CARACTERISTICAS DEL ALMIDON Y CONTENIDO DE PROTEINA
DE QUINOA (CHENOPODIUM QUINOA W.) CULTIVADA BAJO DIFERENTES
NIVELES DE NITROGENO EN CHILLAN¹

Felícitas Hevia H.², Rosemarie Wilckens E.³ Marisol Berti D.³ y Ricardo Badilla B.
² Facultad de Ing. Agrícola, Universidad de Concepción, Casilla:537 Chillán, Chile, e-mail: fhevia@udec.cl.
³ Facultad de Agronomía, Universidad de Concepción, Casilla: 53 7 Chillán, Chile

Recepción de originales:20 de Noviembre del 2000

ABSTRACT

STARCH CHARACTERISTICS AND PROTEIN CONTENT OF QUINOA (CHENOPODIUM QUINOA W.) GROWN UNDER DIFFERENT NITROGEN LEVELS IN CHILLAN

Key words: Chenopodium quinoa, Starch, Protein, Differential Scanning Calorimetry.

The effect of the nitrogen fertilization was evaluated on some physico-chemical and thermic properties of starches, protein content and protein yield ha^-1 of the genotypes of quinoa Faro and UDEC10. Sodium nitrate was applied in doses of 0; 75; 150 and 225 N kg ha^-1. The average protein content varied between a 13,5 to 15,0%. It was higher for the application 225 N kg ha^-1. The average protein yield increased from 134,1 to 408,3 kg ha^-1. The degree of gelatinization, the water absorption index and the swelling power were not affected by nitrogen fertilization, while starch solubility was affected. Their average values, respectively were the following 10,3%; 2,7g; 2,9g and 7,2%. The granules of perisperm starch were organized in compact aggregates, differences among them were not observed.

RESUMEN

Palabras claves : Chenopodium quinoa, Almidón, Proteína, Calorimetría diferencial de barrido.

Se evaluó el efecto de la fertilización nitrogenada sobre algunas propiedades físico-químicas y térmicas del almidón, contenido del proteína y rendimiento de proteína ha^-1 de los genotipos de quinoa Faro y UDEC10. Se aplicó salitre sódico en dosis de 0; 75; 150 y 225 kg N ha^-1. El contenido promedio de proteína varió entre un 13,5 a 15,0%. Sólo fue superior con la aplicación de 225 kg N ha^-1. El rendimiento promedio de proteína aumentó desde 134 a 408 kg ha^-1. El grado de gelatinización, el índice de absorción de agua y el poder de hinchamiento no fueron afectados por la fertilización.

INTRODUCCION

La quinoa (Chenopodium quinoa W.) es un pseudocereal que fue usado como un alimento básico por los antiguos pueblos de Sudamérica. Actualmente se cultiva en Argentina, Bolivia, Chile, Colombia, Ecuador y Perú (Wahli, 1990). En países como Alemania se estudia la posibilidad de introducirlo en la dieta diaria (Aufhammer et al., 1995) y en EEUU en usar su almidón en la confección de polietilenos biodegradables (Alexander, 1996).

La semilla de quinoa se usa en la preparación de platos a la forma entera y partida, harina cruda y tostada, hojuelas y polvo instantáneo. Se ha observado que en la preparación de pan, galletas y tortas cantidades superiores al 15 o 20% de harina de quinoa, le otorgan un sabor desagradable (Ruales y Nair, 1992). El contenido de proteína de la semilla varía, según el cultivar, entre 10 y 22% y su valor biológico es similar al de la caseína (Ruales y Nair, 1992; Wahli, 1990).

Las características del almidón juegan un rol fundamental en el desarrollo de nuevos productos alimenticios, debido a la gama de propiedades funcionales de éste como espesante (sopas), formador de gel (gomas), estabilizador coloidal (salsas) y otras (Pérez, 1996). Entre las pruebas que se realizan se encuentran el grado de gelatinización, el termograma, el índice de absorción, el poder de hinchamiento y la solubilidad en agua. Estas características del almidón influyen en la palatabilidad de los alimentos preparados (Ruales et al., 1993). Sin embargo, no existen antecedentes en los cuales se les relacione con el manejo del cultivo.

El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la dosis de nitrógeno sobre las características físico-químicas y térmicas del almidón y el contenido de proteína de dos genotipos de quinoa sembrados en Chillán.

MATERIALES Y METODOS

Semilla de quinoa. Se utilizaron semillas de quinoa 'Faro' y 'UDEC10', sembradas en septiembre de 1995 en la Estación Experimental de la Facultad de Agronomía de la Universidad de Concepción, Campus Chillán. Las semillas fueron recolectadas en la VIII Región, 'Faro' en el Fundo El Faro, comuna El Carmen y 'UDEC10' en la zona costera. La siembra se realizó en un suelo de la serie Diguillín de textura franca, plano, de buen drenaje y antes del ensayo presentaba 7,8 mg kg^-1 N-NO₃; 25,1 mg kg^-1 P; 6,17% de materia orgánica.

Para asegurar la disponibilidad de fósforo y potasio en el cultivo se aplicó, al voleo, 100 unidades de P₂O₅ como superfosfato triple y 50 unidades de K₂O como sulfato de potasio por ha. El fertilizante nitrogenado utilizado fue salitre sódico y correspondió a 0, 75, 150 y 225 kg N ha^-1, en dos parcialidades, la mitad cuando presentaba cuatro hojas verdaderas y el resto a inicio de panoja.
Eliminación de las saponinas. Se procedió de acuerdo al método descrito por Junge y colaboradores (1975).

Cocción de la semilla. En 200 mL de agua destilada se calentó a ebullición durante 30 minutos 30 g de semilla de quinoa lavada, y luego se dejó secar durante 12 h en una estufa Binder con aire forzado a 55°C.

Molienda de la semilla cruda y cocida. Se realizó en un molino Retsch modelo ZM-2, con un tamiz de 250 mesh.

Materia seca. Se determinó en 2,500 g de quinoa molida cruda y cocida, en una estufa Binder con aire forzado a 105°C durante 12 h.
Características físico-químicas del almidón. Indice de absorción de agua (IAA), poder de hinchamiento (PH) e índice de solubilidad en agua (ISA). Se determinaron de acuerdo al método descrito por Hevia et al. (1999).

Microscopía electrónica de barrido. Se usó semilla cruda sin lavar de cada tratamiento y se procedió según la metodología descrita por Hevia y colaboradores (1999), usando un microscopio electrónico de barrido Siemens Autoscan U-l del Laboratorio de Microscopía Electrónica de la Universidad de Concepción.

Calorimetría diferencial de barrido. Los termogramas se realizaron en el Departamento de Polímeros de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Concepción. Se utilizó semilla molida de quinoa lavada cruda y cocida de ambos genotipos, con tres niveles 0, 75 y 150 kg N ha^-1. En una suspensión acuosa (60% p/v), las harinas fueron calentadas hasta 240°C a una velocidad de 10°C min^-1 (Ruales y Nair, 1992). Del termograma se obtuvo la entalpia (VH) y las temperaturas de gelatinización (de inicio, máxima y de término de gelatinización, To, Tp y Te, respectivamente). A partir de los DH de la muestra cruda y cocida se determinó el grado de gelatinización del almidón (GGA), por medio de la ecuación (%)=[1-(DH_cocida/DH_cruda)] 100 (Holm et al, 1988).

Proteína. Se determinó por el método Kjeldahl en 0,250 g de quinoa molida cruda (AOAC, 1997). El resultado se informó como porcentaje, base materia seca, usando el factor 6,25.

Rendimiento de proteína por hectárea. Se determinó a partir del porcentaje de proteína y el rendimiento en semilla (comunicación personal, C.A. Méndez, 1997).

Diseño experimental. Se utilizó los diseños de bloques completos al azar con arreglos de parcela dividida y subdividida, en que los factores en estudio fueron genotipo (parcela principal), dosis de nitrógeno (subparcela) y cocción (subsubparcela).
En parcela dividida para las características físico-químicas del almidón y de proteína se usaron cuatro dosis de N con cuatro repeticiones, y para las características térmicas de la gelatinización se utilizaron tres dosis de N con tres repeticiones. En cambio, en parcela subdividida se usaron las mismas dosis de N, pero con tres repeticiones.

Análisis estadístico. Previa transformación de los datos porcentuales mediante la relación (x+0,5)^1/2 (Little y Jackson, 1978), se realizó los análisis de varianza de acuerdo a los diseños utilizados. Para medir las diferencias entre medias de tratamientos se utilizó el test de diferencias mínimas significativas (DMS) con un 95% de confianza.

RESULTADOS Y DISCUSION

Características físico-químicas del almidón.

Para el índice de absorción de agua (IAA) y poder de hinchamiento (PH) de la semilla cruda molida no se encontró diferencia entre genotipo ni entre los cuatro niveles de N aplicado (Cuadro 1). Esto indica que el genotipo y la fertilización nitrogenada no habrían influido sobre la capacidad del almidón para absorber y retener agua (Ruales et al., 1993).

Respecto al índice de solubilidad en agua (ISA) se observó interacción genotipo x fertilización, fue mayor en 'Faro' cuando se aplicó 225 kg N ha-1, en cambio el de 'UDEC10' fue menor con 75 kg N ha-1 , correspondiendo al mayor y menor grado de degradación del almidón y por ende, de modificación del mismo (Ruales et al, 1993).

En la semilla cocida se presentó interacción genotipo x fertilización (P £ 0,001), tanto para el IAA como para el PH, en donde 'UDEC10' fertilizado con 75 kg N ha^-1 fue superior a los restantes tratamientos (Cuadro 1). En el ISA se observó diferencias, tanto entre genotipo como entre fertilizaciones, siendo superior en 'Faro' y cuando no se aplicó N. Los resultados de 'UDEC10' fertilizado con 75 kg N ha^-1 dejan entre ver que un mayor IAA se relaciona con un mayor PH y un menor ISA, al igual como lo señala Puga (1991) para una mezcla de arroz-frejol.

Para medir el efecto de la cocción sobre las características físico-químicas del almidón se utilizaron los resultados de las semillas crudas y cocidas. Se presentó interacción genotipo x fertilización x cocción (Cuadro 2), tanto para el IAA (P £ 0,05) como para el PH (P £ 0,01), siendo los valores promedios mayores en las semillas cocidas y entre éstas, para las de 'UDEC10' fertilizadas con 75 kg N ha-1.

Esto concuerda con lo señalado por otros autores. Así, Ruales y Nair (1994) informaron que al someter la semilla a cocción se destruyen los agregados de almidón y se dañan los granulos, lo que facilitaría la absorción y retención del agua por parte de éstos.

Según Fennema (1980), al incrementar la temperatura las moléculas de almidón vibran vigorosamente, rompiéndose los enlaces intermoleculares, y separándose fragmentos de la cadena de almidón, facilitando la formación de uniones puente hidrógeno con el agua. Por otra parte, el calentamiento del almidón destruiría el complejo lípido-amilosa, que interfiere con la absorción del agua. Por otro lado, los enlaces puente H que se forman entre la amilosa y el agua, son también responsables de la absorción de agua y de la gelatinización del almidón.

Para el ISA se observó diferencias (P £ 0,001), tanto entre genotipo como por la cocción, siendo mayores los valores promedios para 'Faro' y para las semillas crudas (Cuadro 2). Por efecto de la cocción el ISA promedio de ambos genotipos disminuyó en un 42%. Esto se debería, a que al subir la temperatura por sobre los 80°C, tanto amilasas como amilopectinas se solubilizan en el sobrenadante (Fennema, 1980). Pero también se pudieron solubulizar proteínas, vitaminas y minerales, durante la cocción (Meiner, 1978). Lo anterior explicaría el menor ISA observado en la semilla molida cocida.

Los valores promedios obtenidos para el IAA y pH de las semillas crudas fueron superiores a los informados previamente por Ruales et al (1993) y por Hevia et al. (1999). Mientras que para las semillas cocidas el IAA fue similar y el pH inferior a los informados por Ruales et al. (1993). En cambio, el ISA en ambos casos fue ligeramente inferior.

De acuerdo a los antecedentes informados por Puga (1991), las semillas de 'UDEC10' fertilizadas con 75 kg N ha^-1 serían muy apropiadas para la elaboración de snacks, bebidas y papillas de alta concentración para lactantes, que requieren de productos de alto grado de cocción y de un mayor IAA. En cambio, si se quiere preparar papillas instantáneas, sopas o colados, que necesitan de productos de un alto IAA y de un mayor ISA, las más indicadas serían las de 'Faro' sin fertilizar.

Microestructura del granulo de almidón. En las microfotografías del perisperma de las semillas de quinoa (Figura 1) se puede observar que los gránulos de almidón son de forma esférica a poligonal y de pequeño tamaño. Estos se presentan aislados o conformando agregados alargados, esféricos a oblongos, que se encuentran rodeados por una gran cantidad de granulos más simples. Una estructura similar describieron Ruales y Nair (1994) y Hevia et al. (1999). En general, no se observó diferencia, en la estructura y distribución de los granulos de almidón, entre los tratamientos.

Figura 1: Microfotografías del perisperma de quinoa "Faro" sembrada en Chillán bajo distintas dosis de nitrógeno, A) 0 kg N ha-1; B 75 kg N ha-1; C) 150 kg N ha-1 y D) 225 kg N ha-1. Figure 1: Microphotographs of quinoa perisperm "Faro" sown in Chillán with different nitrogen rates. A) 0 kg N ha-1: B) 75 kg N ha-1; C) 150 kg N ha-1 y D) 225 kg N ha-1.

Características térmicas de la gelatinización del almidón. Los valores de las temperaturas de gelatinización (de inicio, máxima y de término de gelatinización, To, Tp y Te, respectivamente) y de la entalpia (DH) de la misma, fueron obtenidos a partir de los termogramas de la semilla de quinoa molida cruda (Figura 2) y cocida. Dado el alto costo del análisis sólo se consideraron tres niveles de nitrógeno, dejando fuera las muestras correspondiente a la mayor dosis.

Figura 2: Termogramas de las harinas crudas de las semillas de dos genotipos de quinoas A) Faro y B) UDEC10, sembradas en Chillán bajo distintas dosis de nitrógeno (0, 75 y 150 kg ha-1). Figure 2: Raw milled seed thermograms from of two quinoa genotypes A) Faro and B) UDEC10 with different nitrogen rates.

En las semillas molidas crudas (Cuadro3) se observó diferencia entre genotipo (P £ 0,05) para la Te, la que fue superior en 'UDEC10'.Además, se observó diferencias entre las dosis de N para To, Tp, Te y H. Todas las variables fueron menor en los tratamientos fertilizados con 75 kg N ha-1 e igual en aquellos con 0 y 150 kg N ha-1. Estos resultados fueron superior a los informados previamente por Wahli (1990), Ruales et al. (1993) y Ruales y Nair (1994).

Según Fennema (1980) la gelatinización y las características de los geles formados dependen no sólo de la temperatura, sino que más bien de los tipos y cantidades de otros compuestos que acompañan al almidón en el perisperma, como son los azúcares, proteínas, lípidos, ácidos y agua. Estos pueden retardar o incluso llegar a inhibir la gelatinización. En consecuencia, la dosis de N, a través de estos compuestos presentes en las harinas, sería capaz de alterar las características térmicas de la gelatinización.

Por otra parte, en las semillas molidas cocidas (Cuadro 3) se observó diferencias (P £ 0,05) entre las dosis de N para DH, siendo inferior el valor promedio de ambos genotipos en aquellas fertilizadas con 75 kg N ha-1.

Para determinar si hubo un efecto de la cocción sobre estas variables, se utilizaron los resultados obtenidos con las semillas molidas crudas y cocidas. Se presentó interacción genotipo x cocción para Te (P £ 0,05). Las semillas crudas presentaron el menor valor, y entre éstas las de 'Faro' (Cuadro 4).

Se observó diferencias en el DH (P £ 0,05), entre genotipo debido a la cocción, siendo mayor el valor promedio para 'UDEC10' y cuando no hubo cocción (Cuadro 4). Se presentó, además, interacción fertilización x cocción, en que las semillas molidas cocidas fertilizadas con 75 kg N ha-1 presentaron el valor promedio más bajo.

Esta última diferencia obedecería a que los tratamientos cocidos requieren de menos energía calórica que los crudos para su gelatinización, ya que tanto los enlaces lipido-amilosa como los amilosa-amilopectina se habrían destruido durante la cocción. Así, se habrían formado cadenas de menor peso molecular. Estas se unirían más fácilmente al agua, aumentando la absorción y retención de la misma, facilitando la gelatinización en la semilla molida cocida.

Para el grado de gelatinización del almidón (GGA) no se observó diferencia entre genotipos ni entre las dosis de N (Cuadro 1). Esto indicaría que el genotipo y la fertilización con N no habrían influido sobre esta variable. Se encontró una correlación significativa e inversa entre dosis de N y GGA (r = -0,694). Por otro lado, los resultados obtenidos fueron inferiores a los informados por Ruales et al. (1993) y Ruales y Nair (1994).

Contenido de proteína. El contenido promedio de proteína de los tratamientos fluctuó entre 12,17 y 15,16% (Cuadro 5), coincidiendo con los rangos informados por otros autores (Whali, 1990; Ruales y Nair, 1992; .

Sólo se observó diferencias entre dosis de N (P £ 0,001), en la medida que aumentó la fertilización. Así, el contenido promedio de proteína de ambos genotipos fue inferior con 150 kg N ha-1 y superior con 225 kg N ha-1. Los resultados confirman lo señalado por Avila y Etchevers (1988), quienes indicaron que los requerimientos nutricionales de la quinoa parecieran ser más altos que los de otras especies cultivadas también en Chillán.

En este sentido, Herrera (1986) en avena y Hevia et al. (1987) en trigo, observaron que una dosis de N baja a moderada incrementa la producción de grano, pero disminuye o mantiene el contenido proteico, en comparación con el testigo no fertilizado. Sin embargo, cuando fertilizaron con niveles mayores de N obtuvieron incrementos lineales y significativos en el contenido proteico de la semilla. Esto se debería a que en un principio el cultivo, dispuso de suficiente N para un mayor desarrollo vegetativo y una mayor formación de semilla con respecto al sin fertilizar. Luego, durante el período de llenado de grano se habría generado una demanda de N tan grande que ni el aporte del suelo ni la removilización desde los tejidos de sostén, fueron suficiente para satisfacerla. Como consecuencia, se produjo una dilución de la proteína en la semilla del material fertilizado con 150 kg N ha-1 (Covacevich, 1987).

Es posible que este mismo fenómeno fisiológico sea el responsable de las diferencias observadas en la solubilidad y en las características térmicas de la gelatinización. Bajos niveles de N en el sistema de la planta contribuyen a una menor tasa de asimilación neta de C0₂, puesto que el N es el constituyente vital de la clorofila y de las enzimas de carboxilación (Meinzer y Zhu, 1998).

El contenido promedio de proteína (Cuadro 5) para la dosis de 150 kg N ha-1 (13,0%) fue inferior a los informados por Etchevers (1980) y Pino (1998) y superior a los registrados por Hevia et al. (1995) y Fuentes (1996) para la misma dosis de N, localidad y genotipo. Estas diferencias podrían atribuirse a las condiciones edafoclimáticas de la localidad (Hevia et al.
(1999).

Rendimiento de proteína por hectárea. Se observó interacción genotipo x fertilización (P £ 0,01). En la medida que se aumentó el aporte de N, el rendimiento de proteína ha-1 fue mayor para ambos genotipos (Cuadros 5). Sin embargo, 'UDEC10' presentó una mayor respuesta a la fertilización nitrogenada.

Los mayores rendimientos de proteina no necesariamente coincidieron con los mayores contenidos de proteína. Hevia et al. (1994) en trigo, observaron que el rendimiento de semilla influye en mayor medida que el contenido de proteína sobre esta variable.

Los rendimientos de proteína de 'Faro' y 'UDEC10' fueron menores a los informados por Fuentes (1996) y Pino (1998). Esto se debería a que el rendimiento de semilla es influenciado por las condiciones ambientales de la temporada durante el desarrollo del cultivo (Pino, 1998).

CONCLUSIONES

En base a los resultados obtenidos se pudo concluir que la dosis de fertilizante nitrogenado no afectó el índice de absorción de agua, el poder de hinchamiento ni el grado de gelatinización. Pero sí influyó sobre el índice de solubilidad en agua, la entalpia de gelatinización, el contenido de proteína y el rendimiento de proteína por hectárea.

AGRADECIMIENTOS

Memoria del cuarto autor para optar al título de Ingeniero Agrónomo.
Proyecto N°96.122.104-1 Dirección de Investigación Universidad de Concepción.

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