DOI: http://dx.doi.org/10.18684/BSAA(14)27-36

¹Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias Agrarias, Departamento de Ingeniería Agrícola y Alimentos, Grupo de investigación GAF. Doctor en Ingeniería de Alimentos. Medellín, Colombia.

² Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias Agrarias, Departamento de Ingeniería Agrícola y de Alimentos, Grupo de investigación GAF. Magister en Ciencia y Tecnología de Alimentos. Medellín, Colombia.

³Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias Agrarias, Departamento de Ingeniería Agrícola y de Alimentos, Grupo de investigación SINBIOMENA. Doctor en Ciencias Químicas. Medellín, Colombia.

Recibido para evaluación: 01 de Agosto de 2014. Aprobado para publicación: 17 de Abril de 2015.

RESUMEN

La fortificación de frutas con componentes activos (CA) mediante el proceso de impregnación a vacío (IV) es una alternativa para el desarrollo de alimentos funcionales. En el presente estudio se evaluó el proceso IV en uchuva (Physalis peruviana L.) de forma semiesférica con emulsiones que contienen sacarosa o sucralosa, calcio y vitaminas (B9, D y E); y su influencia sobre las propiedades fisicoquímicas del fruto. La respuesta a la IV se evaluó en términos de fracción y deformación volumétrica en la etapa de vacío (X1, γ1) y al final del proceso (X, γ), y de la porosidad efectiva (εe). La respuesta a la IV se afectó por el líquido de impregnación, siendo mejor con las emulsiones a base de sucralosa: X= 24,90±0,97%, X1= -10,60±0,05%, γ= 11,80±0,04%; γ1= 0,90±0,01% y εe= 2,70±0,06%; y los CA expresados como porcentaje del valor diario de referencia según la normativa colombiana, fueron: 16,4±3,3%, 12,1±1,2%, 104,0±2,8% y 55,9±1,3% para calcio y vitaminas B9, D y E, respectivamente. La ingeniería de matrices, utilizando la técnica IV y aplicada en uchuva afectó propiedades como actividad acuosa, humedad, sólidos solubles, color y textura, y representa una metodología efectiva para generar valor agregado y mayor competitividad en la cadena de uchuva.

PALABRAS CLAVE:Ingeniería de Matrices, Alimentos Funcionales, Impregnación al Vacío, Compuestos Activos.

ABSTRACT

The fortification of fruits with active components (AC) by vacuum impregnation process (VI) is a current alternative in the development of functional foods (FF). This study evaluated: the process VI in cape gooseberries (Physalis peruviana L.) hemispherical shaped with emulsion containing sucrose or sucralose, calcium and vitamins (D, E and B9); and its influence on the physicochemical fruit properties. Response to VI in fraction terms and volumetric deformation, in the vacuum stage (X1, γ1) and at the end of the process (X, γ) and effective porosity (εe) were evaluated. The respond to the VI was affected by the impregnation liquid, to be more favorable to emulsions composed of sucralose: X= 24,90±0,97%, X1= -10,60±0,05%, γ= 11,80±0,04%; γ1= 0,90±0,01% and εe= 2,70±0,06%; and levels of AC as a percentage of daily reference value according to Colombian law were: 16,4±3,3%, 12,1±1,2%, 104,0±2,8% and 55,9±1,3% for calcium and vitamins B9, D and E, respectively. Matrix Engineering using the technique VI and implemented in cape gooseberry affects properties like water activity, moisture, soluble solids, color and texture, and is an effective methodology to generate added value and greater competitiveness in the chain of gooseberry.

KEYWORDS:Matrix Engineering, Functional Foods, Vacuum Impregnation, Active Compounds.

RESUMO

A fortificação de fruta com componentes ativos (CA) pelo processo de impregnação a vácuo (IV) é uma alternativa ao desenvolvimento de alimentos funcionais. O presente estudo avalia o processo IV na fruta uchuva (Physalis peruviana L.) que apresenta forma semi-esférica, em emulsões baseadas em soluções de sacarose e sucralose, e teores de cálcio e vitamina B9, D e E; e sua influência sobre as propriedades físico-químicas e físicas do fruto. A resposta para a IV foi avaliado em termos de fração e deformação volumétrica na fase de vácuo (X1, γ1) e no final do processo (X,γ), e da porosidade eficaz (ε). A resposta a IV é afetada pelo líquido de impregnação, sendo mais favorável com emulsões baseadas na solução de sucralose, onde os parâmetros foram: X= 24,90±0,97%, X1= -10,60±0,05%, γ= 11,80±0,04%; γ1= 0,90±0,01% e εe= 2,70±0,06%, e os níveis de CA expressados como porcentagem do valor diário de referência, de acordo com a lei colombiana foram: 16,4±3,3%, 12,1±1,2%, 104,0±2,8% e 55,9±1.3% de cálcio e de vitamina B9, D e E, respectivamente. A engenharia de matrizes, utilizando a técnica IV aplicada na uchuva afeta propriedades, atividade de água, humidade, sólidos solúveis, cor e textura, e representa uma metodologia eficaz para gerar valor acrescentado e enquadra-se no contexto de alimentos funcionais.

PALAVRAS-CHAVE:Engenharia de Matrizes, Alimentos Funcionais, Impregnação a Vácuo, Compostos ativos.

INTRODUCCIÓN

Los alimentos funcionales (AF) son una gama de alimentos que presentan beneficios mayoritarios para la salud al contener, además de los nutrientes característicos, componentes activos (CA), los cuales han sido adicionados bajo técnicas especialmente desarrolladas [1]. La operación de adición de CA, como vitaminas, minerales, probióticos, prebióticos, antioxidantes y otros, se ha convertido en una práctica comercial [2], ayudando a disminuir el riesgo de padecer cierto tipo de enfermedades, como las cardiovasculares [3], osteoporosis y neurodegenerativas [4], así como la disminución del riesgo de contraer cáncer de próstata [5]; además, los CA favorecen a las mujeres en la etapa de la menopausia [6]; y compuestos como el calcio, el hierro, y las vitaminas (C, D, E y B9) presentes en los AF son indispensables para las mujeres durante la gestación, el desarrollo fetal, el crecimiento y desarrollo del lactante y del niño [7].

La ingeniería de matrices (IM) es una metodología de obtención de AF que utiliza los conocimientos sobre composición, estructura y propiedades de la matriz de un alimento para producir y controlar cambios que mejoren sus propiedades funcionales y/o sensoriales [8]. El proceso de impregnación a vacío (IV) es la técnica aplicada por la IM, descrita por Fito (1994) y Fito y Pastor (1994) [9], que promueve cambios composicionales en alimentos porosos y mejora propiedades físicas como el color y la textura; así como, permite la incorporación de CA [10, 11], generando un valor agregado en el producto final [12-15] a través de la acción del mecanismo hidrodinámico (MHD), como un proceso de transporte de materia en un sistema sólido poroso-líquido. Aplicaciones de IV en alimentos [16-21] describen el MHD y el fenómeno de Deformación–Relajación (DRE) [9]. El acoplamiento MHD-DRE en la matriz del producto ha sido modelizado, reflejando cambios en el volumen del producto al final de las etapas a vacío y a presión atmosférica [22]. El modelo establece la relación entre la fracción volumétrica (X) de líquido incorporado a través del MDH, las deformaciones volumétricas de la estructura al final de la etapa a vacío y al final del proceso (γ1 y γ, respectivamente), la porosidad eficaz (ε) del producto y la relación de compresión r (r = Patm/Pvacío).

La uchuva, es un fruto autóctono de Colombia que se caracteriza por sus buenos contenidos de vitaminas A y C, fósforo, hierro, potasio y zinc, y en virtud de su contenido de vitamina A se le conoce como un fruto carotenógeno [23]. Adicionalmente, ha sido utilizado exitosamente en la incorporación de vitamina E en el fruto entero [24].

MÉTODO

Se utilizaron uchuvas (Physalis peruviana L.) ecotipo Colombia, con dos tamaños (tamaño 1: 3,00-3,49 g y tamaño 2: 3,50-4,00 g), de formas semiesféricas, con estado de madurez entre 3 y 5 [25] cultivadas en el Municipio de La Unión (Antioquia). Se utilizaron como ingredientes en la emulsión, proteína de soja, sacarosa, sucralosa y tensoactivos, CA de vitamina D3 (Colecalciferol), vitamina E (DL-α-tocoferol acetato), vitamina B9 y calcio todos de Shandong Huachen Biochem Co., Ltd. (China).

Se determinaron los parámetros fisicoquímicos en muestras de uchuva fresca (UF) y uchuva impregnada (UI): actividad acuosa (aw) con un higrómetro de punto de rocío a 25°C (AquaLAB Decagon serie 3TE, USA) según la Norma AOAC 978.18M [26]; sólidos solubles (°Brix) con un refractómetro Leica Auto ABBE según la norma AOAC 932.12 [26]; densidad aparente (papm) se determinó a partir de la relación de la masa de la muestra y el volumen desplazado por la muestra en una probeta 50 mL; la densidad del líquido de impregnación (pLI),se determinó por el método del picnómetro [27?; la acidez por titulación con NaOH 0,1 N, utilizando como indicador fenolftaleína según la norma AOAC 942.15 [26]; pH mediante medida potenciométrica (Schott CG840B, Alemania) y la humedad según la norma AOAC 7.003-84 [26].

El color de las muestras en las UF y UI, se determinaron en la película cérea del fruto, utilizando un espectrofotómetro (X-RITE modelo SP-64) con iluminante D65 y observador de 10°. A partir del espectro de reflexión de las muestras, se obtuvieron las coordenadas CIE L*a*b* [28], donde L* es un indicador de la luminosidad, a* es la cromaticidad verde (-) rojo (+) y b* es la cromaticidad azul (-) amarillo (+). Para las UF y las UI se utilizaron 3 lotes de 25 muestras/lote y 3 lecturas por muestra.

La textura de las muestras de UF y UI, se determinó a partir de ensayos mecánicos de punción, utilizando un analizador de textura (TA: XT2i, Stable Micro Systems, London, U.K), adaptándole una aguja de penetración (Φ = 2 mm) y con velocidad de 2 mm/s, hasta una distancia de penetración de 7 mm [24]. En todos los casos se registró la curva de fuerza (F) vs distancia (D) y se evaluó la fuerza máxima (Fmax) a la cual se rompe la película externa de la fruta. Para la caracterización de UF se utilizaron 3 lotes de 25 muestras/lote para un total de 75 lecturas, para la UI se realizaron 25 mediciones.

Para el proceso IV, las UF fueron pesadas, cortadas por mitades y sumergidas en un recipiente con el líquido de impregnación (LI). El sistema fue sometido a una presión de vacío de 4,18 KPa durante 5 min; posteriormente, se restableció la presión barométrica local (85,33 KPa) y se mantuvieron sumergidas por 5 min adicionales. Los parámetros de impregnación: fracción y deformación volumétrica en la etapa de vacío (X1 m³ LI/m³ UF, γ1 m³/m³ UF) y al final del proceso (X m³ LI/m³ UF, γ m³/m³ UF), y la porosidad efectiva (ε) se determinaron de acuerdo al modelo matemático reportado por Fito et al., (1996) [22].

La emulsión de impregnación base se diseñó a partir de una solución acuosa de características isotónicas al fruto (SI) (solución de igual aw que la UF), que contenía sacarosa y proteína de soja (E1). A partir de esta solución se determinó la X y la fracción másica de los CA en las UI (XCAIV) [29], tomando como base de cálculo que la adición de los CA alcanzarán un mínimo el 20% del valor diario recomendado (VDR) de calcio, ácido fólico y vitamina D, y el 50% VDR de vitamina E, de acuerdo a la Resolución 333 de 2011 del Ministerio de Protección Social, Colombia [30]. A partir de X, XCAIV, pLI, papm y de la composición del CA en el fruto fresco (XCA0), se determinaron las fracciones másicas de los CA (YCA) en E1, basados en una porción de 200 g de UF [29].

Una segunda emulsión (E2) se formuló reemplazando la sacarosa por sucralosa, con un aporte en masa al equivalente endulzante de la sacarosa en la E1 (poder endulzante de la sucralosa es 600 veces mayor que sacarosa), y se reevaluó la respuesta a la IV y las YCA en la E2. Los parámetros de IV se determinaron para SI, E1 y E2 con los tamaños de muestras 1 y 2, considerando 25 muestras/tamaño. Las emulsiones se prepararon en un homogenizador Ultra-Turrax UTL 50 INLINE Janke & Kunkel IKA–Labortechnik, Alemania a 10.000 rpm, durante 10 min, utilizando un sistema de recirculación con camisa enchaquetada de enfriamiento.

La cuantificación de los CA se realizó a partir de curvas de calibración; para vitamina E se utilizaron los estándares primarios DL-α tocoferol acetato (97,8%, Supelco) y DL-α tocoferol (99,6%, Supelco), diluidos en metanol con concentraciones de 0,02 – 1,60 mg/mL y de 0,0019 – 0,9966 mg/mL, respectivamente; para la vitamina D se utilizó el estándar colecalciferol (99,9%, Supelco) diluido en metanol con concentraciones 0,02 – 0,8 µg/mL; y el estándar de vitamina B9 (ácido fólico, 99,0%, Supelco) se diluyó en agua tipo III a concentraciones de 0,01-1,50 µg/mL. Para la cuantificación de cada CA se realizaron 36 mediciones. El calcio se determinó por espectrofotometría de absorción atómica, basado en la NTC 5151 [34].

Los resultados fueron analizados a partir de ANOVA, utilizando el método LSD (mínimas diferencias significativas) como método de comparaciones múltiples, con un nivel de confianza del 95 % (a=0,05). El análisis de varianza fue realizado con el paquete estadístico STATGRAPHICS PLUS versión 5.1.

RESULTADOS

Emulsión de impregnación

El diseño de las emulsiones de impregnación, se basó en una fase acuosa isotónica al fruto (SI) (aw = 0,985±0,002), mediante la adición de sacarosa como depresor de la actividad de agua, generando un sabor agradable en el alimento, y para evitar la transferencia de masa de agua entre uchuva-solución. Con base en los parámetros de impregnación obtenidos mediante SI, se formuló la E1 con sacarosa. Esta emulsión (E1) presentó precipitación de las fuentes de calcio y la proteína, debido a interacciones entre los ingredientes de la composición y la competencia por el agua disponible en la disolución. El grado de hidrólisis, cambios en el pH y los niveles de fuentes de calcio en la formulación, alteran significativamente las propiedades funcionales de la proteína de soya en la emulsión. En la E2 con sucralosa, se observó un aumento significativo de la solubilidad de los componentes debido al incremento del agua disponible en la emulsión, lo que podría disminuir la viscosidad y afectar la cantidad de CA incorporada. El cuadro 1 presenta la composición de cada una de las emulsiones de impregnación empleadas.

Caracterización de la respuesta a la impregnación

La E1 fue diseñada a partir del valor de X obtenido con la SI, mientras que los valores de X obtenidos para la E1, permitieron plantear una nueva emulsión fortificante a base de sucralosa (E2). El ANOVA presentó diferencias estadísticas significativas (p<0,05) para todos los parámetros de impregnación (X, γ1, X1, εe y γ) para la SI con respecto a E1 y E2, debidas a la influencia de los CA en la emulsión de impregnación. En la E1 existe mayor proporción de CA, principalmente de las fuentes de calcio, las cuales interactúan con el agua disponible en la emulsión de impregnación lo que podría provocar un incremento la caída de presión del líquido a la entrada del poro y limitando la transferencia de masa [35]. Con la E2 se obtiene un X mayor en comparación con la E1 y SI, debido a que existe menor interacción entre los ingredientes y el agua disponible en la disolución, permitiendo una mejor difusión e incorporación del líquido de impregnación a través de los poros de la superficie de corte de la uchuva, determinándose la E2 como emulsión final de impregnación (EFI). El cuadro 2 presenta los valores medios y la desviación estándar de los parámetros de impregnación para la SI, E1 y E2. Otros autores reportan valores inferiores de X (%) para uchuva entera con otro tipo de emulsiones, debido a que el ingreso de líquido de impregnación se da solo por el área del pedúnculo [8, 14, 36, 37].

En la E2 los valores positivos de γ indican que en ambos periodos la estructura experimenta una expansión y liberación del gas ocluido en los poros del fruto, produciéndose incrementos en el volumen de la muestra cuando el gas es liberado; esto ha sido observado en mango biofortificado con microorganismos probióticos [38]. Para las SI y E1 los valores negativos de γ representan una contracción asociada con la depresión de los gases presentes en la matriz tal como ha sido observado en la impregnación de la papa (Diacol capiro) y uchuva [8, 40]. Los resultados negativos de X1, indican una salida de líquido nativo del interior del fruto de uchuva durante la etapa de vacío, principalmente en la E2. Este fenómeno igualmente está relacionado con el acoplamiento del MHD que genera cambios en la célula vegetal y liberación de líquido nativo. Los valores positivos de ε indican la disponibilidad de los espacios intercelulares para la incorporación de los CA. Algunos investigadores han reportado resultados similares: uchuvas [8], plátano [12], mango [38], papa [39], entre otros. Esta situación permite concluir que existen factores combinados, que están incidiendo en la respuesta a la IV de la uchuva semiesférica, sumado a posibles cambios en otras propiedades en la fase acuosa que podrían estar ocurriendo, como la densidad, la viscosidad y el potencial químico de la emulsión de impregnación (debido a la presencia de la proteína, CA y tensoactivos); y de esta forma, contribuyen a una mayor caída de presión para su ingreso al interior del fruto.

Caracterización fisicoquímica

El Cuadro 3 presenta los valores medios y la desviación estándar de los parámetros fisicoquímicos aw, °Brix, humedad, pH, y acidez de las uchuvas frescas para UF y UI con E1 (UIE1) y E2 (UIE2). Resultados similares han sido obtenidos por otros investigadores para la caracterización de la uchuva fresca procedente de la misma región [8, 14, 24, 36]. El ANOVA presentó diferencias significativas (p<0,05) por efectos del proceso de IV respecto a la aw, °Brix, humedad y acidez. El incremento de la aw y de humedad en la UIE1 y UIE2 se puede atribuir a la incorporación de la E1 y E2, presentándose aumentos superiores en la UIE2, la cual posee el valor más alto de fracción volumétrica de impregnación alcanzado por efecto de una mayor incorporación del líquido de impregnación en los poros de la fruta. La disminución de la acidez y los °Brix se puede presentar debido a que los poros de la superficie de corte tienen mayor área disponible para que se genere una pérdida del líquido nativo de la uchuva, los cuales pueden aportar sólidos solubles.

Color

En las UI el ANOVA presentó diferencias significativas (p<0,05) solo en la cromaticidad a*, por efecto del tipo de emulsión. Los valores de los parámetros de color fueron L*: 47,85±5,27 y 46,73±2,38, a*: 13,72±2,12 y 15,10±1,81, b*: 37,28±4,70 y 34,13±1,54 para las E1 y E2, respectivamente.

Textura

La Figura 2 presenta una curva típica de fuerza vs distancia, obtenida para las muestras de UF. Posteriormente, se presenta una zona donde la fuerza es prácticamente constante, que corresponde a la resistencia de la pulpa a la deformación (Fpulpa). El ANOVA presentó diferencias estadísticas (p<0,05) en Fmax para la UF y la UIE2. Los valores medios y desviaciones estándar para la Fmax de la UF y la UIE2 fueron de 2279,3±496,4 y 1827,53±328,69 gf, respectivamente, indicando que hay una disminución en la resistencia de la película cérea. La actuación acoplada del MHD y DRE, está afectada por la microestructura y las propiedades mecánicas del sólido, así como por la viscosidad de la solución externa incorporada [9, 12].

Cuantificación de los CFA

Debido a las características impermeables de la película cérea, el ingreso del líquido de impregnación ocurre principalmente por el área de corte [4], alcanzando en la UIE2 niveles de %VDR de CFA de 16,4±3,3%, 12,1±1,2%, 104,0±2,8% y 55,9±1,3%VDR para el calcio y las vitaminas B9, D y E, respectivamente, catalogándose el producto, de acuerdo a la Resolución 333 de 2011, como 'excelente fuente de vitaminas D y E' y 'buena fuente de vitamina B9 y calcio' por cada 248 g de UI [36]. Por otro lado, el contenido de vitamina C de su fuente original alcanzó valores de 15,08±1,70 %VDR, lo cual la define con el descriptor 'buena fuente de vitamina C'. El valor inferior al 20% del VDR de la vitamina B9 y calcio, podría deberse a que la solubilidad de la vitamina es limitada en medios ácidos o interacciones con otros componentes, mientras que la fuente de calcio utilizada tiene poca solubilidad debido a su estructura química. Para el caso de la vitamina D y E se obtuvieron %VDR superiores a los fijados según el criterio de fortificación. Resultados similares han sido reportados para uchuvas enteras [24].

CONCLUSIONES

La IV es una metodología efectiva para el desarrollo de AF, que permite la incorporación de líquidos de impregnación con CA al interior de la UF, generando un valor agregado que podría contribuir a la prevención de enfermedades en los consumidores. La respuesta a la IV en uchuvas semiesféricas está afectada por factores combinados como el líquido de impregnación (composición, viscosidad, densidad) y por la microestructura compleja del fruto, que identifica una película cérea impermeable y un área de corte muy asequible a la impregnación. El proceso de IV influye sobre las propiedades fisicoquímicas (aw, °Brix, humedad), los parámetros de color (L*, a* y b*) y la Fmax de las UI de forma semiesféricas. Los niveles de impregnación alcanzados con la E2, fueron los mayores en uchuva semiesférica, X: 24,90±0,97%, X1: -10,60±0,05%, γ: 11,80±0,04 %; γ1 :0,90±0,01% y εe: 2,70±0,06%, lo cual denota una salida de líquido nativo del interior del fruto, una deformación volumétrica por efecto del proceso y poca porosidad disponible al proceso IV. Los nivelés de %VDR de CA alcanzados fueron de 16,4±3,3%, 12,1±1,2%, 104,0±2,8%, 55,9±1,3% para el calcio y las vitaminas B9, D y E, respectivamente, por cada 200 g UF (correspondientes a 248 g de UI), catalogándose el producto como 'excelente fuente vitaminas D y E' y 'buena fuente de vitamina B9 y calcio' de acuerdo a la Resolución 333 de 2011.

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