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293 Rev. Fac. Agron. (LUZ). 2012, 29: 293-313 Análisis estructural del almidón nativo de yuca (Manihot esculenta C. ) empleando técnicas morfométricas, químicas, térmicas y reológicas Structural analysis of the cassava native starch ( Manihot esculenta C.) using morphometric, chemical, thermal and rheological techniques L. Sívoli 1 , E. Pérez 2 y P. Rodríguez 3 1 Centro de Bioquímica Nutricional, Facultad de Ciencias Veterina- rias, Universidad Central de Venezuela. 2 Instituto de Ciencia y Tec- nología de Alimentos, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela. 3 Centro de Microscopía Electrónica, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela. Resumen En este trabajo se caracterizó, el tamaño, forma, contenido de amilosa y las propiedades reológicas del almidón de yuca ( Manihot esculenta C.) comercial pro- veniente del Brasil, empleando microscopía óptica y electrónica (SEM), difracción láser, calorimetría de barrido diferencial, viscoamilógrafo Brabender y viscosímetro Brookfield. Los resultados morfométricos muestran una población granular bimodal; con una parte de la población formada de gránulos con tamaños de 0,5 a 7,5 µm, y otra con gránulos mas grandes (7,6 µm hasta 35,6 µm) con formasovaladas y ovaladas–truncadas, respectivamente, características en este tipo de almidón. Ambas poblaciones presentaron Cruz de Malta y los gránulos con formas trunca- das presentaron superficies suaves y ciertas depresiones. Es remarcable en algu- nos de estos gránulos, la presencia de aristas definidas. Los resultados reológicos indican el comportamiento de un fluido pseudoplástico no-Newtoniano. El perfil de gelatinización indica que este almidón tiene un relativo alto asentamiento (181UB), con temperatura inicial de gelatinización de 64,9ºC. Palabras clave: almidón de yuca, estructura granular, propiedades reológicas, microestructura. Recibido el 20-1-2011 Aceptado el 13-2-2012 Autor de correspondencia e-mail: [email protected]

Análisis estructural del almidón nativo de yuca

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Análisis estructural del almidón nativo de yuca(Manihot esculenta C.) empleando técnicas

morfométricas, químicas, térmicas y reológicas

Structural analysis of the cassava native starch (Manihotesculenta C.) using morphometric, chemical,

thermal and rheological techniques

L. Sívoli1, E. Pérez2 y P. Rodríguez3

1Centro de Bioquímica Nutricional, Facultad de Ciencias Veterina-rias, Universidad Central de Venezuela. 2Instituto de Ciencia y Tec-nología de Alimentos, Facultad de Ciencias, Universidad Central deVenezuela. 3Centro de Microscopía Electrónica, Facultad de Ciencias,Universidad Central de Venezuela.

Resumen

En este trabajo se caracterizó, el tamaño, forma, contenido de amilosa y laspropiedades reológicas del almidón de yuca (Manihot esculenta C.) comercial pro-veniente del Brasil, empleando microscopía óptica y electrónica (SEM), difracciónláser, calorimetría de barrido diferencial, viscoamilógrafo Brabender y viscosímetroBrookfield. Los resultados morfométricos muestran una población granular bimodal;con una parte de la población formada de gránulos con tamaños de 0,5 a 7,5 µm, yotra con gránulos mas grandes (7,6 µm hasta 35,6 µm) con formasovaladas yovaladas–truncadas, respectivamente, características en este tipo de almidón.Ambas poblaciones presentaron Cruz de Malta y los gránulos con formas trunca-das presentaron superficies suaves y ciertas depresiones. Es remarcable en algu-nos de estos gránulos, la presencia de aristas definidas. Los resultados reológicosindican el comportamiento de un fluido pseudoplástico no-Newtoniano. El perfilde gelatinización indica que este almidón tiene un relativo alto asentamiento(181UB), con temperatura inicial de gelatinización de 64,9ºC.Palabras clave: almidón de yuca, estructura granular, propiedades reológicas,microestructura.

Recibido el 20-1-2011 Aceptado el 13-2-2012Autor de correspondencia e-mail: [email protected]

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Abstract

In this work was characterized the size and shape, amylose content, andrheological properties of (Brazilian commercial) cassava starch by using the opticand electronic microscopes (SEM), laser diffraction, differential scanning calorimetric(DSC), Brabender viscoamylograph and Brookfield viscosimeter. The morphometricdata are indicating that the granular population varies in a bimodal form, in twogranular sizes; one small and round with sizes from 0.5 to 7.5 µm, and anotherone with oval-trucated and biggest size, varying from 7.6 to 35.6 µm. In the roundand oval-truncated forms which have a delineated Malta cross, several smallagglomerations on them are observed. The truncated forms show smooth surfaceand certain depressions can be appreciated on them. It is also remarkable insome of grains, the presence of defined edges or aristae. The rheological resultsare pointing out a behavior of pseudoplastic, non-Newtonian fluid. Thegelatinization profile is showing that this starch displays a relatively high setback(181UB) and an initial gelatinization temperature of 64.9ºC.Key words: Cassava starch, cassava, granular structure, rheological properties,microstructure.

Introducción

Aun cuando el almidón proceden-te de distintas fuentes, exhiben unaestructura fundamental similar, ellosdifieren en detalles específicos de sumicro y ultraestructura. Las diferen-cias entre los tipos de almidones conrespecto a la morfología del gránulo(tamaño, forma, presencia de poros,canales y cavidades), estructuramolecular (amilosa y amilopectina) ycomposición (relación amilosa/amilopectina, contenido de componen-tes no amiláceos), son las responsablesde las variaciones en las propiedadesfuncionales del mismo (Whistler et al.,1984; Huber y BeMiller, 2000). Estasdiferentes propiedades se ven refleja-das en los patrones de difracción deRayos X, rango de temperatura degelatinización, propiedades del gel, ten-dencia a la retrogradación, poder ypatrón de hinchamiento de los gránu-

Introduction

Even when the starch comingfrom different sources exhibit a simi-lar main structure, they differ inspecific details of the micro and ultra-structure. The differences between thetypes of starch regarding themorphology of the grain (size, shape,presence of pores, canals and cavities),molecular structure (amylase andamylo-pectin) and composition(relation amyslose/amylo-pectin,component of non amylase content),are the responsible of the variationsin the functional properties of it(Whistler et al., 1984; Huber andBeMiller, 2000). These differentproperties are reflected in thediffraction patterns of X Rays,temperature rank of gelatinization,properties of the gel, tend to theretrogradation, power and pattern ofthe grain’s swelling, among the most

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los, entre las más importantes; y lascuales son indicativas de la divergen-cia estructural entre almidones de di-versos orígenes (Huber y BeMiller,2000).

Los dos componentes principalesdel almidón (amilosa y amilopectina),son los responsables de formar la es-tructura semi cristalina de sus grá-nulos, la cual consiste de una láminao membrana cristalina (ordenada, decadena de glucanos paralelos estrecha-mente empacada) y una lámina o mem-brana amorfa (regiones menos ordena-das, donde predominan puntos de ra-mificación). Los almidones de diferen-tes orígenes tienen diferentes patronesy grados de cristalinidad(Atichokudomchai et al., 2000).

En la raíz de la yuca el compo-nente más importante de la materiaseca es el almidón (Beleia et al., 2006).El almidón de yuca, es muy utilizadoen la industria papelera, textilera yalimentaria en los países tropicales(Radley, 1976; Whistler et al, 1984;Nabeshima y Grossmamm, 2001), de-bido a que en su estado nativo, poseeuna variedad de propiedades interesan-tes; por ejemplo, sus gránulos se hin-chan rápidamente a bajas temperatu-ras dando pastas claras, adhesivas yfibrosas (Whistler et al., 1984).

El almidón juega un rol impor-tante en el desarrollo de nuevos pro-ductos; en la actualidad, existen nu-merosas formulaciones desarrolladas,donde el almidón es vital como ingre-diente funcional, los cuales satisfacenla demanda; no solo de la industria dealimentos, sino de las industrias decosméticos, textil, fármacos, papel,entre otras. Las diferencias entre lostipos de almidones con respecto a su

important; and which are indicatorsof the structural divergence amongstarches of different origins (Huber andBeMiller, 2000).

The two main components ofstarch (amylose and amylo-pectin), arethe responsible of forming a semi-clearstructure of their grains, whichconsists on a lamina or cleanmembrane (ordered, with paralleledglucan-chain widely packed) and a la-mina or amorphous membrane (lessordered regions, where predominatethe ramification points). Starches withdifferent origins have differentpatterns and clear degrees(Atichokudomchai et al., 2000).

In the root of cassava, the mostimportant component of the drymatter is the starch (Beleia et al.,2006). Cassava’s starch is very usedin the paper, textile and food industryin tropical countries (Radley, 1976;Whistler et al., 1984; Nabeshima andGrossmamm, 2001), due to on itsnative state it has a variety ofinteresting properties,; for example,their granular swell rapidly at lowtemperatures creating clear, adhesivesand fibrous pasting (Whistler et al.,1984).

Starch has an important role inthe development of new products;currently, there are different formuladeveloped, where starch is vital as afunctional ingredient; which satisfythe demand, not only in the food’sindustry but also in cosmetics, textile,pharmaceutics, and paper, amongothers. The differences among thetypes of starches regarding thestructure (size, shape, presence ofporous, canals and cavities) are known,since these support their botanical

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estructura (tamaño, forma, presenciade poros, canales y cavidades) son re-conocidas; debido a que estas atiendena su origen botánico e inciden en suspropiedades funcionales. Es por ello,que su conocimiento es importante enla aplicación del mismo, para usos es-pecíficos y en la tecnología de su modi-ficación. El tamaño y forma granulardefinen propiedades; como su tempe-ratura, rata de gelatinización,“pasting” y pico de viscosidad, tam-bién su capacidad de dispersión en lí-quidos; específicamente en agua y sucapacidad de aspersión como sólido ocomo liquido. En la industria de cos-méticos su tamaño es apreciable; yaque se prefieren los gránulos pequeños.En el procedimiento de modificación esrelevante la presencia de poros o cana-les en el gránulo y su tamaño y formaincidirán en la eficiencia de la misma.La evaluación estructural de almido-nes de diferentes fuentes botánicas, porlo tanto, predecirá propiedades funcio-nales específicas y de importancia parasu aplicación. Por último, en el campode la nanotecnología el tamaño delgránulo de almidón y su forma sonpropiedades muy importantes al mo-mento de decidir cual tipo usar.

La Microscopía (óptica y electró-nica) y la difractometría con rayos láserjuegan un rol importante para el enten-dimiento de la estructura granular delos almidones (Sívoli et al., 2009). Lamicroscopia, ha sido muy empleada paradetectar cambios estructurales causadospor los procesos de modificación físicas,químicas y/o enzimáticas, incluyendo elconocimiento de las regiones mas susti-tuidas en los gránulos del almidón(Singh et al., 2007). Estos cambios es-tructurales también pueden ser relacio-

origin and influence in their functionalproperties. Thus, its knowledge isimportant in the application of it forspecific uses and in the technology ofits modification. The size and granularshape define properties; such as,temperature, gelatinization rate,pasting and viscosity peak, as well asits capacity of dispersion in liquids,specifically in water and its aspersioncapacity as solid or liquid. In thecosmetic industry, its size isappreciable, since the small granularare preferred. In the modificationprocess, it is relevant the presence ofporous or canals in the granular andtheir size will influence in the efficiencyof it. The structural starchesevaluation of different botanicalsources, will predict specific functionalproperties with great importance fortheir application. Finally, in thenanotechnology, the granular size ofthe starch and their shapes are veryimportant properties at the momentof deciding the type to be used.

The microscopy (optical andelectric) and the diffractometry withlaser rays have an important role forunderstanding the granular structureof starches (Sívoli et al., 2009). Themicroscopy has been employed to detectstructural changes caused by thephysical, chemical and/or enzymaticmodification processes, including theknowledge of the most substitutedregions in the starch’s granular (Singhet al., 2007). These structural changescan also be related to rheologicalproperties to distinguish its functionalrole.

Because of the latter, theobjectives of this research is theemployment of mycroscopy, chemical,

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nados a las propiedades reológicas paradiscernir su carácter funcional.

Por lo antes expuesto, se plan-tean como objetivos en el siguiente es-tudio, el empleo de técnicas microscó-picas, químicas, térmicas y reológicaspara evaluar la estructura del almi-dón nativo de yuca y relacionarlas consus propiedades funcionales.

Materiales y métodos

MaterialesAlmidón nativo de yuca

(Manihot esculenta C.) proveniente delBrasil, suministrado por Industrias delMaíz (INDELMA) Cagua, estadoAragua, Venezuela.

MétodosMicroscopía ópticaMicroscopía de luz y campo

oscuro con y sin tinción con iodoPara la observación de la estruc-

tura granular se utilizaron dos campos:un campo oscuro y un campo con luzintensa. Adicionalmente, las muestrasobservadas en el campo con luz intensa,también se observaron después de sutinción con iodo. Cuando se empleó cam-po oscuro y luz intensa sin iodo, unapequeña porción de almidón fue esparci-da en centro de la lámina porta objeto yse le añadieron 2 a 3 gotas de agua des-tilada y con la ayuda de una lámina cu-bre objeto se esparció la mezcla almi-dón agua hasta que adquirió el tamañoadecuado para ser cubierta la láminacubre-objeto, cuidadosamente evitandola formación de burbujas de aires, se lecolocó la lámina cubre-objeto. (Blaszczaket al., 2003; Koroteeva et al., 2007).Cuando se empleó luz intensa y tincióncon iodo, en vez de colocar agua destila-da a la pequeña porción de almidón es-

thermal and rheological techniques toevaluate the structure of the nativestarch of cassava and relate them totheir functional properties.

Materials and methods

MaterialsStarch native from cassava

(Manihot esculenta C.) coming fromBrazil, supplied by the Corn Industry(INDELMA) Cagua, Aragua state,Venezuela.

MethodsOptical microscopyLight microscopy and dark

scope with or without iodinetinting

For observing the granularstructure two scopes were used: a darkscope and a scope with intense light.Additionally, the samples were observedin the scope with intense light, andwere also observed after being tintedwith iodine. When a dark scope andintense light without iodine wasemployed, a small portion of starch wasput in the center of the slide and 2 to 3drops of distilled water were added, andusing a top slides the starch-water mixwas spread until it acquired theadequate size to carefully cover the top-slide, carefully and avoiding theformation of air bubbles the top-slidewas put (Blaszczak et al ., 2003;Koroteeva et al., 2007). When intenselight and iodine tinting was appliedinstead of adding distilled water to thesmall portion of the spread starch inthe center of the slides, 2 to 4 drops ofLugol solution were added and kept instand by for 5 minutes, using a top-slidewas done the preparation of the starch-iodine solution the same way described

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parcida en el centro de la laminaportaobjeto se le añadieron 2 a 3 gotasde solución de Lugol y se mantuvo enreposo por 5 minutos, con ayuda delcubre objeto se realizó la preparación dela solución de almidón-iodo de la mismamanera como se describió anteriormen-te. Una vez preparadas, las laminasfueron observadas y fotografiadas usan-do magnificaciones de 40X y 100X, conun microscopio Nikon Optiphot con unacámara adaptada Nikon FX-35DX. Parael caso de campo oscuro, una vez obteni-do un campo nítido, se observó la mues-tra usando el condensador especial paracampo oscuro que ilumina la muestracon luz fuerte indirecta. En este caso, elcampo visual se muestra como un fondooscuro sobre el cual aparecen pequeñaspartículas brillantes de la muestra quereflejan parte de la luz hacia el objetivo.

Microscopía de Luz Polariza-da (MLP)

Para evaluar la forma de los grá-nulos y la cruz de malta, se empleó unmicroscopio óptico estándar NikonOptihot 2 con dispositivo fotográfico in-corporado marca Nikon FX – 35D y fil-tro de luz polarizada, según metodologíadescrita por Pérez et al., (2005). Para ellouna pequeña cantidad de almidón fueesparcido en el portaobjeto, al cual se leañadieron 1-2 gotas de agua destiladacomo vehículo dispersante; sobre éste, secolocó el cubre objeto y se mantuvo enreposo por dos minutos; posteriormentese observaron los mejores campos.

Microscopía Electrónica deBarrido (MEB)

La forma granular, tamaño ydistribución de los gránulos fueron es-tudiadas empleando Microscopía Elec-trónica de Barrido (MEB). La mues-tra de almidón, fue suspendida en una

previously. Once prepared, the slideswere observed and photographed usingmagnifications of 40X and 100X, witha microscope Nikon Optiphot with anadapted camera Nikon FX-35DX. Forthe case of the dark scope, once obtaineda clear scope, the sample was usedusing the special condenser for darkscopes that illuminates the sample withstrong indirect light. In this case, thevisual scope is shown as a dark scopeon which appears small brilliantparticles of the sample that reflect partof the light towards the objective.

Microscopy of Polarized light(MLP)

To evaluate the granular shapeand the malt’s cross; a standard opticalmicroscope was employed NikonOptihot 2, with incorporatedphotographic device Nikon FX – 35Dbrand and filter of polarized light,according to the methodology describedby Pérez et al., (2005). For this, a smallquantity of starch was spread in theslide, and 1-2 drops of distilled waterwere added as a spreader vehicle, onit, was put the top-slide and kept instand by for two minutes, later, thebest scopes were observed.

Electronic microscopyscanning (MEB)

The granular shape, size anddistribution of grains were studiedemploying electronic microscopyscanning (MEB). The starch samplewas immersed in an ethanol solutionat 40% v/v and totally spread in anultrasound for 2 minutesapproximately, with the aim ofavoiding agglomerations. Later, 2drops of the sample were added in anidentified slide. The prepared sampledwere covered with an alloy of

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solución de etanol al 40% v/v y disper-sada en su totalidad en un baño ultra-sonido, alrededor de 2 minutos con lafinalidad de evitar aglomeraciones.Luego se colocaron 2 gotas de la mues-tra en un porta muestra identificado.Las muestras preparadas fueron cu-biertas con una aleación de platino/paladium por ocho min en un cubridoriónico Hitachi E 102 Ion Sputter. Lue-go se examinaron a 20,0 kV, y se foto-grafiaron en un microscopio electróni-co de barrido Hitachi S 2400. El diá-metro promedio de los gránulos de al-midón fue estimado midiendo al azar20-30 gránulos para microfotografíaspor triplicado (Sívoli et al., 2005).

Determinación del contenidode Amilosa

El contenido de amilosa fue de-terminado empleando el métodocolorimétrico que se fundamenta enmedir la formación del cromógeno en-tre la amilosa y solución de iodo y elmétodo calorimétrico el cual se basaen medir el cambio de entalpia por efec-to del acomplejamiento de la amilosacon una solución de lisofofatidilcolina(Mestres et al., 1996).

Determinación de la Distri-bución del tamaño de la partícu-la por Difracción Láser

El tamaño de los gránulos y sudistribución fueron medidos conDifracción Láser (DL) (Blaszczak et al.,2003; Merca y Juliano, 1981). Este equi-po permite obtener resultados en unamplio rango de tamaños (0,02 -2000µm). Este análisis provee informacióndel área superficial específica, diáme-tro del volumen proyectado (µm) y diá-metro promedio de la superficie proyec-tada (µm). Para llevar a cabo el análi-sis, 100 mg de muestra fueron suspen-

platinum/palladium for eight minutesin an ionic cover Hitachi E 102Sputter. Later, were examined at 20.0kV and photographed in an electronicscanning microscope Hitachi S 2400.The average diameter of the starchgranular was estimated measuring atrandom 20-30 grains for triple micro-photography (Sívoli et al., 2005).

Determination of theamylose content

The amylose content wasdetermined employing the colorimetricmethod based on measuring theformation of the chromogen between theamylase and the iodine solution and thecalorimetric method, which is based onmeasuring the enthalpy change byeffect of amylase complexation with alysophosphatidylcholine solution(Mestres et al., 1996).

Distribution determinationof the particle size by LaserDiffraction

The granular size and theirdistribution were measured by LaserDiffraction (DL) (Blaszczak et al.,2003; Merca and Juliano, 1981). Thisequipment allows obtaining resultsin a wide rank of sizes (0.02–2000µm). This analysis providesinformation of the specific superficialarea, diameter of the projectedvolume (µm) and average diameterof the projected surface (µm). Toperform the analysis, 100 mg of thesample were immersed in 100 mL ofdistilled water and totally scatteredin an ultrasound. The scatteredsamples were transferred to asample slide and evaluated in a LaserDiffractometer Malvern Mastersizer200, following the instructions of theMastersizer 2000 Software overview.

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didas en 100 mL de agua destilada ydispersada totalmente en un baño deultrasonido. Las muestras dispersadasfueron transferidas a un porta mues-tra y evaluadas en el DifractómetroLáser Malvern Mastersizer 2000 si-guiendo las instrucciones delMastersizer 2000 Software overview.

Propiedades reológicasAnálisis en el viscoamilógrafo

BrabenderLas propiedades de la pasta del al-

midón, fueron determinadas con elviscoamilógrafo Brabender (7% de con-centración) con OHG Duisbuirg, tipo800221 No. 930138 empleando en mé-todo descrito en la AACC (2003). Losparámetros evaluados fueron tempera-tura inicial de gelatinización (A), visco-sidad máxima (B), viscosidad a 90°C,viscosidad (90°C por 15 minutos) (E),viscosidad a 50°C (F). Los índices debreakdown (B-E), setback (F-B) y la con-sistencia (F-E), fueron evaluados. Losvalores obtenidos fueron expresados enUnidades Brabender (UB), siguiendo losparámetros descritos por Mazur et al.,(1957) y Merca y Juliano (1981).

Por otra parte, se evaluó la vis-cosidad aparente de una suspensión dealmidón nativo al 3% a 50°C y 30°C,empleando un viscosímetro Brookfieldsynchrolectic (Modelo LVT, serial34154, Brookfield Laboratories Inc.,Stoughton, MA, USA). Para llevar acabo el ensayo, se usó la aguja N° 3 avelocidades de 6, 12, 30 y 60 rpm. Losresultados fueron expresados encentipoises (Smith, 1967).

Resultados y discusión

La figura 1 representa dosmicrofotografías del almidón de yuca

Rheological propertiesAnalysis in the Brabender

viscoamylographThe properties of the starch

pasting were determined with aBrabender viscoamylograph (7% ofconcentration) with OHC Duisbuirg,type 800221 No. 930138, employing themethod described in AACC (2003). Theevaluated parameters were initialtemperature of the gelatinization (A),maximum viscosity (B), viscosity at90ºC, viscosity (90ºC, 15 min) (E),viscosity at 50ºC (F), the breakdown(B-E), setback (F-B) and consistency(F-E) indexes were evaluated. Theobtained values were expressed inBrabender units (UB), following theparameters described by Mazur et al.,(1957) and Merca and Juliano (1981).

On the other hand, the apparentviscosity was evaluated of a nativestarch suspension at 3% at 50ºC and30ºC, employing a viscosimeterBrookfield synchrolectic (LVT model,serial 34154, needle Nº 3 at velocitiesof 6, 12, 30 and 60 rpm). The resultswere expressed in centipoises (Smith,1967).

Results and discussion

Figure 1 represents two micro-photographies of native cassava starch,observed by optical microscopy (a) withand (b) without tinting atmagnifications of 40X and 100X,respectively. On these are observedwell defined and abundant granularstructure with oval, oval-truncatedshapes which are characteristics ofcassava starches. Are also observed,in less proportion, small roundedgranular. The observation at lower

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nativo, observados por microscopíaóptica (a) con y (b) sin tinción con iodoa magnificaciones de 40X y 100X, res-pectivamente. En ellas se observa biendefinida y abundantemente la estruc-tura granular de formas ovaladas yovaladas–truncadas característica delos almidones de yuca. También seobservan, en menor proporción, peque-ños gránulos redondos. La observacióna menor magnificación (40X) corres-pondiente a la observación con tincióncon iodo, da una visualización de lacaracterística bimodal de la poblacióngranular. La birrefringencia naturalde los gránulos que además del gradode cristalinidad y su orientación den-tro la estructura molecular, indica sieste ha sido modificado o no, puede serinferido con la observación microscó-pica bajo luz polarizada.

En la microfotografía que fue ob-tenida en MLP, se observó una cruzde malta bien definida, indicando lanaturaleza nativa de los gránulos; asícomo sus formas ovaladas-truncadascon un hilum céntrico, los marcadosbordes de los gránulos y pequeñas aglo-

Figura1. Microfotografía de almidón nativo de yuca, Microscopía Óptica(a) con (40X) y (b) sin (100 X) tinción con iodo.

Figure 1. Microphotography of native starch of cassava, OpticalMicroscope (a) with (40X) and (b) without (100 X) iodinetinting.

magnification (40X) correspondent tothe observation with iodine tinting,visualizes the bimodal characteristicsof the granular population. The natu-ral birefringence of the grains thatbesides the crystallinity degree and itsorientation in the molecular structure,indicates if this has been modified ornot, it can be inferred with themicroscopy observation underpolarized light.

In the microphotography thatwas obtained in MLP, was observedwell defined malt cross, indicatingthe native nature of the grains, aswell as their oval-truncated shapeswith a hilum center, the bordermarkers of the grains and smallagglomerations and the smallrounded grains (figure 2).

The microphotographies ofcassava starch taken with anelectronic scanning microscope (figu-re 3), confirm the oval and oval-truncated shapes of starch. Thesegrains show some deformity and ave-rage size of 12.61 µm; these agreed tothe ones observed with the optical

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meraciones y los pequeños gránulosredondos (figura 2).

Las microfotografías del almidónde yuca, tomadas con el microscopioelectrónico de barrido (figura 3), con-firman las formas ovaladas y ovaladas-truncadas del almidón. Estos gránu-los muestran algunas deformidades ytamaño promedio de 12,6 µm; estasfueron acordes a las observadas con elmicroscopio óptico (figura 1) y por lareportada en la literatura (Ellis et al.,1998; Ceballos et al., 2007; Tester etal., 2006).

Figura 2. Microfotografía de almidón nativo de yuca, Microscopía Ópticacon luz polarizada (40X).

Figure 2. Microphotography of native starch of cassava, OpticalMicroscope with polarized light (40X).

Figura 3. Microfotografía de almidón nativo de yuca, vistas conMicroscopía Electrónica de Barrido (MEB) (20Kv).

Figure 3. Microphotography of native starch of cassava seen fromthe Electric Scanning Microscope (MEB) (20Kv).

microscope (figure 1) and by thereported in the literature (Ellis et al.,1998; Ceballos et al., 2007; Tester etal., 2006).

On the other hand, values of sizesfrom 5-35 µm and, 6-17 µm, (Pérez etal., 2005; Sívoli et al., 2005), have beenreported respectively and 21.4 -23.2 µmwith biconvex spherical shape andspherical and with bimodal distribution(Sívoli et al., 2005). The surface of thegrains was observed soft and withoutpores. This indicates that it is a purestarch, without apparent damage,

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Por otra parte, se han reportadovalores de tamaño entre 5-35 µm y 6-17 µm (Pérez et al., 2005; Sívoli et al.,2005), respectivamente y 21,4 -23,2µm de forma esférica biconvexa y esfé-ricas y con distribución bimodal (Sívoliet al., 2005). La superficie de los grá-nulos se observó suave y sin presenciade poros. Esto indica que es un almi-dón muy puro, sin daño aparente, de-mostrando que se trata de un almidónnativo (presencia de Cruz de Malta) deexcelente calidad que mostrará pro-piedades funcionales características delalmidón de yuca. En general todas lasmicrofotografías muestran gránuloslibres de material contaminante, locual indicó que el proceso de extrac-ción fue eficiente y las característicasdel material y su naturaleza no fue-ron afectadas. Lo antes mencionado sepuede corroborar en la microfotografíatomada a 4kv (figura 4), donde se con-firma una textura suave y superficielimpia, en la cual claramente se dis-tingue la presencia de círculosconcéntricos y algunas grietas en lazona truncada (ver flechas).

Figura 4. Microfotografía del almidón nativo de yuca, vistas conMicroscopía Electrónica de Barrido MEB (4Kv).

Figure 4. Microphotography of native starch of cassava seen withElectric Scanning Microscope MEB (4Kv).

showing that it is a native starch(presence of malt cross) of excellentquality which will show functionalproperties characteristic of the cassavastarch. Generally, all themicrophotographies show grains freefrom polluted material, which indicatedthat the extracting process wasefficient and the characteristics of thematerial and its nature were notaffected. The latter can be corroboratedin the microphotography taken at 4kv(figure 4), where is confirmed a softtexture and clean surface, where isclearly distinguished the presence ofconcentric circles and some cracks inthe truncated area (see lines)

Laser Diffraction (figure 5), thesize distribution was the following:from 0 to 10% of the population hadsized from 0–6.62 µm; 40%corresponds to sizes from 6.62 to 12.7µm; 40% from 12.7 to 19.4 µm, and atleast 10% from 19.4 to 35.6 µm; beingthe last value the highest reported. Ingeneral, the granular populationvaries bimodally. This bimodal curveis formed by two different sizes of

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En el análisis de Difracción Lá-ser (figura 5), la distribución de tama-ño fue de la siguiente manera: entreun 0 a 10% de la población presentótamaños entre 0 – 6,62 µm; 40% co-rresponden a tamaños entre 6,62 y12,7 µm; 40% entre 12,7 y 19,4 µm, yal menos un 10% entre 19,4 y 35,6 µm;siendo este último el valor mas eleva-do reportado. En general, la poblacióngranular varía en forma bimodal. Estacurva bimodal está formada por dosdiferentes tamaños de gránulos, unosdesde 0,5 a 7,5 µm y otros desde 7,6 a35,6 µm. Se ha postulado que el tama-ño de los gránulos y su distribucióninfluyen en el desarrollo del perfil deviscosidad del almidón (Puncha-arnonet al., 2008), existiendo un efecto adi-tivo en relación al tamaño granular,es decir a mayor tamaño los gránuloscolapsaran en menor tiempo que lospequeños, lo que hace que la viscosi-dad se mantenga en constante ascen-so durante el desarrollo de la pasta enun almidón con diferentes tamañosgranulares y el “breakdown” y la con-

Figura 5. Distribución del tamaño de la particular del almidón nativode yuca.

Figure 5. Distribution of the particular size of native starch of cassava.

Particle size (µm)

Vol

umen

(%)

grains, ones from 0.5 to 7.5 µm andothers from 7.6 to 35.6 µm. It has beensaid that the sizes of the grains andtheir distribution influence in theprofile development of the starch’sviscosity (Puncha-arnon et al., 2008),existing an additive effect in relationto the granular size, that is, at lowersize the grains will collapse in less timethat the high, what makes that theviscosity keeps in constant incrementduring the development of the pastein a starch with different granularsizes and the breakdown andconsistency be more steady. It has alsobeen reported an inverse relationbetween the granular size and the invitro digestion rate of the starch(Dhital et al., 2010).

The amylose content has asignificant effect on the functionalproperties of the starch; therefore, itsquantification before the processing offood is important. Starches waxy type,that is, with low content of amylase,have functional properties different toamylo-types. For example, a waxy

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sistencia sean más estables. Tambiénse ha reportado una relación inversaentre el tamaño granular y la rata dedigestión in vitro del almidón (Dhitalet al., 2010).

El contenido de amilosa tiene unefecto significativo sobre las propieda-des funcionales del almidón; así quees importante su cuantificación antesdel procesamiento de los alimentos.Almidones tipo waxy es decir con bajocontenido de amilosa, presentan pro-piedades funcionales diferentes a losamilotipos. Por ejemplo, un almidóntipo waxy retrograda menos que sucontraparte alta en amilosa, por lo queson más estables a la congelación-des-congelación. Los almidones waxy deraíces y tubérculos (papa, batata yyuca) presentan mayor claridad de lapasta, menor solubilidad y mayor po-der de hinchamiento, que los almido-nes de contenido intermedio y alto deamilosa (Pérez et al., 2011). Por otrolado los resultados de las investigacio-nes de Lu et al., 2008 sobre almidonesde arroz y maíz waxy indican que lascaracterísticas granulares y suinteracción con la amilosa desempeñaun papel importante durante lagelatinización del almidón.

Por otra parte, la literatura men-ciona un punto de controversia en ladeterminación y cuantificación, delcontenido de amilosa y el procedimien-to empleado para esto, mencionandoque cada método empleado en la deter-minación tiene sus beneficios y limi-taciones. El método mas usado es elcolorimétrico; sin embargo. los resul-tados no son muy consistentes, debidoposiblemente a las diferencias en lalongitud de la cadena de amilosa, fac-tor que puede interferir con la forma-

starch retrogrades less that itscounterpart high in amylase, thus, aresteadier to the frosting-defrosting.Waxy starches of roots and tubers(potato, sweet potato, cassava) havegreater clarity of the paste, lesssolubility and higher swelling powerthan starches with intermediatecontent and high in amylase (Pérez etal., 2011). On the other hand, theresults of the research carried out byLu et al., 2008, about rice and waxycorn starches indicate that thegranular characteristics and theirinteraction to amylose have animportant role during thegelatinization period of the starch. Onthe other hand, the literature mentionsa controversial point in thedetermination and quantification ofthe amylose content and the procedureemployed for it, mentioning that eachmethod employed in the determinationhave their own benefits andlimitations. The most used method isthe colorimetric; however, the resultsare not too consistent, maybe due tothe differences in the longitude of theamylose chain, factor that mightinterfere to the formation of achromogen complex (Mestre et al.,1996, Pérez, 2000, Himmelsbach etal., 2001, Zhu et al., 2008; amongothers). Another method employed ismeasuring the enthalpy variationobtained by a specific complex betweenthe amylose and a lipid substance(lysophosphatidylcholine) using adifferencial scanning calorimetric(DSC), (Mestres et al., 1996). Theamylose content found on this researchemploying a colorimetric method was24.56 ± 3.90% (table 1) (complexationwith iodine) and 17.11 ± 1.07% when

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ción de un complejo cromógeno (Mestreet al., 1996, Pérez, 2000, Himmelsbachet al., 2001, Zhu et al., 2008; entreotros). Otro método empleado es mi-diendo la variación de entalpía obteni-da por un complejo específico entre laamilosa y una sustancia lipídica(lisofosfatidilcolina) usando elcalorímetro de barrido diferencial(DSC), (Mestres et al., 1996). El conte-nido de amilosa encontrado en este es-tudio empleando en métodocolorimétrico fue de 24,56±3,90% (cua-dro 1) (acomplejamiento con iodo) y de17,11±1,07% cuando se empleó la de-terminación por DSC (figura 6, cua-dro 1). Se ha reportado en la literatu-ra (Paes et al., 2008; Fernandez etal., 1996; Kasemsuwan et al., 1998;Defloor et al.,1998; Thitipraphunkulet al., 2003; Moorthy, 2002; Moorthy

employed the determination by DSC(figure 6, table 1).

It has been reported in theliterature (Paes et al., 2008;Fernandez et al., 1996; Kasemsuwanet al., 1998; Defloor et al., 1998;Thitipraphunkul et al., 2003;Moorthy, 2002; Moorthy et al., 2008;Marques et al., 2006; Ceballos et al.,2008) in varieties of cassava starch, arank in the amylose content whichvaries from 16.0 to 9.3; mentioning theauthors that these reported valuesdepend on the methodology employedfor their determination. Marques et al.,(2006) using DSC and following themethodology described by Mestres(1996) reported values of 16% incassava starch coming from Brazil,which is similar to the found in thisresearch. On the other hand, clones

Cuadro 1. Perfil Amilográfico y contenido de amilosa del almidón nativode yuca.

Table 1. Amilo-graphic profile and amylose content of native starch ofcassava.

Parámetros

Temperatura inicial de gelatinización (A) 64,9 ±0,0°CTemperatura Pasta 64,9-79,5 °CMáxima Viscosidad (B) 633±0,0 UBViscosidad a 90ºC (C) 524 ±0,0UBViscosidad (30 minutos at 90 °C) (E) 318±0,0Viscosidad a 50ºC (F) 499±0,0Viscosidad enfriamiento (30 minutos at 50ºC) >500 UBBreakdown (B-E) 315±0,0Consistencia (F-B) - 134±0,0Set back (F-E) 181±0,0Contenido de Amilosa (Colorimetría) (%) 24,56±3,90Contenido de Amilosa (DSC-Calorimetría) (%) 17,11±1,07

Resultados promedios de tres replicas.

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et al., 2008; Marques et al., 2006;Ceballos et al., 2008) en variedades dealmidón de yuca, un rango en el con-tenido de amilosa que varía desde 9,3hasta 16,0%; señalando los autores queestos valores reportados son dependien-tes de la metodología empleada parasu determinación. Marques et al.,(2006) utilizando el DSC y siguiendola metodología descrita por Mestres,(1996), reporta valores de 16% en al-midones de yuca provenientes de Bra-sil, lo cual es similar a lo encontradoen este estudio. Por otro lado, recien-temente han sido reportados clones conaltos contenidos en amilosa y cloneslibres de amilosa por Ceballos et al.,2007 y Ceballos et al., 2008, respecti-vamente. Aquellos clones libres enamilosa mostraron ausencia de la en-zima GBSS en sus raíces, y aquellascon alto valor de amilosa, fueron obte-nidas por mutación inducida.

Los resultados de viscosidad (fi-gura 7), determinaron el comporta-

Figura 6. Determinación de amilosa por Calorimetría de BarridoDiferencial (DSC).

Figure 6. Amylose determination by Differential Scanning Calorimetric(DSC).

have been recently reported by Ceballoset al., 2007 and Ceballos et al., 2008,with high contents of amylose andclones free from amylose, respectively.Those clones free from amyloseshowed absence of the enzyme CBSSin their roots, and those with highcontent of amylose, were obtained byinduced mutation.

The viscosity results (figure 7)determined the behavior of starch as apseudo-plastic non-Newtonian fluid,observing that the viscosity reduceswhen the cut’s strength increased (Sívoliet al., 2005). In addition, a greatdevelopment in the viscosity wasobserved when the measures were doneat 30ºC, with the formation of a rigidgel during the cooling process, whichindicates a high tendency to theretrogradation; similar results areshown in the literature for cassavastarch (Sívoli et al., 2005).

Figure 8 and table 1 shows theamylo-graphic profile of cassava

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miento del almidón como un fluidopseudoplástico no-Newtoniano, obser-vándose que la viscosidad disminuyócuando se incrementó la fuerza de cor-te (Sívoli et al., 2005). En adición, ungran desarrollo en la viscosidad fueobservado cuando se realizaron lasmediciones a 30ºC, con la formaciónde un gel rígido durante el enfriamien-to, lo que indica una alta tendencia ala retrogradación; resultados similaresson mostrados en la literatura para elalmidón de yuca (Sívoli et al., 2005).

La figura 8 y cuadro 1 muestrael perfil amilográfico del almidón deyuca. Como resultado de la fuerza deconexión intermolecular, se observóuna elevada fragilidad (“breakdown”)del gránulo (315 UB), esta drásticacaída de la viscosidad después de al-canzar el pico máximo de viscosidad,durante el tiempo de calentamientosostenido (90°C), se corresponde con lopreviamente discutido, es decir la in-fluencia del tamaño y distribucióngranular en relación al desarrollo deviscosidad. En este estudio, se observópor microscopía y difracción laser, que

Figura 7. Viscosidad aparente del almidón nativo de yuca a 30 y 50ºC.

Figure 7. Apparent viscosity of native starch of cassava at 30 and 50ºC.

rpm

Vis

cosi

dad

(Cps

)

starch. As a result of theintermolecular connection strength,was observed a high fragility(breakdown) of the grain (315 UB),this dramatic fall of the viscosity afterhad reached the maximum peak ofviscosity during the sustain heatingtime (90ºC) corresponds to thepreviously discussed, that is, theinfluence on the size and granulardistribution in relation to theviscosity development. In thisresearch, was observed on themicroscope and laser diffraction, thatin spite of being bimodal populations,the highest proportion of grains areof bigger size (average of 12.6 µm).This higher content of big grains inrelation to the general populationwould somehow explain the viscosityfall after had reaching the maximumpeak, according to the reported byPuncha-arnon et al., 2008), sincethere is not an additive andsustainable development of viscosityafter that point by the little fractionof small grains. In the analysis wasdetected an initial gelatinization

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a pesar de ser una población bimodal,la mayor proporción de gránulos sonde mayor tamaño (12,6 µm en prome-dio). Este mayor contenido de gránu-los grandes en relación a la poblacióngeneral, explicaría en cierta medida lacaída de viscosidad después de alcan-zar el pico máximo, según lo reporta-do por (Puncha-arnon et al., 2008), yaque no hay un aditivo y sostenido de-sarrollo de viscosidad después de estepunto por la poca fracción de gránulospequeños. En el análisis se detectó unatemperatura inicial de gelatinizaciónde 64,9°C, alcanzando la máxima vis-cosidad a 79,5°C, con un valor de vis-cosidad de 633 UB, la cual disminuyóhasta 318 UB al final del periodo decalentamiento sostenido a 90°C.

Similares resultados son repor-tados para diferentes variedades dealmidones de yuca (Ceballos et al.,2007, Ceballos, 2008; Fernández et al.,1996; Pérez et al., 1998; Nwokocha etal., 2009). Algunos autores reportaroncurvas amilográficas similares(González y Pérez, 2003; Nwokocha etal., 2009), señalando que el proceso degelatinización en sistemas con exceso

Figura 8. Perfil Amilográfico del almidón nativo de yuca.

Figure 8. Amylo-graphic profile of native cassava starch.

temperature of 64.9ºC, reaching themaximum viscosity at 79.5ºC, witha viscosity value of 633 UB, whichreduced until 318 UB at the end ofthe heating sustainable period at90ºC.

Similar results were reported fordifferent varieties of cassava starchesCeballos et al., 2007, Ceballos, 2008;Fernández et al., 1996; Pérez et al,1998; Nwokocha et al., 2009). Someauthors reported similar amylo-graphic curves (González and Pérez,2003; Nwokocha et al., 2009),mentioning that the gelatinizationprocess in systems with excess ofwater, involve events of moleculardisorganization with water entrance inthe structure of starch. The authorsalso indicate that when producing thethermal dissociation of crystals formedby the double helixes of amylo-pectinchains, also increase the granularswelling. At the end of this event, insome cases; for instance in cassavastarch, this dissociation is the catalystthat allows a fast granular swelling,as observed in the viscositydevelopment (figure 8).

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de agua, involucra eventos de desor-ganización molecular con entrada deagua en la estructura del almidón. Losautores también indican que al produ-cirse la disociación térmica de loscristalitos que están formados por lasdoble hélices de las cadenas deamilopectina, se aumenta el hincha-miento granular. Al final del evento,en algunos casos; por ejemplo en el al-midón de yuca, esta disociación es elcatalizador que permite un rápido hin-chamiento granular; como fue obser-vado en el desarrollo de viscosidad (fi-gura 8).

Conclusiones

Con las técnicas empleadas, sonbien determinadas las característi-cas de tamaño y morfología de los grá-nulos de almidón de yuca. Cada unade estas es considerada como criterioal momento de definir el uso de untipo de almidón. El ensayo deDifracción Láser da informaciónacerca de la talla de los gránulos y elposible comportamiento del almidónen un sistema nutricional. Esta téc-nica demuestra la variación en eltamaño de los gránulos y su distri-bución bimodal. En adición, los re-sultados del estudio indican, que elalmidón nativo es un fluidopseudoplástico no-Newtoniano, queincrementa la firmeza del gel con elenfriamiento. El almidón mostró unaleve tendencia a retrogradar y bajaconsistencia. Todos estos parámetrosestán fuertemente relacionados conla estructura granular.

Conclusions

With the employed techniques,the characteristics of size and grainsmorphology of cassava starch are welldetermined. Each of these areconsidered as criteria at the momentof defining the use of a starch type.The Laser Diffraction essay informsabout the size of the grains and thepossible behavior of the starch in anutritional system. This techniqueshows the variation in the size of thegrains and their bimodal distribution.Additionally, the results of thisresearch indicate that the nativestarch is a pseudo-plastic non-Newtonian fluid, which increases thefirmness of the gel with cooling. Thestarch showed a tendency to retrogradeand low consistency. All theseparameters are strongly related to thegranular structure.

Acknowledgement

The authors acknowledgeCDCH–UCV by the financing given tothe Project Nº PI-11-00-5913-2005.

End of english version

Agradecimiento

Los autores desean expresar suagradecimiento al Consejo de Desarro-llo Científico y Humanístico (CDCH)de la Universidad Central de Vene-zuela por el financiamiento recibidopara este proyecto Nº PI-11-00-5913-2005.

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