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BIOQUIMICA DE LOS ALIMENTOS
HIDROCOLOIDES
Introducción
Una importante clase de carbohidratos usados en alimentos, son los polisacáridos. El almidón, sin
duda, ocupa una posición de privilegio, no sólo por su importancia nutricional para el hombre, sino
también por sus propiedades funcionales como hidrocoloide. Por tal razón se lo estudia en capítulos
separados.
Sin embargo, existen otros polisacáridos de importancia para la tecnología alimentaria. Estos actúan
sobre la reología de los alimentos, y son llamados Hidrocoloides, Gomas o Estabilizantes.
Dichos polisacáridos, son en general, polímeros lineales de distintos tipos de monosacáridos, y si bien
son usados en los alimentos por diversas razones, sus funciones se pueden resumir simplemente en:
Espesar y Gelificar.
Por eso, se los clasifica frecuentemente como agentes espesantes o agentes gelificantes. Esta
definición, no es del todo correcta, ya que algunos espesantes pueden aveces formar geles, y a la
inversa algunos gelificantes pueden usarse como espesantes.
Espesantes: Cuando las gomas son usadas para espesar o impartir viscosidad a la fase acuosa de un
sistema alimenticio, ellas proveen textura, cuerpo y sensación bucal (“mouthfeel”). También favorecen
la dispersión de ciertas sustancias. En otras palabras, estabilizan (de ahí, su nombre) suspensiones
(sólidos dispersos en agua), emulsiones (aceite disperso en agua), y espumas (gas disperso en agua).
Por tal razón, algunas veces se los refiere erróneamente como agentes de suspensión, emulsionantes o
agentes formadores de espuma.
Debido a su habilidad de unir agua, efecto espesante por aumento de la viscosidad. Las gomas pueden
también impartir estabilidad al congelado-descongelado y controlar la sinéresis (liberación de agua
durante el almacenamiento).
Sin embargo, no reducen la actividad acuosa (aw), pues ésta es una propiedad coligativa, que depende
del número de moléculas en solución. Los hidrocoloides se usan en muy baja cantidad (generalmente,
por debajo del 1%), debido a su elevado tamaño molecular. Además forman coloides, por eso no se
modifican las propiedades coligativas del sistema. Lo que provocan es la fijación de agua libre,
comúnmente llamada agua atrapada. Esto tiene importancia, pues mejora la textura del producto, pero
complica su conservación al aumentar el agua libre (mayor aw).
Gelificantes: Proveen muchos de los beneficios de los espesantes en alimentos. La diferencia con estos,
es la habilidad de convertir al agua fluida en un sólido desmoldable o gel. Las moléculas del
hidrocoloide forman una red tridimensional, a través de uniones intercadena, atrapando agua dentro
de esa estructura (efecto gelificante). Los flanes, las mermeladas, las cerezas artificiales, etc. son
ejemplos de la gran variedad de geles, elaborados con hidrocoloides, que el hombre consume
actualmente.
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Las plantas terrestres y las algas marinas, son la mayor fuente de hidrocoloides. Si bien se conocen
desde hace mucho tiempo, las gomas han comenzado ha ser producidas industrialmente recién a
comienzo del siglo XX y su expansión comercial tuvo lugar, después de la segunda guerra mundial.
En este capítulo, estudiaremos la relación entre la estructura molecular y la funcionalidad en los
alimentos, de los distintos hidrocoloides naturales y de los obtenidos por biotecnología.
Dispersión e Hidratación
Para que ejerzan su funcionalidad, las gomas deben ser hidratadas en agua. Estrictamente, forman una
dispersión coloidal, y no una solución acuosa, aunque éste último término se usa comúnmente.
Para una efectiva hidratación, en necesario asegurar primero, que cada partícula individual de
hidrocoloide en polvo, se separe rápidamente de la partícula vecina, al ponerlo en contacto con el
agua. Esto previene la formación de grumos, que son aglomeraciones de dichas partículas, donde las
externas están hidratas y las internas se mantienen secas, sin hidratarse. La capa externa embebida en
agua impide que esta llegue al interior, y así se pierde material efectivo de hidrocoloide (la dosis será
menor a la agregada).
Hay un número de opciones para obtener una buena dispersión. La más importante es el uso de un
buen agitador. Otras incluyen, dispersar el polvo en aceite o en un solvente miscible en agua (propilen
glicol o alcohol), para luego agregarlas al agua. Alternativamente, la goma en polvo se puede
premezclar con un ingrediente seco de la formulación, el azúcar es el más usado. De esta forma las
partículas del hidrocoloide se encuentran separadas antes de ponerse en contacto con el agua, y se
diminuye la posibilidad de formación de grumos (Fig. 1).
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Es interesante resaltar la ventaja de los almidones, que al ser insolubles en agua fría, se pueden
dispersar con facilidad, para luego calentar y lograr una adecuada hidratación.
Una vez que las partículas de goma fueron dispersadas, la hidratación toma lugar. Las de menor
tamaño lo hacen más rápido, en cambio las más grandes son más lentas para incorporar agua, aunque
se dispersan con mayor velocidad. Para aquellos hidrocoloides insolubles en agua fría, la dispersión no
es un problema, sin embargo es necesario calentar o agregar un secuestrante, para conseguir su
incorporación al medio acuoso.
En resumen:
Cada hidrocoloide puede ejercer el efecto espesante o gelificante, en mayor o menor medida, según
los siguientes parámetros:
- Peso molecular promedio de su molécula.
- Geometría de dicha molécula.
- La presencia o no de grupos funcionales.
- La temperatura del medio.
- Las interacciones con otros ingredientes del medio, tales como cationes, otros hidrocoloides, etc.
Todos estos parámetros tienen distintos efectos sobre cada tipo de hidrocoloide, y pueden afectar
fuertemente la textura del producto final.
El estudio de la textura de un producto sólido o líquido, o bien de las propiedades texturizantes que
ejerce un ingrediente dado, se determinan mediante la Reología.
REOLOGIA. ESPESANTES Y GELIFICANTES
PROPIEDADES ESPESANTES:
Reología:
Comenzaremos con una breve introducción a los conocimientos básicos de la reología.
Espesar implica en la tecnología de los alimentos los términos de: cuerpo, sensación bucal y textura.
Todos ellos se refieren simplemente a la Viscosidad. Esta se define como la resistencia de un líquido a
fluir, o bien como la relación:
Viscosidad ( ) = / D
: Esfuerzo de corte, o deslizamiento, o esfuerzo tangencial, o “shear stress”.
D: Velocidad de corte, o velocidad de deslizamiento, o gradiente de deformación, o “shear rate”.
La viscosidad es la medida de la fricción interna, que se resiste al movimiento de cada capa de fluido,
con respecto a la capa adyacente. A mayor fricción interna, mayor viscosidad y el sistema no podrá fluir
fácilmente. La viscosidad es una medida sencilla para caracterizar un fluido.
Sistemas Reológicos (ver Fig. 2)
Los podemos dividir en dos grupos: Newtonianos y No-Newtonianos.
Newtonianos: El esfuerzo tangencial es proporcional al gradiente de deformación. La curva es una recta
(ver Fig. 2), y su pendiente es la viscosidad. El líquido fluye bajo la más suave presión. La viscosidad es
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constante a una temperatura dada, aunque varíe la velocidad de desplazamiento. Como ejemplos
están las soluciones con sustancias de bajo peso molecular: bebidas gaseosas, caldos, jarabes de maíz,
leche homogeneizada, etc.
La disipación de energía viscosa se hace por la colisión de las pequeñas especies moleculares.
No-Newtonianos:
La viscosidad no es directamente proporcional a la velocidad de desplazamiento, varía con ella y en
ciertos sistemas depende del tiempo. Típica de moléculas no simétricas: coloides, polímeros, fibras,
cristales, etc.
1-Bingham Plastic: Se observa una resistencia inicial y cuando se llega al punto de deformación (yield
value), la substancia se comporta como Newtoniana. Por ejemplo: Salsa de tomate, manteca, etc. El
punto de deformación sería el típico “golpe” en la base de la botella de ketchup.
2-Pseudoplástico: Deformación por Adelgazamiento: La viscosidad decrece debido a una alineación de
las moléculas, que disminuyen así, la fricción interna entre ellas. Por ejemplo: postres, emulsiones
como mayonesa, crema, aderezos, etc.
Se diferencia de la tixotropía, en que ésta depende del tiempo, en tanto los sistemas pseudoplásticos
recuperan la viscosidad instantáneamente, una vez interrumpido el esfuerzo de corte.
3-Dilatante: Deformación por Espesamiento: Aumenta la viscosidad cuando se eleva la velocidad de
deslizamiento. Puede llegar a un punto donde el fluido pasa al estado sólido.
Las partículas en reposo del fluido dilatante, se encuentran juntas. Cuando fluye, al principio aumenta
el volumen entre partículas, pero como el medio dispersante es insuficiente para saturar el sistema, es
como si se “secara” a medida que aumenta la velocidad de deslizamiento. Esto provoca un marcado
aumento de la viscosidad. Pues cada partícula esta menos recubierta del líquido (agua) o fase
dispersante y la fricción entre ellas se eleva. El proceso es reversible, quitando la fuerza o agregando
más líquido. Un ejemplo sería la miel cuando la vertemos de su frasco. Al principio es fluida y luego
poco a poco se hace más viscosa. Otro ejemplo sería un jugo con pulpa en suspensión.
4- Tixotrópico: Es una transición reversible “gel-sol-gel” y es causada por la “construcción” de una
estructura determinada dentro del material. Si ese gel se agita, pasa a sol, y si luego se deja en reposo,
vuelve a gelificar.
La tixotropía se caracteriza por un descenso de la viscosidad (igual que en los pseudoplásticos),
mientras se practica el esfuerzo de corte, y su vuelta al valor original en el reposo. Esta “vuelta” no es
instantánea, sino que ocurre luego de un período de reposo (segundos, minutos, horas, días, etc.). A
éste fenómeno se lo llama Histéresis. Los sistemas pseudoplásticos según las condiciones pueden ser
tixotrópicos y viceversa, por lo tanto los ejemplos se intercambian (mayonesa, ketchup, etc.).
5- Reopéctico: Se observa aumento de la viscosidad cuando se aplica un esfuerzo de corte, caso de la
clara de huevo batida.
El sistema se espesa al aplicar la fuerza externa, y tiende a solidificar a medida que progresa el proceso.
Depende también del tiempo, pero de manera distinta a la tixotropía, pues vuelve la substancia a su
estado original líquido, si no hubo previamente cambios de fase o cambios químicos. Un mousse, un
lemon-pie, ilustran éste tipo de reología.
Conclusión:
En general, en los alimentos no se da un sistema único, sino mezclas de ellos. Por ejemplo, el licor de
chocolate se pensaba que era un sistema Bigham, y recientemente se determinó que es un sistema
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pseudoplástico, con efectos tixotrópicos y efectos reopécticos, los cuales aparecen según aumente o
disminuya la viscosidad, manteniendo constante el esfuerzo de corte.
PROPIEDADES ESPESANTES EN HIDROCOLOIDES:
Cuando las macromoléculas del hidrocoloide no pueden establecer puentes intracadena, el polímero
se comporta como un Espesante. Tales coloides dan sistemas acuosos viscosos, y esta viscosidad
depende del peso molecular del hidrocoloide.
Para igual concentración en peso, un hidrocoloide de alto peso molecular, produce una viscosidad
mayor que otro de menor peso molecular. Además, su forma o geometría espacial determina la
reología del sistema. En la Fig. 3, se esquematiza la viscosidad de los espesantes en función de la
temperatura.
Macromoléculas Globulares o Altamente Ramificadas:
Estas macromoléculas, aún con un muy alto peso molecular, no ocupan un volumen importante del
sistema, y se pueden asimilar a “esferas”. En este caso, la movilidad se halla muy reducida (una esfera
que sólo gira), tal que la viscosidad resulta baja y su comportamiento reológico similar a los sistemas
newtonianos. Esto se observa también, cuando los hidrocoloides son depolimerizados, por ejemplo por
una hidrólisis ácida o enzimática (ver Fig. 4). La Goma Arábiga y las proteínas globulares, serían
ejemplos de estos hidrocoloides.
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Macromoléculas Desplegadas:
Estos hidrocoloides pueden girar “barriendo” grandes volúmenes de agua del sistema. En comparación
con las macromoléculas ramificadas, ocupan mayor volumen. El resultado, es una reducción
significativa de la movilidad, dando sistemas altamente viscosos. En general, provocan
comportamientos pseudoplásticos, que se explican, por una progresiva orientación de las
macromoléculas, en la dirección de la fuerza externa aplicada (ver Fig. 5). Esta reología es característica
de espesantes puros, como Alginato de sodio, Galactomananos (Goma Guar, Goma Garrofín) y
Carragenina lamda.
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Macromoléculas Desplegadas con Poca Deformación:
Estas macromoléculas se pueden asimilar a una varilla rígida. Ellas tienden a un comportamiento
pseudoplástico.
A una concentración dada y en estado de reposo, las “varillas rígidas” no pueden girar libremente. Las
macromoléculas adoptan una posición de equilibrio, estabilizada por interacciones leves (uniones de
baja energía, como las de van der Waals, London, puente hidrógeno, etc.). Este modelo es
relativamente estable, hasta que un esfuerzo de corte (agitar, untar, batir, verter, etc. ), excede un
cierto valor, llamado punto de deformación (yield value), después del cual el sistema fluye. Una vez
superado dicho valor, el aumento del esfuerzo de corte, provocará una orientación de las “varillas”,
resultando un rápido descenso de la viscosidad, propio del comportamiento pseudoplástico. El
fenómeno es instantáneo e inmediatamente reversible.
Los sistemas con punto de deformación, pueden suspender partículas (leche chocolatada, jugos en
polvo, etc.), siempre que el peso de dichas partículas no supere la fuerza igual y contraria provocada
por la viscosidad que el hidrocoloide produjo al sistema acuoso. Esta propiedad es característica de la
Goma Xántica (ver Fig. 6).
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PROPIEDADES GELIFICANTES EN HIDROCOLOIDES
La gelificación se obtiene por la formación de una red tridimensional. Las macromoléculas se asocian
entre sí, a través de regiones llamadas zonas de conexión o unión. Otras zonas de la macromolécula
quedan libres, tal que la misma molécula puede conectarse o unirse con otras macromoléculas,
formando una red tridimensional.
La fuerza del gel y la capacidad de fusión (reversible o no), están directamente relacionadas con la
cantidad de zonas de unión formadas y la naturaleza de dichas uniones (ver Fig. 7).
Dos pasos se requieren generalmente, para la gelificación:
Primero se debe solubilizar la macromolécula, y entonces se asocian para formar el gel. Este estado de
transición se obtiene en la mayoría de los casos, por enfriamiento, previo calentamiento.
La interacción con un agente reticular, tal como un ión divalente (calcio), para ciertos hidrocoloides
aniónicos, juega el mismo rol que los cambios de temperatura, y puede hacerse en frío (alginatos,
pectinas de bajo metoxilo).
Las zonas de conexión son obtenidas por una asociación intermolecular, de segmentos regulares, que
existen en conformación helicoidal (carrageninas) o como varillas dobladas (alginatos). Los segmentos
irregulares, dejan fragmentos libres, que interrumpen las zonas de unión y permiten la formación de la
red espacial. Dentro de esta red queda el agua atrapada con los demás ingredientes incluidos (ver Fig.
8).
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Modelo de Gelación por Doble Hélices:
Las macromoléculas de Carragenina exhiben regiones regulares con forma de espiral. La unión entre
dos cadenas, tiene lugar a través de la asociación de éstas zonas regulares, dando dobles hélices. Esta
estructura está estabilizada por puentes hidrógeno, que fácilmente se rompen con el aumento de la
temperatura. De esta forma el gel resulta reversible (ver Fig. 9). Las amilosas también se asocian de
esta forma en la retrogradación del almidón, pero como la conexión puede ser completa a lo largo de
sus cadenas, hace irreversible al gel formado. Esta unión tan estrecha ocurre a través del tiempo, o
bien enfriando lentamente el sistema.
Modelo de Gelación por Caja de Huevo:
La asociación intracadena en los Alginatos y las Pectinas de bajo metoxilo, muestran zonas plegadas
que se estabilizan por los iones Ca2+. Cada uno de estos neutraliza dos cargas negativas sobre dos
diferentes cadenas macromoleculares.
Este modelo de gelación se llama “caja de huevos” por la disposición del calcio y las cadenas de los
hidrocoloides (ver Fig.10). Estos geles son reversibles o irreversibles al calor, dependiendo de la
cantidad de Ca2+ y de la longitud de las zonas regulares. Los geles irreversibles al calor son muy
importantes para la industria alimenticia.
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Modelo de Gelación por Sinérgismo:
Los modelos anteriores se refieren a gelaciones que ocurren entre macromoléculas de igual naturaleza.
Pero también se pueden lograr geles por asociación de hidrocoloides diferentes, aún cuando estos
individualmente no forman geles. Un buen ejemplo es la asociación entre Goma Xántica y Goma
Garrofín. La G. Xántica exhibe hélices que no están entrecruzadas. Estas hélices entonces, pueden ser
entrecruzadas con los segmentos no sustituidos de la G. Garrofín y así formar una red tridimensional,
dando la textura de gel.
De forma similar, la Kappa Carragenina con sus doble hélices, se puede unir a las zonas libres de las
cadenas de G. Garrofín, formando geles (ver Fig. 11).
HIDROCOLOIDES. CLASIFICACIÓN
En la Tabla I vemos una clasificación de los hidrocoloides, según su función. Si bien la acción
estabilizante está ligada a la acción espesante, es tan importante que se la considera por separado. Se
agregan los porcentajes de las principales funciones en que se emplean mundialmente. Espesar y
estabilizar aparecen como las funciones más utilizadas en la industria.
En la Tabla II se puede observar una clasificación de los hidrocoloides más usados en alimentos, según
su origen natural, natural modificado o sintético. Pasaremos a estudiar la relación estructura-
funcionalidad de cada uno de ellos.
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Exudado de Plantas
Goma Arábiga:
Dentro de las gomas obtenidas por exudado de plantas (se practica un corte en la corteza del árbol y se
recoge el exudado), la Goma Arábiga es la más usada actualmente. Su estructura química consiste en
una cadena central de galactopiranosas enlazadas por uniones beta 1-6, con muchas ramificaciones
de: arabinofuranosa, arabinopiranosa, ramnopiranosa, ácido glucurónico y ácido 4-O-metilglucurónico.
Es la goma más ramificada de todos los hidrocoloides usados en alimentos, excluyendo la amilopectina.
Además, tiene unida en la periferia de su molécula una proteína, que permite explicar sus propiedades
funcionales tan particulares (ver Fig. 12 y 13).
Las ramificaciones del polisacárido hacen muy soluble a la G. Arábiga (ver arriba macromoléculas
globulares). Se pueden obtener soluciones (en realidad coloides) de hasta un 50 % P/V en agua, pues su
molécula globular, da soluciones poco viscosas. Con los otros hidrocoloides no se puede superar el 5%
P/V, y en general se usan dosis menores al 1% P/V, debido a la alta viscosidad que desarrollan en agua.
La presencia de la proteína, implica aminoácidos hidrofóbicos, que junto a los restos hidrofílicos del
polisacárido, nos dan un polisacárido con propiedades emulsionantes. Recalcamos que la G. Arábiga es
el único hidrocoloide que puede emulsionar, y esto es debido a la proteína incluida en su molécula, que
junto al polisacárido, le da el típico carácter anfipático de los emulsionantes. Las otras gomas sólo
pueden estabilizar las emulsiones aceite en agua, al espesar el agua (medio dispersante), pero ninguna
es emulsionante. Estas características tan particulares, justifican que aún se la utilice mundialmente en
elevada proporción, siendo un exudado de plantas, cuyo cultivo, obtención y purificación es
relativamente complicado. Las otras gomas de exudados (Tragacanto, Karaya, Ghatti) fueron utilizadas
en el pasado y actualmente se usan muy poco.
Aplicaciones:
1- Estabilizante de emulsiones para bebidas (gaseosas, jugos cítricos): La incorporación por ejemplo,
de un aceite esencial de naranja a una gaseosa, para darle el típico sabor/aroma frutal, es
imposible hacerlo directamente, pues la densidad del aceite es muy baja (oscila en 0,8) y flotaría
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en el agua. Además, al ser hidrofóbico (contiene aldehídos y terpenos), también se separaría de la
fase acuosa. Para incorporarlo, se debe primero agregarle una sustancia que se disuelva en él
(hidrofóbica) y aumente su densidad, estos son los llamados agentes de contrapeso, tales como:
Aceite vegetal brominado (en inglés BVO), ésteres de sacarosa como el isobutirato de acetato de
sacarosa, etc. Segundo, se necesita una substancia que emulsione al aceite esencial para
incorporarlo al agua: la G. Arábiga. Esta se agrega en alta concentración (arriba del 20 % P/V), para
disponer de suficiente número de moléculas que rodeen las gotitas de aceite esencial y así las
emulsionen adecuadamente. El preparado conteniendo azúcar, agente de contrapeso y G. Arábiga
se pasa por un molino coloidal que reduce el tamaño de las gotas del aceite esencial, lográndose
un coloide estable de aceite en agua, con alta opacidad y baja “cremosidad”.
2- Sabores en Polvo: Los sabores líquidos se pueden transformar en polvos, gracias al encapsulado
que se logra con la G. Arábiga, cuando se prepara una mezcla 4:1 G. Arábiga:Sabor Líquido y luego
se seca por atomización. Como en el caso anterior la G. Arábiga en mayor proporción que el sabor,
encapsúla las gotitas líquidas, que luego se atomizan y secan rápidamente (ver Fig. 14). El tamaño
de las partículas oscila entre 1-50 micrones. El sabor es estable a la evaporación y oxidación, y se
puede disolver fácilmente en medios acuosos. Los alimentos en polvo, como jugos, postres, tortas,
etc., son ejemplos del uso de sabores en polvo.
3- Se sabe que la G.Arábiga es capaz de formar coacervatos simples (unión de dos polímeros distintos
en forma inespecífica) junto con otros polímeros y encapsular varios aceites. Un ejemplo es el café
soluble, cuyo coacervato se logra por reacción controlada a pH = 8, entre la G. Arábiga y la
Gelatina, agregando sales al medio para estabilizar las cargas opuestas de ambos hidrocoloides.
También se usa en los sabores en polvo mezclas de G.Arábiga y Maltodextrinas.
4- Se usa también la G. Arábiga en confituras (coberturas, baños), para retardar la cristalización del
azúcar. Pues su elevada capacidad para captar agua, sumado a su alta solubilidad, son condiciones
ideales para este uso.
Extractos de Algas Marinas
En la Fig. 15, se observa una clasificación abreviada de las algas marinas y los correspondientes
hidrocoloides que se obtienen de ellas. Por un lado están las algas rojas, que crecen en el fondo
marino, y dan lugar al agar, carrageninas y furceleranos, estos últimos de poca importancia comercial al
nivel mundial. Y por otro lado, las algas marrones, que son gigantescas y llegan hasta la superficie del
agua, pudiéndose cortar y así cosechar, para luego obtener los alginatos.
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Agar y Carrageninas
En la Fig. 16 se expone la composición química del Agar y las Carrageninas.
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Agar:
Las cadenas del Agar están compuestas por: D- galactosa y 3-6 anhidro L- galactosa, que se unen según
se ve en la Fig. 16: D-galactosa-(beta 1-4) 3,6 anhidro L-galactosa (alfa 1-3) D-galactosa y se repite.
El Agar es el agente gelificante más potente. Produce un gel perceptible a concentraciones tan bajas
como 0,04 %. No es soluble en agua fría, pero sí en agua caliente. Cuando ésta se enfría, la gelificación
ocurre a los 35-40 °C, dando un gel duro, claro y termorreversible, según el modelo de la doble hélice.
Este gel no funde hasta 85°C. Esta propiedad de formar geles muy por debajo de la temperatura de
fusión es única entre los hidrocoloides. Los geles son muy duros, quebradizos y dan sinéresis. El
agregado de azúcares o dextrinas aumenta la fuerza del gel, en cambio los almidones, la goma garrofín
y los alginatos tienen el efecto opuesto.
Su uso más extendido es como medio de cultivo, aunque también se lo usa en alimentos. En Argentina
se lo utiliza junto a la G. Garrofín , en la elaboración de dulce de batata y también es usado en dulce de
leche para dar cuerpo.
Carrageninas:
En la Fig. 16 la primera “G” de la izquierda corresponde a la molécula nombrada primero, por ejemplo
para Kappa Carragenina sería D-galactosa-4-sulfato. Luego se ubica el otro monómero, y así
sucesivamente.
Se han hallado cinco polímeros distintos, Kappa, Iota y Lamda, que son los usados en alimentos. Los
otros dos, son precursores de éstos. Las proporciones de cada uno de ellos varía con la especie y el
habitat del alga.
Propiedades Espesantes y Gelificantes: (Ver Fig. 17 y Tabla III)
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Espesante: La C. Lambda tiene tres cargas negativas (sulfatos) por dímero, esto provoca repulsión
electroestática entre las cadenas, haciéndola soluble en frío, pero imposible de formar dobles hélices y
gelificar. Por eso, ésta Carragenina sólo puede espesar el medio, exhibiendo sus soluciones un
comportamiento pseudoplástico.
La propiedad de las Carrageninas en general, de estabilizar los caseinatos de la leche, como veremos
luego, permite usar la C. Lamda en aplicaciones lácteas donde se busca sólo espesar.
Gelificante: Es el caso de las Carrageninas kappa e iota. Después de calentarlas para disolverlas, estas
macromoléculas tienden espontáneamente a agregarse durante el enfriamiento, creando zonas de
unión para formar el gel. Lógicamente dependerá del número de cadenas presentes en la solución que
la Carragenina gelifique, o sólo espese el medio al no estar en concentración suficiente.
La secuencia de sus monómeros, permite que las cadenas se dispongan en un espiral regular,
interrumpido en algunos puntos por enrrollamientos propios de la cadena. Estos la “doblan” y hace
que se pueda unir a otra cadena y así construir la red tridimensional del gel. En iota y kappa
Carrageninas, los grupos sulfatos cargados, se localizan en la parte externa de la doble hélice, lo que
favorece su formación y estabilidad. Las hélices se forman gracias al establecimiento inicial de puentes
hidrógeno específicos, entre los O2 y O6 de restos de galactosa situados en distintas hebras de la doble
hélice; luego todos los hidroxilos no sustituidos forman puentes de hidrógeno intrahelicoidales que
confieren una gran estabilidad a la doble hélice.
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Carragenina iota: Forma geles elásticos y transparentes. El ion calcio ayuda a estabilizar las cargas
intrahélices y flexibilizar el gel (ver Fig. 17), en exceso es contraproducente, pues provoca sinéresis. Son
geles estables al congelamiento-descongelamiento, pero pueden ser destruidos fácilmente por un
esfuerzo de corte (agitar, untar, etc.). Dejándolos descansar restablecen la estructura original. Esta
típica propiedad tixotrópica, se aprovecha en diversas aplicaciones alimenticias.
Carragenina kappa: El ion potasio muestra un efecto muy significativo sobre esta Carragenina. Debido
a su pequeño tamaño en la forma hidratada (el Na+ hidratado es más grande y por eso no tiene efecto),
neutraliza parcialmente el grupo sulfato, pues puede “encajar” entre las doble hélices, permitiendo
que éstas se agreguen entre si , formando grandes bloques según se ve en la Fig. 17. Como resultado, a
mayor concentración de K+, el gel es más duro, opaco, quebradizo, y además tiene sinéresis. El Ca2+
puede unir dos dobles hélices. Por eso, en pequeñas cantidades aumenta la fuerza del gel, pero a
mayores concentraciones lo perjudica.
Sinergísmo entre Carragenina kappa y Goma Garrofín:
Responde al modelo de gelificación por sinergísmo antes mencionado. El gel que se forma es más
elástico y no tiene sinéresis. Se asemeja al de la Carragenina iota.
El esqueleto de la G. Garrofín está formado por un polímero de manosas, con ramificaciones de
galactosas. Las regiones no ramificadas pueden asumir una conformación en cinta, estabilizada por las
hélices del carragenato (ver Fig. 18). Las regiones ramificadas no pueden unirse a las hélices de
carragenato, pero cumplen las siguientes funciones: 1- sirven de conexión entre las zonas de unión del
entramado. 2- al hallarse dispersas al azar, dan elasticidad al gel y 3- como no pueden asociarse,
confieren al sistema mayor resistencia a la agregación.
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Interacción de las Carrageninas con las Proteínas:
Como resultado de los grupos sulfato, las Carrageninas tienen un carácter fuertemente aniónico, y
reccionan con polielectrolitos catiónicos. En particular, las proteínas con carácter anfótero, precipitan
con la Carragenina cuando el pH de la solución está por debajo del pI.
Un ejemplo son las mezclas Carragenina-Gelatina, las cuales pierden sus propiedades gelificantes en
soluciones a un pH más alto que el pI de la Gelatina. La coprecipitación de los dos productos ocurre y se
obtiene un líquido muy turbio. En la práctica, sólo Gelatina procesada con álcali y a pH menor a 5,2,
puede mezclarse con Carrageninas.
Reactividad con Leche:
A pH más alto que el pI, se logran interacciones beneficiosas entre las Carrageninas y la caseína. Esta es
la base de una gran cantidad de aplicaciones en alimentos lácteos..
Según Snoeren, tal interacción se debe a la formación de un complejo electroestático a través de la
adsorción de la kappa e iota Carragenina sobre la superficie de la micela de caseína. A pH neutro la
kappa-caseína tiene una extensa región cargada positivamente (comprendida entre los aminoácidos 20
y 115), que sería posiblemente la región donde se unan los sulfatos de la Carragenina.
De acuerdo con Chakraborty, la formación de la red se debe a la presencia de Ca++, ya que en
presencia de secuestrantes de éste ion, el gel se debilita.
Realmente, parecería que ambas teorías explican parcialmente el fenómeno observado.
La gelificación de las Carrageninas en leche se debe entonces, a la combinación de la interacción
Carragenina-Caseína, con la asociación de las macromoléculas de Carragenina entre ellas. Estas dos
reacciones, no implican las mismas fuerzas de unión y no necesariamente ocurren a la misma
temperatura. Esto explica la pérdida de homogeneidad y defectos en los geles, cuando se enfrían y
dejan en reposo, hasta la gelificación total del sistema (ver Fig. 19 y 20).
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Aplicaciones:
Se usan como espesantes, gelificantes, estabilizantes y por sus propiedades de suspensión.
La capacidad para estabilizar la caseína, permite su aplicación en una gran gama de productos lácteos:
flanes, postres, leche chocolatada, rellenos para confituras, helados, quesos crema, dulce de leche, etc.
Su reactividad con las proteínas se aprovecha en la salmuera de inyección para la elaboración de jamón
cocido. Usada en combinación con G. Garrofín, polifosfatos y nitratos, ayuda a retener las proteínas
solubles en agua dentro del jamón cocido durante el cocido, reduciendo la pérdida de proteínas de un
5 % al 1-2 %.
También se las usa en medios acuosos para elaborar jaleas fantasía, coberturas, mermeladas bajas
calorías, etc. Su sinergísmo con los almidones, se aprovecha para disminuir la cantidad de estos,
resultando productos con mejor liberación del sabor.
Alginatos
Los Alginatos como ya vimos, se extraen de diversas algas marrones. El ácido algínico es un polímero
lineal constituido por unidades de ácido beta-D-manurónico y alfa-L-gulurónico, unidas por enlaces 1-4
(ver Fig. 21 y 22). Los Alginatos comerciales tienen un grado de polimerización que oscila entre 100 y
1000. El ácido algínico es insoluble en agua. Las sales (alginatos) de sodio, potasio y amonio, son
solubles, y las formadas con metales di y trivalentes (calcio, por ejemplo), son insolubles.
En la práctica las algas se acidifican para eliminar las impurezas, y el ácido algínico se neutraliza luego,
para extraerlo como sal soluble.
20
Los restos de D-manuronato y L-guluronato se disponen formando secuencias homogéneas o
alternadas (ver Fig.21). Cada tipo de bloque contiene 20 restos aproximadamente y ocurren
azarosamente a lo largo de la cadena del polisacárido.
Espesante: Cuando la sal alcalina del Alginato se solubiliza, se obtiene una solución viscosa. La reología
corresponde a las macromoléculas desplegadas con deformación.
21
La alta viscosidad y el comportamiento pseudoplástico se hacen notorios aumentando la concentración
de alginato o bien su grado de polimerización.
La viscosidad decrece con el aumento de la temperatura, y esto es reversible.
Los Alginatos precipitan a ácido algínico a pH por debajo de 4, o en presencia de Ca2+, formando geles
de Alginato de calcio. Pero a bajas concentraciones de Ca2+ se aumenta el comportamiento
pseudoplástico, sin que gelifique (ver Fig. 23).
Gelificante: Según vemos en la Fig. 22, sólo los segmentos de la cadena que sean “poligulurónicos”
adoptan una estructura espacial rígida, debido a la unión glicosídica alfa 1-4 que implica una unión 1
axial-4axial.
En presencia de Ca2+, los segmentos de poliguluronato de dos o más cadenas diferentes se pueden
asociar formando la llamada “caja de huevo” ( un quelato), según se aprecia en la Fig.24. El
poliguluronato forma cadenas con simetría doble que permite la coordinación del Ca2+ con cuatro
átomos de oxígeno y la participación de C6-O, C5-O, C2-O y C3-O (Fig. 24). Este gel es termoirreversible,
y es la propiedad sobresaliente de los geles hechos con Alginatos. Así resulta que cuanto mayor sea la
proporción de segmentos poligulurónicos, mayor poder gelificante tendrá ese Alginato. En la Tabla IV
se ve que los Alginatos procedentes del alga Laminaria tendrían el mayor poder gelificante, debido a su
elevado porcentaje en poligulurónico (60,5%). Por lo tanto es importante conocer el origen del
Alginato.
22
Se deberán usar sales de calcio poco solubles, ya que el Ca2+ en exceso provoca rápidamente la
precipitación del Alginato. Un ejemplo es la elaboración de cerezas artificiales, donde se gotea una
solución de Alginato de sodio sobre un recipiente con Cl2Ca, sabor y color. El Alginato gelifica
inmediatamente al ponerse en contacto con el Cl2Ca, “precipitando” la cereza en forma esférica. Esta
se va al fondo del recipiente, donde adquiere progresivamente mayor dureza, a medida que el ion Ca2+
difunde hacia su interior. Inicialmente sólo la capa externa de la gota gelifica, quedando el interior con
Alginato sin gelificar.
Para controlar la gelificación se usan sales de calcio escasamente solubles, como citrato cálcico,
tartrato cálcico o dihidrato de fosfato dicálcico. O bien sales insolubles como carbonato cálcico, fosfato
dicálcico anhidro, etc., que se solubilizan al aumentar la acidez (ácido adípico, delta gluconolactona,
23
etc.), liberando los iones Ca2+ que reaccionarán con el Alginato de sodio. Esto permite elaborar
productos alimenticios en frío, por ejemplo: flanes, postres, imitación gelatinas, crema pastelera, etc.
Con la particularidad de ser termoirreversibles. Estas preparaciones son reacciones estequiométricas
entre el Ca2+ y el Alginato de sodio, tal de lograr un gel de consistencia determinada.
Se prepara una mezcla de “reactivos”, que incluyen: un secuestrante de iones calcio (citrato de sodio,
pirofosfato trisódico, etc.), que captura todo el Ca2+ del agua que usaremos para la preparación del
producto, para que el Alginato sólo reaccione con los iones calcio agregados por nosotros. Una fuente
de calcio (lactato, sulfato, fosfatos de calcio) se eligen según sus solubilidades y un ácido (adípico,
fumárico, etc.) que irá liberando lentamente el calcio de la sal cálcica, el cual se irá complejando
lentamente con el Alginato de sodio, último en hidratarse. Por supuesto se agrega azúcar, sabor y
color, y tendremos un gel fantasía, tipo gelatina o tipo mermelada, según la estequiometría usada
entre el calcio y el Alginato sódico.
Estequiometría = 0,18 grs de Ca2+ reaccionan con 2,5 grs. de Alginato de Sodio, aunque usando un 30%
de esa cantidad de calcio calculado, se obtienen geles de buena textura. Recordar, que Alginatos
provenientes de diferentes algas marinas, tienen distinta proporción de ácido gulurónico. El dato
ofrecido arriba es un valor promedio.
Aplicaciones:
Las propiedades únicas de gelificar con Ca2+ a temperatura ambiente y dar geles termoirreversibles,
permite elaborar gran variedad de productos alimenticios. Por ejemplo, se puede reestructurar: frutas
(cerezas, frutillas, etc.), verduras (morrones para rellenar aceitunas, anillos de cebolla, etc.), carnes,
pescados y mariscos, partiendo de fibras de músculo disgregado (pulpas, macerados, etc.) y
gelificándola en un molde con sabor y color adecuado.
Estos productos pueden ser cocidos, esterilizados, congelados-descongelados, que no pierden su
integridad.
Ya nombramos los geles instantáneos a temperatura ambiente (flan, gelatina, jaleas, mermeladas,
rellenos, crema pastelera, etc.).
También son usados como estabilizantes en helados para evitar la formación de cristales de hielo,
coberturas de pastelería, yogures, salsas, etc.
A pHs bajos, el Alginato precipita como ácido algínico. Por tal razón, se lo convierte en Alginato de
propilen glicol, por esterificación con óxido de propileno (ver Fig.25). Este hidrocoloide no sólo se aplica
a pHs ácidos (salsas, aderezos, etc.), sino que también se lo usa como emulsionante en aderezos para
ensaladas, jarabes, bebidas y como estabilizante de la espuma en cerveza.
Gomas de Plantas y Semillas
Galactomananos: Goma Guar y Goma Garrofín
Muchas semillas de leguminosas contienen galactomananos con similares estructuras, pero sólo la G.
Guar y la G. Garrofín también llamada G. Caroba (en inglés Locust Bean Gum), son ampliamente usadas
en alimentos.
La G. Garrofín y sus propiedades espesantes, ya la usaban los egipcios como adhesivos en la
momificación y era alimento para animales. Recién a principios del siglo XX se inició su explotación
comercial.
24
La G. Guar, se empezó a comercializar a partir de 1950, ante la escasez de G. Garrofín en los’40.
Estructura Química:
La cadena principal es un polímero de beta 1-4-D- manosa, ramificada con unidades de alfa 1-6-D-
Galactosa.
Ambas gomas difieren en la relación galactosa/manosa. Así, la G. Guar tiene 1:2, en tanto la G. garrofín
1:4. Esto significa que la G. Guar está más ramificada. La disposición de las galactosas no es regular a lo
largo de la cadena principal de manosas. Por eso, en la G. garrofín se observan regiones “blandas” sin
ramificaciones, y regiones “duras” muy ramificadas (ver Fig. 26). Precisamente las regiones blandas son
las que interaccionan con las dobles hélices de la kappa-Carragenina y de la G. Xántica dando geles
termorreversibles por sinergísmo (ver Fig. 18).
Esta diferencia en el grado de ramificación, explica las propiedades funcionales de ambas gomas. Esto
es, solubilidad en agua a temperatura ambiente de la G. Guar, en caliente para la G. Garrofín;
sinergísmo de la G. Garrofín antes mencionado, dando geles, en tanto en la G. Guar, sólo se potencia el
espesamiento de la solución, cuando se une a la G. Xántica por ejemplo (ver Tabla V).
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Ambas gomas dan soluciones pseudoplásticas, cuyas viscosidades decrecen reversiblemente con la
temperatura y aumentan a mayor grado de polimerización. Al ser neutras, el pH no las afecta (estables
entre pH 4-10), aunque con el tiempo la acidez puede provocar hidrólisis del polisacárido.
Aplicaciones
Ambas gomas dan elevada viscosidad a bajas concentraciones (menores al 1 %) y son capaces de
retener mucha agua. Además, son baratas, especialmente la G. Guar. Por tal razón se las usa como
espesantes y estabilizantes. La G. garrofín como gelificante debido al sinergísmo antes mencionado.
Se usan en: helados (controla el golpe de calor, evitando la fusión y suavizando la textura), en quesos
de untar, postres, cremas, etc. controlando la sinéresis, en alimentos enlatados, aderezos, salsas,
bebidas, quesos procesados, productos de panadería, alimentos para perros, etc. Siempre
“manejando” la fase acuosa”.
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Glucomananos: Harina de Konjac
Esta goma es poco conocida en Occidente, en cambio en Japón se usa hace 1000 años para hacer geles
y fideos estables al hervor.
Se obtiene de tubérculos de la planta Amorphophallus Konjac.
Estructura Química: Es un glucomanano, cuya cadena polimérica se compone de unidades de glucosa y
manosa alternadas en relación 2:3, enlazadas por uniones beta 1-4. Su peso molecular oscila en
300.000, y está acetilado el alcohol primario del carbono 6 de los azúcares de la cadena, 1 cada 19
unidades glucosa-manosa al azar. Estos acetilos le dan una solubilidad en agua semejante a la amilosa,
dando soluciones viscosas con cierta tixotropía.
Propiedades: Las macromoléculas acetiladas no pueden gelificar, por la presencia de los acetilos, sólo
espesan la solución. Pero si se calienta en presencia de KCO3 al 0,2% (álcali suave), la G. Konjac se
desacetila y entonces las cadenas del glucomanano se unen espontáneamente formando dobles
hélices, y por ende gelificando. Lo interesante, es que estos geles son estables al calor, son
termoirreversibles, es decir que el gel no sólo mantiene su estructura en agua hirviendo, sino que la
“estrecha” aún más, con los calentamientos sucesivos (por eso en Japón, su usa en fideos), ver Fig. 28.
.Sinergísmo: Con kappa-Carragenina y G. Xántica, dando geles termorreversibles y a menores
concentraciones que la G. Garrofín.
La G. Konjac interactúa con los almidones, incrementando la viscosidad que se mantiene durante el
cocido y al enfriar, pudiéndose repetir el ciclo calor-frío varias veces.
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Aplicaciones:
Por las propiedades vistas, es ideal para las pastas: fideos, ravioles, etc. por su sinergia y termo-
estabilidad con los almidones. Para productos dietéticos: salsa, cremas, sopas, pues da consistencia
semejante a la grasa.
Embutidos cárnicos (salchichas) aportando “textura termoirreversible”, etc.
Extractos de Plantas
Pectinas
Son un componente de la pared celular en los tejidos de vegetales superiores, donde se asocia a la
celulosa para absorber grandes cantidades de agua. La celulosa le da rigidez a la pared celular, en tanto
la pectina textura. Se extraen principalmente de la cáscara de los cítricos (lima, limón y naranja),
bagazo de la manzana y de la pulpa de la remolacha azucarera. Su explotación comercial comenzó a
principio del siglo XX.
Se la encuentra formando la protopectina, que por hidrólisis ácida libera la pectina de otras gomas, por
ejemplo los taninos.
Las pectinas retienen gran cantidad de agua, aunque sus soluciones exhiben baja viscosidad. Su
importancia comercial radica en la habilidad de formar geles.
Estructura Química: Están compuestas por una cadena polimérica de unidades de ácido alfa-D-
galacturónico, enlazadas por uniones alfa 1-4. El grupo carboxilo en C6 se halla parcialmente
esterificado con metanol (ver Fig. 29).
28
También contienen en menor cantidad, residuos de beta-L-ramnosa, galactosa, arabinosa, xilosa, etc.
En estado sólido o en solución (libre de Ca2+), las cadenas de pectina muy esterificadas, se disponen en
una hélice triple.
Pequeñas cadenas laterales neutras de arabinanos, galactanos y xilanos, se unen a los hidroxilos
laterales de la cadena principal, por enlaces ecuatoriales. Si bien se liberan durante la hidrólisis de la
protopectina, algunos quedan, generando regiones “peludas”, que rompen la regularidad
poligalacturónica. Esta estructura regular es también interrumpida por la beta-L-ramnosa. Su inserción
en la cadena principal, genera un doblez en la misma (ver Fig. 29). La ramnosa se une en los C1 y C2.
La mayoría de las unidades del poligalacturónico se encuentran esterificadas en la pectina natural. Para
comercializarlas se demetilan con ácidos o bases, quedando: las Pectinas de Alto Metoxilo (HM), con
un grado de esterificación mayor al 50 % y las de Bajo Metoxilo (LM), cuyo grado de esterificación es
menor al 50 %.
Pectinas HM. Gelificación Inducida por Ácido:
Las Pectinas HM gelifican por la asociación de las cadenas, cuando se “amontonan” las zonas
esterificadas del poligalacturónico. El resultado es una configuración de hélice triple (tres cadenas
dobladas entre sí).
Las zonas de unión se estabilizan por puentes hidrógeno, inducidos por la reducción de la actividad
acuosa al agregar azúcar. Las repulsiones electroestáticas de los carboxilos, se minimizan acidificando
el sistema. Estas condiciones favorecen la interacción hidrofóbica entre las funciones metil ester.
Las zonas de unión están limitadas por la presencia de “bisagras” en la cadena, formadas por la
ramnosa, y por las regiones “peludas” o ramificadas. No obstante, esto permite que una misma cadena
se una a otras distintas cadenas, armándose la red tridimensional del gel. Estas uniones puente
hidrógeno e hidrofóbicas forman una estructura de gel no-termorreversible (ver Fig. 30).
En la práctica, las condiciones de gelificación serán
interdependientes de los siguientes factores:
Sólidos Solubles: El mínimo de sólidos solubles (azúcar) para
obtener el gel es 55 %. Si aumenta la cantidad de azúcar, la
temperatura y la velocidad de gelación aumenta.
Acidez: El pH óptimo oscila entre 3,3 y 2,6, y depende del grado de
esterificación. Disminuyendo el pH, también aumenta la
temperatura y la velocidad de gelificación.
Grado de Esterificación (GD): A mayor GD, mayor es la temperatura
y más corto es el tiempo de gelificación.
Pectinas LM. Gelificación Inducida por Calcio:
Las Pectinas desesterificadas forman geles con iones calcio u otros
iones metálicos divalentes. Aquí, la presencia de azúcar o ácido, no
es tan relevante como con las Pectinas HM, el pH puede variar
entre 2,9 y 5,5, y los sólidos solubles del 10 al 80%.
La unión con el Ca2+ es una verdadera quelación (semejante a los
Alginatos), entre las cadenas del poligalacturónico y dicho ion. Las zonas de enlace están formadas por
los grupos carboxilo libres de dos cadenas de pectina y el ion Ca2+. Estas cadenas, adquieren una
29
conformación de “varilla doblada” o en “zigzag”, dejando espacios entre ellas para que se acomode el
ion calcio (ver Fig. 30). Como en los Alginatos, a esta estructura se la denomina según Rees, modelo de
la “caja de huevos”.
Las zonas de unión se reducen con la presencia de “bisagras” y zonas “peludas” en las cadenas, pero
aumentan a mayor demetilación (mayor número de carboxilos libres)y hacen al gel más rígido con
mayor velocidad de formación. En exceso de Ca2+, precipita el pectinato de calcio o se forman geles
quebradizos.
Sin embargo, la velocidad de gelificación se puede controlar con el pH y la temperatura. De esto
resultarán geles termorreversibles o no. En general se obtienen geles más blandos y elásticos que con
la Pectina HM o Agar., y son termorreversibles.
Aplicaciones:
Su uso más difundido es en mermeladas, jaleas y productos similares.
Pectinas HM: Comercialmente se dividen según su velocidad de gelificación (set):
Rapid-Set: tienen un grado de metilación (GM) del 75 %.
Slow-Set (lentas): el GM es del 60 %. Las Medium-Set estarían en valores intermedios.
Según la aplicación, se usan las lentas por ejemplo, cuando se elabora el producto en pailas y el
fraccionamiento es lento. Las rápidas son más adecuadas si se desean frutas en suspensión. Con éstas
Pectinas se debe evitar una gelificación prematura y rotura del gel por agitación, ya que luego dicho gel
no recupera su consistencia. También se las usa en rellenos para panadería, bebidas, coberturas y
rellenos de frutas, etc.
Pectinas LM: Son más caras que las HM, y su uso es menor y más específico. Por ejemplo, en pequeñas
cantidades mejora la textura del yoghurt.
Inestabilidad de las Pectinas: En medio alcalino los grupos metilados dan inestabilidad al polisacárido,
que puede sufrir la beta eliminación, conocida reacción de la química orgánica, que provoca la ruptura
de la cadena. Por eso, las Pectinas comerciales se acidifican parcialmente.
Gomas Microbianas
Goma Xántica:
Muchos microorganismos, particularmente las bacterias, son capaces de sintetizar polisacáridos
extracelulares. Pero solamente la G. Xántica es producida industrialmente a gran escala. Se biosintetiza
a partir de la bacteria: Xanthomonas campestris, originalmente aislada de la planta del nabo. Los
cultivos de ésta bacteria son aeróbicos (no por fermentación), en un medio con carbohidratos y otros
nutrientes. Las condiciones son tales que el microorganismo produce la goma en cantidad. El
polisacárido tiene como función recubrir externamente al cuerpo bacteriano cuando está en estado
latente (por desecación), tal de captar la mínima humedad que aparezca en el medio y así “revivirlo”.
Además, lo protege de ataques enzimáticos, iones, etc, y mantiene en parte su humedad. Finalmente,
se precipita la goma con isopropanol, se purifica, seca y muele.
Este hidrocoloide de origen biotecnológico, fue introducido al mercado en los ´60, y tiene la ventaja de
ser elaborado en el laboratorio, bajo condiciones controladas. En cambio los otros hidrocoloides,
provienen de cultivos naturales, con los problemas de variación del clima y de la calidad de la goma,
30
dificultad en las cosechas por la mano de obra, enfermedad de las plantas, inundaciones, etc. La G.
Arábiga y la G. Garrofín fueron ejemplos recientes, de estos inconvenientes.
Estructura Química: La G. Xántica es un heteropolisacárido de alto peso molecular (PM= 2,5 millones).
La hidrólisis completa da los siguientes monómeros: D-glucosa, D-manosa y ácido D-glucurónico. La
cadena principal de la G. Xántica contiene beta-D-glucosa unida por las posiciones 1-4, igual a la cadena
de Celulosa.
Un trisacárido, compuesto por: alfa-D-manosa, ácido beta-D-glucurónico y beta-D-manosa terminal, se
une alternadamente a las glucosas de la cadena principal como ramificación.
Como se ve en la Fig. 31, la G. Xántica consiste en un pentasacárido, cuyas unidades se repiten
regularmente.
En esta figura se observa:
- La D-manosa adyacente a la cadena principal contiene un grupo acetilo en posición 6.
- La manosa terminal, tiene un piruvato unido por función acetal en las posiciones 4 y 6.
Si bien, esta estructura es regular, se ha observado irregularidad en el contenido de ácido pirúvico y del
grupo acetálico, dependiendo de la cepa de Xanthomona usada y del proceso de fermentación.
La presencia de ácido glucurónico y ácido pirúvico, le da carácter aniónico a la goma. En los productos
comerciales están neutralizados por Na+, K+, o Ca2+.
Las moléculas de la G. Xántica en polvo están dispuestas, formando una macrohélice de cinco cadenas,
donde las ramificaciones se hallan plegadas sobre cada cadena (ver Fig. 32).
31
Estas características estructurales permiten explicar las interesantes propiedades funcionales de la G.
Xántica.
Propiedades Funcionales:
En disolución y en reposo, las cadenas laterales del trisacárido se alinean con el esqueleto, para formar
un polímero rígido, estable a temperaturas superiores a 100°C. Estas cadenas de “varilla rígida” de G.
Xántica, se asocian entre sí (por uniones débiles), a temperatura ambiente, provocando una elevada
viscosidad a la solución (ver Fig.33). Esto permite explicar el elevado punto de deformación (yield
value) de las soluciones en reposo (ver Fig. 34), y ofreciendo un excelente medio para suspender
partículas sólidas y a su vez impartir cuerpo al producto. Como típico ejemplo están los jugos en polvo,
donde se mantiene en suspensión el enturbiante (por ejemplo dióxido de titanio encapsulado con
maltodextrinas) y además, se logra la palatabilidad y consistencia del jugo. Lógicamente, ésta alta
viscosidad en reposo y a temperatura ambiente, permite estabilizar también, emulsiones aceite en
agua y espumas.
32
Los iones metálicos (Na+, K+) en bajas concentraciones ayudan a disolver la G. Xántica y que sus
cadenas se asocien, pues neutralizan las cargas negativas de las ramificaciones.
La conformación helicoidal estable, es resistente a la desnaturalización por la temperatura y da cuenta
de las siguientes propiedades:
1- Viscosidad uniforme en el rango de temperaturas –18 a 80 °C. Importante para los productos
sometidos a la congelación-descongelación (ver Fig. 35).
2- Estabilidad excepcional frente a los cambios de pH, entre 1 y 11. Aderezos, salsas, jugos (ver Fig.
36).
3- Compatibilidad con altas concentraciones salinas. Las cadenas laterales protegen de la hidrólisis
química o enzimática a la cadena central de celulosa, dándole una excepcional estabilidad a la
estructura.
Pseudoplasticidad: Cuando a la solución de G. Xántica se la agita, se observa un comportamiento
pseudoplástico, en amplios rangos de gradientes de deformación y concentraciones (ver Fig. 34). Esto
se explica por la disociación inmediata de las cadenas rígidas, que van desorganizando sus estructuras
hasta llegar al ovillo al azar. Paralelamente va decreciendo la viscosidad de la solución (ver Fig. 33). Una
33
vez interrumpida la agitación o cualquier esfuerzo de corte, la viscosidad se restablece
inmediatamente, por un rápido retorno a la “rigidez” inicial de la molécula y su posterior reasociación.
Esto produce una excelente sensación bucal, cuando ingerimos productos texturizados con G. Xántica.
Por ejemplo, los aderezos para ensaladas de bajas calorías, estabilizados con esta goma, se pueden
agregar a la ensalada fácilmente, pues fluyen sin problemas. Luego adquieren rápidamente alta
viscosidad, quedando adheridos a la verdura, no se van al fondo y por lo tanto se distribuyen bien.
Finalmente, con la masticación, nuevamente baja la viscosidad del aderezo provocando una agradable
sensación bucal (ver Fig.37) y buena liberación del sabor.
Cuando la solución o el producto alimenticio, se someten a temperaturas superiores a 100°C, también
se obtiene la conformación de ovillo al azar, disminuyendo consecuentemente la viscosidad.
Esta excelente pseudoplasticidad, permite una rápida penetración del calor, favoreciendo el cocinado y
aún la esterilización del producto (salsas, conservas etc.).
Como ya dijimos estabiliza los alimentos que se congelan y descongelan y las operaciones de llenado y
bombeo se facilitan, ahorrándose energía.
La G. Xántica tiene una alta capacidad de retención de agua e imparte viscosidad a soluciones muy
diluidas. Sus soluciones nunca superan el 1 % P/V.
Sinergísmo con Galactomananos:
Por un mecanismo similar de asociación intramolecular con las Carrageninas, la G. Xántica se une a las
regiones no ramificadas de la cadena de manosa de la G. Garrofín y de la G. Guar. Con la Garrofín que
tiene regiones libres de ramificaciones más extensas, el entrecruzamiento es mayor, formándose una
red tridimensional, gelificando y atrapando agua en los intersticios. El máximo de fuerza de gel se logra
con una relación 50:50 de ambas gomas (ver Fig. 38). Se usa en productos dietéticos, como
mermeladas, postres, pues da cuerpo sin aportar calorías. El gel es termorreversible.
Con la Guar se logra un menor sinergísmo, pues esta más ramificada. Sin embargo la viscosidad es
mayor que la que impartiría cada goma por separado. No gelifican.
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Aplicaciones:
Ya fueron comentadas varias de ellas, y en general son muy amplias, debido a sus propiedades
funcionales tan especiales.
La G. Xántica es incompatible con iones polivalentes a pH alto y no se recomienda usarla con derivados
que contengan celulosa. Además, si se agrega directamente a la leche, por su elevada captación de
agua, provoca la precipitación de las proteínas lácteas.
Goma Gellan
Es un nuevo agente gelificante, producido a partir de cultivos de Pseudomonas elodea con
carbohidratos como nutrientes. Su uso en alimentos, no está aún generalizado, su primera aplicación
fue reemplazar al Agar en los cultivos de microorganismos con importantes ventajas, aunque con un
elevado costo. Este sin duda, bajará a medida que la goma se vaya comercializando.
Estructura Química: Aún está en estudio, pero estaría formada por un polisacárido lineal, compuesto
por ácido glucurónico, glucosa y ramnosa; algunos de ellos acetilados. La secuencia del tetrasacárido
unidad, que luego se repite sería: 3)-beta-D-Glucopiranosa-(1-4)-beta-D-ácido glucurónico-(1-4)-beta-
D-Glucopiranosa-(1-4)-alfa-L-Ramnosa-(1-.
La G. Gellan forma geles fuertes a bajas concentraciones: 0,05 %. Necesita ser calentada para
disolverse y requiere cationes para gelificar cuando se enfría la solución. Se formarían agregados de
dobles hélices, luego del enfriamiento, y los iones incluyendo los protones inducirían dicha
conformación de gel. Controlando la concentración de los cationes, el gel puede resultar tanto
termorreversible como termoirreversible. Las temperaturas de gelificación van desde 20 °C a 50 °C, y
las temperaturas de fusión de 65 °C a 120 °C. Son estables al calor y la acidez. La textura del gel se
puede modificar mezclándola con otras gomas, tales como Guar, Carrageninas, Gelatina y Almidones.
Tienen un amplio espectro de propiedades, que la semejan en algunas aspectos al Agar, Carrageninas y
Alginatos.
Aplicaciones:
Aún se están desarrollando, pero las más conocidas y aprobadas son: coberturas y rellenos para
panadería, postres, mermeladas y jaleas de bajas calorías.
Sus geles son muy claros y poseen excelente liberación del sabor.
Derivados de Animales
Estos hidrocoloides, representados por la Gelatina, se verán en el estudio de las proteínas, pues no son
polisacáridos. Los caseinatos y otras proteínas como lactoalbúminas y lactoglobulinas, ovoalbúminas y
derivadas de la soja, también ejercen en algunos casos funciones de hidrocoloides; aunque sin duda la
Gelatina es la más importante en cuanto a esa función.
Gomas Naturales Modificadas
Deberían tratarse aquí las siguientes gomas naturales modificadas: Alginato de Propilenglicol, Pectinas
de bajo Metoxilo y Almidones Modificados. Para facilitar la comprensión de las propiedades y
funciones de cada uno de ellos, se los ha estudiado junto con el hidrocoloide sin modificar.
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Derivados de la Celulosa
La celulosa es el componente más importante de los elementos estructurales en las paredes de las
células vegetales. Químicamente es un polisacárido constituido por bloques de celobiosa: dos unidades
de glucosa unidas por enlaces beta 1-4 (ver Fig. 39). Es el polisacárido más abundante del planeta, pero
su insolubilidad no permite su uso como hidrocoloide. Por eso, se lo ha modificado químicamente,
aprovechando los tres grupos hidroxilo libres de las glucosas en la cadena. En medio alcalino y
condiciones controladas se obtienen distintos éteres (ver Fig. 39). A estos derivados se los conoce
como Gomas de celulosa, estudiaremos: Carboximetilcelulosa (CMC), Metilcelulosa e
Hidroxipropilmetil Celulosa.
Propiedades:
Las propiedades de estos compuestos dependen fundamentalmente de:
1- El grado de polimerización (GP), habitualmente >100.000.
2- El grado de sustitución (GS). El máximo GS es 3, que se obtiene cuando se ha hecho reaccionar a
todos los hidroxilos. Habitualmente los sustituyentes éter están heterogéneamente distribuidos;
algunos segmentos de la cadena polisacárida se hallan más densamente sustituidos que el resto
(ver Fig. 40).
A medida que aumenta el GP, aumenta también la viscosidad de las disoluciones. El grado de
sustitución puede elevar o disminuir la viscosidad, según sea la naturaleza de los sustituyentes.
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Carboximetilcelulosa
El grupo sustituyente contiene un grupo carboxílico hidrófilo, que tiende a incrementar la solubilidad
en agua del polisacárido (ver Fig. 40). El mercado dispone de una gran variedad de tipos de CMC según
sea su GS, GP, tamaño de partícula, etc.
Sus soluciones son pseudoplásticas, aunque aquellas CMC con alto GP y bajo GS muestran un
comportamiento tixotrópico.
La viscosidad de las soluciones de CMC desciende a temperaturas elevadas y aumenta a pHs ácidos.
Temperaturas altas y largos períodos de calentamiento degradan la celulosa. A pHs ácidos predomina
el ácido carboxílico, menos soluble, y aumenta la viscosidad. Estas soluciones son estables en el rango
de pHs 4-10, con máxima estabilidad entre pHs 7 y 9.
En disolución la cadena del polisacárido forma una red débil. Aumentando el GS, la celulosa gana en
hidrofília, se hace más soluble, rompiéndose finalmente esa red y disminuyendo entonces la
viscosidad.
Se pueden elaborar geles de éste derivado usando acetato de aluminio, u otras sales trivalentes. Los
enlaces intracatenarios se practican con los carboxilos de las cadenas. Esto no tiene interés en
alimentos.
Aplicaciones:
La CMC se usa como espesante, pues retiene mucho agua, caso de los productos de bajas calorías para
dar cuerpo. En los rellenos de tartas a base de almidón, evitando la sinéresis, en los helados,
controlando la cristalización del agua. Como agente de suspensión y estabilizante, en jugos y productos
proteicos (soja y caseinatos) previniendo la precipitación en el pI. Y en una amplia gama de productos,
dado su bajo costo y su variada gama de viscosidades y solubilidades.
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Metilcelulosa:
La Celulosa O-metilada es estable dentro de un amplio intervalo de pHs, 3 a 11; exhibe la propiedad
única de gelificar en caliente y al enfriar ese gel se rompe, en contraste con los geles antes vistos de
Pectinas, Carragenatos y Alginatos.
La mayor parte de las Metilcelulosas (MC) gelifican en un rango de temperatura que va de 50 a 70 °C
(ver Fig. 41). El fenómeno de la termogelificación se puede explicar en términos del efecto estructural
que las moléculas del polisacárido ejercen sobre el agua. En disolución, las moléculas del hidrocoloide
se hallan hidratadas, pero contienen algunos segmentos más densamente sustituidos que otros y por
ello, menos solubles en agua. El incremento de la temperatura rompe muchos de los enlaces de
hidrógeno establecidos por moléculas de agua y facilita la separación de la fase con los segmentos
menos polares. Las regiones densamente sustituidas, relativamente apolares, quedan excluidas de la
fase líquida y forman agrupaciones análogas a las micelas lipídicas; los segmentos menos sustituidos
(hidroxilos libres), se mantienen en cambio en solución, estableciéndose uniones entre las
agrupaciones de las regiones apolares; se genera así, una extensa red tridimensional, un gel.
La formación de agrupaciones de segmentos menos polares, depende del grado de hidrofobia que se
dé a lo largo de la cadena y no de la cooperatividad de puentes intercatenarios, establecidos vía
interacciones electroéstaticas entre grupos con cationes, o por formación de puentes hidrógeno, como
ya hemos visto.
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Aplicaciones: Ver Hidroxipropilmetilcelulosa.
Hidroxipropilmetilcelulosa:
Esta goma, la HPMC, tiene propiedades semejantes a la MC. Gelifica cuando se calienta y precipita a
temperaturas elevadas.
Durante la reacción de sustitución, en la “fabricación” de la HPMC. Los grupos hidroxipropilo no sólo se
unen a los hidroxilos de la Celulosa, sino que algunos se condensan entre sí para formar cadenas
laterales de propilenglicol. Estas cadenas hidrofóbicas son capaces de formar agrupaciones de modo
similar a como lo hacen los segmentos O-metilados, reforzando los enlaces cruzados con lo que se
obtiene una red más apretada.
Aplicaciones:
Como vimos MC y HPMC son las únicas gomas cuyas soluciones gelifican con el calentamiento y
vuelven a su viscosidad original, cuando se enfrían.
Esto las hace ideales en los alimentos que se fríen, pues crean una barrera a la absorción del aceite por
parte del producto (papas, productos rebosados, etc.), retardan la pérdida de la humedad natural del
mismo provocada por el elevado calentamiento y mejoran la adhesión del rebozador al producto.
Otra importante propiedad, es que estas gomas necesitan ser solubilizadas en frío, para provocar la
gelificación en caliente. Esta propiedad puede explotarse creando una emulsión más estable de aceite
en agua.
En general, una alta viscosidad en la fase acuosa y pequeñas gotas de aceite, contribuyen a la
estabilidad de las emulsiones en alimentos. Si la viscosidad de la solución es alta, interfiere con la
producción de pequeñas gotas de aceite durante la homogeinización. Al retrasar la hidratación de la
MC o HPMC por dispersión en agua caliente, se puede homogeinizar sin problemas, ya que la
viscosidad de la solución en caliente es baja, y se formarán las pequeñas gotas de aceite al pasar por el
molino coloidal. Entonces, al enfriar la emulsión, las gomas se hidratan, la viscosidad aumenta hasta el
nivel deseado y se logrará una emulsión estabilizada.
En productos horneados y leudados (tortas, bizcochuelos, etc.), la gelación térmica ayuda a la
formación de células para retener gas de manera más uniforme. El resultado es un producto de textura
liviana, por el aumento de volumen al incorporarse mayor cantidad de gas, y cuyas células son más
resistentes debido a la fuerza del gel. Esto es importante para las elaboraciones automatizadas de alta
velocidad.
Finalmente, su uso se indica en sopas y salsas, para dar viscosidad en caliente, y para rellenos de
tartas, con el propósito de evitar la migración de la humedad hacia la superficie, durante el horneado.
Tanto la MC como la HPMC se producen en un amplios rangos de viscosidades.
Celulosa Microcristalina
La Celulosa Microcristalina (CM), se produce por hidrólisis ácida de Celulosa nativa (alfa celulosa). Se
hidrolísa la parte amorfa y queda la cristalina con propiedades semejantes a los hidrocoloides. Antes de
secarla se coprocesa con CMC que actúa como dispersante hidrofílico, previniendo la unión de los
cristalitos durante el secado. Luego la CMC, actúa como redispersante de estos microcristales y como
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coloide protector. Según el secado que se haga (atomización, en “rollers”, etc.), resultará una red de
celulosa insoluble, con distintas características coloidales y por ende funcionales.
Los geles producidos por la CM de grado coloidal son tixotrópicos, estables a los ácidos y a un amplio
rango de temperaturas.
Aplicaciones:
Para estabilizar espumas aumentando la fuerza de la película. Para gelificar una variedad de productos
en base azúcar: coberturas, rellenos de panadería elaborados con pectinas, etc.
Para productos dietéticos, reemplazando al almidón según: 1 parte de CM por 3 a 4 partes de almidón.
O bien reduciendo del 20 al 60 % la cantidad de aceite de soja, con el 1 % de CM, sin modificar las
características reológicas del sistema alimenticio y su palatabilidad.
También se la emplea en la suspensión de partículas de chocolate en bebidas chocolatadas estériles.
Gomas Sintéticas:
Prácticamente no son usadas en la industria alimentaria. Un caso sería la Polivinil Pirrolidona (polímero
gelatinoso) que fija polifenoles y complejos polifenol-proteína, con lo cual se previene el
enturbamiento de las bebidas alcohólicas y diluidas al enfriarse, por ejemplo la cerveza. También se
suelen usarse enzimas específicas, como las proteasas para solucionar este problema.
CONCLUSION
Esta presentación, es un resumen de la ciencia y tecnología de los polisacáridos usados como
hidrocoloides en la industria alimenticia. Dada su importancia, los Almidones y sus derivados
modificados física, química o enzimáticamente se consideran aparte . Un estudio más profundo,
requiere acudir a literatura más extensa y específica. Sin embargo, se han expuesto importantes
consideraciones estructurales y funcionales de las distintas gomas.
Generalmente, hay varios hidrocoloides que responden a una aplicación dada, y la experiencia indica
que la combinación de ellos ofrece los mejores resultados. Seguidamente, se ofrece un breve
comentario de las principales aplicaciones de las gomas, con relación a sus propiedades ya estudiadas.
APLICACIONES
El rol más importante de los hidrocoloides en alimentos, se basa en su capacidad de unir agua y su
habilidad de modificar el comportamiento reológico, tal de obtener una funcionalidad deseada, de
acuerdo a la aplicación.
La selección de factores será interdependiente con las condiciones de uso:
- Valor del pH del sistema.
- Presencia de electrolitos.
- Tratamientos con calor.
- Estabilidad al almacenamiento.
Todos los hidrocoloides no se comportan de igual forma frente a estos parámetros.
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En Sistemas Acidos:
En medios ácidos, los hidrocoloides, exceptuando las Pectinas y la G. Xántica, son propensos a la
hidrólisis, como resultado de la combinación temperatura-tiempo. Finalmente, ocurrirá una
depolimerización.
Interacción con Electrolitos:
Estas interacciones se describieron particularmente, en la gelificación de Alginatos y Pectinas. En
presencia del ion calcio, estas gomas se unen formando geles. Aunque a veces, se deben agregar
secuestrantes del ion, para permitir la hidratación del hidrocoloide.
Tratamientos con Calor:
Exceptuando las Pectinas, que son parcialmente depolimerizadas, muchos hidrocoloides, soportan los
tratamientos por calor de la pasteurización y esterilización, cuando se usan a pHs cercanos a la
neutralidad.
Estabilidad al Almacenamiento:
Depende de las modificaciones que puedan ocurrir en la asociación de las macromoléculas. Grandes
regiones de unión, provocan con el tiempo sinéresis al “estrecharse” dichas uniones, contrayéndose el
gel. Esto último se puede remediar en parte, por la adición de macromoléculas que perturben estas
asociaciones.
Los hidrocoloides son usados en alimentos esencialmente como:
-Agentes Espesantes
-Agentes gelificantes
-Agentes estabilizantes.
Agentes Espesantes:
Hidrocoloides muy solubles, con gran capacidad de retención de agua y que no forman uniones
intercadena:
Galactomananos: Guar y Garrofín.
Carragenina lamda.
Alginato de sodio.
Goma Xántica.
Carboximetilcelulosa.
Algunos Aplicaciones Típicas en Alimentos:
Salsas, aderezos para ensaladas y productos relacionados.
Sopas, especialmente las espesas.
Postres.
Como agentes de unión en productos cárnicos.
Productos instantáneos.
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Agentes Gelificantes:
Las propiedades más importantes de este tipo de hidrocoloides son las siguientes:
Solubles en agua caliente: Forman geles cuando se enfrían a temperatura ambiente (geles
térmicamente reversibles).
Solubles en agua fría: Forman geles en presencia de sales reactivas.
Solubles en agua caliente: Forman geles en presencia de ácidos (gel termoirreversible).
Debido a la gran cantidad de posibles variaciones exhibidas por las asociaciones intramoleculares, las
texturas se pueden modular, tal de obtener la funcionalidad deseada. Para este propósito, lo
recomendable es la combinación de dos o más hidrocoloides.
Geles Termorreversibles:
Pectinas de bajo metoxilo.
Carrageninas kappa, con geles de textura rígida.
Carrageninas iota, con geles de textura laxa y tixotrópica.
Carrageninas kappa más G. Garrofín, con geles cohesivos y blandos.
G. Xántica más G. Garrofín, con geles cohesivos y blandos.
Algunas Aplicaciones Típicas en Alimentos:
Geles lácteos, tipo flan, postres, o similares.
Geles de agua, jaleas bajas calorías, coberturas, etc.
Carne en conserva (carne enlatada), alimentos para mascotas, aspics.
Confituras.
Geles Termoirreversibles:
Alginatos alcalinos(sodio, potasio), en presencia de un ácido con baja reactividad o de una sal de calcio.
Según sea la proporción de Ca2+, el gel puede ser levemente termorreversible o por el contrario,
completamente irreversible.
Pectinas de alto metoxilo en presencia de ácido y azúcar.
Pectinas de bajo metoxilo en presencia de Ca2+, saturando el gel péctico.
G. Konjac.
Algunas Típicas Aplicaciones en Alimentos:
Jaleas y Mermeladas.
Jaleas fantasía para confiteria, jaleas de frutas para coberturas y rellenos.
Crema pastelera.
Carne en conserva (carne enlatada), alimento para mascotas.
Alimentos reestructurados (frutas, verduras, etc.).
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Agentes Estabilizantes:
La separación entre varias fases de una mezcla puede hacerse por:
- un espesante que aumente la viscosidad del medio,
- un agente gelificante usado a bajas dosis, apto para crear una red tridimensional,
- una combinación de agente espesante y gelificante.
Algunas Aplicaciones Típicas:
Salsas emulsificadas, aderezos para ensaladas.
Helados y productos relacionados.
Leche chocolatada.
Jugos de fruta.