El proceso de extrusión visto desde la ciencia de
materiales
Efecto del proceso sobre estructura en la formación
del alimento: caso del almidón
Posibles interacciones matriz-nutriente y digestión
9

10.
La cocción-extrusión como
un proceso continuo
La cocción-extrusión es una tecnología simple y asequible para
modificar la funcionalidad de biomateriales (almidón y proteínas)
Esfuerzo
Calor mecánico Presión
Humedad
10

11.
La cocción-extrusión como
un proceso continuo
Mezclado Amasado Leudado Formado Leudado Rebanado
final
Evaporación
Humedad
Agua
Temperatura
11

12.
La cocción-extrusión como proceso
multiparámetro
Parámetros de proceso
Velocidad del tormillo Perfil de temperatura Gelatinización
Velocidad de alimentación Perfil de presión Denaturación
Tasa de calentamiento Tiempo de residencia Dextrinización
Tasa de enfriamiento Cantidad de corte Reacciones
Geometría del dado
Propiedades funcionales
Dureza
Velocidad de hundimiento
Extrusor Densidad
Materias primas Solubilidad
Tipo de almidón Digestibilidad?
Contenido de proteínas
Contenido de lípidos
Contenido de agua
Tamaño de partícula
12

13.
Objetivo de la extrusión de almidones
Relación entre el procesamiento, estados, microestructura y propiedades
Evaporación
Temperatura de
y expansión Gelatinización
transición vítrea
Calentamiento
Flujo de la masa
Secado
Humidificación
Almidón Vítreo Gomoso
crudo
Humedad (%)
13

14.
Contenidos de
la presentación
Introducción
El proceso de extrusión visto desde la ciencia de
materiales
Efecto del proceso sobre estructura en la formación
del alimento: caso del almidón
Posibles interacciones matriz-nutriente y digestión
14

15.
Estructura del gránulo de almidón
Microscopía electrónica de barrido
5 mm
15

16.
Organización del gránulo de
almidón nativo
16
Tester et al. 2004.Journal of Cereal Science

17.
Diferencias en las propiedades físicas de
dos tipos de almidón
Tipo de almidón Maíz Trigo
Amilosa 27 % 24 %
Angular poligonal,
Forma del gránulo Esférico o lenticular
esférico
Tamaño 5-25 micrones 11-41 micrones
Temperatura de
62-72 °C 58-64 °C
gelatinización
Tiene una viscosidad
Viscosidad baja, es
Características de media, es opaco y tiene
opaco y tiene una alta
gelificación una tendencia muy alta a
tendencia a gelificar
gelificar
17

18.
Transiciones de fase
en el almidón
La gelatinización del almidón es un proceso que ocurre
en presencia de agua y altas temperaturas (>65°C).
La estructura nativa del gránulo (semicristalina) se
hincha, absorbiendo agua, y luego se rompe,
escapando polímeros (amilosa).
Gránulo de almidón
10 mm
Tiempo de calentamiento, hinchamiento, imbibición de agua
18

19.
Efecto del procesamiento sobre el estado
físico del almidón
19

20.
Digestibilidad del almidón de acuerdo a los cambios
estructurales inducidos por su procesamiento.
20

21.
Contenidos de
la presentación
Introducción
El proceso de extrusión visto desde la ciencia de
materiales
Efecto del proceso sobre estructura en la formación
del alimento: caso del almidón
Posibles interacciones matriz-nutriente y digestión
21

22.
No existe una relación clara entre el grado de
gelatinización y la digestibilidad del almidón
Dietas isoenergéticas e iguales condiciones de proceso
Clearly steam-conditioned diets were better utilized by silver perch. This is evident from
improved feed conversion ratio and weight gain. This improvement may have been due
to nutrients in the steamed diets (more gelatinized) being more available…Resolution
of this effect requires further investigation.
Booth et al. 2000
Processing and/or gelatinization values did not always correspond to increased
digestibility of the test ingredients….further investigations into the effect of
processing, source and level of inclusion on digestible energy is warranted.
Davis et al. 1995
Apparent digestibility coefficients for starch were affected by both degree of
gelatinization (89%>50%>25%=0%) and inclusion level (30%>60%)…Degree of
gelatinization had no effect on specific growth rate…Digestibility of starch is clearly
affected by inclusion content and processing.
Stone et al. 2003
22

23.
El nivel de un ingrediente afecta las
propiedades físicas del alimento
23
Glencross et al. 2010. Aquaculture Nutrition

24.
Las condiciones de proceso afectan las
propiedades físicas del alimento
24
Chevanan et al. 2008. Cereal Chemistry

25.
Diferentes composiciones y diferentes estructuras
generarán diferentes propiedades físicas
25

26.
El procesamiento transforma
la matriz alimentaria
Masa S = almidón
F = proteína
Aplicación vapor
Secado
26
Mardiah et al. 2010. Journal of Fisheries and Aquatic Science

27.
El procesamiento transforma
la matriz alimentaria
Efecto del amasado sobre la distribución del almidón en
una matriz proteica tratada termicamente.
27
Kim et al. 2008. Food Biophysics

28.
Digestibilidad de nutrientes
y su relación con la estructura del alimento
28

29.
Digestibilidad de nutrientes
y su relación con la estructura del alimento
Composición
Técnica química del
analítica alimento
Nutriente
Nutriente pérdido
Reactor 0
Entrada Reactor 1 Reactor 2
Procesamiento Salida
Estómago Intestino
de alimentos
Tiempo Tiempo
Temperatura pH
Mezclado Enzimas
Reacciones Acumula
Nutriente
disponible
Reactor n
Célula
29

30.
Diferentes composiciones y diferentes estructuras
generarán diferentes propiedades físicas
30
Trater et al. 2005. Food research International

31.
Diferentes composiciones y diferentes estructuras
generarán diferentes propiedades físicas
31
Cho & Rivzi. 2009. Food Research International

32.
100 resultados a la fecha para
‘microstructure’ y ‘digestion’
60
Nº de artículos
50
40
30
20
10
0
1990-1995 1996-2000 2001-2005 2006-2010 2011-
32

33.
Ingeniería de procesos
enfoque integral
Procesos Propiedades
productivos físicas
Nutrición
Estructura
33

34.
Conclusiones
Integración entre la formulación y el proceso de
extrusión para obtener un producto de calidad
óptima maximizando la absorción de nutrientes
Existe una necesidad de realizar estudios que
evalúen la interacción entre la estructura del
alimento y la absorción de los nutrientes
La evaluación nutricional de dietas balanceadas es
una tarea multidisciplinaria (bioquímicos,
nutricionistas, ingenieros, etc)
34

35.
Muchas gracias!!!
www.cienaustral.cl
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35