Microwave treatment of alternative grains: Enhancing flour characteristics and gluten-free bread quality

Abstract

El tratamiento hidrotérmico asistido por microondas (MWT) se exploró para mejorar la funcionalidad de granos alternativos ricos en nutrientes (quinoa, trigo sarraceno, amaranto y sorgo), especialmente para mejorar su aplicabilidad en el desarrollo de panes sin gluten (SG) de calidad mejorada. El MWT ofrece un método rápido y energéticamente eficiente para modificar la funcionalidad de la harina y obtener ingredientes “clean label”, seguros para el consumo. Su aplicación a harinas y granos emergentes es prometedora para desarrollar ingredientes funcionales ricos en nutrientes para la producción de pan SG de alta calidad nutricional y sensorial. La primera parte de esta tesis investigó los efectos del MWT sobre las modificaciones estructurales y la funcionalidad bajo diferentes condiciones. El efecto del contenido de humedad (CH) se evaluó tratando granos de trigo sarraceno y quinoa con diferentes CH. Para el trigo sarraceno, el MWT al 30% de CH aumentó la absorción de agua y produjo una gelatinización parcial, pero redujo las propiedades emulsionantes y la consistencia del gel, mientras que el 13% de CH mejoró la estabilidad de la emulsión. En la quinoa, un CH más alto, especialmente en envases herméticos, mejoró la capacidad de absorción de agua, pero disminuyó la capacidad de espumado, emulsionante y de formación de gel debido a la desnaturalización de proteínas, su agregación y la reorganización molecular del almidón. También se evaluaron los efectos de la matriz (amaranto, trigo sarraceno, quinoa y sorgo) y su forma (grano y harina) bajo condiciones idénticas de MWT. La capacidad de absorción de microondas fue similar para todas las muestras, pero las variaciones en la movilidad del agua durante el calentamiento permitieron explicar las diferentes propiedades observadas en la harina tratada. En general, el MWT alteró las estructuras nativas, fragmentó la amilopectina y la amilosa, desordenó las estructuras secundarias de las proteínas, alteró la morfología de los gránulos de almidón y de las proteínas, redujo la entalpía de gelatinización, aumentó la retrogradación de la amilopectina, mejoró la absorción de agua y disminuyó la capacidad emulsionante. La segunda parte de la tesis exploró el uso de harinas de trigo sarraceno y quinoa tratadas por microondas para mejorar la calidad del pan SG. Incorporar un 50% de harina de trigo sarraceno tratada por microondas mejoró la consistencia de la masa y la recuperación elástica, mitigando problemas como la dureza de la miga y el bajo volumen específico en comparación con el trigo sarraceno nativo. Las harinas tratadas condujeron a panes con una liberación de glucosa medida in vitro más lenta y mejor digestibilidad in vitro de proteínas que el trigo sarraceno nativo. La incorporación de quinoa tratada en la formulación de pan SG de base almidón de maíz, a cualquier nivel de sustitución, mejoró la calidad del pan respecto a los elaborados con harina de quinoa sin tratar. Aumentó el desarrollo y estabilidad de la masa durante la fermentación y permitió la obtención de panes fortificados con quinoa de menor dureza, mayor volumen específico y vida útil y un sabor netamente mejorado gracias a la mitigación de los matices herbáceos propios de la quinoa nativa. Los resultados confirmaron que el MWT modifica eficazmente la estructura y funcionalidad de las harinas nutritivas, mejorando su rendimiento en la producción de pan SG. Este avance no solo aborda los desafíos de la panificación SG, sino que también apoya el desarrollo de ingredientes ricos en nutrientes y de alta calidad adaptados a las necesidades de la industria alimentaria.

Microwave-assisted hydrothermal treatment (MWT) was explored to enhance the functionality of nutrient-rich alternative grains (quinoa, buckwheat, amaranth, and sorghum), in particular to improve their suitability for the development of gluten-free (GF) bread with enhanced quality. MWT offers a fast, energy-efficient method for modifying flour functionality and obtaining clean-label, food-safe ingredients. Its application to emerging flours and grains is promising for developing nutrient-rich functional ingredients for the production of GF bread of high nutritional and sensory quality. The first part of this thesis investigated the effects of MWT on structural modifications and functionality under different conditions. The effect of moisture content (MC) was assessed by treating buckwheat and quinoa grains with different MC. For buckwheat, MWT at 30% MC increased water absorption and produced partial gelatinisation but reduced emulsifying properties and gel consistency, while 13% MC improved emulsion stability. In quinoa, higher MC, especially in hermetic containers, enhanced water absorption capacity but decreased foaming, emulsifying, and gel-forming capacities due to protein denaturation, aggregation, and molecular rearrangements of starch. The effects of the matrix (amaranth, buckwheat, quinoa, and sorghum) and its form (grain and flour) under identical MWT conditions were also evaluated. Microwave absorption capacity was similar for all samples, but variations in water mobility during heating allowed to explain the observed differences in treated flour properties. In general, MWT disrupted native structures, fragmented amylose and amylopectin, disordered protein secondary structures, altered starch granules and protein morphology, reduced gelatinisation enthalpy, increased amylopectin retrogradation, enhanced water absorption, and decreased emulsifying capacity. The second part of the thesis explored the use of microwave-treated buckwheat and quinoa flours to enhance GF bread quality. Incorporating 50% microwave-treated buckwheat flour improved dough consistency and elastic recovery, mitigating issues like crumb hardness and low specific volume compared to native buckwheat. Treated flours resulted in breads with slower in vitro glucose release and better in vitro protein digestibility than native buckwheat. The incorporation of treated quinoa in the formulation of maize starch-based GF bread, at any level of substitution, resulted in an improvement in the quality of the bread compared to those made with untreated quinoa flour. The development and stability of the dough during fermentation was enhanced, and quinoa-fortified breads presented lower hardness, higher specific volume and shelf life, and a distinctly improved taste, due to the mitigation of the herbaceous taste typical of native quinoa. The results confirmed that MWT effectively modifies the structure and functionality of nutritious flours, improving their performance in GF bread production. This advancement not only addresses GF baking challenges, but also supports the development of high-quality, nutrient-rich ingredients tailored for the food industry's needs.