jueves, 19 de noviembre de 2009

Composición química de los cereales

Cereales


 

Introducción

Los cereales son plantas gramíneas, de los cuales, sus frutos maduros, enteros, sanos y secos, los se pueden utilizar tanto para la alimentación animal como para la humana.

Los cereales son los alimentos más importantes en la nutrición humana desde la antigüedad, la importancia se debe a su completa composición nutrimental. Históricamente están asociados al origen de la civilización y cultura de todos los pueblos. El hombre pudo pasar de nómada a sedentario cuando aprendió a cultivar los cereales y obtener de ellos una parte importante de su sustento. Su naturaleza y valor nutritivo de las semillas fueron el motivo de su cultivo. Cada cultura, cada civilización, cada zona geográfica del planeta, consume un tipo de cereales específicos creando toda una cultura gastronómica en torno a ellos.

En Egipto se conoce desde el año 4000, pero se tienen datos de 10.000 o 20.000 A.C. El maíz es el principal producto de los aztecas, incas.

Entre los europeos domina el consumo del trigo; entre los americanos, el de maíz, y el arroz es la comida esencial de los pueblos asiáticos; el sorgo y el mijo son propios de las comunidades africanas.

Los cereales constituyen un producto básico en la alimentación de los diferentes pueblos, por sus características nutritivas, su costo moderado y su capacidad para provocar saciedad inmediata.

Aportan gran cantidad de nutrientes, como los hidratos de carbono, proteínas, ácidos grasos, vitaminas, sobre todo del grupo B y minerales en menor proporción, haciéndolos alimentos muy completos.

Los encontramos de forma natural en forma de fruto o semilla o bien como resultado del procesamiento al aplicar diversas tecnologías en forma de harinas, pan, pastas alimenticias, galletas, dulces, etc.
El principal producto de los cereales es el pan. El pan es un producto derivado del trigo y centeno que son los cereales que pueden panificar. La avena, arroz, mijo, sorgo son cereales que se convierten en harina y se utilizan de diferentes formas. Todo tipo de cereales representan un producto básico de alimentación.

Por su sabor neutro y ligero pueden combinarse con otros alimentos como frutas, leche y hortalizas.


 

Estructura.

Los cereales pueden tener ciclos de maduración rápidos o lentos, rápidos en zonas de altas temperaturas y escasa lluvia. Los cereales de maduración rápida tienen mayor contenido de proteínas. En la alimentación se emplean las semillas.

El cereal es una semilla formada por dos partes: la cáscara externa y la semilla.

La cáscara externa se compone de cascarilla que es la cubierta pajiza, rica en sílice y lignocelulosa que solamente tienen el arroz, la avena y la cebada y conservan la envoltura floral, la vaina. El resto de cereales tienen el pericarpio que está compuesto básicamente por fibras de celulosa. El salvado que es el tejido externo, rico en fibra alimentaria.

La semilla se compone de dos estructuras: el germen o embrión que es rico en proteínas de alto valor biológico, grasas insaturadas ricas en ácidos grasos esenciales, vitaminas (E y B1) y minerales; y el endospermo (parte interna del grano) es la porción farinácea y constituye la reserva alimentaria de la planta, que se compone principalmente de almidón y en el caso del trigo, avena y centeno también por un complejo de proteínas llamado gluten, formado por las gliadinas y glutelinas que le dan elasticidad y características panificables a la masa de pan.

La composición no está distribuida uniformemente y explica porqué según el proceso de elaboración de las harinas el producto final varía. La tecnología que se aplica va orientada a mejorar la digestibilidad y obtener harinas de mejor palatabilidad y conservación; para ello se separa la vaina, el salvado y el germen.

El grano tras la molienda se transforma en la harina. Las proteínas cereales desempeñan un papel importante (gluten). Todos los granos son ricos en vitamina B y carecen de vitamina C. Algunos como el trigo amarillo contienen beta carotenos. También contienen vitamina E que da estabilidad al cereal (tocoferol es un antioxidante).

Los cereales son productos estacionarios, esto exige el almacenamiento. El grano es un producto bioquímicamente activo, durante el almacenamiento va a sufrir variaciones y su composición química puede variar.

Composición química.

Agua

En los cereales, la cantidad de agua es mínima, sobre todo si son secos, pero en lo general representan un 15% aproximadamente, por lo tanto el restante 85% son sustancias activas y nutritivas, esta concentración excepcional contribuyen a satisfacer las necesidades de fibra que demanda el organismo para mantenerse saludable.

Carbohidratos:

Monosacáridos:

Los granos de cereales tienen una proporción baja de azúcares libres (1 a 3% del peso), aproximadamente, que se encuentran en el germen y en las capas de salvado.

Disacáridos:

Maltosa.

La maltosa, (4—O—b—D—gluco-piranosil—a—D—glucopiranosa), integrada por dos moléculas de glucosa, es un azúcar reductor que es hidrolizado por la maltasa y por ácidos; presenta mutorrotación pues existen los isómeros a o b se encuentra comúnmente en la cebada, en los hidrolizados de maíz y almidones; es la menos higroscópica de todos los maltosacáridos, no es tan dulce como la glucosa pero la dulzura es aceptable, es fermentable, soluble en agua, no cristaliza fácilmente.

Otros oligosacáridos presente en cereales es la neoquestosa y la rafinosa, que causan flatulencia en el ser humano.

Polisacáridos:

De acuerdo con su función biológica se han dividido en dos grandes grupos: los que constituyen la estructura celular y le confieren rigidez a los tejidos (celulosa, pectinas, gomas, etc.), y los que representan la reserva energética de animales y vegetales (glucógeno, inulina y almidón); cada grupo tiene propiedades físicas y químicas muy distintas.

Carbohidratos Digeribles:

Almidón:

En términos generales, los almidones contienen aproximadamente 17-27% de amilosa y el resto de amilopectina. Algunos cereales, tienen variedades llamadas "céreas" que están constituidas casi únicamente por amilopectina; hay otras que tienen hasta 90% de amilosa. La concentración relativa de estos polímeros está regida por factores genéticos típicos de cada cereal.

Tanto la amilosa como la amilopectina influyen de manera determinante en las propiedades sensoriales y reológicas de los alimentos, principalmente mediante su capacidad de hidratación y gelatinización. En ciertos casos, cuando una de estas fracciones está en exceso puede traer consigo algunos inconvenientes; esto se observa en el arroz cocido, cuya calidad mejora cuando se reduce el contenido de amilosa pues resulta menos pegajoso.

El almidón sirve de reserva energética en los vegetales y se encuentra en pequeños corpúsculos discretos que reciben el nombre de gránulos; en el tejido vegetal, éstos ejercen una presión osmótica muy baja, con lo que la planta almacena grandes cantidades de glucosa de una manera muy accesible sin romper el balance de agua interior. El tamaño y la forma del gránulo son característicos de cada especie botánica, y esto se ha aprovechado en el desarrollo de diferentes métodos microscópicos para identificar el origen de los distintos almidones. En un mismo cereal se distinguen varios tipos de gránulos; en general, los que se encuentran en la zona más exterior del endospermo son poliédricos, mientras que los del interior son redondos.

Uno de los métodos para obtener almidón de manera comercial es mediante la llamada molienda húmeda que se hace con el maíz.

Los subproductos también tienen un alto valor comercial, ya que el germen se usa para la extracción de aceite comestible y el gluten, rico en proteínas, para el consumo humano y animal.

Los gránulos de almidón son insolubles en agua fría debido a que su estructura esta altamente organizada y a que representa una gran estabilidad debido a las múltiples interacciones que existen con sus dos polisacáridos constituyentes; sin embargo, cuando se calientan empieza un proceso lento de absorción de agua en las zonas intermicelares amorfas, que son las menos organizadas y las más accesibles, ya que los puentes de hidrógeno no son tan numerosos ni rígidos como en las áreas cristalinas. A medida que se incrementa la temperatura, se retiene más agua y el gránulo empieza a hincharse y a aumentar de volumen, fenómeno que se puede observar en el microscopio; una vez que la parte amorfa se ha hidratado completamente, la cristalina inicia un proceso semejante, pero para esto se requiere más energía.

Al llegar a una cierta temperatura, el gránulo alcanza su volumen máximo y pierde tanto su patrón de difracción de rayos X como la propiedad de birrefringencia; si se administra más calor, el gránulo hinchado, incapacitado para retener el líquido, se rompe parcialmente y la amilosa y la amilopectina fuertemente hidratadas, se dispersan en el seno de la disolución.

A todo este proceso se le llama gelatinización y es una transición de un estado ordenado (v.g. la estructura cristalina) a otro desordenado en el que se absorbe calor. Es decir, la gelatinización transforma los gránulos de almidón insolubles en una solución de las moléculas constituyentes en forma individual.

Cabe indicar que al final de este fenómeno se genera una pasta en la que existen cadenas de amilosa de bajo peso molecular altamente hidratadas que rodean a los agregados, también hidratados, de los restos de los gránulos. La solubilización y la destrucción total de dichos gránulos se consiguen cuando se someten a temperaturas de autoclave y se acelera considerablemente con una agitación violenta. La cantidad de agua que absorben los diferentes almidones varía, pero se puede considerar que va de 40 a 55 gramos de agua por cada 100 g de sólido.

Carbohidratos No Digeribles:

Celulosa

En el arroz, el maíz y el trigo se localiza en el pericarpio y en el germen junto con las hemicelulosas y la lignina, y representan 1, 2.5 y 2% del grano respectivamente.

Hemicelulosas

El trigo contiene 2 a 3% de hemicelulosa y una fracción de ésta (0.5 a 0.8%) es de peso molecular bajo y soluble en agua, mientras que la otra es de peso molecular alto e insoluble. La presencia de la primera provoca que la harina de este cereal absorba mayor cantidad de agua, lo cual reduce el tiempo de amasado y mejora el volumen y la textura del pan de trigo. Cuando aumenta el contenido de hemicelulosas insolubles, la cantidad global de los productos de panificación tiende a reducirse.

Estos hidratos de carbono representan diferentes capacidad de hidratación, o retención de agua, por ejemplo el del trigo tiene un valor de 22.8 g de agua por gramo de polímero.

PROTEÍNAS

Trigo

Este cereal se usa fundamentalmente en la fabricación de los distintos derivados de la panificación, ya que representa la particularidad de que durante su fermentación se produce un esponjamiento; característica que sólo el centeno comparte parcialmente con él, ya que los demás cereales (avena, sorgo, cebada, maíz, arroz y mijo), no la tienen.

La harina contiene de 10 a 12% de proteínas, que al igual que las del maíz, son básicamente glutelinas y prolaminas del citoplasma de las células del endospermo, en donde actúan como componentes estructurales y de reserva de nitrógeno para el crecimiento; en menor proporción existen también otras como albúminas y globulinas, que representan sólo aproximadamente 15% del total y cuyo peso molecular promedio es de 12,000. La separación de cada una de las fracciones que integran las proteínas del trigo se pueden efectuar con base en la solubilidad.

Las glutelinas del trigo reciben el nombre de gluteninas, mientras que las prolaminas, el de gliadinas y ambas suman 85% de la fracción proteínica; éstas, junto con los lípidos y el agua forman el llamado gluten‚ responsable de las propiedades de cohesividad y de viscoelasticidad de la masa de panificación.

Las gliadinas solubles en etanol al 70% representan 50% del total de las proteínas; son una clase heterogénea de 40-60 polímeros que por electroforesis se han dividido en cuatro grupos (a, b, gamma, omega) , en una proporción de 15, 30, 30 y 25 %, respectivamente. Sus cadenas simples tienen estructuras primarias con diferente composición de aminoácidos y su peso molecular varía de 15,000 a 80,000, con un promedio de 36,000. Su conformación se estabiliza por enlaces disulfuro intramoleculares; al hidratarse forman una masa viscosa extensible, fluida pero poco elástica y son las responsables de la expansión de la masa durante la elaboración del pan. Cuando existe un exceso de gliadinas en relación con las glutelinas, el gluten se vuelve débil, permeable y no retiene el anhídrido carbónico, entonces la masa en lugar de esponjarse se colapsa.

Se han identificado también 15 gluteninas en forma monomérica que tienen pesos moleculares desde 12,00 hasta 135,000 y que se caracterizan por su elevado número de enlaces disulfuro (aproximadamente 50 por moléculas) que le confieren una gran estabilidad y permiten la asociación para formar polímeros de un peso molecular de varios millones. Son insolubles en soluciones salinas neutras y en etanol al 70%, solubles o dispersables en ácidos y en bases débiles; al hidratarse producen una masa muy tenaz, elástica y cohesiva. Para elaborar el pan, estas proteínas deben estar en una proporción adecuada ya que en exceso el gluten presenta tanta cohesividad que inhibe la expansión de la masa y provoca una reducción del volumen final.

El gluten en su conjunto tiene una composición de aminoácidos de aproximadamente 6% ionizables, 45% polares y 49% apolares; se caracteriza por un elevado contenido de prolina y glutamina (14 y 37%, respectivamente, del total de aminoácidos); la alta proporción de este iminoácido hace que los polipéptidos carezcan de una conformación helicoidal, lo que a su vez causa que el grupo amida de la glutamina tenga facilidad de establecer puentes de hidrógeno intermoleculares e intramoleculares. Su baja concentración de aminoácidos ionizables y el alto porcentaje de los hidrófobos hace que sea poco soluble a pH neutro. Contiene, además, un gran número de residuos de cisteína que le permite producir enlaces disulfuro intra e intermoleculares aun cuando las proteínas del trigo no forman una estructura tridimensional a base de enlaces covalentes. (Ver panificación).

En los últimos años, se han realizado muchas investigaciones respecto del efecto tóxico que causa en el hombre el consumo de proteínas del trigo; esta anomalía es conocida como enteropatía por gluten o enfermedad celiaca. Este problema es hereditario.

Maíz

El maíz en muchos países, como México, es el principal alimento para gran parte de la población, sobre todo la de pocos recursos económicos; se consume en formas muy variadas (tortillas, tamales, atole, pinole, etc.). Al igual que otros cereales, es rico en carbohidratos, pero deficiente en proteínas, tanto en calidad como en cantidad (ver nixtamalización).

Se pueden lograr la extracción de sus fracciones proteínicas, por medio del cual se separan las albúminas, las globulinas, las prolaminas y las glutelinas; se observa que el maíz contiene un porcentaje muy elevado de prolaminas y glutelinas, polipéptidos que generalmente tienen estructura secundaria y terciaria muy rígidas por su alto contenido de enlaces disulfuro. En un aminoagrama, se demuestra que el maíz es deficiente en lisina y en triptofano y que la relación de concentraciones de leucina/isoleucina es muy elevada; estos factores, aunados a su estructura terciaria rígida, hacen que su calidad nutricional sea reducida.

El aceite de maíz, contiene los siguientes ácidos grasos: mirístico, palmítico, palmitoleico, margárico, esteárico, oleico, linoleico, linolénico, araquídico y behénico; índice de iodo 118 a 128; y el índice de saponificación de 187 a 193.

Encontramos 86.4% de ácidos grasos insaturados y 13.6% de ácidos grasos saturados.

Los cereales son el centro de la dieta y el alimento más abundante desde que existe la agricultura. Tres son los principales en el mundo con producción muy semejante (aproximadamente 300 millones de toneladas al año cada uno): el maíz, el arroz y el trigo, pero cabe incluir el centeno, la avena, la cebada, el sorgo y tal vez el tricale (cruza de trigo y centeno obtenida en este siglo y que todavía no encuentra su sitio, sobre todo porque al ser pobre en gluten no se presta para la panificación).

El maíz y el trigo no son naturales, son especies artificiales, como el tricale, creadas por el hombre; el desarrollo del maíz a partir posiblemente del teozintle sigue siendo una gran hazaña técnica que al parecer se realizó en la región de Tehuacán en épocas prehistóricas. Hoy en día toda cultura dispone de varios cereales que se usan en las proporciones que más les conviene, pero en el pasado era uno solo.

El aporte fundamental de las semillas de los cereales es el almidón y la proteína, pero suministran también hemicelulosa (si no se han refinado); en algunos casos (maíz), aceite rico en ácidos grasos poliénicos y tocoferoles y cantidades importantes de tiamina, vitamina B6 y hierro aunque éste, por el ácido fítico, no es muy absorbible. Aportan más fósforo que calcio.

El valor nutritivo de un alimento se debe considerar desde cuatro dimensiones: la nutrimental, la toxicológica, la sensorial y la cultural, cada una de las cuales tienen varios componentes que no se miden de igual manera.

El aporte nutrimental es el resultado de la composición del alimento, pero también de la cantidad consumida que, entre otros factores, depende de la disponibilidad y del precio.


 

A continuación analizamos algunos parámetros del maíz.

Disponibilidad: muy alta (la mayor en la dieta del mexicano).

Precio: el más bajo en energía y de los más bajos en proteínas.

Consumo: el más alto.

Aporte nutrimental global: 60% de la energía y 40% de las proteínas en el nivel nacional.

Valor sensorial: alto. La población ha dominado las técnicas culinarias para este cereal durante milenios y hay centenas de platillos basados él.

Valor cultural: muy alto, al grado de que hable de la cultura del maíz.


 

COMPOSICIÓN DE LOS CEREALES
(contenido en 100 gramos de grano crudo)

Cereal

cal/100g

Proteínas

Grasas

Hidratos
carbono

Arroz

350

7.8

1.4

77.0

Trigo

347

10.6

1.3

79.5

Maíz

364

9.6

3.5

73.9

Avena

384

14.3

7.7

65.2

Centeno

341

8.2

1.6

75.0

Cebada

355

8.6

1.4

78.2


 


 

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