Introducción

Se ha reportado que en regiones donde se desarrollan la agricultura, los impactos de la urbanización, la liberalización económica y el calentamiento del planeta, desafían especialmente a la población andina a mitigar y adaptarse a estas nuevas condiciones de vida (^{Haller y Branca, 2020}). En el sector agronegocios, la Cadena de Valor (CDV) se refiere a la serie de procesos y/o procedimientos que ocurren después de la cosecha de un cultivo hasta la entrega para su uso final (^{Bolwig et al., 2008}). La incorporación de responsabilidad social empresarial (RSE) a las CDVs, se vienen implementando desde la década anterior debido a la inclusión de como disminuir la pobreza rural o conservar el medio ambiente (^{Scott, 2014}). Actualmente, en la región altoandina del Perú, se promueve el modelo de triple hélice con participación de los sectores académico, productivo y/o servicios (sociedad civil) y público (órganos de gobierno) (^{Escobar-Mamani, et al., 2020}).

Balbín Ordaya (2014) sostiene que el cultivo de granos andinos como la quinua y kiwicha, además de ser ricos en nutrientes, contribuyen a la economía de los pueblos y con ello a mitigar la situación de pobreza de los habitantes en zonas rurales, dedicados a la agricultura y pastoreo. El consumo de granos andinos fomenta su cultivo y la conservación de la biodiversidad (GRANOTEC, 2021); además de ser una opción saludable, económicamente viable y una de las oportunidades que tienen los pueblos andinos para generar ganancias, reducir la pobreza, erradicar el hambre y contribuir a promover la equidad de género en el trabajo rural (Vizcaino et al., 2021).

Los cereales y granos andinos tienen alto contenido de proteínas cuya calidad y cantidad de aminoácidos es superior a la del trigo, son buenas fuentes de energía y micronutrientes como calcio (kiwicha) y vitamina E (quinua), además, aportan fibra dietética (insoluble y soluble. ^{Velásquez-Barreto et al. (2021}) reportan que la quinua y la kiwicha se consumen cada vez más como alimentos especiales en todo el mundo. En general, las proteínas de los cereales y granos andinos presentan la lisina como aminoácido limitante, que afecta su calidad nutritiva. El valor nutritivo o la calidad de una proteína es útil para establecer la capacidad para satisfacer las necesidades del organismo, esta calidad viene determinada por un alto valor biológico, alta digestibilidad que determinan una alta utilización proteica neta y un alto contenido de aminoácidos esenciales.

El proceso de extrusión con equipos de bajo costo es un tipo de procesamiento de mínima complejidad que resulta viable para ser transferido a zonas altoandinas para su aplicación en la preparación de mezclas alimenticias. Esta alternativa tecnológica nos ofrece la oportunidad de aprovechar de la mejor manera la producción de cereales en las zonas altoandinas de nuestro país; de esta forma, se podrá proporcionar un producto con alto valor nutritivo que contribuya a resolver el problema de desnutrición en nuestro país (Repo-Carrasco et al., 2011). La extrusión es un proceso cuya finalidad es la cocción de materias primas ricas en almidones (maíz, arroz, trigo, harina de papa, taro, harina de frijol, garbanzos y guisantes, entre otros) (^{Singh y Heldman, 2014}; Navarro et al., 2018). Los factores involucrados en este proceso, como velocidad del tornillo, presión, temperatura, tiempo, formulación y humedad de la mezcla, causan trasformaciones estructurales, químicas y nutricionales, convirtiendo la mezcla en un producto con una textura y forma deseada. Con el paso de los años esta tecnología se ha convertido en una de las más importantes para el tratamiento térmico de los alimentos. Su popularidad radica en el control automatizado, alta capacidad de operación continua, alta productividad, versatilidad, adaptabilidad, eficiencia energética y bajo costo de procesamiento (^{Arêas et al., 2016}).

La tecnología de extrusión es utilizada ampliamente para la producción de cereales para desayuno}, con la finalidad de mejorar su calidad nutricional y nutraceútica (Delgado et al., 2019). La calidad del producto extruido está relacionada con factores sensoriales como apariencia, sabor y sobre todo la textura (^{Berwig et al., 2017}). En la actualidad este tipo de productos han calado en popularidad no solo por los niños y jóvenes sino también por adultos, principalmente porque son alimentos listos para su consumo, estable en almacenamiento y por su prolongada vida en anaquel (^{Shah et al., 2019}; ^{Cappella, 2016}).

La elaboración de productos funcionales utilizando cereales, granos andinos y concentrado de proteína de pota se presenta como una buena alternativa debido a que dicho concentrado tiene un alto contenido de proteínas, aminoácidos esenciales y ácidos grasos poliinsaturados de la familia omega 3 (^{Omote, 2019}), por lo que al ser utilizado con cereales y granos andinos se complementarían los aminoácidos limitantes y ácidos grasos esenciales deficitarios, mejorando su calidad nutricional. Por otro lado, los productos extruidos para consumo humano pueden ser utilizados como insumos en el desarrollo de barras nutritivas (^{Zenteno, 2014}; ^{Márquez y Pretell, 2018}).

El desarrollo de barras comerciales se ha focalizado fundamentalmente en la obtención de productos de buenas características tecnológicas y sensoriales, prolongada vida útil a temperatura ambiente y formulación en base a ingredientes de bajo costo (^{Olivera et al., 2012}).

Las barras de cereales son productos obtenidos a partir de la compresión de los cereales tostados y pueden contener frutos secos, oleaginosas, semillas y jarabes de azúcar usados como agentes ligantes; constituyendo una opción de comida saludable (^{Zenteno, 2014}). La elaboración de una barra nutritiva utilizando como insumo un producto funcional extruido de cereales, granos andinos y CPPo permitiría obtener un producto de mayor valor nutricional que las barras comerciales por el contenido de aminoácidos esenciales y ácidos grasos polinsaturados del tipo Omega 3. Por otro lado, la elaboración del producto funcional extruido y la barra nutritiva permitiría mejorar la cadena de valor de los cereales y granos andinos, en dicha región.

El objetivo de la investigación fue utilizar cereales y granos andinos con CPPo para elaborar un producto extruido que permita desarrollar una barra nutritiva de buena aceptabilidad con la finalidad de aumentar la cadena de valor del cultivo de los cereales y granos andinos, atender los requerimientos nutricionales de proteínas y aminoácidos de acuerdo a los estándares de la FAO (2017) en niños de 3 a 10 años y determinar sus características fisicoquímicas, biológicas y microbiológicas.

Materiales y métodos

La investigación se desarrolló en los laboratorios de Procesos e Ingeniería de la Facultad de Pesquería de la Universidad Nacional Agraria La Molina y en la línea piloto de extrusión implementada en la empresa Inversiones Perú Pacífico S.A.

Resultados

La composición química proximal de los insumos utilizados para elaborar el producto extruido se encontró dentro de los valores reportados por Reyes et al. (2017). Destaca el alto contenido de proteína del CPPo (85,42%), similar al encontrado por Roldán et al., (2021). Al respecto ^{Omote (2019}) reporta que el CPPo presenta en promedio 85,0 % de proteína y 3,2 % de grasa, correspondiendo el 44,2 % al contenido de ácidos grasos de tipo omega 3 (EPA y DHA).

La Tabla 1 muestra la formulación de las cuatro mezclas experimentales en la elaboración del producto extruido.

En todas las mezclas propuestas la proporción de harina de maíz fue constante (60%) debido al alto contenido de amilopectina que le confiere las cualidades de expansión durante el proceso de extrusión de mezclas de cereales y granos andinos con concentrado proteico de pota (Roldán et al., 2021). El maíz (Zea mays L.) es considerado uno de los tres cereales más cultivados en el mundo y es reconocido por sus propiedades antioxidantes (^{Roh et al., 2016}). Aunque posee alto contenido de carbohidratos (58-72%) y lípidos mayormente insaturados (5%), presenta un bajo contenido en proteínas (aproximadamente 10%) y en consecuencia un bajo valor biológico debido al desequilibrio entre los aminoácidos (^{López et al., 2012}).

En la Tabla 2 se presenta el cómputo químico (aminoácido del alimento / aminoácido patrón x 100) de las mezclas experimentales para elaborar el producto extruido, considerando como patrón el contenido de aminoácidos propuestos por FAO (2017) para niños de 3 a 10 años).

Los resultados del cómputo químico de los aminoácidos esenciales de las cuatro mezclas experimentales fueron mayores de 100. Según el patrón de requerimientos de aminoácidos esenciales para niños de 3 a 10 años (FAO, 2017), las mezclas experimentales no presentaron ningún aminoácido esencial limitante.

En todas las muestras extruidas el color fue beige claro y no se presentó olor residual a pota. Este resultado fue similar al reportado por Roldán et al. (2021), quienes encontraron que con 4,63 % de CPPo, el extruido elaborado con maíz, arroz, cebada y arveja no presentaba olor ni sabor residual a pota o marisco.

Los resultados de medias de la prueba de preferencia realizada con las muestras extruidas indicaron que no existe una diferencia significativa entre ellas; por ello; se seleccionó la mezcla extruida F₄ por presentar mayor preferencia en la característica sabor (Figura 1).

La mezcla F4 fue seleccionada para evaluar su comportamiento con mayor porcentaje de CPPo, con la finalidad de elevar el contenido de proteína del extruido. Roldán et al. (2021) reporta la fortificación de un extruido de maíz y cebada, ricos en almidón, con proteína de arvejas; sin embargo, ello dio como resultado cambios significativos en las características físico-sensoriales del extruido. La formulación de las nuevas mezclas (F5 y F6) se presenta en la Tabla 3.

Los resultados del Índice de Expansión (IE) y la determinación del Índice de Absorción de Agua (IAA) de las mezclas con mayor contenido de CPPo extruidas (F4, F5 y F6), considerados productos extruidos funcionales, se reportan en la Tabla 4.

Las tres muestras de producto funcional extruido (F4, F₅ y F₆) fueron utilizadas para elaborar las barras nutritivas. En la formulación de las barras se utilizó 27,50% de azúcar rubia, 10,0% de glucosa y 5,0% de coco rallado. En la figura 2 se presentan imágenes de las barras nutritivas con extruido de harinas de maíz, kiwicha, arroz y CPPo

De acuerdo con los resultados de la prueba de preferencia de las barras nutritivas no se encontraron diferencias significativas entre las muestras F4 y F₅, pero si entre las muestras F4 y F6, tal como se muestra en la Figura 2.

Según los resultados obtenidos, el porcentaje de CPPo en el producto funcional extruido afectó las características de sabor y crocantez de las barras elaboradas con la mezcla F₆, resultado atribuido al contenido de proteína que presenta el CPPo. En ese sentido, los resultados nos indicarían que, para la elaboración de barras el contenido máximo de CPPo en el producto funcional extruido debe ser 6%. El Índice de Gelatinización del almidón en el producto funcional extruido fue 95,4/100 g de muestra original.

Teniendo en cuenta las características generales, crocantez y sabor, se seleccionó la barra elaborada con el producto funcional extruido F5 con 6% de CPPo, con la finalidad de incrementar el aporte de proteína y aminoácidos esenciales en la barra nutritiva.

La composición proximal de la barra nutritiva se presenta en la Tabla 5.

^{Osorio et al. (2016}) reportan que el contenido de proteína en barras de cereales está en función de la cantidad incorporada de sus ingredientes en las formulaciones, así como a la calidad de las proteínas que estos presentan. ^{Ramos et al. (2015}) mencionan que la kiwicha es un cereal andino de América del Sur, que se ha mantenido como una materia prima básica desde la época prehispánica, debido a su cantidad y calidad proteica (comparable a la caseína), y a un alto contenido en fibra y compuestos bioactivos. En consecuencia, la mezcla de kiwicha, arroz y maíz enriquecidos con CPPo, permitió obtener un producto funcional de alto valor nutritivo.

Por otro lado, ^{Gebremariam et al. (2014}) reporta que el alto porcentaje de proteína que pueden tener los cereales de uso común para la elaboración de pastas alimenticias no significa que algunos aminoácidos esenciales, como la lisina, metionina y valina estén presentes; normalmente este tipo de aminoácidos en los cereales comunes están en cantidades limitadas. En este sentido, la inclusión del CPPo en la formulación del producto tuvo como finalidad complementar el contenido de los aminoácidos limitantes y presentarlo como producto funcional. Sin embargo, se debe considerar que el valor nutritivo de un alimento dependerá de las pérdidas inevitables que tienen lugar durante la digestión del alimento, así como de la absorción y el metabolismo de los nutrientes. Debido al alto contenido proteico (85,42%), el CPPo se ha considerado como el principal ingrediente condicionante del contenido y la calidad proteica del producto final, afirmación que se demuestra con los resultados obtenidos en los ensayos biológicos de la proteína en la barra nutritiva.

Los valores obtenidos tanto para la UPN (85,58%), la DV (90,53%), como para el VB (94,53%), fueron elevados y confirman la adecuada mezcla y proporción de harinas de maíz, arroz, kiwicha y CPPo en el producto funcional extruido utilizado en la elaboración de la barra nutritiva. Al respecto, ^{Olivera et al. (2012}), ,al caracterizar barra con ovoalbúmina, reportaron valores inferiores de estos parámetros (UPN=49%; DV=81,5% y VB=60,3%). Así mismo, para un producto extruido con quinua, tarwi y camote y con 20,16% de proteína, se ha reportado valores de DV de 83,5% y VB de 62,9% (^{Pérez et al., 2017}).

Los resultados del análisis microbiológico de la barra nutritiva se presentan en la Tabla 6, y confirman las buenas condiciones de higiene en todo el proceso de elaboración de la barra nutritiva.

Para las pruebas de aceptabilidad de las barras nutritivas se trabajó con un panel infantil de 5 a 10 años. Los resultados demostraron un 93,3% de aceptabilidad y obteniendo un 53,3% con la calificación “me encanto" (Figura 3). Así mismo, el resultado confirmó la adecuada formulación de insumos utilizada en la elaboración del producto funcional extruido y la barra nutritiva.

Discusión

Las características nutricionales obtenidas en las mezclas experimentales permiten, al producto extruido, ser considerado como producto funcional. Al respecto ^{Roberfroid (2000}) menciona que el desarrollo de alimentos funcionales como los lácteos, bebidas, cereales y derivados, carnes, entre otros; puede llevarse a cabo mediante la utilización de distintas estrategias, siendo una de ellas incrementar o incorporar nutrientes. El proceso de incrementar supone adicionar un nutriente al producto alimentario para que este alcance un nivel más elevado que el que presenta normalmente; mientras que la incorporación implica la adición de un nivel apropiado de un nutriente inexistente, como es el caso de la adición ácidos grasos poliinsaturados omega 3 (EPA y DHA), en alimentos.

^{Freire (2018}) reporta que las proteínas de origen animal al ser muy similares a las del organismo humano, tienen una mayor calidad nutricional y presentan un alto porcentaje de aminoácidos esenciales (£ 40%), entre los que se destacan la lisina, isoleucina, treonina, valina, leucina, metionina, fenilalanina, histidina y triptófano. Por otro lado, Staffolani (2017) menciona que en la mayoría de los cereales la lisina es el aminoácido esencial limitante. El elevado valor del cómputo químico encontrado en las mezclas experimentales (F1, F3 y F4), indicarían que los aminoácidos limitantes de los cereales, principalmente en el contenido de lisina fueron adecuadamente complementados con el contenido de aminoácidos del CPPo; mientras que en el caso de la muestra F2 fue complementada con CPPo y leche en polvo.

Las muestras extruidas no presentaron olor residual a pota, resultado similar al reportado por Roldán et al. (2021) utilizando cebada y harina de arveja. Por lo general, los snacks extruidos y los cereales para el desayuno contienen altas cantidades de almidón de trigo, maíz, arroz u otras fuentes. El almidón y la harina de arroz son los ingredientes preferidos en el procesamiento de extrusión de baja humedad debido a su color blanco, sabor suave, hipoalergenicidad y facilidad de digestión (Kedan et al, 2003). Además, se caracteriza por presentar pequeños gránulos de almidón, que permiten una buena expansión y hacen del almidón de arroz un ingrediente adecuado para extruir snacks (^{Bhattacharya, 2012}). Sin embargo, muchos snacks extruidos a base de almidón tienen un valor nutricional bajo, motivo por el cual, en los últimos años, la adición de proteínas para producir snacks con mayor valor nutricional y propiedades promotoras de la salud están siendo investigadas en diversos estudios (^{Brennan et al., 2013}; ^{Day y Swanson, 2013}, ^{Espinoza et al.2021}).

Los valores del IE de las muestras F₄, F₅ y F₆ estuvieron entre 1,90±0,22 y 2,40±0,23; valores que son superiores a los reportados por ^{Kowalski et al. (2016}) en extruidos de quinua. Al respecto, los autores indican que el IE observado en quinua extruida variaron entre 1,19 y 1,67 y fueron bajos en comparación con otras harinas de uso común en el procesamiento por extrusión, como los extruidos de almidón de maíz comercial que presentan valores del IE de 4,0. La reducción de la expansión se da principalmente por la presencia de fibra insoluble que tiende a retener agua en la matriz de la fibra durante la cocción por extrusión, reduciendo así el vapor creado. A diferencia de los polímeros basados en almidón, las fibras inertes tienden a ser rígidas y pueden causar la ruptura de las paredes celulares y evitar que las burbujas de aire se expandan al nivel máximo (Kowalski et al., 2016).

^{Kameko (2005}) clasifica el índice de expansión (IE) como bajo (≤ 1,5), mediano (1,6-2,0) o alto (> 2). De acuerdo con esta clasificación, las muestras F4 (con 14,56% de humedad y 4% de CPPo) y F5 (con 14,62% de humedad y 6% de CPPo), presentaron un alto valor de IE; mientras que la muestra F6, producto funcional extruido con 8% de CPPo y humedad de 14,45%, presentó un IE mediano. En tal sentido, si se mantiene una humedad promedio de 14,54%, se podría afirmar que el mayor contenido de carbohidratos y menor contenido de proteínas en las mezclas, favorecerían el aumento del IE de las muestras extruidas. Al respecto, ^{Peksa et al. (2016}) mencionan que la transformación del almidón, principal componente de los carbohidratos en los cereales, durante la extrusión es responsable por las propiedades fisicoquímicas de los productos extruidos como el índice de absorción de agua, el índice de expansión, densidad del producto y estructura o textura. ^{González et al. (2019}) reportaron valores de IE de 3,07±0,05 y 3,21±0,19 en productos extruidos con sémola de maíz y harina de papa, en proporciones de 90:10 y 50:50 respectivamente; diferencia que fue atribuida al mayor contenido de almidón.

^{Riaz y Rokey (2012}) mencionan que a medida que el nivel de proteína en una mezcla se aumenta, generalmente compuesta por almidón, se observan cambios en la expansión, textura y durabilidad del producto. Los niveles más altos de proteínas generalmente resultan en una menor expansión, ya que la proteína es menos viscoelástica que el almidón. Durante la cocción por extrusión, las proteínas se despliegan, realinean, hidrolizan y pueden reticularse con otros ingredientes como el almidón; estas transformaciones y reacciones se ven reforzadas por un alto contenido de proteínas que afecta la expansión y la calidad de la textura de los productos extruidos. Es decir que, como resultado de la competencia por el agua disponible entre las fracciones de almidón y proteína, se produce un retraso en la gelatinización del almidón, y por consiguiente una menor expansión en los productos extruidos (^{Day y Swanson, 2013}; ^{Pérez et al., 2017}). Por otro lado, ^{Sumargo et al. (2016}) indican que una mayor concentración de proteína puede producir fluctuaciones en la presión y la temperatura cuando el material se mueve a través del barril de extrusión, afectando negativamente la expansión.

Con respecto del índice de absorción de agua (IAA), se observó que los resultados (4,84 a 5,76) fueron ligeramente superiores a los reportados por Navarro et al. (2018), quienes trabajando con mezclas que incluían maíz en su formulación obtuvieron valores de IAA que oscilaban entre 3,66±0,10 y 5,22±0,14. Esta diferencia podría deberse al contenido de polisacáridos solubles liberados de las cadenas de polímero de almidón después del proceso de extrusión. Al respecto, ^{Peksa et al. (2016}) mencionan que el número de grupos hidroxilo disponibles para formar enlaces de hidrógeno con agua depende del grado de gelatinización, comportamiento que afecta la disminución o aumento del valor de IAA.

Sensorialmente la muestra extruida con 6% de CPPo presentó las mejores puntuaciones. Al respecto, Roldán et al. (2021) recomiendan hasta 4% de CPPo para un producto extruido de cereales y granos andinos; valor que puede incrementarse por los componentes de la barra que incluyen azúcar y coco rallado. Así mismo, los resultados indicaron que el mayor contenido de CPPo disminuyó la crocantez de los productos funcionales extruidos F₅ y F₆; es posible que el mayor contenido de proteína altere el comportamiento de expansión que tiene el almidón durante el proceso de extrusión.

Villarroe et al. (2018) reportan que el almidón es el polisacárido más utilizado en la industria alimentaria como ingrediente esencial, por su gran versatilidad y su costo relativamente bajo.

El Índice de Gelatinización del almidón de 95,4/100 g de muestra original fue adecuado. Este Índice de Gelatinización es un indicativo del grado de digestión que tendrá el alimento una vez consumido debido a que los almidones gelatinizados son mucho menos resistentes a la hidrólisis enzimática que los crudos.

Por otro lado, los altos valores de DV, NPU y VB indicaron que la proteína del producto extruido y la barra nutritiva fue adecuada y presentó todos los aminoácidos esenciales. Martínez y Martínez (2006) mencionan que la proteína es un macronutriente esencial para el crecimiento y el mantenimiento de las estructuras corporales. Un concepto importante en nutrición proteica es la calidad de la proteína que viene determinada principalmente por el perfil y proporción de los aminoácidos que la componen. La digestibilidad de la proteína es considerada el coeficiente más importante cuando se calcula la cantidad de las proteínas en humanos. El valor nutricional de las proteínas vegetales suele mejorarse gracias a las condiciones de cocción por extrusión dándose así en el producto un aumento en la digestibilidad. Si bien la evaluación biológica de la barra nutritiva es alentadora, se debe tener presente las conclusiones de Dussán et al., (2019) quienes mencionan que el proceso termo mecánico de extrusión incide en las propiedades nutricionales finales de los productos secos, siendo notoria la pérdida de aminoácidos y en particular de lisina.

La metabolización de las proteínas forma parte de un equilibrio, el cuerpo absorbe lo que necesita y el resto lo excreta de múltiples formas. El valor biológico de una proteína depende de la composición de aminoácidos y de las proporciones entre ellos y es máximo cuando estas proporciones son las necesarias para satisfacer las demandas de nitrógeno para el crecimiento, la síntesis, y reparación tisular (^{Suárez-López et al., 2006}). El alto VB (94,53%) de las proteínas de la barra nutritiva formulada con el producto funcional extruido con 6% de CPPo, indicaría que los parámetros de extrusión utilizados no afectarían en demasía los componentes de la mezcla elaborada y le permitiría al consumidor aprovechar en un alto porcentaje el contenido de proteína y aminoácidos esenciales presentes.

Los resultados microbiológicos confirmaron las buenas condiciones higiénicas y sanitarias de los insumos y del proceso realizado. La alta aceptabilidad (93.3%) en niños de edad preescolar y escolar permite proponer la barra nutritiva elaborada como una alternativa de producto funcional que podría ser utilizado en programas de asistencia social alimentaria en las regiones andinas del país.

Conclusiones

Se ha desarrollado una barra nutritiva a partir de la mezcla extruida de maíz, arroz, kiwicha y concentrado de proteína de pota, obteniéndose una elevada aceptabilidad (93,3%) con ausencia de olor y sabor a pota para niños de 3 a 10 años. La barra nutritiva cumplió con el requerimiento infantil de aminoácidos esenciales, presentó digestibilidad proteica verdadera de 90,53% y un índice de gelatinización del almidón del 95,4%. Se concluye que las mezclas extruidas propuestas permitieron obtener productos con potenciales propiedades funcionales para consumo directo como las barras nutritivas desarrolladas en el presente trabajo. Por lo tanto, es necesario realizar mayor investigación que aporte conocimiento en beneficio de las comunidades locales y productoras de cereales y granos andinos con el fin de consolidar e incrementar su cultivo y el desarrollo de productos, en el marco de actividades sostenibles y sustentables que no afecten las condiciones ambientales de la región consolidando las cadenas de valor.