Almidón

En las plantas, el almidón se almacena en gránulos semicristalinos. Cada especie vegetal tiene un tamaño de gránulo de almidón distintivo: el almidón de arroz es relativamente pequeño (alrededor de 2  μm), los almidones de patata tienen gránulos más grandes (hasta 100  μm), mientras que el trigo y la tapioca se encuentran en un punto intermedio. ^{[ 18 ]} A diferencia de otras fuentes botánicas de almidón, el almidón de trigo tiene una distribución de tamaño bimodal, con gránulos tanto pequeños como grandes que van desde 2 a 55  μm. ^{[ 18 ]}

Algunas variedades de plantas cultivadas contienen almidón de amilopectina pura, sin amilosa, conocido como almidón ceroso . El más utilizado es el maíz ceroso ; otros ejemplos son el arroz glutinoso y el almidón de patata cerosa . Los almidones cerosos sufren menor retrogradación , lo que da como resultado una pasta más estable. Una variedad de maíz con una proporción relativamente alta de almidón de amilosa, el amilomaize , se cultiva por su capacidad de gelificación y para su uso como almidón resistente (un almidón que resiste la digestión) en productos alimenticios.

Las plantas sintetizan almidón en dos tipos de tejidos. El primero son los tejidos de almacenamiento, como el endospermo de los cereales y las raíces y tallos de almacenamiento, como la yuca y la patata. El segundo es el tejido verde, como las hojas, donde muchas especies vegetales sintetizan almidón transitorio a diario. En ambos tipos de tejido, el almidón se sintetiza en los plastidios (amiloplastos y cloroplastos).

La vía bioquímica implica la conversión de glucosa 1-fosfato a ADP -glucosa mediante la enzima glucosa-1-fosfato adenililtransferasa . Este paso requiere energía en forma de ATP . Varias almidón sintasas disponibles en los plastidios añaden la ADP-glucosa a través de enlaces glucosídicos α-1,4 a una cadena creciente de residuos de glucosa, liberando ADP. La ADP-glucosa se añade casi con certeza al extremo no reductor del polímero de amilosa, como la UDP-glucosa se añade al extremo no reductor del glucógeno durante la síntesis de glucógeno . ^{[ 19 ]} Las pequeñas cadenas de glucano se aglomeran aún más para formar los gránulos iniciales del almidón.

La biosíntesis y expansión de gránulos representan un evento molecular complejo que puede subdividirse en cuatro pasos principales, a saber, iniciación de gránulos, coalescencia de gránulos pequeños, ^{[ 20 ]} transición de fase y expansión. Varias proteínas han sido caracterizadas por su participación en cada uno de estos procesos. Por ejemplo, una proteína asociada a la membrana del cloroplasto, MFP1, determina los sitios de iniciación de gránulos. ^{[ 21 ]} Otra proteína llamada PTST2 se une a pequeñas cadenas de glucano y se aglomera para reclutar almidón sintasa 4 (SS4). ^{[ 22 ]} Otras tres proteínas, a saber, PTST3, SS5 y MRC, también son conocidas por estar involucradas en el proceso de iniciación de gránulos de almidón. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Además, dos proteínas llamadas ESV y LESV juegan un papel en la transición de fase acuosa a cristalina de las cadenas de glucano. ^{[ 26 ]} Varias sintasas de almidón catalíticamente activas, como SS1, SS2, SS3 y GBSS, son fundamentales para la biosíntesis de gránulos de almidón y desempeñan un papel catalítico en cada paso de la biogénesis y expansión de los gránulos. ^{[ 27 ]}

Además de las proteínas mencionadas, las enzimas ramificadoras del almidón (EB) introducen enlaces α-1,6-glucosídicos entre las cadenas de glucosa, creando la amilopectina ramificada. La enzima desramificadora del almidón (DBE), la isoamilasa, elimina algunas de estas ramificaciones. Existen varias isoformas de estas enzimas, lo que da lugar a un proceso de síntesis muy complejo. ^{[ 28 ]}

El almidón que se sintetiza en las hojas de las plantas durante el día es transitorio: sirve como fuente de energía por la noche. Las enzimas catalizan la liberación de glucosa de los gránulos. Las cadenas de almidón insolubles y altamente ramificadas requieren fosforilación para que las enzimas degradadoras puedan acceder a ellas. La enzima glucano, agua dicinasa (GWD) instala un fosfato en la posición C-6 de la glucosa, cerca de los enlaces de ramificación 1,6-alfa de la cadena. Una segunda enzima, fosfoglucano, agua dicinasa (PWD), fosforila la molécula de glucosa en la posición C-3. Tras la segunda fosforilación, la primera enzima degradadora, beta-amilasa (BAM), ataca la cadena de glucosa en su extremo no reductor. La maltosa es el principal producto liberado. Si la cadena de glucosa consta de tres o menos moléculas, la BAM no puede liberar maltosa. Una segunda enzima, la enzima desproporcionadora-1 (DPE1), combina dos moléculas de maltotriosa. De esta cadena, se libera una molécula de glucosa. Ahora, la BAM puede liberar otra molécula de maltosa de la cadena restante. Este ciclo se repite hasta que el almidón se degrada por completo. Si la BAM se acerca al punto de ramificación fosforilado de la cadena de glucosa, ya no puede liberar maltosa. Para que la cadena fosforilada se degrade, se requiere la enzima isoamilasa (ISA). ^{[ 29 ]}

Los productos de la degradación del almidón son predominantemente maltosa ^{[ 30 ]} y cantidades menores de glucosa. Estas moléculas se exportan del plastidio al citosol: la maltosa a través del transportador de maltosa y la glucosa mediante el translocador de glucosa plastídico (pGlcT) ^{[ 31 ]} . Estos dos azúcares se utilizan para la síntesis de sacarosa. La sacarosa puede utilizarse posteriormente en la vía oxidativa de las pentosas fosfato en las mitocondrias para generar ATP durante la noche ^{[ 29 ] .}

La industria del almidón extrae y refina almidones de cultivos mediante molienda húmeda, lavado, tamizado y secado. Actualmente, los principales almidones refinados comerciales son el almidón de maíz , la tapioca , la arrurruz ^{[ 38 ]} y los almidones de trigo, arroz y patata. En menor medida, también se utilizan como fuentes de almidón refinado la batata, el sagú y el frijol mungo. Hoy en día, se extrae almidón de más de 50 tipos de plantas.

El almidón crudo se procesa a escala industrial para obtener maltodextrina , jarabes de glucosa y jarabes de fructosa. Estas transformaciones masivas están mediadas por diversas enzimas, que degradan el almidón en distintos grados. La degradación implica hidrólisis, es decir, la ruptura de los enlaces entre las subunidades de azúcar mediante la adición de agua. Algunos azúcares se isomerizan. Los procesos se han descrito como dos fases: licuefacción y sacarificación. La licuefacción convierte el almidón en dextrinas . La amilasa es una enzima clave para la producción de dextrina. La sacarificación convierte la dextrina en maltosas y glucosa. En esta segunda fase se utilizan diversas enzimas, como la pullanasa y otras amilasas. ^{[ 39 ]}

Si el almidón se somete a calor seco, se descompone para formar dextrinas , también llamadas "pirodextrinas" en este contexto. Este proceso de descomposición se conoce como dextrinización. Las (piro)dextrinas son principalmente de color amarillo a marrón, y la dextrinización es parcialmente responsable del dorado del pan tostado. ^{[ 40 ]}

El almidón puede hidrolizarse en carbohidratos más simples mediante ácidos , diversas enzimas o una combinación de ambos. Los fragmentos resultantes se conocen como dextrinas . El grado de conversión se cuantifica generalmente mediante el equivalente de dextrosa (ED), que representa aproximadamente la fracción de los enlaces glucosídicos del almidón que se han roto.

Estos azúcares derivados del almidón son, con mucho, el ingrediente alimentario a base de almidón más común y se utilizan como edulcorantes en muchas bebidas y alimentos. Entre ellos se incluyen:

• Maltodextrina , un producto de almidón ligeramente hidrolizado (DE 10–20) utilizado como agente de relleno y espesante de sabor neutro.
• Diversos jarabes de glucosa (DE 30–70), también llamados jarabes de maíz en EE. UU., son soluciones viscosas que se utilizan como edulcorantes y espesantes en muchos tipos de alimentos procesados.
• Dextrosa (DE 100), glucosa comercial, preparada mediante la hidrólisis completa del almidón.
• El jarabe de maíz de alta fructosa se obtiene tratando soluciones de dextrosa con la enzima glucosa isomerasa hasta que una fracción sustancial de la glucosa se convierte en fructosa. En Estados Unidos, el jarabe de maíz de alta fructosa es significativamente más barato que el azúcar y es el principal edulcorante utilizado en alimentos y bebidas procesados. ^{[ 52 ]} La fructosa también tiene una mejor estabilidad microbiológica. Un tipo de jarabe de maíz de alta fructosa, el HFCS-55, es más dulce que la sacarosa porque se elabora con mayor cantidad de fructosa, mientras que el dulzor del HFCS-42 es similar al de la sacarosa. ^{[ 53 ] [ 54 ]}
• Los alcoholes de azúcar , como el maltitol , el eritritol , el sorbitol , el manitol y el hidrolizado de almidón hidrogenado , son edulcorantes que se obtienen mediante la reducción de azúcares.

Los almidones alimentarios modificados están codificados con la letra E según la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria y los aditivos alimentarios están codificados con la letra INS según el Codex Alimentarius : ^{[ 55 ]}

• 1400 Dextrina
• 1401 Almidón tratado con ácido
• 1402 Almidón tratado con álcali
• 1403 Almidón blanqueado
• 1404 Almidón oxidado
• 1405 Almidones, tratados con enzimas
• 1410 Fosfato monoalmidón
• 1412 Fosfato de dialmidón
• 1413 Fosfato de dialmidón fosfatado
• 1414 Fosfato de dialmidón acetilado
• 1420 Almidón acetilado
• 1422 Adipato de dialmidón acetilado
• 1440 Almidón hidroxipropílico
• 1442 Fosfato de hidroxipropil diestearilo
• 1443 Glicerol de diestearato de hidroxipropilo
• 1450 Succinato de octenilo sódico de almidón
• 1451 Almidón oxidado acetilado

INS 1400, 1401, 1402, 1403 y 1405 son ingredientes alimentarios de la UE sin número E. ^{[ 56 ]} Los almidones modificados típicos para aplicaciones técnicas son los almidones catiónicos , el almidón hidroxietílico , los almidones carboximetilados y los almidones tiolados. ^{[ 57 ]}

Como aditivo en el procesamiento de alimentos , los almidones alimentarios se utilizan habitualmente como espesantes y estabilizantes en alimentos como pudines, natillas, sopas, salsas, caldos, rellenos de tartas y aderezos para ensaladas, así como para elaborar fideos y pastas. Funcionan como espesantes, extensores, estabilizantes de emulsiones y son excelentes aglutinantes en carnes procesadas.

Los caramelos de goma, como las gominolas y las gominolas de vino, no se fabrican con un molde convencional. Se llena una bandeja con almidón nativo y se nivela. A continuación, se presiona un molde positivo sobre el almidón, dejando la impresión de unas 1000 gominolas. La mezcla de gelatina se vierte en las impresiones y se coloca sobre una estufa para que cuaje. Este método reduce considerablemente la cantidad de moldes necesarios.

El almidón resistente es aquel que escapa a la digestión en el intestino delgado de individuos sanos. ^{[ 58 ]} El almidón con alto contenido de amilosa del trigo o el maíz tiene una temperatura de gelatinización más alta que otros tipos de almidón y conserva su contenido de almidón resistente mediante horneado , extrusión suave y otras técnicas de procesamiento de alimentos. ^{[ 58 ]} Se utiliza como fibra dietética insoluble en alimentos procesados, como pan, pasta, galletas, crackers, pretzels y otros alimentos con bajo contenido de humedad. ^{[ 58 ]} El almidón resistente está siendo objeto de investigación preliminar por su potencial para mejorar la resistencia a la insulina y los marcadores de la función colónica . ^{[ 58 ] [ 59 ]}

Se ha demostrado que un proceso quimioenzimático libre de células sintetiza almidón a partir de CO₂ _e hidrógeno. La ruta química de 11 reacciones centrales se diseñó mediante un modelo computacional y convierte el CO₂ _en almidón a una velocidad aproximadamente 8,5 veces mayor que la síntesis de almidón en el maíz . ^{[ 60 ] [ 61 ]}

La fabricación de papel es la mayor aplicación no alimentaria de almidones a nivel mundial, consumiendo muchos millones de toneladas métricas anualmente. ^{[ 33 ]} En una hoja típica de papel de copia, por ejemplo, el contenido de almidón puede llegar a ser tan alto como el 8%. Tanto los almidones modificados químicamente como los no modificados se utilizan en la fabricación de papel. En la parte húmeda del proceso de fabricación de papel, generalmente llamada "extremo húmedo", los almidones utilizados son catiónicos y tienen una carga positiva unida al polímero de almidón. Estos derivados de almidón se asocian con las fibras de papel/ celulosa aniónicas o cargadas negativamente y los rellenos inorgánicos. Los almidones catiónicos junto con otros agentes de retención y encolado interno ayudan a dar las propiedades de resistencia necesarias a la banda de papel formada en el proceso de fabricación de papel ( resistencia húmeda ) y a proporcionar resistencia a la hoja de papel final (resistencia seca).

En la etapa seca del proceso de fabricación de papel, la banda de papel se rehidrata con una solución a base de almidón. Este proceso se denomina encolado superficial . Los almidones utilizados han sido despolimerizados química o enzimáticamente en la fábrica de papel o por la industria del almidón (almidón oxidado). Las soluciones de encolado/almidón se aplican a la banda de papel mediante diversas prensas mecánicas (prensas de encolado). Junto con los agentes de encolado superficial, los almidones superficiales confieren mayor resistencia a la banda de papel y, además, proporcionan retención de agua o "encolado" para obtener propiedades de impresión superiores. El almidón también se utiliza en los recubrimientos de papel como uno de los aglutinantes para las formulaciones de recubrimiento, que incluyen una mezcla de pigmentos, aglutinantes y espesantes. El papel estucado presenta mayor suavidad, dureza, blancura y brillo, mejorando así las características de impresión.

Los adhesivos para cartón ondulado representan la segunda aplicación más importante de almidones no alimentarios a nivel mundial. Los pegamentos de almidón se basan principalmente en almidones nativos sin modificar, además de algunos aditivos como bórax y sosa cáustica . Parte del almidón se gelatiniza para contener la suspensión de almidones crudos y evitar la sedimentación. Este pegamento opaco se denomina adhesivo SteinHall. El pegamento se aplica en los extremos del cartón ondulado. El cartón ondulado se presiona sobre un papel llamado revestimiento. Este se seca a alta temperatura, lo que provoca que el resto del almidón crudo del pegamento se hinche/gelatinice. Esta gelatinización convierte al pegamento en un adhesivo rápido y resistente para la producción de cartón ondulado.

El almidón se utiliza en la fabricación de diversos adhesivos o colas ^{[ 62 ]} para encuadernación, adhesivos para papel tapiz , producción de sacos de papel , bobinado de tubos, papel engomado , adhesivos para sobres, colas escolares y etiquetado de botellas. Los derivados del almidón, como las dextrinas amarillas, pueden modificarse mediante la adición de algunos productos químicos para formar una cola dura para trabajos con papel; algunas de estas formas utilizan bórax o carbonato de sodio , que se mezclan con la solución de almidón a 50–70 °C (122–158 °F) para crear un adhesivo muy bueno. Se puede agregar silicato de sodio para reforzar estas fórmulas.  

Una aplicación importante del almidón fuera del ámbito alimentario se encuentra en la industria de la construcción, donde se utiliza en el proceso de fabricación de placas de yeso . Se añaden almidones modificados químicamente o sin modificar al estuco, que contiene principalmente yeso . Se colocan láminas de papel grueso en la parte superior e inferior de la mezcla, y se deja que el proceso se caliente y cure para formar la placa de yeso rígida final. Los almidones actúan como adhesivo entre el yeso curado y el papel, y también proporcionan rigidez a la placa.

• El almidón para ropa se utiliza en el lavado de prendas. Su uso estuvo muy extendido en Europa durante los siglos XVI y XVII.
• Productos químicos textiles derivados del almidón: los agentes de encolado de urdimbre se utilizan para reducir la rotura de los hilos durante el tejido . El almidón se utiliza principalmente para encolar hilos de algodón . El almidón modificado también se utiliza como espesante en la impresión textil .
• En la exploración petrolera, el almidón se utiliza para ajustar la viscosidad del fluido de perforación , que se emplea para lubricar el cabezal de perforación y suspender los residuos de molienda en la extracción de petróleo.
• El almidón también se utiliza para fabricar algunos tipos de bolitas de poliestireno expandido para embalaje y algunas placas para techos suspendidos .
• En la industria de la impresión , el almidón de grado alimenticio ^{[ 63 ]} se utiliza en la fabricación de polvo en aerosol antitransferible que se utiliza para separar las hojas de papel impresas y evitar que la tinta húmeda se transfiera .
• En el caso de los polvos corporales, se utiliza almidón de maíz en polvo como sustituto del talco , y de forma similar en otros productos de salud y belleza.
• El almidón se utiliza para producir diversos bioplásticos , polímeros sintéticos biodegradables. Un ejemplo es el ácido poliláctico, que se obtiene a partir de la glucosa del almidón.
• La glucosa procedente del almidón puede fermentarse aún más para obtener etanol de maíz como biocombustible mediante el proceso de molienda húmeda . Actualmente, la mayoría de las plantas de producción de bioetanol utilizan el proceso de molienda seca para fermentar el maíz u otra materia prima directamente a etanol. ^{[ 64 ]}
• En la industria farmacéutica, el almidón también se utiliza como excipiente , como desintegrante de comprimidos y como aglutinante. La amilosa sintética obtenida a partir de celulosa presenta un grado de polimerización bien controlado. Por lo tanto, puede utilizarse como un posible vehículo para la administración de fármacos. ^{[ 65 ]}