Structure and functionality of acid hydrolyzed and autoclaved corn starches with different amylose content

Abstract

RESUMEN: El almidón es la fuente primaria de energía para los humanos y un biomaterial adecuado para aplicaciones industriales. La estructura de los almidones nativos es modificada por diferentes métodos con el objetivo de aumentar su funcionalidad. La hidrólisis ácida y el tratamiento en autoclave son métodos de modificación ampliamente utilizados para mejorar las propiedades funcionales del almidón. La literatura disponible acerca de los efectos de esos métodos sobre la estructura y la funcionalidad del almidón es abundante; sin embargo, actualmente, la influencia de la estructura de los almidones modificados sobre su funcionalidad no está comprendida completamente. El objetivo de este estudio fue investigar el efecto de ambos métodos sobre la estructura de dos almidones de maíz con diferente contenido de amilosa y explicar su influencia en la funcionalidad. Almidones de maíz normal (NS) y alto en amilosa, Hylon VII (HS) se hidrolizaron con ácido por 3, 6, 9, 12 y 15 días a 25 °C o se trataron en autoclave a 105, 120 y 135 °C por 30 min. Además, los almidones tratados en autoclave (ANS y AHS) a 120 °C se retrogradaron bajo diferentes contenidos de agua a 20 °C. Se estudió la morfología granular y la estructura cristalina y de dobles hélices y se evaluaron las propiedades funcionales de solubilidad, hinchamiento, capacidad de retención de agua y de aceite y la resistencia a la digestión enzimática. Los resultados mostraron que la hidrólisis ácida fue el tratamiento más efectivo para mejorar la solubilidad y la retención de aceite de ambos almidones, debido al elevado efecto degradativo inducido por el ácido en los gránulos y la formación de estructuras helicoidales apropiadas para el atrapamiento de aceite, respectivamente. Por otra parte, el tratamiento en autoclave fue más efectivo para mejorar el hinchamiento y la retención de agua de ambos almidones, mediante el fortalecimiento de las interacciones entre los componentes moleculares del almidón. Dichas interacciones mejoraron la calidad de cristal, la cual fue responsable del incremento de la resistencia a la digestión enzimática de ambos almidones. Además, el orden de dobles hélices afectó la resistencia a la digestión enzimática del HS modificado. En los almidones tratados por autoclave retrogradados, las moléculas de agua plastificaron las cadenas de almidón promoviendo su ordenamiento en dobles hélices mejor empacadas y regiones cristalinas. Adicionalmente, la formación de cristales de dobles hélices de amilosa homogéneos incrementó la resistencia a la digestión enzimática del AHS retrogradado, mientras que en el ANS, la recristalización de la amilopectina disminuyó dicha resistencia debido a la interferencia en la formación de cristales de amilosa homogéneos. La selección del método de modificación y condición de proceso apropiados permite impartir propiedades funcionales específicas al NS y HS. Las aportaciones científicas de este trabajo pueden contribuir al diseño de almidones modificados novedosos con funcionalidad específica. ABSTRACT: Starch is the main source of energy for humans and a suitable biomaterial for industrial applications. The structure of native starches is modified by different methods to enhance its functionality. Acid hydrolysis and autoclaving are modification methods widely used to improve the functional properties of starch. Despite the abundant literature available about the effects of those methods on the structure and functionality of starch, at present, the influence of the structure of the modified starches on the functionality is not fully understood. This study aimed to investigate the effect of both methods on the structure of two corn starches with different amylose content and explain its influence on the functionality. Normal (NS) and high amylose, Hylon VII (HS) corn starches were acid hydrolyzed for 3, 6, 9, 12, and 15 days at 25 °C or autoclaved at 105, 120, and 135 °C for 30 min. Also, the autoclaved starches (ANS and AHS) at 120 °C were retrograded under a range of water contents at 20 °C. The granular morphology and the crystalline and double-helical structure were studied. Also, the solubility, swelling, water/oil holding capacity, and resistance to enzymatic digestion were the functional properties evaluated. The results showed that the acid hydrolysis was the most effective treatment to improve the solubility and oil holding capacity of both starches, due to the high degradative effect induced by the acid on the granules and the formation of appropriate helical structures for the entrapment of the oil, respectively. On the other hand, the autoclaving treatment was more effective to improve the swelling and water holding capacity of both starches, by strengthening the interactions between the molecular components of starch. Such interactions improved the crystallite quality, responsible for the increase of the resistance to the enzymatic digestion in both starches. Moreover, the double-helical order affected the resistance to enzymatic digestion in the modified HS. In the retrograded autoclaved starches, the water molecules plasticized the starch chains promoting their arrangement in close-packed double helices and crystalline regions. Also, the formation of homogeneous double-helical crystallites of amylose increased the resistance to the enzymatic digestion of retrograded AHS. In ANS, the recrystallization of amylopectin prevented the formation of homogeneous amylose crystallites decreasing the resistance to enzymatic digestion. The selection of the appropriate modification method and process condition allows imparting specific functional properties to NS and HS. The scientific findings of this work can help to design novel modified starches with desired functionality.