Reduction of in vitro and in vivo starch digestibility in baked starchy matrices formulated with soluble dietary fiber
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Date
2024
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Abstract
El consumo excesivo de alimentos ricos en almidón se ha relacionado con la prevalencia mundial de enfermedades crónicas relacionadas con la dieta, como la obesidad y la diabetes tipo 2. El estado físico de los gránulos de almidón tiene un papel esencial en la velocidad y la medida en que el almidón se digiere, se absorbe y se vuelve disponible en el cuerpo humano. En este contexto, el horneado es crucial ya que induce numerosas reacciones complejas e irreversibles dentro de los alimentos ricos en almidón, afectando su calidad sensorial, física y nutricional. Los procesos más críticos son la gelatinización del almidón, la desnaturalización de las proteínas, la evaporación del agua, la expansión del volumen, el oscurecimiento no enzimático y la formación de compuestos cancerígenos potenciales inducidos por el calor, como la acrilamida, un problema para la salud humana. Los gránulos de almidón absorben agua y se hinchan durante el proceso de gelatinización, lo que hace que exploten, liberen moléculas de amilosa y amilopectina y queden disponibles para las enzimas amilolíticas durante la digestión gastrointestinal. La digestibilidad del almidón se ve afectada por múltiples factores, como la relación amilosa/amilopectina, las condiciones de procesamiento térmico, los cambios microestructurales y la interacción con fitoquímicos, biomoléculas e ingredientes funcionales como polifenoles o fibras dietéticas (DF, por sus siglas en inglés). Existe un creciente interés científico en el uso de DF para controlar las tasas de digestión del almidón y obtener productos amiláceos con un impacto glicémico reducido sin afectar sus propiedades nutricionales. Los DF que se utilizan a menudo en las formulaciones de alimentos ricos en almidón son resistentes a la digestión humana en el intestino delgado, pero pueden fermentarse en el intestino grueso. Estos compuestos se clasifican según su comportamiento de solubilidad en agua como fibras dietarias insolubles (ISDF) y fibras dietarias solubles (SDF). Entre los SDF más comunes se encuentran la inulina (IN), un polímero de fructosa, la polidextrosa (PD), un compuesto sintético derivado de la glucosa, la goma de guar parcialmente hidrolizada (PHGG), una modificación enzimática de la goma de guar, y la metilcelulosa (MC), un derivado de la celulosa natural. En concordancia, la hipótesis de este estudio especifica que al incorporar SDF, como IN y PD, complementados con PHGG y MC en formulaciones amiláceas y controlando las condiciones de horneado, es posible reducir la digestibilidad del almidón in vitro e in vivo. La alta capacidad de retención de agua (WHC) de IN y PD podría limitar la disponibilidad de agua en los sistemas amiláceos, impidiendo la gelatinización y reduciendo la digestibilidad del almidón; mientras que, la variabilidad en las estructuras químicas dentro de los diferentes grupos funcionales podría facilitar la interacción con los polímeros de almidón, alterando su microestructura al recubrir la superficie de los gránulos gelatinizados e inhibiendo la actividad de las α-amilasas. Además, las SDFs, podrían aumentar la viscosidad del quimo durante la digestión in vivo, inhibiendo la liberación y absorción de glucosa. En consecuencia, esta tesis evaluó el efecto de agregar SDFs (es decir, IN, PD, PHGG y MC) en matrices amiláceas sobre la digestibilidad del almidón a través de métodos in vitro e in vivo, considerando un enfoque microestructural. Las masas laminadas se prepararon con una mezcla reconstituida de gluten (12 % base seca, bs) y almidón de trigo (88 % bs), asegurando el mismo contenido de humedad (~40 % base húmeda, bs). Se ajustó el agua añadida, considerando el contenido de humedad inicial de los ingredientes. Se prepararon otros conjuntos de masas laminadas reemplazando el almidón con SDFs (7,5 o 13 g/100 g). Para asegurar la estabilidad del producto, las muestras se hornearon en un horno eléctrico de convección forzada utilizando 0 % de humedad relativa a 170 °C, hasta un contenido de humedad constante (~6,0 ± 1,0 % db.). El grado de gelatinización se evaluó mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). La bioaccesibilidad del almidón se estudió utilizando ensayos enzimáticos in vitro para determinar las fracciones de glucosa rápidamente disponible (RAG), lentamente disponible (SAG) y no disponible (UG). La microestructura se evaluó mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) para analizar la morfología de los gránulos de almidón en las matrices amiláceas y microtomografía computarizada de rayos X (micro-CT) para evaluar el desarrollo de porosidad de las muestras horneadas. Los parámetros morfométricos se determinaron mediante análisis cuantitativo basado en imágenes. La biodisponibilidad del almidón se estudió a través de ensayos clínicos in vivo de la respuesta glucémica posprandial en voluntarios varones sanos que consumieron una nueva formulación de pan blanco preparada con el SDF que permitió la mayor reducción de la digestibilidad del almidón in vitro. Los datos de glucosa en sangre se utilizaron para calcular los parámetros de índice glicémico (GI) y carga glicémicos (GL) del pan blanco considerando los carbohidratos disponibles por porción de 50g. En la primera etapa, los resultados mostraron que la adición de SDF (es decir, IN, PD, PHGG y MC) al 7,5 % redujo la digestibilidad in vitro del almidón de las matrices de glutenalmidón horneadas (p<0,05). Esta reducción de la digestibilidad del almidón fue más significativa en las muestras modelo con IN que mostraron un bajo contenido de RAG (~18,21 g/100g), una alta fracción de UG (~68,47 g/100g) y una alta dureza (~49,39 N) en comparación con su contraparte control (p<0.05). En esta etapa, los SDF con la mejor reducción de la digestibilidad del almidón fueron IN y PD. En este sentido, fue interesante evaluar si el aumento de los niveles de IN y PD modificaba la gelatinización del almidón o alteraba la microestructura de las matrices gluten-almidón, lo que podría afectar la digestibilidad del almidón. Por lo tanto, la siguiente etapa fue analizar cómo el aumento de la concentración de IN y PD (hasta un 13 %) afectaba el grado de gelatinización, los cambios microestructurales y la digestibilidad in vitro del almidón de las matrices de gluten-almidón. Los resultados mostraron que la adición de IN y PD redujo el grado de gelatinización, comportamiento relacionado con la disminución de la actividad del agua en las matrices amiláceas (p<0.05). El análisis de textura indicó una estructura más homogénea y compacta cuando se agregaron ambos SDFs. El análisis microestructural cualitativo reveló una red de proteínas que actuó como un recubrimiento sobre los gránulos de almidón gelatinizados. Esta estructura se reforzó aún más al agregar los SDFs en concentraciones más altas. El análisis cuantitativo basado en imágenes mostró una disminución en la porosidad total (hasta ~36 %), una notable caída en la porosidad abierta (de ~67 % a ~38 %) y un ligero aumento en la porosidad cerrada (de ~2 % al 5 %) cuando se añadió IN al 13 %. Además, hubo un mayor espesor de estructura (de ~40 µm a ~128 µm) y menores valores de diámetro de poro (~393 µm a 74 µm) en estas matrices con IN (p<0.05). Similar comportamiento se obtuvo en muestras horneadas con PD. Fue posible reducir la digestibilidad del almidón in vitro utilizando ambos SDFs (p<0,05). Las cantidades de RAG disminuyeron de 34,85 g/100g en el control a 8,56 g/100g y 15,13 g/100g en muestras amiláceas con IN y PD al 13 %, respectivamente. Por su parte, las fracciones UG aumentaron de 47,59 en el control a 87,76 y 76,27 g/100g (p<0,05). Estos fenómenos se relacionaron con alteraciones en la bioaccesibilidad del almidón provocadas por los SDF a través de los "efectos de barrera física", que podrían dificultar la acción enzimática durante el proceso digestivo. Además, las reducciones en la digestibilidad del almidón en presencia de las SDFs podrían estar asociadas con una mayor viscosidad del quimo durante la digestión causada por los SDF. El IN permitió una reducción más significativa en la digestibilidad del almidón en las matrices amiláceas modelo. Este comportamiento se atribuyó principalmente a alteraciones en la microestructura y gelatinización del almidón, pero, en menor medida, a cambios en la viscosidad del quimo, ya que el IN presentó valores de viscosidad intermedios según los resultados de la primera etapa. Por lo tanto, en la etapa final, se seleccionó IN para ser aplicada en una nueva formulación de pan blanco. Se realizó una mezcla entre IN y MC para aumentar la viscosidad del quimo. La mezcla SDFs se usó hasta en un 7,15 % dentro de la formulación de pan blanco. Posteriormente se evaluó su efecto sobre la digestibilidad del almidón in vitro e in vivo. Los resultados indicaron que el pan con SDF tuvo una dureza y masticabilidad ligeramente superior al pan control, relacionado con un menor contenido de humedad (p<0,05). Además, la formulación con SDF presentó la mayor cohesividad, elasticidad y los valores más bajos de adhesividad (p<0,05). El análisis morfométrico reveló una ligera reducción de la porosidad en el pan con SDF, un aumento de poros con diámetros pequeños y un aumento significativo del espesor de la estructura (p<0,05). El análisis microestructural cualitativo reveló una tendencia similar a las matrices modelo, ya que se observó una red de gluten-SDF continua y bien desarrollada sobre la superficie del pan, que pegaba y cubría los gránulos de almidón. Fue posible reducir la digestibilidad del almidón in vitro del pan al agregar la mezcla SDFs. El contenido de RAG disminuyó de 31,02 g/100 g a 11,52 g/100 y la fracción de UG aumentó de 62,81 g/100 g a 80,49 g/100 g (p<0,05). La mezcla SDF redujo la respuesta glucémica posprandial del pan hasta en un 25 % en comparación con la glucosa comercial estándar Trutol® (p<0,05). A los 30 min, la cantidad de glucosa liberada in vivo (~115,12 mg/dL) fue ~26 % menor en comparación con las muestras de Trutol® (p<0,05). El pico máximo de glucosa liberada en pan con SDF se alcanzó a los 45 min (~121,57 mg/dL), aproximadamente ~20 % más bajo que Trutol® en el pico superior. Además, la glucemia posprandial disminuyó lentamente en pan con SDF, alcanzando ~116,19 mg/dL a los 60 min y 96,72 mg/dL a los 120 min, ligeramente por encima del valor de referencia en ayunas (~90 mg/dL). La nueva formulación de pan se puede clasificar como un alimento amiláceo con GI y GL intermedios, ya que los valores fueron de ~56,43 y ~15,11, respectivamente. Estos hallazgos podrían ayudar a desarrollar alimentos horneados ricos en almidón más saludables con un impacto glucémico reducido, lo que podría tener implicaciones clínicas importantes para las personas sanas o enfermas de diabetes que deseen incluir IN y MC en su dieta diaria.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2024.