Nutritional composition of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) and its use in the elaboration of gluten-free bread of optimised quality

Abstract

The objectives of this doctoral thesis were: (i) to determine the chemical composition of the most common quinoa colour varieties (red, black and white), (ii) to assess the separate effects of xanthan gum (XG), guar gum (GG), hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC) and carboxymethyl cellulose (CMC) and their interactions with water content on gluten-free (GF) bread formulated with a base mixture of rice, maize and quinoa flours; and finally, (iii) to determine the combinations of XG-GG-HPMC and XG-GG-CMC doses that optimise selected consumer-oriented quality attributes of bread. GF batter and bread were characterised by measuring several attributes; namely, stickiness and back extrusion properties of batter; specific volume, baking loss and colour of bread loaves; water activity, pH, texture profile analysis and firmness properties of bread crumb; image analysis from scanned bread slices were also used. Quinoa grains exhibited not only a good nutritional profile with high protein and carbohydrate contents, but also a composition in molecules of high interest (tocopherols and organic acids) known to promote bioactive benefits for the human organism. Four full-factorial designs were conducted by formulating (flours weight basis) GF bread with doses of XG (1.5, 2.5 and 3.5%), GG (2.5, 3.0 and 3.5%), HPMC (3.0, 4.0 and 5.0%) or CMC (3.0, 4.0 and 5.0%) with varying water content (80, 90, 100 or 110%, depending on the hydrocolloid); followed by two D-optimal mixture designs, conducted by formulating GF bread with three hydrocolloids set at a total dose of 4.0%: HPMC (from 2.80 to 3.60%), GG (from 0.04 to 0.60%) and XG (from 0.04 to 0.60%) with 100% of water content; and then with three hydrocolloids set at a total dose of 5.0%: CMC (from 3.50 to 4.50%), GG (from 0.25 to 0.50%) and XG (from 0.25 to 1.00%) with 115% of water content. XG and GG rendered gluten-free batter and bread of similar quality, although GG, particularly at a high dose, produced smaller loaves of harder and more resilient and cohesive crumb than XG. Compared to XG and GG, HPMC yielded batters of higher stickiness, consistency and firmness, which, when baked, rendered loaves of higher volume, softer crumb, and larger pores. Compared with HPMC, CMC rendered less sticky and firmer batters that translated into baked loaves of smaller volume, harder crumb, and denser crumb appearance. The interactions that take place between XG, GG and HPMC, or CMC, GG and XG mixtures, affected the quality of the final gluten-free bread. From a desirability approach, GF breads of greater specific volume with softer and more open crumb appearance were obtained with combinations of 0.24% XG, 0.60% GG and 3.16% HPMC, or 4.34% CMC, 0.41% GG and 0.25% XG.

Os objetivos desta tese de doutoramento foram: (i) determinar a composição química das variedades mais comuns da quinoa (vermelha, preta e branca), (ii) avaliar os efeitos individuais das gomas xantana (GX), goma guar (GG), hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) e carboximetilcelulose (CMC) e das suas interações com o conteúdo da água em pães sem glúten (SG) formulados com uma mistura com base de farinhas de arroz, milho e quinoa; e finalmente, (iii) determinar as combinações das doses de GX-GG-HPMC e GX-GG-CMC que otimizam os atributos de qualidade do pão selecionados pelo consumidor. A massa e o pão SG foram caracterizados pela medição de vários atributos; nomeadamente, propriedades de aderência e de extrusão da massa; volume específico, perda por cozimento e cor dos pães; atividade de água, pH, análise do perfil de textura e propriedades da firmeza do miolo do pão; e também por análise da imagem digitalizada das fatias do pão. Os grãos de quinoa exibiram não só um bom perfil nutricional com alto teor de proteínas e carboidratos, tendo também na sua composição moléculas de alto interesse (os tocoferóis e os ácidos orgânicos) conhecidas por promoverem benefícios para o organismo humano. Quatro ensaios fatoriais completos foram conduzidos formulando (com base no peso das farinhas) pães SG com doses de GX (1,5, 2,5 e 3,5%), GG (2,5, 3,0 e 3,5%), HPMC ( 3,0, 4,0 e 5,0%) ou CMC (3,0, 4,0 e 5,0%) com diferentes conteúdos de água (80, 90, 100 ou 110%, dependendo do hidrocolóide), seguido por dois delineamentos experimentais D-ótimos, conduzidos em primeiro lugar para as formulações do pão SG com três hidrocolóides fixados em uma dose total de 4,0%: HPMC (de 2,80 a 3,60%), GG (de 0,04 a 0,60%) e GX (de 0,04 a 0,60%) com 100% de conteúdo de água; e em segundo lugar com três hidrocolóides fixados em uma dose total de 5,0%: CMC (de 3,50 a 4,50%), GG (de 0,25 a 0,50%) e GX (de 0,25 a 1,00%) com 115% de conteúdo de água. GX e GG produziram massas e pães SG de qualidade semelhante, embora GG, particularmente em uma dose alta, tenha levado à produção de pães mais pequenos de miolos mais duro e mais resilientes e coesivos que com a GX. Em comparação com a GX e a GG, a HPMC produziu massas de maior viscosidade, consistência e firmeza, que, quando cozidas, produziram pães de maior volume, miolo mais macio e poros maiores. Posteriormente, comparado com a HPMC, a CMC produziu massas menos pegajosas e mais firmes, que geraram pães de menor volume, miolo mais duro e de aparência mais densa. As interações que ocorrem entre as misturas GX, GG e HPMC, ou CMC, GG e GX, afetaram a qualidade do pão final sem glúten. De uma perspectiva de desejabilidade, pães SG de maior volume específico com miolos mais macios e de aparência mais abertos foram obtidos com combinações de 0,24% GX, 0,60% GG e 3,16% HPMC, ou 4,34% CMC, 0,41% GG e 0,25% GX.