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FACULTAD DE CIENCIAS AGROINDUSTRIALES PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS
DESARROLLO DE UN MODELO MATEMÁTICO QUE PERMITA PREDECIR EL
CAMBIO DEL CONTENIDO DE POLIFENOLES EN UNA MATRIZ
ALIMENTARIA SOMETIDA A TRATAMIENTOS TÉRMICOS CON DIFERENTES
CONDICIONES
Julio Cesar Luna R1.; Juan Alejandro Barreto B2.; Zaira Tatiana Marín A3.
1Ingeniero de Alimentos, Docente investigador Grupo CYTA, Universidad del Quindío. Correo:
2Estudiante de Ingeniería de Alimentos, Facultad de Ciencias Agroindustriales, Universidad del
Quindío. Correo: [email protected]
3Ingeniera de Alimentos, Docente investigadora Grupo CYTA, Universidad del Quindío.
Correo: [email protected]
RESUMEN
El objetivo de esta investigación fue establecer un modelo matemático que permitiera predecir
el efecto del tratamiento térmico a diferentes condiciones de temperatura y pH, y su efecto sobre
el contenido final de polifenoles en una matriz alimentaria. La matriz alimentaria se expuso a
tres temperaturas (63 °C, 70 °C, 75 °C) y tres diferentes pHs (3, 3.5, 4) el cual se ajustó
implementando buffer citrato. Las condiciones que afectan más significativamente la
destrucción de los polifenoles son a temperatura de 75 °C y pH 4. Después de haber sometido
la matriz al tratamiento térmico se cuantificó el contenido final de polifenoles mediante el
método de Folin-Ciocalteu. Con los resultados obtenidos se hizo un modelo predictivo que
permite realizar una estimación del contenido final de polifenoles en función de las condiciones
del proceso pH, Temperatura y tiempo.
Palabras clave: polifenoles, actividad antioxidante, cinética de degradación. Destrucción
térmica.
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ABSTRACT
The objective of this research was to establish a mathematical model that would predict the
effect of heat treatment at different conditions of temperature and pH, and its effect on the final
content of polyphenols in a food matrix. Food matrix was exposed at three temperatures (63 °
C, 70 ° C, 75 ° C) and three different pHs (3, 3.5, 4) which were adjusted using citrate buffer.
Conditions affecting more significantly the destruction of polyphenols were 75 ° C and pH 4.
After subjecting the matrix to the final heat treatment polyphenol content was quantitated by the
Folin-Ciocalteu. With the results a predictive model was devised that allows to estimate the final
content of polyphenols according to the process conditions of pH, temperature and time.
Keywords: polyphenols, antioxidant activity, degradation kinetics. Thermal destruction.
1. INTRODUCCIÓN
En la naturaleza existe una amplia variedad
de compuestos que presentan una estructura
molecular caracterizada por la presencia de
uno o varios anillos fenólicos. Estos
compuestos podemos denominarlos
polifenoles. Se originan principalmente en
las plantas, que los sintetizan en gran
cantidad, como producto de su metabolismo
secundario (Quiñones M., et al, 2012).
Actualmente existe gran interés en estos
compuestos debido a la gran variedad de
actividades biológicas que presentan,
considerándose uno de los compuestos
fitoquímicos alimentarios más importantes
por su contribución al mantenimiento de la
salud humana. La actividad biológica de los
polifenoles está relacionada con su carácter
antioxidante, el cual es debido a su
habilidad para quelar metales, inhibir la
actividad de la enzima lipooxigenasa y
actuar como atrapadores de radicales libres.
De hecho, diversas organizaciones
internacionales, en el ámbito de la nutrición,
recomiendan un consumo diario como
mínimo de cinco raciones de fruta o
verdura, para asegurar una adecuada ingesta
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de antioxidantes y prevenir enfermedades
relacionadas con el estrés oxidativo (Garcia
E., et al, 2015).
Estos compuestos también poseen un efecto
sobre los alimentos en sus características
sensoriales ya que son responsables de
diversas propiedades entre ellas
encontramos el color, (antocianinas,
flavonoles) sabor (flavonona), aroma
(eugenol), etc.
La cantidad de compuestos polifenólicos y
tipos presentes en un alimento varía en
función de la especie vegetal, variedad y
parte del vegetal considerada (fruto,
semillas, brotes, hojas), horas de exposición
solar, grado de madurez, condiciones de
cultivo, procesado, condiciones de
almacenamiento, etc (Garcia E., et al,
2015).
La mayoría se caracterizan por ser
hidrosolubles y estables al calor siendo
susceptibles a los cambios químicos
(maduración de las frutas), físicos en el
procesado de los alimentos: picado y
trituración (estos forman parte de la
organización tisular y de estructuras, que al
romperse se lixivian y se destruyen
parcialmente en contacto con el aire);
Algunos polifenoles son sensibles a
tratamientos térmicos, ya que el calor
excesivo altera los pigmentos de los
alimentos (Agostini L., et al, 2004).
Los tratamientos térmicos buscan reducir la
carga microbiana y la inactivación de
enzimas presentes que pueden alterar un
determinado alimento, pero también
generan pérdidas en cuanto al contenido de
polifenoles, en la actualidad en el momento
de diseñar alimentos las empresas
desconocen cuál es el efecto que pueden
ocasionar algunos tratamientos térmicos
sobre nutrientes como los polifenoles.
Ahora la ecuación de Arrhenius es una
expresión que se utiliza para comprobar la
dependencia de la constante de velocidad (o
cinética) de una reacción química con
respecto a la temperatura que tiene la k
como constante de degradación (Ibarz A., et
al. 2000).
En microbiología predictiva
frecuentemente se emplean otras
magnitudes equivalentes a k para
caracterizar la velocidad de muerte de los
microorganismos, como es el tiempo de
reducción decimal D, que es el tiempo
necesario para reducir el número de
microorganismos vivos a la décima parte
del número inicial (Vidal C., 2011).
Lebert I., y Lebert A. 2006, han utilizado
ecuaciones de predicción de tiempos de
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muerte decimal de microorganismos en
función de diferentes parámetros para
realizar una predicción cuantitativa del
comportamiento microbiano durante el
procesamiento de alimentos.
El objetivo de esta investigación fue
establecer un modelo matemático que
permitiera predecir el efecto de tratamientos
térmicos a condiciones diferentes de
temperatura y pH, sobre el contenido final
de polifenoles usando como matriz
alimenticia un néctar de mora.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1.Materia prima y localización:
Se emplearon frutos de mora (Rubus
glaucus Benth) adquiridos en mercado local
de la ciudad de Armenia-Quindío, para la
elaboración de un néctar con un contenido
del 30 % de pulpa que se utilizó como
matriz. La cuantificación de polifenoles y
los ensayos se realizaron en el Laboratorio
de investigación en post-cosecha de la
Universidad del Quindío, localizado en el
municipio de Armenia, la cual se encuentra
a 1480 msnm.
2.2.Tratamiento térmico:
Las muestras se sometieron a combinación
de 3 temperaturas, 3 pHs y 5 tiempos
diferentes, dichos tratamientos se realizaron
en un baño termostatado, en el cual se
controlaron la temperatura (63ºC, 70ºC o
75ºC) empleando termómetros de mercurio,
a tres pHs diferentes (3, 3,5 o 4) los cuales
se ajustaron implementando un buffer de
citrato al 10% ajustado potencio
métricamente en un pH-metro 704 meter
metrohm. El tiempo se controló con
cronometro digital marca Casio. Luego de
cada tratamiento se realizó un choque
térmico con agua y hielo a una temperatura
de 4°C, con el fin de detener la degradación
de los polifenoles.
2.3.Cuantificación de polifenoles:
Antes de someter la matriz al tratamiento
térmico se hizo cuantificación de
polifenoles; después de haberlas sometido a
cada una de las condiciones establecidas
según la planificación; Se realizaron los
análisis del contenido final de polifenoles
de cada uno de los ensayos por duplicado.
Se propuso el procedimiento descrito para
la obtención del índice de Folin-Ciocalteu
por Lenore S. Clesceri (Lenore S., 1998).
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2.3.1. Reactivo de Folin-Ciocalteu:
Se pesaron 10,0 g de tungstato de sodio
(Na2WO4*2H2O) mas 2,5 g de molibdato de
sodio y se agregaron 70 mL de agua
destilada. En un matraz de fondo plano de
200 mL se mezclaron las anteriores
sustancias con 5 mL de ácido fosfórico
(H3PO4 al 85%) y 10 mL de ácido
clorhídrico fumante [HCl]. Se conectó el
matraz a un condensador de reflujo
adicionando perlas de vidrio a la mezcla, la
cual se debía tener a ebullición por 10 horas.
Transcurrido ese tiempo, se adicionaron
15,0 g de sulfato de litio (Li2SO4) más 5 mL
de agua desionizada y dos gotas de agua de
bromo, la mezcla resultante se puso a
ebullición sin condensación por un tiempo
de 15 minutos con el objetivo de eliminar el
exceso de bromo. Se enfrió la solución
resultante hasta 25 ºC y se aforo hasta los
100 mL, la solución de color amarillo, se
filtró para que el producto resultante sea de
color verde esmeralda. Este reactivo se
almaceno en un frasco hermético, de
coloración ámbar y con tapón de seguridad
para protegerlo de la acción reductora del
polvo y la materia orgánica transportada por
el aire.
2.3.2. Reactivo de carbonato de
sodio:
Se preparó una solución de Na2CO3 al 20 %
en un balón aforado de 250 mL con 50 g de
éste reactivo y con agua destilada para
aforar al volumen total.
2.3.3. Metodología para la
cuantificación del contenido
polifenoles con el índice de
FolinCiocalteu:
Utilizando pipetas aforadas, se tomaron
alícuotas de 1,0 mL de cada una de las
muestras las cuales fueron transferidas a
diferentes tubos de ensayo que contenían
6,0 mL de agua destilada. Luego, se
adicionaron 500 μL del reactivo Folin-
Ciocalteu a cada tubo de ensayo. Después
de cinco minutos, se añadieron 1,5 mL de la
solución de carbonato de sodio al 20 %.
Luego de 45 minutos de reacción a
temperatura ambiente y alejada de la
radiación solar se observó la formación de
la coloración, comparando la lectura con un
blanco preparado al mismo tiempo, las
mismas condiciones, se aforaron los
estándares y la muestra a 10 mL. Los
resultados obtenidos se expresaron como
mg A.G (ácido gálico)/100 g de muestra.
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2.3.4. Toma de muestras y del
blanco en el espectrofotómetro
de UV-VIS
Se utilizó un espectrofotómetro
ultravioleta-visible (UV-VIS) con arreglo
de diodos Hewllet Packard modelo HP-
8453, se programó el software en la opción
de cuantificación, donde se determina el
barrido entre una frecuencia de 400-1100
nm, fijando la banda de análisis a los 750
nm. Se acomodaron las unidades de
respuesta en orden de concentración de
mg/L (ppm) para compararlo con una curva
de calibración o recta estándar realizada con
un blanco de ácido gálico (A.G.).
2.3.5. Construcción de la recta
estándar usando ácido gálico
(A.G):
Se construyó una recta estándar a partir de
diluciones de ácido gálico con
concentración conocida, la cual se usó para
cuantificar el contenido de polifenoles
disponibles, la solución patron se preparó
disolviendo 50 mg de ácido gálico en un
matraz aforado de 100 mL y se aforo el
balón con agua destilada, esta mezcla se
almaceno hasta por dos semanas en el
refrigerador a 4 °C para ser utilizada en cada
uno de los ensayos. La construcción de la
curva de calibración se realizó disolviendo
la solución de ácido gálico desde 500 mg/L
hasta 0, 1, 2, 3, 4, 5 mg/L (relación
V1*C1=V2*C2) de polifenol conocido. El
equipo de UV-VIS identifica este blanco y
posteriormente se pueden cuantificar los
analitos; los valores hallados del contenido
total de polifenoles (mg A.G/100 g de
muestra) se reportan como equivalentes de
ácido gálico (GAE) reconocidas como
“sustancias reductoras del reactivo de
Folin-fenol”
.
2.4.Análisis estadístico:
El análisis estadístico se realizó con el
modelo realizado en base a los datos
obtenidos en la parte experimental,
implementando como base matemática la
ecuación de Arrhenius (Ibarz A., et al.
2000). Halladas las constantes de
degradación D, se linealizaron para una
mayor exactitud del modelo final y se
obtuvo la ecuación por regresión lineal
multivariable en el programa
STARGRAPHICS CENTURION IV.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La matriz alimenticia utilizada fue un néctar
de mora con 30% de pulpa. Se estableció
este porcentaje mayor al expuesto en la
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resolución 3929 para visualizar mejor la
degradación.
Se seleccionó la mora ya que según Koca,
I., et al. 2009 tiene un elevado contenido en
polifenoles muy superior a otras frutas
como la fresa, el mango o la ciruela,
También se destaca por su capacidad
antioxidante, su elevada acidez, pH bajo
(2,9- 3,1).
3.1.Determinación de condiciones
De acuerdo a las pruebas preliminares se
observó que se degrada en mayor medida a
temperaturas superiores a 63°C, por lo que
se planifico que los ensayos fueran a: 63,
70ºC y 75ºC, a pH de 3.0, 3.5 y 4.0. Los
tiempos de estos tratamientos se
modificaron ya que a temperaturas
superiores a 70°C la degradación se
producía de manera más acelerada, por lo
que se determinaron tiempos más cortos.
Los tiempos para 63ºC fueron de 1, 120, 900
y 1800 segundos y para la temperatura de
70ºC fueron de 1, 30, 60, 180, 300 y 540
segundos. Finalmente para las de 75ºC
fueron de 1, 30, 90, 300 y 600 segundos.
Los valores reportados se expresan en
minutos ya que los valores D se expresa en
minutos y para los valores de K si se
expresan en segundos.
3.2.Cuantificación de contenido final
de polifenoles:
El comportamiento del contenido final de
polifenoles en el néctar de mora sometido a
los tratamientos térmicos con temperaturas,
pHs y tiempos establecidos se expone en los
grafios 1, 2 y 3.
Grafico 1. Cinética de degradación de
polifenoles a pH 3.0.
Grafico 2. Cinética de degradación de
polifenoles a pH 3.5.
-0,004
-0,003
-0,002
-0,001
0
0 20 40Ln
C
Minutos
pH 3.0
63°C
70ºC
75ºC
-0,015
-0,01
-0,005
0
0 20 40
Ln C
Minutos
pH 3.5
63ºC
70ºC
75ºC
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Grafico 3. Cinética de degradación de
polifenoles a pH 4.0.
Tabla 1. Constantes k con respecto pH y
temperatura.
K
pH
T °C 4 3,5 3
75 0,0011 0,0010 0,0002
70 0,0009 0,0008 0,0002
63 0,0003 0,0002 0,0001
Tabla 2. Constantes D con respecto con pH
y temperatura.
D
pH
T °C 4 3,5 3
75 34,9 38,4 191,9
70 42,6 48,0 191,9
63 127,9 191,9 383,8
Los valores K expresados en la tabla 1
equivalen a la pendiente en cada ecuación
de la recta, estos aumentan a medida que
asciende la temperatura, lo que indica que a
mayor temperatura la degradación de los
polifenoles es mayor en un mismo tiempo,
es decir, son directamente proporcionales.
Luna R. Julio C. (2006) indica el efecto de
la temperatura sobre las reacciones
químicas, y expone que para que se presente
una reacción se necesita una cantidad de
energía suficiente para que suceda.
En el grupo de los polifenoles podemos
encontrar diversas sustancias, un subgrupo
denominado flavonoides en los cuales se
encuentran pigmentos como las
antocianinas, que según R. Fennema (2010)
son relativamente inestables y la mayor
estabilidad ocurre en condiciones ácidas. En
cuanto a otros polifenoles como las
isoflavonas se ha sido establecido que su
biodisponibilidad puede ser influenciada
por su estructura química en alimentos y a
la susceptibilidad a la degradación durante
el calentamiento (Shao S., et al. 2009 ). Lo
que concuerda con los datos obtenidos
experimentalmente, como se puede
observar en la tabla 2 donde los valores D
expresados en minutos a diferentes
temperaturas y pHs, lo que indica que
-0,02
-0,01
0
0 20 40
Ln C
Minutos
pH 4.0
63ºC
70ºC
75ºC
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requiere mayor tiempo cuando se encuentra
a pH ácidos. También existen compuestos
polifenolicos que posiblemente no se vieron
alterados por el tratamiento térmico ni por
los pHs empleados. Como es el caso de los
taninos que son polímeros polifenólicos
producidos en las plantas como compuestos
secundarios y que tienen la capacidad de
formar complejos con proteínas,
polisacáridos, ácidos nucleicos, esteroides y
saponinas desempeñando en las plantas una
acción defensiva ante los insectos (Hom., et
al. 2001).
Esta afirmación es válida ya que en la
bibliografía los taninos sufren
degradaciones a partir de 225ºC, siendo
máxima a 300ºC y a pH superior a 6 (Peña
C., 2007 ).
En cuanto a otros estudios reportados por
Urrea R., et al. (2012) Indicaron que en un
proceso de secado convectivo en zanahoria
los polifenoles fueron más sensibles al largo
tiempo de exposición al tratamiento térmico
que al efecto de la temperatura. La
comparación de los datos publicados se
dificulta por la estabilidad de los polifenoles
debido a las diferentes condiciones
experimentales usadas por otros autores
reportando resultados diferentes.
3.3.Obtención del modelo
Con los valores D obtenidos para cada
relación de temperatura y pH, se procedió a
aplicar el logaritmo natural a cada valor
para linealizar y así obtener una ecuación
más exacta en la descripción del
comportamiento de la constante de en
función de los pHs y la temperatura. Luego
por regresión lineal multivariable se obtuvo
la ecuación de predicción de valor D para
cualquier temperatura y pH dados en el
programa STARGRAPHICS
CENTURION IV.
3.3.1. Modelo
La ecuación obtenida para la descripción
del comportamiento de la degradación de
los polifenoles en función del pH y la
temperatura se obtuvo con el programa
STARGRAPHIPS CENTURION
aplicando una relación de regresión lineal
multivariable con un ajuste por mínimos
cuadrados ordinarios, esto se aplicó a los
logaritmos naturales de los valores D
obtenidos con el fin de linealizarlos y
aumentar así la correlación final.
La ecuación obtenida fue la siguiente:
LOG10 D= 7,2919 - 0,0448823*T -
0,623563*pH
La correlación o R-Cuadrada ajustada, que
es más apropiada para comparar modelos
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con diferente número de variables
independientes, es de 78,9227 %, lo cual
indica que la ecuación obtenida describe el
79% del comportamiento del valor D
(Destrucción Térmica de Polifenoles) en
tratamientos térmicos con diferentes
temperaturas y pHs. De este valor se puede
inferir que la degradación térmica de los
polifenoles sigue una cinética de primer
orden.
Los valores P obtenidos para la relación de
la temperatura y el pH con el cambio en el
valor D fueron inferiores a 0.05, lo que
indica que ambas variables son
estadísticamente significativas con un nivel
de confianza del 95%, lo que concuerda con
R. Fennema, (2010) que señala que los
principales factores que gobiernan la
degradación de las antocianinas que son
compuestos fenólicos son el pH, la
temperatura y la concentración de oxígeno,
y entre estas la estabilidad de las
antocianinas en los alimentos se ve
notablemente afectada por la temperatura al
igual que otros polifenoles.
4. CONCLUSIONES
Se obtuvo un modelamiento
matemático que sigue una cinética
de degradación de primer orden que
permite inferir la degradación en el
contenido final de polifenoles en
tratamientos térmicos a diferentes
condiciones de temperatura y pH.
con una precisión del 79 %. la
ecuación es:
LOG10 D= 7,2919 - 0,0448823*T -
0,623563*pH
La temperatura y el pH afecta
significativamente el contenido de
polifenoles ya que a medida que
aumenta el pH y la temperatura
existe una mayor degradación en el
contenido final de polifenoles.
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de salud y protección social.
Relativa al reglamento técnico sobre
los requisitos sanitarios que deben
cumplir las frutas y bebidas con
adición de pulpa de fruta.
6. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al laboratorio de
investigación en post cosecha (LIP) de la
universidad del Quindío, por todo el apoyo
para la realización de esta investigación.
A la Química Leidy Tatiana Sánchez y al
Quimico Omar Rolando Garcia, por toda la
ayuda y asesoría brindada.
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