Instituto Tecnológico de Tijuana Ingeniería Bioquímica Ciencia y Tecnología de Alimentos Profesor: M.C. Ricardo Ocampo Trabajo 1.2 “Reacciones de oscurecimiento” Díaz Aguilar Elena No. de control:15211236 Fecha entrega: 04 - Febrero -19 REACCIONES DE OSCURECIMIENTO Durante la fabricación, el almacenamiento y otros procedimientos en que intervienen, muchos alimentos desarrollan una coloración que, en ciertos casos, mejora sus propiedades sensoriales, mientras que en otros las deteriora. En algunas situaciones los pigmentos naturales como mioglobina, clorofila o antocianinas se pierden y en otras la oxidación de grasas y la interacción de taninos con el hierro generan compuestos coloreados que no están presentes en el producto original debido a reacciones químicas que realizan estas transformaciones. En algunas ocasiones las modificaciones de color de los alimentos es deseable pero en otros casos no es así, es por eso que es necesario conocer muy bien qué condiciones son las que provocan estos cambios y con ello poder tener un mejor control sobre ellas (Badui, 2006). Las reacciones de oscurecimiento son mecanismos muy importantes que también pueden ser llamadas de encafecimiento o empardeamiento ya que sintetizan compuestos de colores que van desde un ligero amarillo hasta el café oscuro. Estas reacciones se han clasificado en enzimáticas y no enzimáticas; en este trabajo nos enfocaremos es las reacciones no enzimáticas donde intervienen azúcares reductores: la caramelización y la reacción de Maillard así como los efectos dañinos del oscurecimiento (Badui, 2006). En la siguiente tabla muestra los aspectos generales de las reacciones de caramelización y Maillard realizando una comparación entre ellas (Mabel Rembado y Sceni, 2009). Reacción de Maillard Esta reacción, conocida también como reacción de oscurecimiento de Maillard, es una denominación en honor al químico francés que la observo por primera vez en 1913 aunque el mecanismo de reacción se propuso hasta el año 1953. Esta designa un grupo muy complejo de transformaciones en las que intervienen hidratos de carbono y aminoácidos o proteínas que traen consigo la producción de múltiples compuestos. Entre ellos pueden citarse las melanoidinas coloreadas, que van desde amarillo claro hasta café oscuro e incluso negro (Badui, 2006) y (Requena Rodríguez y Tomás Balibrea, 2008) Figura 2. Reacción de Maillard Es la responsable el aroma deseable que se generan durante la cocción de alimentos como el pan y el dulce de leche, pero ocasiona también pérdida en el valor nutritivo de las proteínas; además, dan lugar a la formación de compuestos mutagénicos o potencialmente carcinogénicos, como la acrilamida (Badui, 2006) (Mabel Rembado y Sceni, 2009) Aunque esta reacción se puede efectuar en diferentes condiciones se ve influida sobre todo por los siguientes parámetros: 1. pH: A pH alcalino se incrementa la velocidad y alcanza un máximo a pH 10; sin embargo, hay que recordar que existen muy pocos alimentos que tengan pH > 7 en forma natural (como el huevo). Por lo contrario, el mecanismo se inhibe en condiciones muy ácidas, que normalmente no se encuentran en los alimentos (Badui, 2006). 2. Temperatura: Las temperaturas elevadas también la aceleran y aumentan la intensidad del color, pero debido a que su energía de activación es baja, se observa de igual manera hasta en condiciones de refrigeración (Badui, 2006) 3. Tipo de aminoácido: puesto que será más reactivo en la medida en que se incremente el tamaño de la cadena y tenga más de un grupo amino. Por esta razón, la lisina, con su amino en posición e es el más activo; también pueden intervenir otros aminoácidos, como la arginina, la histidina y el triptófano. Además estos influyen principalmente en el aroma generado en la reacción (Badui, 2006), ( Mabel Rembado y Sceni, 2009) Figura 3. Olores producidos por calentamiento de algunos aminoácidos con glucosa a 100°C. 4. Actividad de agua: Otro factor importante es la actividad del agua, por lo que los alimentos de humedad intermedia son los más propensos. Una actividad del agua menor no permite la movilidad de los reactantes, lo que inhibe el mecanismo. Una actividad del agua mayor produce el mismo efecto: por ser producto de la propia reacción, el agua ejerce una acción inhibidora ya que diluye los reactantes (Badui, 2006). 5. Azucares reductores: Los azúcares reductores que más favorecen la reacción de Maillard son, en primer término, las pentosas, y en segundo las hexosas; asimismo, las aldosas actúan más fácilmente que las cetosas, y los monosacáridos son más efectivos que los disacáridos. (Badui, 2006) y (Mabel Rembado y Sceni, 2009). Como podemos observar la reacción de Maillard se lleva a cabo de manera muy compleja donde influyen varios factores y donde además es posible la producción de radicales libres. En la siguiente figura se muestra el diagrama característico de este proceso. Figura 4. Diagrama de reacciones de oscurecimiento de Maillard. Caramelización La caramelización de los azúcares es una de las cuatro principales reacciones de oscurecimiento de alimentos donde los azúcares son el único reactivo (no necesita aminoácidos ni proteínas), los factores que influyen en su velocidad son los mismos que en la reacción de Maillard: tipo de azúcar, pH, y tiempo y temperatura de calentamiento. Estas reacciones se llevan a cabo a temperaturas superiores a 100°C y se lleva a cabo en dos fases: una primera de deshidratación y una segunda de fragmentación. En la primera se produce furfural y sus derivados y en la segunda se forman compuestos de bajo peso molecular que son los responsables del olor característico (Calvo Carrillo, 2012) y (Bello Gutiérrez, 2000). Figura 5. Estructura química furfural. Esta reacción se lleva a cabo tanto a pH ácidos como alcalinos, y se acelera con la adición de ácidos carboxílicos y de algunas sales; se presenta en los alimentos tratados térmicamente de manera drástica donde el proceso debe estar bien controlado con el fin de impedir la formación de sustancias que pueden aportar unos sabores desagradables, por ejemplo, un calentamiento excesivo da origen a la caramelina o humina, de peso molecular muy alto (C125H188O80) con sabor característico a quemado o amargo. La composición y estructura química de los polímeros responsables del llamado caramelo, originado por el tratamiento térmico, resulta ser extraordinariamente compleja y poco aclarada. Esta reacción se puede observar en alimentos tales como la leche condensada y azucarada, los derivados de la panificación, las frituras, y los dulces a base de leche, como cajeta, natillas, etcétera (Badui, 2006) y (Bello Gutiérrez, 2000). Como se mencionó anteriormente, esta reacción se produce cuando una solución concentrada de azúcar es tratada a alta temperatura. Si bien no se conoce exactamente el mecanismo, se supone que el proceso de caramelización se desarrolla en diversas etapas que varían según que transcurran en un medio ácido o en uno alcalino donde los productos obtenidos dependen de estas condiciones: (Bello Gutiérrez, 2000), (Mabel Rembado y Sceni, 2009). a) Caramelización en medio ácido: se produce por la deshidratación de los azúcares y posterior polimerización. Comienza con una primera etapa de enolización 1,2, tanto si se trata de aldosas como de cetosas, para continuar con pérdidas de agua y transposiciones que llevan a la formación de algunos derivados del furfural, como el 5-hidroximetil-furfural . Una vez que éstos se forman, no parecen bien definidos los sucesivos caminos que llevan a la formación de caramelo oscuro y con poco aroma. Estas reacciones se forman principalmente compuestos de alto peso molecular con doble enlaces conjugados (bello) y (Mabel Rembado y Sceni, 2009). Figura 6. Reacción de caramelización en medio acido. b) Caramelización en medio alcalino: se producen isomerizaciones de los azúcares y fragmentaciones de las cadenas, generándose compuestos volátiles de bajo peso molecular donde el caramelo obtenido en este caso es más claro que el anterior pero tiene más aroma. También pasa por una primera etapa de enolización 1,2, para continuar con diversas posibilidades como: Una degradación con la fragmentación de la hexosa en dos moléculas de tres átomos de carbono cada una. Una isomerización con la aparición de otras hexosas, como pueden ser manosa y fructosa a partir de glucosa. Figura 7. Reacciones de caramelización en medio alcalino Control y efectos dañinos del oscurecimiento Como ya se indicó, los factores que más influyen en esta reacción son el pH, la temperatura, la actividad del agua, el tipo de aminoácido y de azúcar, los metales y el oxígeno. En sistemas modelo de laboratorio se pueden manipular todos estos parámetros, de manera que la velocidad de la reacción sea controlable; sin embargo, dada la complejidad química que presentan los alimentos, en un ambiente real sólo es posible modificarlos moderadamente. Existen muchos compuestos que inhiben el mecanismo de Maillard en experiencias de laboratorio, por ejemplo, la dimedona, los cianuros, la hidroxilamina, las hidrazinas, los mercaptanos, los bromuros y las sales de estaño; sin embargo, son muy tóxicos o confieren olores indeseables (Badui, 2006). Además de los colores y olores indeseables, la reacción de oscurecimiento reduce el valor nutritivo del alimento, ya que se pierden aminoácidos y vitaminas y se generan compuestos que pueden ser tóxicos. Se han alimentado grupos de ratas durante dos años con compuestos caramelizados y se hencontrado que producen menor aumento de peso, al parecer por el bloqueo de aminoácidos indispensables. También se ha encontrado que producen excitación, movimientos anormales de la cabeza y carreras en círculo, y se han vinculado con mutagénesis (Calvo Carrillo, 2012). Figura 8. Producción de pigmentos oscuros y pérdida de lisina a 35ºC en un sistema modelo de caseína/glucosa/glicerol, Con una actividad del agua de 0.5 Los efectos indeseables de la reacción de Maillard son menor utilización de la lisina y otros aminoácidos, problemas intestinales, daño hepático e inhibición de enzimas además de la formación de acrilamida. Este compuesto se forma durante la reacción de Maillard en la que se emplean altas temperaturas, alrededor de 180°C, por la combinación de asparagina y azúcares reductores como la glucosa. También puede generarse en productos fritos. La acrilamida se ha encontrado en frituras, productos horneados o tostados (como papas fritas, pan, café, galletas, cereales para desayuno), y en otros alimentos. No se conoce con exactitud su nivel tóxico, aunque la Organización Mundial de la Salud ha establecido un límite máximo de 0.1 mg/kg o litro (Calvo Carrillo, 2012). Figura 9. Concentración de acrilamida en algunos alimentos Referencias 1. Bello Gutiérrez, J. (2000). Ciencia bromatológica. 1st ed. Madrid, España: Ediciones Díaz de Santos, S. A. 2. Badui, S. (2006). Química de los alimentos. 4th ed. México, D.F: Pearson Educación de México S.A. de C.V. 3. Calvo Carrillo, M. (2012). Toxicología de los alimentos. First ed. México, D.F: McGraw Hill. 4. Mabel Rembado, F. and Sceni, P. (2009). La química de los alimentos. 1st ed. Buenos Aires, Argentina 5. Requena Rodríguez, A. and Tomás Balibrea, L. (2008). Tríadas. Oleiros: Netbiblo.
