ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADA POR:
JUAN FEDERICO RAMOS GÓMEZ
PARA OPTAR EL GRADO ACADEMICO DE MAESTRO EN TECNOLOGIA Y GESTION DE LA CALIDAD DE ALIMENTOS
JUNIN – PERU
2020
ESTABILIDAD DE BETALAÍNAS, POLIFENOLES Y ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE EN QUINUA DURANTE LAS OPERACIONES DE
PROCESAMIENTO Y COCCIÓN
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADA POR:
JUAN FEDERICO RAMOS GÓMEZ
PARA OPTAR EL GRADO ACADEMICO DE MAESTRO EN TECNOLOGIA Y GESTION DE LA CALIDAD DE ALIMENTOS
JUNIN – PERU
2020
ESTABILIDAD DE BETALAÍNAS, POLIFENOLES Y ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE EN QUINUA DURANTE LAS OPERACIONES DE
PROCESAMIENTO Y COCCIÓN
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADA POR:
JUAN FEDERICO RAMOS GÓMEZ
PARA OPTAR EL GRADO ACADEMICO DE MAESTRO EN TECNOLOGIA Y GESTION DE LA CALIDAD DE ALIMENTOS
APROBADA POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE: ____________________________
Dr. Miguel Ángel Quispe Solano SECRETARIA: ____________________________
Dra. Shalin Carhuallanqui Ávila
PRIMER MIEMBRO: ____________________________
Dr. Emilio Fredy Yábar Villanueva SEGUNDO MIEMBRO: ____________________________
M.Sc. Edgar Rafael Acosta López TERCER MIEMBRO: ____________________________
Dr. Miguel Ángel Quispe Solano ASESOR DE TESIS: ____________________________
Dra. Clara Raquel Espinoza Silva Huancayo, 19 de noviembre de 2020
ESTABILIDAD DE BETALAÍNAS, POLIFENOLES Y ACTIVIDAD ANTIOXIDANTE EN QUINUA DURANTE LAS OPERACIONES DE
PROCESAMIENTO Y COCCIÓN
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
DEDICATORIA
A mi familia, que tuvo la paciencia de soportar mis ausencias y la escasa atención a ellos.
AGRADECIMIENTO
A los docentes de la Unidad de Post Grado de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias, por sus sabias enseñanzas.
A la Dra. Clara Raquel Espinoza Silva, por su paciente asesoramiento durante el desarrollo del trabajo de investigación.
Al Coordinador General del proyecto de investigación “Bioprocesamiento del tocosh, producción de bacterias ácido lácticas probióticas, bacteriocinas y su aplicación en la biopreservación de alimentos” que nos brindó las facilidades para el acceso a los equipos de análisis y a los consumibles correspondientes.
Al Ing. Efraín Zúñiga Molina, que tuvo la gentileza de brindarnos el acceso a la planta de proceso de APROMAC VALLE DEL MANTARO, para el uso del escarificador horizontal con que cuenta.
Al Sr. Ovidio Pascual Velásquez Núñez, propietario gerente de la empresa INVERSIONES MAVEL EIRL, que nos proporcionó en préstamo el extrusor de tornillos de su propiedad.
A la Srta. Mayra Belén Hinostroza Córdova, por su apoyo desinteresado en el desarrollo de los protocolos de análisis involucrados en la investigación.
INDICE GENERAL RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCION 1
CAPITULO I 3
MARCO TEORICO 3
1.1. Antecedentes de la investigación 3
1.1.1. Fenólicos totales 3
1.1.2. Actividad antioxidante 5
1.1.3. Betalaínas en quinua 7
1.1.4. Color de los granos de quinua 10
1.2. Bases teóricas y conceptuales 11
1.2.1. Quinua 11
1.2.2. Antioxidantes 12
1.2.3. Radicales libres 13
1.2.4. Acción de los antioxidantes 14
1.2.5. Fenólicos totales o polifenoles totales 15
1.2.6. Betalaínas 16
1.2.7. Operaciones de cocción 17
a. Extrusión 17
b. Expansión 20
c. Torrefacción o tostado 22
d. Cocción en agua a presión atmosférica 24
e. Cocción en agua a presión elevada 24
1.2.8. Procesos de biosíntesis y degradación de los metabolitos en estudio 25
1.3. Definición de términos básicos 27
1.3.1. Escarificación 27
1.3.2. Pericarpio 27
1.3.3. Epispermo(a) 27
1.3.4. Cocción 28
1.4. Hipótesis de investigación 28
1.4.1. Hipótesis general 28
1.4.2. Hipótesis específicas 28
1.5. Operacionalización de variables 28
1.5.1. Variables independientes 28
1.5.2. Variables respuesta 29
1.5.3. Variables intervinientes 29
CAPITULO II 30
DISEÑO METODOLOGICO 30
2.1. Tipo y nivel de investigación 30
2.2. Método de investigación 30
2.3. Diseño de investigación 30
2.3.1. Descripción del proceso experimental 32
a. Recepción de variedades de quinua 32
b. Limpieza y selección 32
c. Homogenización y extracción de primera muestra 32
d. Extracción de la segunda muestra 32
e. Desaponificación por escarificación 32
f. Extracción de tercera muestra 32
g. Conformación de muestras 32
h. Ejecución experimental 33
i. Recolección de datos 33
2.4. Población y muestra 33
2.4.1. Población 33
2.4.2. Muestra 33
2.4.3. Técnicas de muestreo 33
2.5. Conducción del experimento 34
2.5.1. Operaciones de cocción 34
a. Operación de cocción a presión atmosférica 34
b. Operación de cocción a alta presión 34
c. Tostado o terrefacción 35
d. Extrusión 35
e. Expansión 35
2.6. Técnicas e instrumentos de recopilación de datos 35 2.6.1. Fórmula considerada para el recojo de datos 35 2.6.2. Diseño experimental utilizado en la investigación 36
2.6.3. Preparación de muestras 37
2.6.4. Preparación del extracto o extracción de componentes bioactivos 37
a. Compuestos fenólicos totales 37
b. Betalaínas 37
c. Capacidad antioxidante DPPH 38
d. Capacidad antioxidante ABTS 38
2.6.5. Técnicas utilizadas para la cuantificación de variables respuesta 39 a. Contenido de compuestos fenólicos totales 39
b. Contenido de betalaínas 39
c. Actividad antioxidante DPPH 40
d. Actividad antioxidante ABTS 40
e. Determinación de color de los granos de quinua 41 2.6.6. Instrumentos de proceso y de recopilación de datos 41 2.6.7. Reactivos y materiales usados para la preparación de muestras y
Recojo de datos 42
a. Reactivos 42
b. Materiales 43
2.7. Técnica de procesamiento de datos 44
CAPITULO III 45
ANALISIS Y DIUSCUSION DE RESULTADOS 45
3.1. Resultados 45
3.1.1. Quinua entera 45
3.1.2. Color de la quinua 45
3.1.3. Cambio de masa en quinua durante cada operación y/o cocción 47
3.1.4. Determinación de fenólicos totales 47
3.1.5. Análisis de betalaínas 49
3.1.6. Actividad antioxidante determinación por DPPH 54 3.1.7. Actividad antioxidante determinación por ABTS 57
3.2. Discusiones 60
3.2.1. Quinua entera 60
3.2.2. Color de la quinua 60
3.2.3. Cambio de masa en quinua durante cada operación y/o cocción 61
3.2.4. Contenido de fenólicos totales 62
a. Quinua entera 62
b. Quinua escarificada 63
c. Cocción a presión atmosférica 64
d. Cocción a alta presión 64
e. Tostado 65
f. Laminado 66
g. Extruido 66
h. Expandido 67
i. Comportamiento general 67
3.2.5. Contenido de betalaínas 70
a. Quinua entera 70
b. Escarificado 70
c. Cocción a presión atmosférica 71
d. Cocción a alta presión 72
e. Tostado 72
f. Laminado 73
g. Extruido 73
h. Expandido 74
i. Comportamiento general 74
3.2.6. Capacidad antioxidante DPPH 76
a. Quinua entera 76
b. Escarificado 77
c. Cocción a presión atmosférica 77
d. Cocción a alta presión 78
e. Tostado 78
f. Laminado 79
g. Extruido 79
h. Expandido 79
i. Comportamiento general 79
3.2.7. Capacidad antioxidante ABTS 82
CONCLUSIONES 88
RECOMENDACIONES 89
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 90
ANEXOS 104
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Humedad de grano entero de quinua 45
Tabla 2: Color de la quinua antes y después de escarificado en unidades
CIELAB 45
Tabla 3: Cambio de masa de la quinua durante cada operación 46 Tabla 4: Contenido de fenólicos totales en granos de quinua 47 Tabla 5: Proporción de variación del contenido de fenólicos totales 49 Tabla 6: Resultados de análisis de betacianinas, betaxantinas y betalaínas 50
Tabla 7: Contenido de betalaínas 52
Tabla 8: Proporción de variación del contenido de betalaínas 53 Tabla 9: Capacidad antioxidante de granos de quinua determinado por DPPH 54 Tabla 10: Proporción de variación de la capacidad antioxidante DPPH 56 Tabla 11: Capacidad antioxidante de granos de quinua determinado por ABTS 57 Tabla 12: Proporción de variación de la capacidad antioxidante ABTS 59 Tabla 13: Contenido de fenólicos totales (mg GAE/100 g m.s.) y porcentaje
de variación en granos de quinua tratados 68 Tabla 14: Contenido de betalaínas (mg/100 g m.s.) y porcentaje de variación
en granos de quinua tratados 75
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Crecimiento de burbuja y estabilización de espuma durante la
extrusión 18
Figura 2: Flujo de proceso del diseño de investigación 31 Figura 3: Contenido de fenólicos totales antes y después de someter a
tratamientos. 48
Figura 4: Contenido de betacianinas, betaxantinas y betalaínas antes y
después de someter a tratamientos 52 Figura 5: Capacidad antioxidante determinados por DPPH, de granos de
quinua antes y después de la aplicación de tratamientos 55 Figura 6: Capacidad antioxidante determinado por ABTS, antes y después
de ser someetidos a tratamientos 58
Figura 7: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por DPPH. Variedad Huancayo. 80
Figura 8: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por DPPH. Variedad Pasankalla. 81
Figura 9: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por DPPH. Variedad Negra collana. 82 Figura 10: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por ABTS. Variedad Huancayo 85
Figura 11: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por ABTS. Variedad Pasanakalla 86
Figura 12: Porcentaje de variación de la capacidad antioxidante determinado
por ABTS. Variedad Negra collana. 87
RESUMEN
La investigación evalúa el nivel de cambio del contenido de betalaínas, polifenoles totales y actividad antioxidante en quinua de las variedades Huancayo, Pasankalla y Negra collana, al ser escarificadas y luego sometidas a diversas operaciones de cocción. Las variables independientes fueron el color de los granos y las formas de cocción. El diseño estadístico utilizado fue DCA con arreglo factorial de 3 x 5. Las variables dependientes determinados por espectrofotometría fueron: fenólicos totales, betalaínas, capacidad antioxidante.
Los resultados muestran un cambio positivo de fenólicos totales en la operaciones de cocción a presión atmosférica (Huancayo 4,38 % y Pasankalla 16,4%) y por expandido (Huancayo 22,83 %, Pasankalla 26,27 %), además del tostado (Negra collana 2,45 %), las demás operaciones generan cambios en negativo en diversas proporciones. Las betalaínas muestran cambio negativo cuando quinua de las tres variedades son cocidas a presión atmosférica (Huancayo -16,72 %; Pasankalla -16,19 % y Negra collana -1,07 %), en los otros casos se incrementan en diferentes proporciones. La capacidad antioxidante determinada por DPPH disminuye en granos tostados y expandidos Pasankalla y Negra collana, los demás tratamientos presentan incrementos. En la determinación de capacidad antioxidante por ABTS se verificó una disminución en quinua tostada (Pasankalla -42,06 %; Negra collana -40,05 %) y para quinua expandida (Pasankalla -0,41 %; Negra collana -4,78 %), las demás formas de cocción mostraron cambios positivos. Estas evidencias permiten concluir que no todas las operaciones de cocción reducen el contenido de fenólicos totales, betalaínas y la capacidad antioxidante de los granos de quinua.
Palabras clave: Fenólicos totales, Betalaínas, Capacidad antioxidante DPPH, capacidad antioxidante ABTS, Variedad Huancayo, Variedad Pasankalla, Variedad Negra collana.
ABSTRACT
The research evaluates the level of change in the content of betalains, total polyphenols and antioxidant activity in quinoa of the Huancayo, Pasankalla and Negra collana varieties, when they are scarified and then subjected to various cooking operations. The independent variables were the color of the grains and the ways of cooking. The statistical design used was DCA with a factorial arrangement of 3 x 5. The dependent variables determined by spectrophotometry were: total phenolics, betalains, antioxidant capacity. The results show a positive change in total phenolics in the cooking operations at atmospheric pressure (Huancayo 4.38%
and Pasankalla 16.4%) and by expanded (Huancayo 22.83%, Pasankalla 26.27%), in addition to roasting (Negra collana 2.45%), the other operations generate negative changes in various proportions. The betalains show negative change when quinoa of the three varieties are cooked at atmospheric pressure (Huancayo - 16.72%; Pasankalla -16.19% and Negra collana -1.07%), in the other cases they increase in different proportions. The antioxidant capacity determined by DPPH decreases in roasted and expanded Pasankalla and Negra collana grains, the other treatments show increases. In the determination of antioxidant capacity by ABTS, a decrease was verified in roasted quinoa (Pasankalla -42.06%; Negra collana - 40.05%) and for expanded quinoa (Pasankalla -0.41%; Negra collana -4.78%), the other ways of cooking showed positive changes. These evidences allow us to conclude that not all cooking operations reduce the content of total phenolics, betalains and the antioxidant capacity of quinoa grains.
Key words: Total phenolic, Betalains, DPPH antioxidant capacity, ABTS antioxidant capacity, Huancayo variety, Pasankalla variety, Black collana variety.
INTRODUCCION
A partir de la declaración del año de la quinua en 2013, el consumo de este producto se ha ido incrementando de manera considerable, tanto en nuestro país como en otros que demandan el envío de mayor cantidad del pseudocereal. Esta demanda en parte se basa en el cambio del estilo de consumo de las personas, orientado a una “alimentación saludable”, donde la quinua es considerada un alimento completo, no solo por la calidad proteica, que según Pereira, Encina, Barros, Gonzales, Cadavez y Ferreira (2019), reportan 15,6 % para la variedad roja, 14,6
% en la variedad negra y de 14,4 % en la variedad blanca, todas expresadas en base seca, sino, por el equilibrio de aminoácidos que presenta, además que se constituye en una fuente importante de vitaminas y minerales y más recientemente se la considera como proveedora de compuestos bioactivos, entre otros: fenólicos totales (ácidos fenólicos y flavonoides), betalaínas, fitoesteroles, etc., que le otorgan beneficios adicionales de carácter nutraceutico. Al parecer, esta última propiedad, es la que está impulsando la aceptación de este pseudocereal en el mundo, basado en las investigaciones desarrolladas que tienen a su disposición.
En la actualidad, existen evidencias de investigación relacionados con la determinación de fenoles totales, betalaínas y capacidad antioxidante en los granos de quinua, siendo sólidos los fundamentos teóricos que lo sustentan y los métodos de análisis correspondientes. Sin embargo, la mayor parte de ellas no precisan la variedad del grano utilizado y solo describen los hallazgos en los granos enteros del pseudocereal, mas, el consumo de este producto con el fin de hacerlo más agradable y digerible se realiza después de haber sometido a alguna operación de desamargado, seguido de cocción, sea esta de forma industrial o doméstica.
El estudio pretende cubrir esta brecha aún no tratada, por lo que persiguió el objetivo general de determinar el nivel de cambio del contenido de betalaínas, polifenoles totales y la actividad antioxidante cuando los granos de quinua son desaponificados por escarificación y luego sometidos a cinco diferentes formas de cocción.
Los objetivos específicos perseguidos fueron: determinar la proporción de cambio en el contenido de pigmentos betalámicos, polifenoles totales y la actividad antioxidante cuando los granos de quinua son desaponificados por escarificación.
Evaluar los cambios que se dan en el contenido de betalaínas, polifenoles totales y la actividad antioxidante de la quinua, sometida a cinco diferentes formas de cocción.
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 Antecedentes de la investigación 1.1.1. Fenólicos totales
Yawadio et al., (2008), demostraron que el contenido total de compuestos fenólicos para la quinua de origen japonés, determinado según el método Folín Ciocalteu colorimétrico utilizando ácido tánico como sustancia estándar (con curva estándar: Y = 0,0063 + 0,083 X, y R2 = 0,98;), fue de 148 ± 1,9 mg.g-1 TAE, mientras que para la quinua proveniente de Bolivia fue de 94,3 ± 3,0 mg.g-
1 TAE. Encontrándose que existe diferencia significativa (5 %) en el contenido total de compuestos fenólicos de estas dos semillas de quinua. En relación al valor FRAP (Ferric reducing anatioxidant power), los valores se encuentran en el rango de 7,3 a 8,2 mmol.L-1. La quinua proveniente de Japón presenta 8,2 ± 3,0 mmol.L-1 y la boliviana 7,5 ± 1,7 mmol.L-1.
Dini, Tenore y Dini (2010), al haber determinado el contenido de compuestos fenólicos totales de las semillas utilizando el método Folín Ciocalteu, encontró que las semillas de quinua amarga antes de la cocción contienen una mayor cantidad de compuestos fenólicos 86,4 ± 14,1 mg GAE.10 g-1 (p < 0,01), y la quinua dulce 77,2 ± 16,7 mg GAE.10 g-1 (p < 0,01). Una vez cocida la quinua (10 g quinua en 100 mL de agua destilada, por un tiempo de 20 min), los datos revelaron una disminución significativa de compuestos fenólicos contenidos en ambas variedades de semillas: quinua amarga, 59,4 ± 23,0 mg GAE.10 g-1 (p
<0,05); quinua dulce, 28,7 ± 2,8 mg GAE.10 g-1 (p < 0,003).
Sin embargo, los fenoles totales en semillas de quinua amargos y dulces aun cuando estos son cocidos, son mayores al de los cereales comunes, tales como el trigo (5,6 mg. 10 g-1), cebada (8,8 mg.10 g-1), mijo (13,9 mg10. g-1), centeno (10,3 mg. 10 g-1), y sorgo (41,3 mg. 10 g-1), reportados por Ragaee, Abdel-Aal and Noaman (2006).
El análisis de polifenoles desarrollado por Letelier, Rodríguez Sánchez y Aracena (2011), arroja un resultado de 9,0 ± 0,33 µmol equivalente de catequina.ml-1 y 1,94 ± 0,10 µmol.ml-1 de compuestos tiol.
El contenido de fenólicos totales reportado por Tang, Li, Zhang, Chen, Liu y Tsao (2015), es de 5,18 mg GAE.g-1 para quinuas oscuras, mientras para quinuas blancas este valor se encuentra en 2,1 mg GAE.g-1, para quinuas rojas el valor es intermedio 4,5 mg GAE.g-1.
En investigación desarrollada por Miranda, Vega, Uribe, López, Martínez, Rodríguez, Quispe y Di Scala. (2011), determinaron contenido de fenólicos totales en seis variedades de quinua que van desde 14,22 a 65,53 mg GAE/100 g semilla en base seca (Regalona 14,22; Cancosa 14,7; Ancovinto 32,3;
Villarica 37,6; Cahuil 42,7; Faro 65,53 mg GAE/100 g semilla seca). Ramírez (2015), reporta un contenido de fenoles totales de 20,47 y 11,10 mg GAE/100 g m.s. para quinua cruda de las variedades Pasankalla y Negra POQ/50. Para quinua lavada los valores son de 20,83 y 14,7 mg GAE/100 g m.s. y para quinua cocida 29,89 y 40,79 mg GAE/100 g m.s., existiendo un cambio de 30,33 % y de 63,97 %, entre grano lavado y cocido.
Nickel, Spanier, Torma, Arocha, and Helbig (2016), reportan el contenido de 97,6; 116,77; 110,65; 127,54; 58,63 mg GAE/100 g.m.s. para quinua entera, quinua lavada, quinua lavada y cocida a 1 atm de presión, quinua lavada y cocida a alta presión, quinua lavada y tostada respectivamente.
Quinua variedad Negra Collana luego de cocción retuvo el 32 % de CFT, mientras la variedad Pasankalla el 22 % (Vidaurre, Días, Mendoza y Solano, 2017). Aldave (2016), reporta una pérdida del 47,34 % de fenólicos totales para cacao variedad CCN-51 y de 40,34 % para la variedad ICS-6, al ser tostados con temperaturas de 120 y 130º C. Días, Mendoza y Vidaurre (2015) informan una pérdida de 51 y 42 % de fenólicos totales cuando se lavan las quinuas rosada y Negra collana, mientras evidencian pérdidas de 78 % y de 67,75 % al ser cocidas a presión atmosférica por 30 minutos.
En investigación conducida por Tang (2015), identificó 23 compuestos fenólicos en la quinua: ácido vainíllico, vainillina, ácido cumárico, ácido ferúlico, ácido cafeico, epigalocatequina, epicatequina, ácido dihidrobenzoico, ácido isoferúlico, Kampoferol, quercetina y otros. Gómez, Lafelice, Verardo, Marconi y Caboni (2014), identificaron compuestos fenólicos como ácido benzoico, ácido vainíllico, vainillina, ácido cumárico, ácido ferúlico. Habiendo determinado una pérdida del 21,5 % del contenido inicial de fenólicos totales en la operación de perlado. Miranda et al., (2010), reportaron el contenido de fenólicos totales de 28,41 ± 2,90 mg GAE/100 g m.s., para quinua entera, 16,50; 13,30; 5,04;
4,95 y 1,59 ± 0,53 mg GAE/100 g m.s., para granos secados a 40; 50; 60; 70 y 80 ºC.
1.1.2. Actividad antioxidante
Yawadio et al., (2008), reporta que la actividad antioxidante de la quinua medido en DPPH varía desde 59,2 ± 1,4 hasta 85,6 ± 0,9 %, donde la menor actividad corresponde a quinua proveniente de Japón, que en contraste posee el mayor contenido de fenoles totales. Para la proveniente de Bolivia es de 72,1 ± 2,1 %.
En el estudio de la actividad antioxidante al ser evaluados mediante DPPH reportan valores de 28,7 ± 2,1 para quinua dulce y 67,1 ± 6,1 para quinua amarga. Las cantidades remanentes en quinua cocida son del orden de 19,9 ± 1,7 y 35,7 ± 3,2 respectivamente (Dini et al., 2010).
Hirose et al., (2010), manifiestan que el DPPH es un radical libre relativamente estable usado ampliamente en la evaluación de la actividad antioxidante de productos naturales, que en gran parte es atribuible a la cantidad de compuestos fenólicos. Trabajando con quince muestras de semillas de quinua cultivadas en Japón, con diferencias en cuanto a la temporada de cosecha y los terrenos, obtuvieron un rango de lecturas obtenidas para DPPH de 502 ± 6,0 a 950 ± 20,0 µmol equivalente de trolox.100 g-1 de peso fresco.
Pasko, Barton, Zagrodzki, Gorinstein, Fołta, y Zachwieja (2009), informan el contenido de polifenoles de 3,75 ± 0,05 mg GAE.g-1 DW.
.
El consumo de muchos granos se ha asociado al menor riesgo de contraer enfermedades degenerativas, que dependen del estrés oxidativo, a saber, la aterosclerosis, el cáncer, la diabetes, La enfermedad de Alzheimer (Rimm et al., 1996; Steinmetz & Potter, 1996). Recientemente, se ha dado un gran interés al origen natural de antioxidantes, que pueden desempeñar un importante papel en la inhibición de los radicales libres por oxidación en reacciones en cadena dentro del tejido y las membranas (Carini et al., 1990).
Por lo tanto, la selección de plantas basados en su potencial antioxidante parece ser el centro de importancia con el fin de identificar extractos o fracciones que poseen la capacidades para la eliminación de radicales libres y reacciones en cadena que se inicien en unión con catalizadores de las reacciones oxidativas, tales como algunos iones metálicos (Dorman et al., 2003).
Miranda et al., (2011), reportaron la actividad antioxidante de seis variedades de quinua que van de 461,89 μg/mL como mejor resultado (valor IC50 más bajo) a 3773,37 μg/mL como peor resultado (Faro 461,89; Cahuil 502,32; Villarica 752,20; Regalona 952,35; Cancosa 1360,56; Ancovinto 3773,37 μg/mL).
Hirose, Fujita, Ishii y Ueno (2010), encontraron un contenido de flavonoles entre 51,5 ± 0,4 a 87,3 ± 2,5 mg.100 g-1 peso húmedo (FW), para quinua producida en Japón. Mientras que contenidos entre 24,3 ± 0,7 a 53,3 ± 0,8 mg.100 g-1 FW, para quinua proveniente de Bolivia y 42,0 ± 0,5 mg.100 g-1 FW para quinua proveniente de Perú.
Vega et al., (2018), reportan actividades de eliminación de radicales DPPH entre 10,74 y 20,17 mmol TE/100 g.m.s. La variedad Cáhuil exhibió la mayor actividad antioxidante (20,17 mmol TE 100 g-1), seguido de Ancovinto y Faro, con valores de 17,32 y 16,81 mmol TE 100 g-1, respectivamente. Por el contrario, la actividad antioxidante más baja se encontró en Regalona (10,99 mmol TE.100 g-1) y Villarrica (10,74 mmol TE.100 g-1) (P> 0.05).
Utilizando DPPH, Nickel et al., (2016) reportaron una capacidad antioxidante de 30,34 ± 0,42 mg TE/100 g.m.s., para granos naturales, 30,96 ± 0,59 mg TE/100 g.m.s., para quinua lavada, 29,81 ± 0,78 mg TE/100 g.m.s. para quinua lavada rehidratada, 32,13 ± 0,15 mg TE/100 g.m.s. para quinua cocida a presión atmosférica, 32,13 ± 0,10 mg TE/100 g.m.s., para quinua cocida a presión elevada y 24,93 ± 1,77 mg TE/100 g.m.s. para quinua tostada. Torres (2019), para grano tostado reportó 277,053 µg TE/g m.s.,y para quinua desaponificada 228,86 µg TE/g m.s.
Tang, Li, Zhang, Cheng, Liu and Tsao (2015), determinaron un contenido de 5,3; 8,9 y 11,1 µmol TE/g en quinua blanca roja y negra respectivamente usando DPPH. Ballester, Gil, Haros y Espinar (2019), informan un contenido de 3,37 mg TE/g para quinua blanca, mientras Abderraim et al., (2015) de 119,8 ± 2,8 a 335,9 ± 12,2 mmol TE/kg determinado por QUENCHER-CUPRAC directo.
Carciochi, Dimitrov y DAlesandro (2016) informan 13,61 µmol TE/100 g para quinua cruda y 27,39; 40,68; 70,75 y 53,04 µmol TE/100 g para quinua malteada y malteada tostada a 100; 145 y 190º C por un tiempo de 30 minutos haciendo uso de DPPH.
Chirinos, Pedreschi, Rogez, Larondelled, y Campos (2013), reportan actividad antioxidante para granos de quinua determinado por DPPH y ABTS, siendo estos: 1,2 ± 0.0 y 3,7 ± 0.1 µmol TE/g m.s. Pasko et al., (2009), reportan actividad antioxidante de 27,19 ± 2,03 mmol Trólox/kg m.s. para semillas de quinua y de 11,42 ± 1,2 para amaranthus cruentus variedad Rawa, 12,71 ± 1,1 para la variedad Astek determinados por ABTS. La determinación por DPPH arrojó 38,84 ± 1,63; 3,15 ± 0,3 y 4,42 ± 0,5 mmol Trólox/kg m.s. (para las mismas semillas).
1.1.3. Betalaínas en quinua
Según Zakharova et al., (1995); Zakharova y Petrova, (1997), mencionado por Polturak & Aharoni (2017), indica que diversos factores no enzimáticos
contribuyen a la degradación de la betalaína, entre otros, luz, oxígeno, pH y alta temperatura.
Nagatsu & Sawada, (2009), afirman que los citocromos P450s relacionados con la betalaína que muestran la actividad de tirosina hidroxilasa pueden utilizarse para la producción eficiente de L-DOPA, un compuesto económicamente importante que se ha usado durante décadas en el tratamiento primario para el Parkinson.
Tang et al., (2015), afirman que las betacianinas, principalmente betanina e isobetanina, fueron confirmadas por primera vez como los pigmentos de las semillas de quinua roja y negra, en lugar de las antocianinas. En el estudio, solo los extractos de las semillas de quinua roja y negra mostraron picos a 538 nm.
Se detectaron dos picos en ambas semillas de color a los 8,5 min (pico 1) y 9,6 min (pico 2), ambos teniendo el mismo ion molecular de m / z 551 [M + H] +, y un fragmento de ion m / z 389 [M-glucosa + H] + cuando se analiza mediante ESI-MS positiva (datos suplementarios). El pico 1 fue abrumadoramente dominante entre los dos. Los espectros UV/Vis y MS de los dos picos coincidieron con los de betanina e isobetanina.
Resultados reportados por Abderrahim, Huanatico, Segura, Arribas, Gonzales y Condezo (2015), para betacianinas fueron de 0,15 ± 0,01 a 5,23 ± 0,23 mg/100 g, mientras que para betaxantinas fueron de 0,05 ± 0,01 a 1,63 ± 0,01 mg/100 g, para el caso de betalaínas totales desde 0,15 ± 0,01 hasta 6,10 ± 0,12 mg/100 g. Días, Mendoza y Vidaurre (2015) reportan betalaínas entre de 0,10 mg /100 g. b.s para quinua rosada y 0,13 mg/100 g. b.s. para la quinua Negra collana. Al finalizar el proceso de cocción de 30 minutos se obtuvo que la quinua rosada retiene 0,04 mg /100 g. b.s y la quinua negra retiene 0,05 mg /100 g. b.s., mientras que la quinua lavada mostraba 0,11 para rosada y 0,14 para Negra collana. Laqui-Vilca, Aguilar, Mamani, Montaño y Condezo (2018) reportan contenidos de 53,2 ± 0,7 a 94,0 ± 2,0 mg /100 g. b.s. de betalaínas para quinua de color extraído para el análisis por ultrasonido. Vidaurre, Días, Mendoza y Solano (2017), informan que la cocción de quinua lavada generó
una pérdida del 65,5 % de betalaínas y de 64,28 % en comparación con quinua cruda.
El equipo conformado por Escribano, Cabanes, Jiménez, Tremolada, Gómez, García, y Gandía. (2017), reportan de 0,8 a 148 mg/Kg de amaranthin, de 0,9 a 145 mg/Kg de iso amaranthin, de 0,6 a 9,7 mg Kg de betanina, de 0,6 a 7,7 mg/Kg de betanina, de 0,4 a 85,3 mg/Kg de dopaxantina, de 0,7 a 10,5 mg/Kg de dopamina.
Ramírez (2015), reporta un contenido de betalaínas de 1,89 y 8,29 mg/100 g m.s. para quinua cruda de las variedades Pasankalla y Negra POQ/50. Para grano lavado los valores son de 1,65 y 2,15 mg/100 g m.s. y para quinua cocida 1,84 y 2,92 mg/100 g m.s., existiendo un cambio de 11,51 % y de 35,81 %, entre grano lavado y cocido. Valencia, Cámara, Ccapa, Catacora y Quispe (2017), reportan el contenido de betalaínas para 24 muestras de semillas de quinua peruana, en el rango de 1,417 a 14,643 mg/100 g m.s.
Las betalaínas experimentan varios cambios durante su procesamiento térmico o no térmico. El térmico incluye microondas, ebullición y tostado que disminuye la estabilidad de las betalaínas. La betalaína se degrada a altas temperaturas, al hervir, asar, los rendimientos de betacianinas y betaxantinas se ven afectados, la betanina sufre degradación por escisión hidrolítica para producir ácido betalámico y ciclodopa 5-O-glucósido como precursores biosintéticos.
También se regenera hasta cierto punto mediante la recondensación de los productos hidrolizados a través de los cuales recupera su color después de mantener los extractos calentados en una atmósfera fría. La exposición térmica provoca la isomerización y la descarboxilación de la betanina para producir isobetanina y descarboxibetanina C-15-estereoisómero, respectivamente. Con el fin de evitar la degradación de betalaína causada por condiciones enzimáticas, la enzima se inactiva por tratamiento con calor bajo de 70° C durante 2 minutos. La estabilidad de las betacianinas mejora con la acidificación. El contenido de betacianina disminuye en función del tiempo de ebullición; a 60, 120 y 180 s, el contenido de betacianina disminuye en 6%, 22%
y 51%, mientras el contenido de betaxantina disminuye en un 18%, 23% y 33%.
Al tratar con 110, 115 y 125° C durante 30 minutos, la betacianina de la remolacha tiende a disminuir en 24%, 62% y 81%, y las betaxantinas disminuyen en 13%, 60% y 73%. El contenido de betaxantina tiende a aumentar un 7% después de tostar durante 5 minutos (Akbar, Sadiq and Zia, 2018).
1.1.4. Color de los granos de quinua
Escribano, Cabanes, Jiménez, Ibañez, Gómez, García, y Gandía (2017), reportan que los granos blancos variedades “Blanca de Junín”, “Inia Salcedo” y
“Rosada de Huancayo” se caracterizan por valores del parámetro L* en el rango 72,04 a 75,6. Este valor indica la alta luminosidad de estas muestras. El color se caracteriza por valores bajos de a* que indican la ausencia de intensidades rojo-verde y por valores de b* que se relacionan con un fondo amarillo pálido crema. En contraste, las variedades negras POQ-86, POEQ-151, VM06BGQ- 31, POQ-206 y POQ-67 exhibieron parámetros L* que oscilan entre 41,57 y 45,26 y valores muy bajos para a* de 0,89 a 2,26 y b* 2,80 a 8,51; como era de esperar, estos valores indican claramente una luminosidad reducida de los granos negros y la ausencia de un color predominante. Para los granos rojo violeta que contienen tanto betaxantinas como betacianinas, se muestra que a medida que se reduce la proporción de betaxantina, el valor del parámetro b*, que mide el color amarillo, disminuye y, al mismo tiempo, el valor de a* aumenta debido al mayor contenido de betacianinas. En general para los granos coloreados el parámetro L* disminuye cuando el aporte de betacianinas es mayor, lo que indica una reducción en la claridad de los granos.
Macavilca y Condezo (2020), informan que las semillas de quinua presentaron valores de L que variaron de 26,60 ± 0,27 a 81,16 ± 0,02, que corresponden a los colores blanco, gris, amarillo, verde y rojo-violeta-naranja. La quinua rojo- violeta-naranja mostró valores de a* de 7,24 ± 0,07 a 41,18 ± 0,04; superiores a los de la amarilla 9,89 ± 0,23 a 18,43 ± 0,04; blanca 2,48 ± 0,02 a 9,67 ± 0,05 y verde 0,85 ± 0,01 a 5,19 ± 0,08; muestras, que se relacionan, en algunos casos, con su contenido de betacianina y betaxantina. La quinua blanca y amarilla presentó valores de b* 25,86 ± 0,07 a 45,19 ± 0,08 y 20,11 ± 0,30 a
57,94 ± 0,15; superiores a los de las muestras verdes 3,23 ± 0,02 a 16,80 ± 0,04; que se relacionan con el contenido de betaxantina.
1.2 Bases teóricas y conceptuales
1.2.1. Quinua
Tapia (1997), reconoce que la quinua fue utilizada como alimento desde hace más de 5000 años y que los pueblos andinos supieron aprovechar sus bondades alimenticias. El consumo de quinua ha sustituido a las proteínas de origen animal, en muchas áreas de los andes, y siguen siendo fuentes de proteínas principales. Pearsall (1992), indica que la quinua se cultiva desde hace más de siete mil años, constituyéndose en uno de los principales cultivos de grano que proporciona alimentos sumamente nutritivos a los pobladores rurales (Food an Agriculture Organization of the United Nations [FAO], 1998).
La quinua es un producto oriundo de la región andina que ha sido reconocida en el mundo por su alto nivel proteico. El cultivo, ha experimentado a lo largo de la historia una serie de cambios genéticos que han dado a los países andinos la exclusividad de su crecimiento (Shen, Arbieto y Del Pozo, 2015).
Para Cronquist (1995) y Wilson (1980), mencionado por Bojanic (2013), taxonómicamente la quinua se clasifica en el Reino: Plantae, División:
Magonoliophyta, Clase: Magnoliopsida, Subclase: Caryophyllidae, orden Caryophyllales, Familia: Amaranthaceae, Sub familia: Chenopodioceae, Género Chenopodium, Especie: Chenopodium quinoa. El género Chenopodium, alberga casi 250 diferentes especies.
La semilla de quinua variedad Pasankalla posee perigonio de color púrpura, pericarpio plomo claro y episperma vino oscuro. La variedad Huancayo tiene perigonio y pericarpio de color crema y episperma blanco. La variedad Negra collana posee perigonio color verde, pericarpio gris y episperma negro brilloso (Apaza, Cáceres, Estrada y Pinedo, 2013).
1.2.2. Antioxidantes
Un antioxidante esuna molécula, o union, o un radical relativamente estable, con la capacidad de ralentizar o incluso prevenir la oxidación de otras moléculas denominadas radicales libres (Pinchuk, Shoval, Dtan y Lichtenberg, 2012). Un antioxidante, es cualquier molécula capaz de prevenir o retardar la oxidación (pérdida de uno o más electrones) de otras moléculas, generalmente sustratos biológicos, como lípidos, proteínas, o ácidos nucleicos. La oxidación de estos sustratos puede ser iniciada por dos tipos de especies reactivas: Los radicales libres y otras especies suficientemente reactivas para inducir la oxidación de estas sustancias (Instituto de Nutrición y Tecnología de Alimentos [INTA], 2015).
Los radicales libres, producidoscomo resultado delas reacciones bioquímicas del organismo,están implicadosen la contribución al cáncer,la arterosclerosis, el envejecimiento, la inmunosupresión, inflamación, cardiopatía isquémica, diabetes, pérdida de cabello y neurotrastornos degenerativos como las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson (Surveswarán, Zhon y Corke, 2011).
Los antioxidantes que se encuentran en los alimentos son una categoría heterogénea de moléculas (Tuberoso, Boban, Bifulco Budimir y Pirisi, 2013).
Los antioxidantes son compuestos o sistemas que pueden interactuar de forma segura con los radicales libres y terminar la reacción en cadena antes que moléculas vitales sean dañadas. Sucede bajo los siguientes mecanismos (i) Inicio de la peroxidación, (ii) los iones quelantes de metales descomponen los peróxidos, de manera que sean incapaces de generar especies reactivas (iii) enfriamiento rápido *O2 que previene la formación de peróxidos, (iv) romper la reacción en cadena auto-oxidativo, y/o (v) la reducción de las concentraciones de O2 localizadas (Asimi, Sahu y Pal, 2013).
La eficacia anti oxidativa de estos compuestos depende de sus características químicas y ubicación física dentro de un alimento, la proximidad a fosfolípidos de la membrana, las interfaces de emulsión, o en la fase acuosa (Watanabe,
Nogushi, Fujisawa, Kodama, Tamura y Cynshi, 2000). Antioxidantes, por ejemplo, flavonoides, ácidos fenólicos, taninos, vitamina C, vitamina E, tienen diversas propiedades biológicas, como antiinflamatorio, efectos anticancerígenos y anti escleróticos, reducen la incidencia de enfermedades coronarias y contribuyen al mantenimiento de la salud por la modulación del equilibrio microbiano intestinal (Bartoszek y Polak, 2012).
Oroian (2015), menciona que los antioxidantes cubren diferentes clases de compuestos que pueden interferir con ciclos oxidativos para inhibir o retardar el daño oxidativo de biomoléculas. Las principales clases de compuestos con actividad antioxidante son: vitaminas (vitamina C y vitamina E), carotenoides (carotenos y xantofilas) y polifenoles (flavonoides, ácidos fenólicos, lignanos y estilbenos).
Muchos de los antioxidantes naturales de interés son de origen vegetal y pertenecen a la clase de compuestos fenólicos y polifenólicos, así como los carotenoides y vitaminas antioxidantes, entre otros. La actividad de los antioxidantes y su mecanismo de acción está dictada por las características estructurales de las moléculas implicadas, el sistema en el que están presentes, así como las condiciones de procesamiento y de almacenamiento, entre otros (Shahidi, 2015).
Los compuestos fenólicos, como las isoflavonas, genisteina, daidzeina y gliciteina, al igual que los ácidos cafeico, clorogénico, ferúlico y cumárico, tienen la capacidad de evitar o reducir la intensidad de las reacciones de oxidación (Badui, 1990).
1.2.3. Radicales libres
Desde el punto de vista químico, un radical libre es cualquier especie (átomo, molécula o ion), que contenga al menos un electrón desapareado en su orbital más externo. Los átomos ordenan sus electrones (ê) en regiones denominados orbitales atómicos, bajo la forma de pares de electrones, lo que le confiere al átomo estabilidad o baja reactividad química hacia su entorno, sin embargo,
bajo ciertas circunstancias, dicho orbital puede perder su paridad, ya sea cediendo o captando un electrón (ê), haciendo que exhiba un electrón desapareado, por tanto le confiera una aumentada habilidad para reaccionar con otros átomos y/o moléculas presentes en su entorno, normalmente, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La interacción entre radicales libres y dichos sustratos, da lugar a alteraciones en las propiedades estructurales, y eventualmente funcionales de los últimos (INTA, 2015).
Los principales radicales libres y especies reactivas derivadas del oxígeno y del nitrógeno, que se genera en el organismo humano son los siguientes:
Superóxido (O2-), hidroxilo (HO-), alcoxi (RO-), peroxi (ROO-), carbonato (CO3=), óxido nítrico (NO-), dióxido nítrico (NO2-), peróxido de hidrógeno H2O2, hidroperóxidos (ROOH), hipoclorito (ClO-), oxígeno singlete 1[O2], ozono (O3), proxinitrito (ONOO-) (INTA, 2015).
1.2.4. Acción de los antioxidantes
La iniciación de radicales libres puede ser retardado mediante el uso de los descomponedores de peróxido, agentes quelantes de metales, o inhibidores de oxígeno singlete. Debido a que es muy difícil de eliminar las trazas de peróxidos e iniciadores de metal, la mayoría de los estudios se han centrado en el uso de aceptores de radicales libres. Los antioxidantes son en cierta forma aceptores de radicales libres, con lo que atenúan la reacción en cadena que estos puedan generar. Se postula que los antioxidantes inhiben la reacción en cadena al actuar como donantes de hidrógeno o aceptores de radicales libres y que el aceptor de radicales libres (AH) reacciona principalmente con ROO- y no con radicales R- (Fennema, 2000).
ROO- + AH ROOH + A-
En este sentido los antioxidantes fenólicos son excelentes donantes de hidrógeno o de electrones, además, sus radicales intermedios son relativamente estables.
1.2.5. Fenólicos totales o polifenoles totales
Los compuestos fenólicos son un grupo de substancias que poseen en común un anillo aromático con uno o más substituyentes hidroxílicos que ocurren frecuentemente como glicósidos, combinados con unidades de azúcar, son relativamente polares y tienden a ser solubles en agua (Luck, 1994). Los flavonoides son un grupo importante de los compuestos fenólicos, y estos contienen a las antocianinas. Los grupos auxócromos son donadores de electrones y en el caso de las antocianidinas son los grupos hidroxilo y metoxilo, siendo mayor la capacidad de los segundos (Fennema, 2000).
Los compuestos polifenólicos se ubican en todos los órganos de la plantas y son, por lo tanto, una parte integral de la dieta humana. Más de 8 000 estructuras fenólicas han sido reportados y están ampliamente dispersos por toda la planta, muchos se producen en los alimentos. Los compuestos fenólicos van desde su forma simple de bajo peso molecular, compuesto de anillos aromáticos individuales hasta los más complejos como los taninos y polifenoles derivados (Crozier, Jaganath y Clifford, 2009).
Ellos son sintetizados por vías mixtas, que producen la gran variedad de fenoles vegetales. En la última parte del siglo 20, el interés en los alimentos que poseen compuestos fenólicos ha ido aumentando debido a sus propiedades antioxidantes y habilidades de eliminación de los radicales libres, por sus propiedades antiinflamatorias, actividades anti-microbianas y anti-proliferación (Ahmed, Mikail, Bin, Bin, Rasad y Ghani, 2015).
Los Polifenoles pueden ejercer un efecto antioxidante indirecto, mediante la protección de las enzimas antioxidantes endógenos en el cuerpo humano (Zhang, Deng, Ramdath, Tang, Chen y Liu, 2015, Zhang, Fu, Wang, Gao, Du, y Wu, 2015). Stevenson y Hurst (2007) manifiestan que los polifenoles pueden proporcionar una protección significativa contra el estrés oxidativo in vitro en concentraciones mucho menores de los que sería necesario para antioxidantes químicos. Oliveira, Carvallo y Melo, (2014), afirman que los principales grupos
de polifenoles son los flavonoides, ácidos fenólicos, alcoholes fenólicos, estilbenos y lignanos.
Galili y Hoyay (2014), sostienen que las semillas de plantas también contienen grandes cantidades de polifenoles, que tienen altos niveles de actividad antioxidante y pueden ser considerados como alimentos funcionales y que existen varios métodos para la cuantificación de polifenoles de semillas y la determinación de la actividad antioxidante FRAP (Ferric reducing antioxidant power), DPPH (2,2-Diphenil 1-1-picrylhydrazyl) y ORAC (Oxigen radical absorbing capacity). Se toman tres pasos para determinar el nivel y la composición de polifenoles y la capacidad antioxidante de semillas y partes de semillas: preparación de muestras, extracción de polifenoles y cuantificación de polifenoles. Cada paso puede influir enormemente en la cantidad total de polifenoles detectados.
Los polifenoles se clasifican tradicionalmente en taninos “condensados” y taninos “hidrolizables”. La importancia de los polifenoles reside en su participación en distintas características de los alimentos, entre ellos, el color y la astringencia. La hojas verdes de té contienen aproximadamente 40 % de polifenoles (Fennema, 2000).
1.2.6. Betalaínas
Las betalaínas son un grupo de pigmentos vacuolares que contienen nitrógeno, son solubles en agua, se clasifican en base a su color en betacianinas rojo- violeta y las betaxantinas amarillas, se conocen también como “antocianinas nitrogenadas” (Richardson, y Finley 1985). Los característicos pigmentos rojos- morados de la remolacha, Beta vulgaris, solían describirse como “antocianinas nitrogenadas”. Sin embargo, ahora se establece que estos pigmentos y los de los otros miembros de ocho familias generalmente agrupados como el orden Centrospermae son bastante diferentes de las antocianinas y nunca se producen con antocianinas en ningún miembro de estas ocho familias (Coultate, 2002).
Las betalaínas, un pequeño grupo de pigmentos alcaloides restringido a ciertas Caryophyllales. La evidencia empírica reciente indica que las antocianinas y betacianinas son fotoprotectores efectivos, están asociados con una mayor tolerancia a la sequía y el estrés por salinidad, sin embargo, la capacidad de las betalaínas para mantener un color rojo independientemente de los cambios en el pH vacuolar, su capacidad de absorción mejorada de longitudes de onda visibles y su fuerte asociación con la actividad de ATPasa vacuolar sugieren que pueden conferir beneficios adaptativos que no se encuentran en aquellas especies que producen antocianinas. Al igual que las antocianinas, los pigmentos de betalaína se encuentran en las semillas, frutas, flores, hojas, tallos y/o raíces de plantas (Gagandeep y Gould, 2015), sin embargo existe una aparente exclusividad mutua de antocianinas y betalaínas en Caryophyllales, que ha dado lugar a debates taxonómicos (Clement y Mabry, 1996).
Las betalaínas y antocianinas son dos familias diferentes de pigmentos que nunca se encuentran juntas en la misma planta, por lo que la exclusividad mutua de antocianinas y betalaínas se ha discutido a raíz de nuevas evidencias.
Las betalaínas están presentes de forma exclusiva reemplazando antocianinas en miembros de algunas familias bajo el orden Caryophyllales, en el cumplen funciones análogamente antociánicas (Gandía & García, 2018; Khan &
Giridhar, 2015). Las razones evolutivas para la exclusión mutua aparente no se han explicado adecuadamente; sin embargo, a nivel bioquímico, se ha demostrado que las enzimas relevantes para la producción de antocianinas no se expresan en plantas productoras de betalaína (Gandía & García, 2018).
1.2.7. Operaciones de cocción
a. Extrusión
La extrusión es un proceso continuo que combina varias operaciones unitarias que incluyen la mezcla, cocción, amasado, conformado y formación. Se utiliza para producir una amplia gama de productos, incluidos los cereales de desayuno, galletas, pasta, productos de confitería. Las extrusoras consisten de uno o dos tornillos contenidos en un barril horizontal
y se clasifican según el método de operación en extrusoras frías o de cocción. Los principios de funcionamiento son similares en ambos tipos. Las materias primas se introducen en el tambor de la extrusora y el tornillo o tornillos, conducen al producto a lo largo de ella. Al final, en el cañón, el volumen está restringido y los productos se comprimen antes de la salida (Fellows, 2009).
Figura 1: Crecimiento de burbuja y estabilización de espuma durante la extrusión
Fellows (2009)
La cocción por extrusión, se hace por proceso de corto tiempo y alta temperatura (HTST), que reduce el número de microorganismos de materias primas e inactiva las enzimas de origen natural. Sin embargo, la baja actividad de agua de los productos (0,1 ± 0,4) es el principal método de conservación de alimentos extruidos tanto en caliente o en frío y esto se mantiene durante el almacenamiento de los materiales adecuadamente envasado. El proceso HTST permite conservar los componentes sensibles, lo que resulta en una buena retención de valor nutricional y propiedades sensoriales (Fellows, 2009).
Los materiales que forman la estructura de un producto extruido se crea mediante la formación de un fluido en estado fundido a partir de biopolímeros y el escape súbito del vapor de agua para formar una estructura expandida de tipo espuma. El contenido de humedad de los ingredientes es una de las principales técnicas para controlar el proceso de extrusión y las características del producto extruido. Específicamente, el contenido de humedad afecta la densidad del producto, la expansión, la cocción, la
rehidratación del producto y la gelatinización del almidón. El agua puede ser suministrada mientras se mezcla la alimentación antes de la extrusión o añadido directamente en la alimentación en movimiento durante la extrusión en forma de vapor o agua. Esta sirve para dos propósitos: El nivel de humedad determina la viscosidad en estado fundido, que a su vez determina la densidad del producto terminado, aparte de cambios fisicoquímicos. En el caso de extrusión de doble tornillo de cocción, el mínimo contenido de humedad aceptable para ejecutar el extruido de manera constante es de aproximadamente 10 %, mientras que es más de 13 % para una máquina de un solo tornillo (Bhattacharya, 2012).
La aplicación de la tecnología de extrusión es uno de los procesos más económicos, siendo utilizado cada vez más en la industria de alimentos para el desarrollo de nuevos productos tales como aperitivos, alimentos infantiles, cereales para el desayuno, productos de pasta, proteína texturizada y almidón modificado a partir de cereales. Durante la cocción por extrusión, las materias primas se someten a muchas transformaciones químicas y estructurales, tales como la gelatinización del almidón, desnaturalización de la proteína, formación de complejos entre la amilosa y los lípidos y la degradación de vitaminas y pigmentos (Altan y Maskan, 2012).
Los parámetros más importantes para el funcionamiento de la extrusora son la temperatura y la presión en el barril, el diámetro de las aberturas del troquel y la velocidad de cizallamiento. La velocidad de cizallamiento está influenciada por el diseño interno del barril, la longitud: diámetro, la velocidad y la geometría del tornillo o tornillos. La cocción por extrusión opera continuamente bajo condiciones de equilibrio de estado estacionario. La cantidad de calentamiento de materiales de alimentación y la tasa de transferencia de calor a los alimentos determina el tipo y el alcance de los cambios físico químicos que tienen lugar y por lo tanto la calidad del producto final (Fellows, 2009).
La mayoría de los trabajos de investigación publicados han reportado disminuciones significativas en fenoles totales después de la extrusión
(Camire, Camire y Krumbar, 1998). El ácido ferúlico, ácido fenólico en granos, sufrió sólo pérdidas menores durante la extrusión de doble tornillo de arroz integral germinado (Ohtsubo, Susuky, Yasui y Kasuni, 2005). Los flavonoles totales, especialmente quercetina 3-ramnósido, aumentaron en un 30 % a 34 % (Bhattacharya, 2012).
Nutrientes tales como ácido ascórbico, beta caroteno, tocoferoles, y selenio sirven como antioxidantes y numerosos compuestos fenólicos y flavonoides tienen actividad antioxidante. La actividad antioxidante de cebada extruida se redujo en 60 % a 68 % y el contenido fenólico disminuyó en 46 % a 60 %.
La tendencia clara, surgido como efecto de la temperatura del tambor o la velocidad del tornillo sobre la conservación de la actividad antioxidante y el contenido de fenoles, es la disminución de estas (Stojceska, Aisworth, Plunkett e Ibanoglu, 2009).
La cocción por extrusión disminuyó el contenido de fenoles totales de los productos extruidos. La actividad antioxidante de los productos extruidos de orujo de uva se vio afectada por la velocidad del tornillo y la interacción de los niveles de temperatura y de orujo de uva. Un aumento en la actividad antioxidante se obtuvo bajo condiciones de alta temperatura y el nivel bajo de orujo de uva, este resultado se ha atribuido al alto peso molecular de productos y a la reacción de Maillard que se produce a temperaturas más altas y actúan como antioxidantes. La reducción de la actividad antioxidante de los productos extruidos de orujo de uva esta explicado por la destrucción de los antioxidantes presentes y de los compuestos fenólicos debido a las condiciones de alto cizallamiento (Altan & Maskan, 2012).
b. Expansión
Anderson (1992), fue el inventor que obtuvo la patente No US707892Apara el primer equipo para expansión de cereales, quien en el cuerpo del expediente describe lo siguiente: “… método seco para incrementar el volumen de materiales de almidón de todo tipo y hacerlos porosos, mejorando su valor
nutritivo, haciéndolos más fáciles de digerir que cuando se utilizan en su forma actual, lo que los hace más valiosos …”.
Menciona en las reivindicaciones, que su descubrimiento hace uso del agua higroscópica contenida en los gránulos de almidón de todos los materiales que lo poseen (cereales y otros), que expanden o hinchan estos materiales uniforme y homogéneamente en todas las direcciones, haciéndolos más porosos, fácilmente digeribles y disueltos por los líquidos. Esta acción tiene lugar cada vez que se hace que el líquido cambie repentinamente a estado gaseoso o, en otras palabras, que explote, con tal rapidez que el mismo no puede escapar con suficiente velocidad por difusión a través de los revestimientos de los gránulos de almidón. Estos recubrimientos de los gránulos de almidón se componen de lo que se conoce como “celulosa de almidón”, y es parte de mi descubrimiento que los mismos retendrán los gases dentro de los gránulos en una medida suficiente como para causar la acción explosiva mencionada anteriormente si se concibe un método por el cual el líquido contenido en los gránulos pasa al estado gaseoso con suficiente rapidez.
Gordon, Grove, Hempenius, Kirkwood y Heights (1986), mencionan una mezcla de avena que se cocina y expande a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 290º F a 340º F. Donde el producto de cereal conformado se termoendurece en una corriente de aire caliente, termo fijándose a una temperatura superior a aproximadamente 430º F, alcanzando humedad menor de aproximadamente 5%, en este caso el principio utilizado es el mismo que fue patentado por Anderson, expansión por cambio súbito de presión, donde el agua sufre una salida explosiva desde el almidón que lo contiene, empujando a este en todas direcciones y haciendo que incremente su volumen, por la generación de espacios huecos.
El proceso de expansión utilizando el principio patentado por Anderson es todavía utilizado en la actualidad. Con este fin los granos, son colocados y sellados en el interior del bol y/o cilindro principal de la máquina tipo “cañón”.
Esta consta de un cilindro horizontal que gira sobre su eje, y es calentado
por la superficie exterior, por quemadores de GLP u otro combustible.
También está provista de medios basculantes para inclinar el cilindro y facilitar el proceso de carga y descarga de los granos. Un extremo del cilindro permanece permanentemente cerrado y el otro tiene una tapa que se cierra herméticamente y un sistema que permite su abertura de forma rápida. La masa de granos gira en el interior del cilindro y se calienta en pocos minutos.
El interior del cilindro se presuriza por acción del aire caliente y por el vapor de la humedad proveniente de los granos. Cuando se obtiene la presión adecuada, que puede estar entre 90 a 250 psi, se procede a abrir la puerta y el contenido sale súbitamente acompañado de una fuerte explosión. Los granos de cereales se expanden por la súbita salida del agua contenida en el almidón y otros macro componentes del cereal (Paggi, 2003).
c. Torrefacción o tostado
El tostado es un proceso dependiente del tiempo y la temperatura, mediante el cual se inducen cambios químicos en los granos de café verde y de diversos cereales; en el caso del café los cambios físicos en la estructura del producto tostado son evidentes, hay una pérdida de materia seca, principalmente como dióxido de carbono gaseoso, agua y otros productos volátiles de la pirolisis. El tostado normalmente se lleva a cabo bajo condiciones atmosféricas con gases de combustión calientes y exceso de aire, el agente de calentamiento primario también puede proporcionarse por contacto con superficies metálicas calientes, que es la forma más antigua de tostado. El grado de tostado se refleja en su color externo, el sabor desarrollado, la pérdida de masa seca producido y los cambios químicos en los componentes seleccionados, clasificándose por el grado de tostado como tostado “ligero”, “medio” u “oscuro”. Es necesario indicar que el tostado y el asado son dos operaciones análogas, el primero aplicado a alimentos de baja actividad de agua entre ellos cereales, mientras el segundo a productos de alta actividad de agua, como papa, camote, carne, etc., (Clarke, 1989).
Clarke (1989), también indica que el progreso del tostado en el caso del café, se puede medir de tres maneras: por el olor del humo (este fue el enfoque preferido para controlar el tostado en el siglo XIX), por la temperatura interna del grano (enfoque preferido hoy en día más inclinado técnicamente por los tostadores), o por el color de la superficie, que puede ser leído por un ojo experimentado o por una máquina sofisticada. La inspección visual del color es probablemente el método más practicado hoy en día, y el más fácil de adoptar por tostadores domésticos. Monitorear el tostado por la temperatura del grano es usado durante el tostado comercial a gran escala y cada vez es más practicado por tostadores profesionales a pequeña escala, mientras que controlar el tostado a través de la fragancia cambiante del humo tostado es un arte casi perdido, llevado a cabo solo por un puñado de tostadores entrenados en pequeñas tiendas.
Murray (1984), patentó un aparato para tostar granos de café que comprende, un recipiente para contener granos de café, que posee un medio soplante para suministrar aire a presión en un flujo que pasa hacia arriba a través los extremos abiertos del recipiente, levitando y agitando los granos de café dentro del recipiente. Además posee medios de calentamiento para calentar el aire antes de su paso a través de dicho recipiente. El aire caliente tuesta los granos de café hasta el nivel deseado (grado de tostado), permaneciendo para ello menor tiempo sometido a la acción de aire caliente.
El recipiente tostador tiene forma que permite la rotación continua de los granos para evitar carbonización y tostado irregular. El aire caliente se hace circular en circuito cerrado y, después de que se completa la tostación, se hace circular aire frío a través de los granos para enfriarlos rápidamente.
Los métodos básicos de procesamiento de alimentos, entre ellos la cocción (calefacción), afectan las concentraciones de nutrientes y otros componentes bioactivos o su biodisponibilidad (Meenakshi, 2007). Bartolo (2014), demostró que una mayor temperatura de tostado, genera una mayor cantidad de compuestos fenólicos totales, explicado porque las temperaturas elevadas favorecen el desarrollo de la reacción de Maillard, y la formación
de melanoidinas por pardeamiento no enzimático y la formación de otros compuestos fenólicos.
d. Cocción en agua a presión atmosférica
La cocción de cualquier alimento, inmerso en agua y a presión atmosférica, se produce a la temperatura de ebullición del agua en el lugar donde se realiza la operación. En este caso la ebullición del agua es función de la presión atmosférica del lugar, que a su vez es generada por la altitud medida en metros sobre el nivel del mar (msnm). Es la forma más antigua que el hombre utiliza para cocinar alimentos. Burghardt (1984), indica que la ebullición del agua en un lugar se produce cuando la presión de vapor del agua iguala a la presión reinante en el mismo (presión atmosférica). La relación de presión y temperatura de ebullición puede ser determinada en las llamadas tablas de vapor saturado. Sin embargo, la adición de sales o azúcares al agua puede hacer que la temperatura de ebullición se incremente (elevación del punto de ebullición EPE), porque la presencia del soluto en el agua reduce la presión de vapor de este y demanda de mayor temperatura para alcanzar el equilibrio con la presión atmosférica.
e. Cocción en agua a presión elevada
Los cocedores de alta presión conocidas llamadas también ollas a presión, están provistas de un recipiente aislado de la presión del entorno (atmosférica), dentro del cual los alimentos se cocinan a una temperatura elevada bajo una alta presión interna, acumulada por la emisión de vapor desde el agua y de los alimentos. La presión interna alcanzada aumenta el punto de ebullición del agua y del alimento hasta una temperatura de cocción particular, que depende del diseño del cocedor a presión. La ventaja de una olla a presión es que la cocción de un alimento se produce en menor tiempo, infiriendo ternura y sabor en los alimentos cocidos. Este tipo de cocedores incluyen un recipiente a presión donde se acomodan los alimentos a cocinar, una tapa para cubrir el recipiente de forma hermética, los equipos más modernos tienen un dispositivo de control de presión para ajustar la presión
interna en el recipiente, con lo que generan diferentes temperaturas de ebullición (Isogai, Maki, Ishii, Shigueki, Satoru e Ito, 1993).
Las ollas de presión generalmente tienen un recipiente y una tapa, además de los medios para asegurar ambas partes, y accesorios adicionales que ayudan a proporciona hermeticidad evitando que la presión acumulada en el interior escape. La temperatura del agua y de los alimentos confinados en el interior son cocinados a temperaturas mayores a los que se produciría en el medio ambiente, por ebullición del agua (Goldberg, 1984).
Wolfram & Wolf (1984), patentaron una olla de presión con sistema de seguridad automático, que permite coccionar productos a la temperatura de 117º C. La invención se refiere a un aparato para controlar el proceso de cocción en una olla a presión que contiene agua y alimentos, es calentado por medio de una unidad de calentamiento eléctrico con un circuito de control, donde se detecta la temperatura en o sobre la olla a presión, utilizado un circuito regulador del elemento calefactor. El tiempo de cocción puede preajustarse por medio de un temporizador ajustable y la medición del tiempo de cocción predeterminado que comienza solo cuando se alcanza una temperatura predeterminada entre la temperatura de cocción preestablecida y la temperatura de evaporación del agua en la olla a presión.
1.2.8. Procesos de biosíntesis y degradación de los metabolitos en estudio
Wei, Taoa , Qiea , Zenga , Qina , Chena y Hea (2020), manifiestan que algunos compuestos fenólicos se unen fuertemente a las paredes celulares en su forma nativa, mientras que otros se almacenan en las vacuolas de las células vegetales y que el tratamiento térmico puede romper las paredes o estructuras celulares, produciendo la liberación de compuestos fenólicos con lo que aumenta el contenido de fenólicos totales y la capacidad antioxidante.
Sin embargo, el Tratamiento térmico también puede ocasionar la degradación de los fenólicos termolábiles o generar su polimerización
