UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TESIS
PRESENTADO POR EL BACHILLER:
CASTILLO MELGAR, FRANK JOEL
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
HUANCAYO – PERÚ 2012
INFLUENCIA DE 27 CULTIVARES DE PAPA NATIVA (Solanum
sp.) SOBRE EL CONTENIDO DE COMPONENTES BIOACTIVOS
Y CAPACIDAD ANTIOXIDANTE
ASESOR:
EMILIO FREDY YÁBAR VILLANUEVA
JURADO EXAMINADOR
M.Sc. LUZ BUENDÍA SOTELO PRESIDENTE
M.Sc. VICTORIA ANCASI CONCHA ING. DILFREDO MALLMA CAPCHA JURADO JURADO
Dra. CLARA ESPINOZA SILVA ING. JOSÉ LUIS SOLÍS ROJAS
JURADO SECRETARIO
“Dedicado de forma muy especial a mis padres, Nelly y Mario; y a mi hermana Miriam”.
AGRADECIMIENTOS
Mis sinceros agradecimientos:
A Dios por ser mi fortaleza, por protegerme cada día y ser la luz que guía mi camino.
A mis padres por que siempre me apoyaron y confiaron en mí; un agradecimiento especial a mi madre que se sacrificó mucho por darme todas las comodidades en el estudio.
A mi hermana por apoyarme y creer en mí.
A mis tíos y padrinos por su apoyo incondicional y por sus consejos.
A mis primos por su apoyo, por su amistad y por creer en mí.
Al Ing. Fredy Yábar, mi asesor por haberme dado la oportunidad de llevar a cabo la presente investigación, por su confianza, por su apoyo y por su paciencia.
A todos los Ingenieros de la Facultad por transmitirme sus enseñanzas y experiencias en el día a día, y por su vocación de servicio con los estudiantes. Un agradecimiento particular a los Ing. Juan Ramos y Luis Artica, por su apoyo en el desarrollo de la tesis.
A la ONG CEDINCO por haberme dado la oportunidad de llevar a cabo la presente investigación, por su confianza y por su paciencia.
A todos mis amigos por estar siempre conmigo, por compartir momentos inolvidables y por que siempre creyeron en mí.
A la UNCP por formarme como profesional y darme lo mejor.
ÍNDICE GENERAL
PÁGINA
ÍNDICE GENERAL……….. i
ÍNDICE DE CUADROS……….. iv
ÍNDICE DE FIGURAS……… v
ÍNDICE DE ANEXOS ………. vi
RESUMEN……… vii
I. INTRODUCCIÓN ……… 1
II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA………. 3
2.1 La papa……… 3
2.1.1 Denominación y clasificación taxonómica……. 3
2.1.2 Papas nativas………. 4
2.1.3 Origen e historia………..…….. 5
2.1.4 Cultivo………. 6
2.1.5 Variedades………. 6
2.1.6 Producción………. 8
2.1.7 Composición química……… 9
2.1.8 Usos………. 10
2.2 Compuestos bioactivos y alimentos funcionales………….. 11
2.2.1 Compuestos fenólicos……….. 12
2.2.1.1 Estructura y clasificación……….. 13
2.2.2 Antocianinas……… 18
2.2.2.1 Estructura y clasificación………... 18
2.2.2.2 Factores que afectan la estabilidad y color de las antocianinas………. 20
a) pH……… 20
b) Estructura………. 21
c) Interacción con ácido ascórbico……. 22
d) Oxígeno………. 22
e) Temperatura………. 22
f) Enzimas……… 23
g) Copigmentación y autoasociación…. 23 h) Aw……….. 23
2.2.3 Carotenoides……….. 24
2.2.3.1 Estructura y clasificación………... 25
2.2.3.2 Estabilidad……… 26
a) Temperatura………. 26
b) Luz y oxígeno……… 27
c) pH……… 27
2.2.3.3 Biodisponibilidad………. 27
2.3 Capacidad antioxidante……….... 29
2.3.1 ROS………. 29
2.3.2 Estrés oxidativo………. 30
2.3.3 Sistema de defensa in vivo……….. 31
2.3.4 Antioxidantes……….. 33
2.3.4.1 Compuestos fenólicos y capacidad antioxidante………. 34
2.3.4.2 Antocianinas y capacidad antioxidante… 35 2.3.4.3 Carotenoides y capacidad antioxidante… 36 2.4 Compuestos fenólicos, antocianinas, carotenoides y actividad antioxidante en papas……….. 37
2.4.1 Compuestos fenólicos en papas………. 37
2.4.2 Pigmentos en la papa……….. 38
a) Antocianinas……… 38
b) Carotenoides……… 39
2.4.3 Actividad antioxidante de la papa……… 40
III. MATERIALES Y MÉTODOS………. 41
3.1 Lugar de ejecución………... 41
3.2 Materiales………... 41
3.2.1 Material biológico………….………. 41
3.2.2 Equipos de laboratorio………. 42
3.2.3 Materiales de laboratorio……….. 42
3.2.4 Reactivos……… 43
3.3 Métodos de análisis……….. 43
3.3.1 Caracterización física……… 43
3.3.2 Análisis Físico – Químico………. 44
3.3.3 Determinación de antocianinas monoméricas.. 44
3.3.4 Determinación de compuestos fenólicos……... 46
3.3.5 Determinación de carotenoides totales……….. 47
3.3.6 Determinación de capacidad antioxidante……. 48
3.4 Metodología experimental……… 50
3.4.1 Cuantificación de los componentes bioactivos capacidad antioxidante………. 50
3.4.2 Análisis estadístico……… 52
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES……… 53
4.1 Descripción de materia prima………. 53
4.1.1 Características físicas……….. 53
4.1.2 Densidad………. 61
4.1.3 Contenido de humedad……… 63
4.1.4 Relación entre densidad y materia seca……… 65
4.2 Caracterización de los compuestos bioactivos y capacidad antioxidante en 27 cultivares de papa nativa……… 66
4.2.1 Contenido de antocianinas monoméricas……. 67
4.2.2 Contenido de compuestos fenólicos………….. 74
4.2.3 Contenido de carotenoides……….. 81
4.2.4 Capacidad antioxidante hidrofílica……….. 88
4.2.5 Relación entre el contenido de antocianinas monoméricas, compuestos fenólicos y capacidad antioxidante……… 94
4.2.5.1 Relación entre la c. antioxidante h. y antocianinas monoméricas………... 94
4.2.5.2 Relación entre la c. antioxidante h. y compuestos fenólicos……… 97
4.2.5.3 Relación entre antocianinas monoméricas y compuestos fenólicos……… 99
V. CONCLUSIONES……… 105
VI. RECOMENDACIONES……….. 107
VII. BIBLIOGRAFÍA……… 108
VIII. ANEXOS……… 117
ÍNDICE DE CUADROS
CUADRO N°. TÍTULO PÁGINA
1. Características de las variedades nativas más conocidas 7
2. Composición por 100 g en porción comestible 9
3. Contenido de fitoquímicos fenólicos en algunos alimentos 17 4. Color y distribución de las principales antocianidinas en algunas
frutas y vegetales comunes 19
5. Sistemas de defensa in vivo contra el daño oxidativo 32
6. Mecanismos de acción de los antioxidantes 34
7. Cambios en la distribución de antocianinas y actividad antioxidante
en vino de mora negra (mulberry) durante el añejamiento 36 8. Cultivares de papa nativa utilizados en la investigación 41 9. Coloración y número de ojos de 27 cultivares de papa nativa 59 10. Formas y dimensiones de 27 cultivares de papa nativa 60 11. Densidad promedio de los 27 cultivares de papa nativa 62 12. Contenido de humedad y materia seca de los 27 cultivares de papa 64 13. Contenido de antocianinas monoméricas en 27 cultivares de papa,
clasificados por color de pulpa 67
14. Resumen estadístico del contenido de antocianinas monoméricas 74 15. Contenido de compuestos fenólicos en 27 cultivares de papa,
clasificados por color de pulpa 75
16. Resumen estadístico del contenido de compuestos fenólicos 80 17. Contenido de carotenoides en 27 cultivares de papa, clasificados por
color de pulpa 82
18. Resumen estadístico del contenido de carotenoides 87 19. Capacidad antioxidante hidrofílica en 27 cultivares de papa,
clasificados por color de pulpa 89
20. Resumen estadístico de la capacidad antioxidante 94 21. Valores de la proporción (ACNs/FNs) y la capacidad antioxidante
específica 102
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA N°. TÍTULO PÁGINA
1. Papas nativas peruanas 5
2. Estructura de los ácidos fenólicos 14
3. Estructura química del esqueleto básico de los flavonoides 15
4. Estructura química de algunos flavonoides 16
5. Estructura y sustituyentes de las antocianinas 19 6. Estructura de antocianinas a diferentes pH’s 21
7. Estructura de algunos carotenoides comunes 26
8. Flujo de operaciones para la cuantificación de bioactivos y capacidad
antioxidante en los 27 cultivares evaluados 51
9. Tres cultivares de papas nativas de pulpa blanca 54 10. Cuatro cultivares de papas nativas de pulpa amarilla 55 11. Siete cultivares de papas nativas de pulpa roja 56 12. Trece cultivares de papas nativas de pulpa morada 58 13. Correlación de la densidad y % de materia seca en los 27 cultivares 66 14. Contenido de antocianinas monoméricas en los 27 cultivares de papa
nativa 71
15. Contenido de compuestos fenólicos en los 27 cultivares de papa
nativa 78
16. Contenido de carotenoides en los 27 cultivares de papa nativa 85 17. Capacidad antioxidante en los 27 cultivares de papa nativa 92 18. Correlación entre antocianinas monoméricas y capacidad antioxidante
h. 96
19. Correlación entre compuestos fenólicos y capacidad antioxidante h. 99 20. Correlación entre antocianinas monoméricas y compuestos fenólicos 101
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I. Curvas estándar ix
Figura 1. Curva estándar para determinar compuestos fenólicos ix Figura 2. Curva estándar para determinar carotenoides totales x Figura 3. Curva estándar para determinar capacidad antioxidante xi ANEXO II. Resultados de la caracterización física xii
Cuadro 2.1. Resultados del conteo del número de ojos xii Cuadro 2.2. Resultados de la caracterización de formas y
dimensiones xiii
Cuadro 2.3. Resultados de la determinación de densidad xv Cuadro 2.4. Correlación entre densidad y % materia seca xvii ANEXO III. Resultados de la cuantificación de antocianinas, compuestos
fenólicos, carotenoides y capacidad antioxidante xviii Cuadro 3.1. Resultados de la cuantificación de antocianinas
monom. xviii
Cuadro 3.2. Resultados de la cuantificación de fenoles xx Cuadro 3.3. Resultados de la cuantificación de carotenoides xxiii Cuadro 3.4. Resultados de cuantificación de cap. antioxidante xxv
ANEXO IV. Análisis estadístico xxvii
4.1. Estadística descriptiva de los 27 cultivares de papa con los
métodos empleados xxvii
4.2. Análisis de varianza y prueba de significancia de Tukey xxviii 4.2.1. ANVA para el cont. de antocianinas m. y pr. de Tukey xxviii 4.2.2. ANVA para el cont. de fenoles y prueba de Tukey xxxii 4.2.3. ANVA para el cont. de carotenoides y prueba de Tukey xxxvi 4.2.4. ANVA para la capac. antioxidante y prueba de Tukey xl
4.3. Análisis de correlación xliii
4.3.1. Correlación entre antocianinas m. y cap. antioxidante h. xliii 4.3.2. Correlación entre fenoles y cap. antioxidante h. xliv 4.3.3. Correlación entre antocianinas m. y fenoles xlv
RESUMEN
En el presente estudio se determinó el contenido de pigmentos (antocianinas y carotenoides), compuestos fenólicos y capacidad antioxidante hidrofílica de 27 cultivares de papa nativa provenientes del Distrito de Pazos, de los cuales 3 fueron de pulpa blanca (Cancahuejo, Huagalina y Pukina), 4 de pulpa amarilla (Mashuapapa, Peruana, Puka tarma y Yanahuayro), 7 de pulpa roja (Pukahuayro, Machusuytu, Chingos, Puka abuelita, Yuraccma rojo, Caramelo y Vacapañuñum) y 13 de pulpa morada (Yanahuancuy, Talmish, Yuraccñahui, Yanassoncco callhuar, Satanaspamaqui, Pumapamaqui, Cceccorani, Condorpa chaqui, Cuchipelo, Yanacallhuay, Leona, Yuraccma morado y Cacho de toro). Se reportó una densidad promedio entre 1.075 – 1.185 g/cm3 y humedad de 59 - 74.05%, obteniendo R2=0.73 para la relación entre ambas variables.
Las antocianinas monoméricas encontrados en las papas variaron de 0.33 a 201.01 mg de cianidina 3-glucósido/100 g de muestra en base seca (b.s.), los fenoles variaron de 287.3 a 1002.2 mg de ácido clorogénico/100 g (b.s.), los carotenoides variaron de 0.16 a 2.55 mg de β-caroteno/100 g (b.s) y las capacidades antioxidantes variaron de 8347.25 a 32590.61 µg Trolox eq./g (b.s.).
Las mayores concentraciones de antocianinas monoméricas se presentaron en las papas de pulpa morada y roja, los cultivares Leona y Satanaspamaqui para los de pulpa morada con 201.01 ± 3.84 y 175.29 ± 12.64 mg de cianidina 3-glucósido/100 g muestra (b.s.) respectivamente y Yuraccma rojo para las de pulpa roja con 153.9 ± 9.88 mg de cianidina 3-glucósido/100 g muestra (b.s.). De igual manera la mayor concentración de compuestos fenólicos lo presentaron los cultivares de pulpa morada y roja, destacando el cultivar Leona en la primera y Yuraccma rojo en la segunda con 1002.2 ± 46.07 y 925.15 ± 4.86 mg de ácido clorogénico/100 g muestra (b.s.) respectivamente.
El contenido de carotenoides fue mayor en las papas de pulpa amarilla, teniendo la mayor concentración el cultivar Mashuapapa con 2.549 ± 0.012 mg de β- caroteno/100 g muestra (b.s.), el cual presentó además la tonalidad amarilla más intensa que el resto de cultivares amarillos. Se encontró presencia de carotenos en las papas pulpa morada y roja, cuyos valores en su mayoría fueron superiores a los de pulpa blanca.
Los cultivares Leona, de pulpa morada y Yuraccma rojo, de pulpa roja presentaron la mayor capacidad antioxidante hidrofílica con 32590.61 ± 2118.5 y 27129.94 ± 201.37 µg Trolox equivalente/g muestra (b.s.) respectivamente.
Se encontró una buena relación entre el contenido de compuestos fenólicos y la capacidad antioxidante hidrofílica en las papas de pulpa roja y morada con un índice de correlación (IC) =0.76 y un valor p de significancia = 0.049 para pulpa roja y un IC=0.81 con una p=0.001 para pulpa morada, no existiendo relación entre ambas variables en los otros colores de pulpa (blanca y amarilla); asimismo se encontró una buena relación entre antocianinas monoméricas y compuestos fenólicos en las papas de pulpa roja (IC=0.945 y p=0.01) y morada (IC=0.768 y p=0.02), este comportamiento no se observó en las papas de pulpa blanca y amarilla. Se encontró además una baja relación entre antocianinas monoméricas y capacidad antioxidante en las papas de pulpa morada (IC=0.575, p=0.04), no existiendo relación de ambas variables en las de pulpa blanca, amarilla y roja.
I. INTRODUCCIÓN
Actualmente en el Perú y en el mundo se viene redescubriendo el tesoro olvidado, que son las papas nativas de los andes, con sus miles de variedades cultivadas hasta por encima de los 4000 msnm; cuya supervivencia se debe principalmente a la paciente labor del agricultor de los andes, al empleo de técnicas ancestrales y artesanales de cultivo, que finalmente han logrado imprimirle propiedades intrínsecas, ofreciendo una increíble variedad de colores, formas, texturas y sabores, representando por lo tanto un alimento con gran versatilidad culinaria, altamente sano y nutritivo. En el país, el departamento de Huancavelica es una de las regiones que más variedades de papas nativas conserva, siendo reconocido el distrito de Pazos por su productividad y gran variedad.
Por cientos de años las personas de la región andina vienen utilizando empíricamente los cultivos nativos como la papa para mantener y mejorar su salud, diversos estudios realizados refieren que los efectos benéficos sobre la salud se deben al alto potencial antioxidante de éstos cultivos, identificando como los principales responsables del potencial antioxidante a sus compuestos fenólicos (antocianinas) y carotenoides.
Los compuestos fenólicos son antioxidantes los cuales permiten que las células no sufran oxidación o que se mantengan en un equilibrio para los procesos de óxido- reducción que ocurren en forma natural dentro del organismo. Dentro de las propiedades que se asocian principalmente, se encuentran la disminución de enfermedades cardiovasculares y su efecto anticancerígeno. Por lo tanto, el beneficio de los compuestos fenólicos antioxidantes es su contribución a la mantención de la salud y bienestar del organismo, disminuyendo el riesgo de enfermedades cardiovasculares y aumentando la protección contra la acción nociva de sustancias provenientes de la dieta y del entorno ambiental.
Diversas investigaciones han demostrado que los compuestos fenólicos y el potencial antioxidante varían de acuerdo al color de la pulpa de la papa, teniendo mayores valores las papas de pulpa morada y roja que otros colores de pulpa. Las
coloraciones en la pulpa y cáscara de las papas nativas implican una amplia gama de colores desde blanco hasta morado oscuro.
Se ha observado en las últimas décadas la tendencia creciente de los mercados del mundo por obtener productos que tengan propiedades funcionales, nutracéuticos, novedosos, de gran calidad y sobre todo orgánicos. Por todo lo expuesto un alimento saludable que reúne estas características son las papas nativas debido a la presencia de pigmentos (antocianinas, carotenoides) y compuestos fenólicos en su composición por lo que la importancia de validar cuantitativamente y cualitativamente los compuestos fenólicos presente en las papas nativas permitiría darle un valor agregado, conocer cultivares con altas propiedades funcionales y abrir nuevos mercados para su comercialización tanto en fresca como procesada.
En el presente trabajo de investigación se plantea los objetivos siguientes:
Determinar la influencia de 27 cultivares de papa nativa sobre el contenido de componentes bioactivos y la capacidad antioxidante.
Evaluar la relación entre los compuestos bioactivos y la capacidad antioxidante.
II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1. La papa
La papa es uno de los cuatro cultivos más importantes del mundo, junto con el trigo, maíz y arroz, con una producción mundial de más de 323 millones de toneladas, ya desde el 2005 (Sandoval et al., 2010).
Esta planta herbácea está compuesta por una parte que crece sobre el suelo, en la que destacan tallos, hojas, flores y frutos, mientras que la otra crece subterráneamente correspondiendo a estolones, tubérculos y raíces. Los tubérculos pueden presentar una forma alargada, redondeada u oblonga; su color, en tanto, puede ser blanco, amarillo, violeta o rojizo (Sánchez, 2003).
2.1.1. Denominación y clasificación taxonómica
El portal agrario Ancash (2008) indica que los nombres comunes de la papa son: papa, papa blanca; acsu (quechua); acso, akso, apalu, apharu, cchoke (aymara);
catzari, mojaqui, mosaki, tseri (asháninka); curao, kara, kesia (uru); moy papa, patata, pua, quinqui (aguaruna).
Darcy (1972) y Hawkes (1978) citados por Segura (2004), asignan a la papa la siguiente clasificación taxonómica:
Reino : Vegetal
División : Spermatophyta o Fanerógama Subdivisión : Angiospermae
Clase : Dicotiledonaeae Orden : Solanales tubiflorales Suborden : Solaninales
Familia : Solanaceae Sub familia : Solanoideae Género : Solanum Serie : Tuberosa Especie : Tuberosum
Stenotomum
La papa, es una de las plantas de mayor diversidad genética. Existen ocho especies cultivadas y 200 especies silvestres. Sin embargo, hasta la actualidad, la evolución del cultivo sólo ha favorecido a una subespecie, de la especie Solanum tuberosum andígena, a partir de la cual se han desarrollado la mayoría de las variedades comerciales conocidas. Las otras siete especies cultivadas en la zona andina son menos desarrolladas y corren riesgo de erosión (Álvarez y Repo, 1999).
2.1.2. Papas nativas
Las especies de papas cultivadas, se clasifican en nativas y modernas. Las papas nativas son especies autóctonas no modificadas, pertenecientes a diferentes especies del género Solanum, que crecen por encima de los 3000 m.s.n.m. y se cultivan bajo duras condiciones ambientales donde las variedades comerciales no pueden competir; sus características principales son su gran variabilidad, así como resistencias a diferentes plagas, enfermedades y estreses abióticos (bajas temperaturas, altas radiaciones y sequías intermitentes). Además, casi en su totalidad, son sembradas de manera orgánica, es decir, sin agroquímicos de ningún tipo.
Análisis científicos han determinado que la gran mayoría de papas nativas poseen mejores características nutricionales que las papas comerciales (es decir, las que se venden en el mercado como "papa blanca" y que, por lo general, reciben una alta dosis de agroquímicos durante su crecimiento) (López et al., 2008 y Álvarez, 2001).
Dentro de las formas básicas de las papas nativas, se puede encontrar tubérculos redondos, largos y ovalados, además de una serie de formas intermedias como la forma de un dedo, cilíndrica, arriñonada y de pera. Algunas parecen frutos gigantescos, otras forman espirales y algunas se asemejan a una rosa. Pero no es solamente cuestión de formas, también los colores son inusitados: azules, rojas, rosadas, negras, cremas, moradas, bicolor (manchadas) (Álvarez, 2001), tal como se observa en la Figura 1.
Sus principales atributos son su gran calidad culinaria, alto contenido de materia seca, alto contenido de antocianinas y una gran diversidad de color de pulpa de los tubérculos, variando de blanca, amarilla, roja, morada con combinaciones vistosas y únicas (Wissar, 2009).
Figura 1. Papas nativas peruanas (Arbizu, 2006).
2.1.3. Origen e historia
La papa es originaria del Perú (los andes, al norte del lago Titicaca) y ha sido cultivada desde hace 8000 años en América del Sur y era alimento importante de los Incas quienes desarrollaron técnicas avanzadas para almacenarlas. En el siglo IV los conquistadores españoles lo llevaron a Europa siendo introducida en la península ibérica hacia 1550 y de allí al resto de Europa, llegando a ser en 1750, un alimento de gran importancia (Sandoval et al., 2010 y Llanos, 2009).
No obstante hubo países como Rusia, Italia y Francia, donde la papa fue muy resistida y hasta despreciada, pues para ellos era casi "irracional" consumir un producto que crecía debajo de la tierra. Sin embargo, fue el francés Antoine Parmentier, quien sobrevivió 3 años como prisionero de guerra consumiendo papa, la persona que sugirió al Rey Luis XVI estimular el cultivo de dicho tubérculo, con lo cual se amplió el cultivo de ésta planta en toda Europa, así como en Asia y África.
En 1900 se convirtió en uno de los principales alimentos del mundo. Sin embargo, en el viejo mundo pasó por temores y dudas en algunos lugares ya que se la atribuía de ser la causante de muchos males desde la lepra hasta la lujuria. En el incanato las mujeres embarazadas consumían más papas ya que se creía que facilitaba el nacimiento y ayudaba a la recuperación de la madre, también lo usaban para la curación de heridas.
En la actualidad, la papa se encuentra distribuida en todo el mundo y representa una de las contribuciones más importantes de la región andina (y en
especial de nuestro país), por ser uno de los cultivos alimenticios más consumidos y apreciados, y porque de esa manera colaboramos con el fortalecimiento de la seguridad alimentaria de toda la Humanidad (Llanos, 2009).
2.1.4. Cultivo
La papa es una planta herbácea anual, pero puede ser considerada como perenne debido a su capacidad de reproducirse vegetativamente por medio de tubérculos, órgano de almacenamiento de la planta de papa. Su periodo vegetativo dura aproximadamente de 110 a 180 días.
Se adapta a una amplia gama de suelos, sin embargo los suelos francos son los que presentan mejores condiciones para el desarrollo del cultivo. Es una planta de clima templado-frío, a temperaturas de 13-18 °C con una humedad relativa moderada.
La siembra en la sierra se concentra en los meses de agosto a diciembre mientras en la costa de abril a julio. La cosecha en la sierra se efectúa entre los meses de marzo a mayo y en la costa de octubre a diciembre (Sánchez, 2003).
2.1.5. Variedades
El Centro Internacional de la Papa posee el banco genético de papa más grande del mundo, con más de 5000 variedades, entre cultivadas y silvestres, y a partir de ellas desarrolla formas mejoradas para un manejo más óptimo del recurso, sobre todo, en las regiones de montaña y, principalmente, en los Andes. En resumen, el CIP cuenta con muestras de todas las papas cultivadas del mundo y al menos con el 75% de las especies silvestres (Sánchez, 2003).
La especie domesticada de papa más importante a nivel mundial es la Solanum tuberosum, la cual fue introducida a Europa por los españoles hace más de 450 años y hoy se ha convertido en la más cultivada y consumida en el mundo entero.
En el mundo hay 5000 variedades de papas aproximadamente, de la cual el Perú es el país con mayor diversidad, al contar con 8 especies nativas domesticadas y 2301 de las más de 4000 variedades que existen en Latinoamérica. Además, nuestro país posee 91 de las 200 especies que crecen en forma silvestre en casi todo nuestro continente (y que generalmente no son comestibles) (El portal agrario Ancash, 2008).
Cuadro 1. Características de las variedades nativas más conocidas.
Cultivar Crom.* Especie Color de piel
Color de
pulpa Forma
Ccompis 48 Andígena Rosada y
blanca Blanca Redonda
tuberosada Amarilla
Tumbay 24 Goniacalyx Amarilla Amarilla Redonda
Huayro 36 Chaucha Púrpura Amarilla
Gruesa cilíndrica alargada
Amarilla 24 Goniacalyx Amarilla Amarilla Redonda
Uccu Huayro 36 Chaucha Púrpura Amarilla
Gruesa cilíndrica alargada
Yuracc Huayro 36 Chaucha Púrpura Amarilla
Gruesa cilíndrica alargada
Runtu Huayro 36 Chaucha Púrpura Amarilla
Gruesa cilíndrica alargada Peruanita 24 Goniacalyx Púrpura y
amarilla Amarilla Redonda
Duraznilla s.i. s.i. Amarilla Amarilla Redonda
Yanaimilla 48 Andígena Morado
oscuro Blanca Redonda
tuberosa
Zanaimilla 48 Andígena s.i. Blanca Redonda
Cerreñita s.i. Chaucha s.i. Blanca Larga cilíndrica
Camotillo 24 Goniacalyx Púrpura Amarilla Larga cilíndrica
Papa Piña 36 Chaucha Púrpura Crema Tuberosada
Huamantanga 48 Andígena Azulada Blanca Larga cilíndrica
Huagalina 48 Andígena
Rosada halos amarillos
Amarilla Cilíndrica
*, Cromosomas s.i. = Sin información.
Fuente: Álvarez y Repo (1999).
Las principales características de las variedades nativas más conocidas, existentes en el Perú se presentan en el Cuadro 1. La biodiversidad de estas especies presenta un desarrollo desigual, con marcadas diferencias regionales. Algunas son conocidas en el ámbito nacional y su consumo es difundido; otras tienen solo presencia regional. La mayor parte son desconocidas y corren riesgo de erosión.
Las variedades más conocidas son las amarillas (duraznilla o puca duraznillas, runtus, peruanita, tumbay) y las huayros (uccu huayro, yuracc huayro y runtu huayro), los cuales tienen un mercado dinámico y estable en Lima, a pesar que normalmente cuestan más que las otras papas.
Las variedades de presencia regional y de marcada preferencia de los consumidores son ccompis en Andahuaylas, Cusco y Puno; camotillo, papa piña, huancaína blanca y huamantanga en la sierra central; amarilla del norte o huagalina y las chauchas en Cajamarca; llamellina en Ancash; y yanaimilla y zanaimilla en Puno.
Las variedades amargas tienen un mercado importante en la zona del altiplano, Andahuaylas y Cusco donde son requeridas para el procesamiento de tunta y chuño (Álvarez y Repo, 1999).
2.1.6. Producción
En el Perú se producen en promedio 3 millones de toneladas de papa al año, se siembran alrededor de 270 mil hectáreas anuales con rendimientos de 11 t/ha, casi 600 mil familias dependen de su cultivo, se utilizan 29.2 millones de jornales y el valor bruto de la producción llega a US$ 350 millones (MINAG, 2007). Las variedades nativas se siembran anualmente aproximadamente unas 65 mil hectáreas, con rendimientos de 8 t/ha y aproximadamente 22 mil familias dependen de su producción (Wissar, 2009).
El grueso de la producción tiene lugar en las montañas de los andes (95% de la producción nacional) encima de los 2000 m. de altura. Durante la campaña grande se realiza el cultivo de secano que comienza con la llegada de las lluvias en los meses de octubre a diciembre y la cosecha en marzo y abril. La campaña chica sigue a la campaña principal y está restringida a las áreas con más humedad o acceso a la irrigación (Sánchez, 2003).
En el mundo el mayor productor de papa es China con aproximadamente un 29.3% de la producción mundial, seguido de la India con 14.3% y la Federación Rusa
con 8.3%. El Perú se encuentra en la ubicación 17 con 1.5% de la producción mundial (FAO, 2010).
2.1.7. Composición química
La papa produce más alimento nutricional por unidad de tiempo, agua y área en climas más adversos que cualquier otro cultivo mayor; hasta 85% de la planta es comestible comparado con alrededor de 50% por los cereales, convirtiéndola en una fuente muy importante para la alimentación.
La calidad del tubérculo está íntimamente relacionada con su composición química (Cuadro 2), y en ésta influyen factores genéticos dados por la variedad, factores ambientales como: localidad, clima, suelo, agua, prácticas culturales y la madurez de los tubérculos (Bonierbale et al., 2008).
Cuadro 2. Composición por 100 g en porción comestible.
Componente Papa amarilla Papa blanca
Energía (Kcal) 103 97
Agua (g) 73.2 74.5
Proteína (g) 2.0 2.1
Grasa (g) 0.4 0.1
Carbohidrato (g) 23.3 22.3
Fibra (g) 0.7 0.6
Ceniza (g) 1.1 1.0
Calcio (g) 6 9
Fosforo (mg) 52 47
Hierro (mg) 0.4 0.5
Retinol (mg) 0 3
Tiamina (mg) 0.07 0.09
Riboflamina (mg) 0.06 0.09
Niacina (mg) 1.85 1.67
Acido ascórbico reducido (mg) 9.0 14.0
Fuente: Collazos (1996).
La papa, excepto en carbohidratos, es pobre en sustancias nutritivas. Contiene en promedio un 75% de agua, 20% de carbohidratos, un 2% de proteínas y el resto son minerales como potasio, magnesio y fósforo. No contienen grasas. Es rica en
carotenos y ácido ascórbico. A los carbohidratos se les considera de absorción rápida la cual depende de la forma del cocinado. Así al cocer a 100 °C, la molécula del almidón se transforma y favorece su digestión, la absorción es más rápida cuando se fríe o en puré.
La papa es rica en vitamina C, el problema es que está localizada fundamentalmente bajo la piel, con que una buena parte se pierde en el pelado y en el caldo de cocción dada su hidrosolubilidad. La papa es muy baja en grasa, posee solo el 5% de la que posee el trigo y un cuarto de las calorías de un pan (Sánchez, 2003).
A través del consumo de papa hay una importante contribución de minerales como el hierro y el fósforo, y de otras vitaminas como las de complejo B, de gran importancia en la nutrición del ser humano. La papa es también fuente de fenoles. El ácido clorogénico ha sido reportado como el mayor compuesto fenólico en papas, una sustancia que inhibe algunos procesos relacionados con la iniciación de cáncer y enfermedades cardíacas. La concentración de potasio en papa es alta y por esta razón se omite en dietas de pacientes con insuficiencia renal, pero el contenido de sodio es bajo (Llanos, 2009).
2.1.8. Usos
La papa tiene una amplia gama de aplicaciones tanto industriales como domésticas, se guisa, se sancocha, se asa, se saltea, se fríe. Forma parte de diversas preparaciones culinarias como: purés, cremas, soufflés, mazamorras, pan, croquetas y tortillas, etc.
Industrialmente de la papa se producen almidones y harinas. El almidón de papa es extraído comercialmente en EUA y en Europa, siendo Holanda el productor más importante de ese continente (Llanos, 2009). También se usan para la producción de alcohol carburante (bioetanol) y en la producción de bebidas alcohólicas, como Schnaps en Alemania y ciertas variedades de Vodka en Rusia (Sánchez, 2003).
En el país es muy común cocerla pelarla y secarla (papa seca) para su venta en los mercados internos. En la Sierra del Perú también se la convierte en chuño para lo cual se la extiende en el campo para ser transformada por la helada, por las noches.
En Huánuco, Pasco y algunos departamentos del norte del país elaboran el tocosh, el cual es un tipo de chuño que emana un fuerte olor, para lo cual escarban un pozo de al menos un metro de profundidad en un terreno muy húmedo o pantanoso, introducen la papa y tapan el pozo con los trozos de terreno extraídos y luego al cabo de un mes
aproximadamente extraen el producto (Llanos, 2009). Asimismo la elaboración de productos a base de papas nativas ha venido creciendo últimamente, una de las primeras experiencias fue el desarrollo de hojuelas, aprovechando la variabilidad genética de contar con pulpas de diferentes colores, los cuales tuvieron y tienen gran acogida en el mercado nacional e internacional (Gutiérrez, 2011). Las papas se usan también en la prevención y tratamiento de ciertas enfermedades (Sandoval et al., 2010).
2.2. Compuestos bioactivos y alimentos funcionales
Los alimentos además de aportar nutrientes, contienen una serie de sustancias no nutritivas que intervienen en el metabolismo secundario de los vegetales:
sustancias colorantes (pigmentos), aromáticas, reguladores del crecimiento, protectores naturales frente a parásitos y otros, que no tienen una función nutricional clásicamente definida, o no son considerados esenciales para la salud humana, pero que pueden tener un impacto significativo en el curso de alguna enfermedad, son los fitoquímicos o sustancias bioactivas (Palencia, 2000).
Se han identificado más de una docena de distintas clases de fitoquímicos en frutas y vegetales, entre las que se pueden destacar: isotiocianatos, polifenoles, flavonoides, monoterpenos, sulfuros tioles, vitaminas, isoflavonas, lignanos, saponinas, carotenoides, glucosinolatos, ácidos grasos, fibra dietética, esteroles de plantas, prebióticos/probióticos entre otros (Palencia, 2002).
Las sustancias bioactivas o fitoquímicos se encuentran abundantemente en frutas y verduras, y en las bacterias "ácido lácticas" presentes en productos lácteos obtenidos por fermentación ácido láctica como el yogurt, leche cortada, y verduras fermentadas (ej: el choucroute) (Palencia, 2000). Sus contenidos en el tejido de las frutas es influenciado por numerosos factores pre cosecha, incluyendo genotipo, estado de madurez, portainjerto, condiciones climáticas y prácticas culturales, pero también por factores pos cosecha, incluyendo condiciones de almacenamiento y procesado (Feippe et al., 2009).
En la actualidad estas sustancias, fitoquímicos o quimiopreventores, están en el candelero de los laboratorios de investigación de la industria farmacéutica y alimentaria. En la literatura científica este campo de investigación se denomina alimentos funcionales o functional foods.
El término alimento funcional hace referencia a alimentos o ingredientes que mejoran el estado general de salud y/o reducen el riesgo de enfermedad; además de tratarse de productos alimenticios que deben consumirse dentro de la dieta habitual (Leyva, 2009). Aunque no se les puede considerar sustancias esenciales, ya que no se requieren para nuestro metabolismo, son indispensables a largo plazo para nuestra salud, pues intervienen ejerciendo un efecto protector del sistema cardiocirculatorio, reductor de la presión sanguínea, regulador de la glucemia y la colesterolemia, reductor del riesgo de cáncer y mejorador de la respuesta defensivo inmunitaria de nuestro cuerpo (Palencia, 2000).
La American Dietetic Association (ADA) clasifica a todos los alimentos como funcionales en algún nivel fisiológico. Asume que el término alimento funcional no debería usarse para dar a entender de algún modo que existen alimentos buenos y alimentos malos; sino que todos los alimentos pueden ser incorporados dentro de un plan alimentario saludable, la clave es la moderación y la variedad (Palencia, 2002).
2.2.1. Compuestos fenólicos
Las plantas vasculares sintetizan una gran cantidad de moléculas orgánicas, como consecuencia de su metabolismo secundario.
Los fenoles son metabolitos secundarios ampliamente distribuidos en el reino vegetal, se localizan en todas las partes de las plantas y su concentración es variable a lo largo del ciclo vegetativo. Estos compuestos participan de diversas funciones, tales como la asimilación de nutrientes, la síntesis proteica, la actividad enzimática, la fotosíntesis, la formación de componentes estructurales, la alelopatía y la defensa ante los factores adversos del ambiente.
Los compuestos fenólicos están asociados al color, a las características sensoriales (sabor, astringencia, dureza), a las características nutritivas y a las propiedades antioxidantes de los alimentos de origen vegetal. Su característica antioxidante se debe a la reactividad del grupo fenol que poseen (Robbins, 2003 y Kähkönen et al., 2001 citado por Paladino, 2008).
Estos compuestos se hallan preferentemente en las capas más superficiales de verduras, frutas, cereales y otras semillas, para proteger de la oxidación los tejidos de las capas inferiores, al igual que en bebidas como té y vino. Son en su mayoría potentes antioxidantes capaces de reducir la peroxidación de lípidos, necesarios para el funcionamiento de las células vegetales y animales, por lo que el consumo frecuente
de frutas y vegetales frescos se asocia con una menor incidencia de cáncer en humanos y en carcinogénesis experimental. Son también anticoagulantes, antimicrobianos, inmunoestimulantes y reguladores de la presión arterial y de la glucemia (Robbins, 2003 y Palencia, 2000).
Los polifenoles poseen acciones molusquicidas, antihelmínticas, antihepatotóxicas, antinflamatorias, antidiarreicas, antiúlcera, antivirales, antialérgicas y vasodilatadoras. Se ha verificado que inhiben la replicación del virus de la inmunodeficiencia Humana (HIV) y del virus simplex humano (HSV), inhiben las glucosil transferasas del Streptococcus mutans (caries dental), inhiben la autoxidación del ascorbato; también inhiben efectos citotóxicos, la promoción del crecimiento tumoral y la enzima xantina monoamina oxidasa. La actividad antioxidante de los fenoles es el origen de funciones biológicas tales como la antimutagénica, anticancerígena y antienvejecimiento (Velioglu et al., 1998 y Proestos et al., 2005).
2.2.1.1. Estructura y clasificación
Químicamente los fenoles pueden ser definidos como sustancias que poseen un anillo aromático, un anillo benceno, con uno o más grupos hidróxidos incluyendo derivados funcionales (ésteres, metil ésteres, glicósidos, etc). De acuerdo a los grupos hidróxido a los que se encuentran ligados, se pueden dividir en monofenoles y polifenoles (Martínez-Valverde et al., 2000 citado por Ojeda, 2003). Los monofenoles presentan un solo grupo –OH en el anillo aromático de benceno, ejemplo de ellos son el p-cresol, presente en frambuesas y zarzamoras; el 3-etilfenol y 3,4- dimetilfenol presentes en frutas, semillas y responsables del gusto ahumado en ciertas semillas de cacao (Palencia, 2000).
Los polifenoles presentan de dos a más grupos hidroxilo en el anillo aromático de benceno y varían desde moléculas simples como los ácidos fenólicos hasta compuestos altamente polimerizados, como los taninos. Se presentan en las plantas en forma conjugada con uno o más residuos de azúcar unidos a los grupos hidroxilos, aunque en algunos casos se pueden producir uniones directas entre una molécula de azúcar y un carbono aromático. Por ello la forma mas común de encontrarlos en la naturaleza es en forma de glicósidos, siendo solubles en agua y solventes orgánicos.
Los azúcares asociados a los polifenoles pueden ser monosacáridos, disacáridos o incluso oligosacáridos. Los compuestos a los que se encuentra unidos con más frecuencia son: glucosa, galactosa, arabinosa, ramnosa, xilosa y ácidos glucorónico y galacturónico. También pueden encontrarse unidos a ácidos carboxílicos, ácidos
orgánicos, aminas, lípidos y a otros compuestos fenólicos (Martínez-Valverde et al., 2000 citado por Ojeda, 2003).
El término fenoles comprende aproximadamente 8000 compuestos que aparecen en la naturaleza. Existen dos grupos de polifenoles: los ácidos fenólicos (benzoico y cinámico) y los flavonoides (flavonoides, antocianinas y taninos). Los pigmentos fenólicos reaccionan fácilmente con un ácido orgánico o un azúcar, como los flavonoides y las antocianinas entre sí para formar polímeros, como los taninos (Badui, 2006).
Los ácidos fenólicos son abundantes en los alimentos y se encuentran divididos en 2 grupos, ácidos cinámicos y ácidos benzoicos (Figura 2). Entre los principales ácidos cinámicos se puede mencionar al ácido cafeico y ferúlico.
El ácido cafeico da lugar en forma esterificada (con el azúcar ácido quínico), al ácido clorogénico, el cual se encuentra presente en el café principalmente, y en una amplia variedad de frutas y verduras (Manach et al, 2004). Los ácidos benzoicos se han utilizado en gran escala como agentes antimicrobianos de los alimentos, y en la naturaleza se encuentra en arándanos, ciruelas, canela y clavo (Fennema, 1985) los principales son el ácido gálico y salicílico.
Derivados del ácido benzoico Derivados del ácido cinámico
Compuesto R1 R2 Compuesto R1 R2
Ácido p-hidroxibenzoico H H Ácido p-cumárico H H
Ácido vanílico H OCH3 Ácido ferúlico H OCH3
Ácido siríngico OCH3 OCH3 Ácido sinápico OCH3 OCH3
Ácido dihidrobenzoico OH H Ácido cafeico OH H
Ácido gálico OH OH
Figura 2. Estructura de los ácidos fenólicos (Pokorny et al., 2005).
R1 R2
CH=CH-COOH OH
R1 R2
COOH OH
El ácido gálico es componente esencial de los taninos hidrosolubles como por ejemplo los elagotaninos de fresa, frambuesa y zarzamoras. Generalmente los contenidos en estos ácidos son bajos a excepción de las frutas rojas (Manach et al., 2004). Los derivados del ácido cinámico son antioxidantes más activos que los derivados del ácido benzoico (Pokorny et al., 2005).
Los flavonoides constituyen el grupo de compuestos polifenólicos más diversos y ampliamente distribuidos en las plantas con alrededor de 4000 compuestos identificados. Su esqueleto básico de difenilpropano (C6-C3-C6) consta de dos grupos fenilo (A y B) unidos por un puente de tres carbonos que forma un anillo heterocíclico oxigenado (anillo C) Figura 3 (Shahidi y Naczk, 1995).
Figura 3. Estructura química del esqueleto básico de los flavonoides (Shahidi y Naczk, 1995).
La presencia o ausencia de un grupo hidroxilo unido a la posición 3 determina la subdivisión en las dos clases principales de flavonoides (García, 2005):
Los 3-hidroxiflavonoides (flavanoles, flavonoles, flavanonoles, flavan- 3,4-dioles o leucoantocianidinas, antocianidinas, proantocianidinas o taninos condensados) y
Los flavonoides no hidroxilados en la posición 3 (flavonas, isoflavonas, flavanonas).
Los flavonoides de acuerdo a la presencia de coloración se pueden clasificar también en antocianinas y antoxantinas. Las antocianinas son moléculas de pigmentos rojos, azules y púrpuras. Las antoxantinas, que incluyen flavonoles, flavonas, flavanoles, e isoflavonas, son moléculas incoloras o de colores que oscilan desde el blanco hasta el amarillo (Palencia, 2000).
A continuación se muestran los principales flavonoides presentes en los alimentos (Figura 4).
Figura 4. Estructura química de algunos flavonoides (Shahidi y Naczk, 1995).
Los compuestos que tienen 3 o más subunidades fenólicas se denominan taninos (Robbins, 2003), los cuales son compuestos de alto peso molecular que se clasifican en taninos hidrolizables y taninos condensados. Los taninos condensados tienen como núcleo central un alcohol polihídrico como la glucosa y grupos hidroxilo que se encuentran esterificados bien con el ácido gálico o bien con el ácido hexahidrodifénico (Ojeda, 2003). Los taninos hidrolizables se componen de una glucosa unida a través de un enlace éster a un cierto número de unidades de ácido gálico y/o ácido hexahidrodifénico que se degradan en condiciones ácidas y alcalinas liberando glucosa y fenoles. Un gran número de grupos OH proporcionan una mayor actividad antioxidante por lo que en condiciones adecuadas, los taninos actúan como antioxidantes (Pokorny et al., 2005).
Las principales fuentes de Fenoles son: de Monofenoles, la frambuesa y la zarzamora; de Polifenoles, el té; de Ácido clorogénico, derivado del ácido hidroxicinámico, las manzanas y peras. De Flavonoides: específicamente Catequinas, las hojas de té verde; de Antocianinas, los vegetales de color naranja brillante, rosado, escarlata, rojo malva, violeta y azul, pétalos de flores y frutas de plantas superiores.
De Flavonoles: quercetina y su glucósido rutina, muchos vegetales y frutas. De Polifenoles como el ácido elágico, nueces, frutas, frambuesa (Palencia, 2000). En el Cuadro 3 se muestran los fitoquímicos fenólicos más importantes y sus fuentes.
CUADRO 3. Contenido de fitoquímicos fenólicos en algunos alimentosa. CLASE Y
SUBCLASE
EJEMPLOS DE
FITOQUÍMICOS ALIMENTOS CON SU CONTENIDOb FLAVONOIDES
Flavonoles
Quercetina, kaempferol, Myricetina
Olivas (270-830), Cebolla (347), Col rizada (321), Lechuga (308), Arándanos (249), Tomate cereza (17-203), Brécol (102), Manzana (21-72), Judías verdes/amarillas (49), Hojas de nabo(48), Endivias (46), Té hojas verdes (30-45 g/kg PSc), Jugo de manzana (6-52), Té negro infusión (20)
Flavonas
Apigenina,
luteolina Apio celery (130), Olivas (6-29)
Flavanoles Catequina, epicatequina
Pera (70-420), Vino tinto (274); Té hojas verdes (128-226 g/kg PS); Vino blanco (35), Manzana (23-30)
Isoflavonas Genisteina, daidzeina
Granos de soja maduros secos (888-2407), Nueces de soja (1437-2363), Proteína vegetal texturizada (1175-1191), Harina de soja (1036- 1778), Tofú (280-499), Miso (256-540), Granos de soja maduros frescos (182-205), Leche de soja (105-251), Tofú yogurt (151), Perro caliente de soja (116), Queso de soja (7- 14), Salsa de soja (13-23)
ÁCIDOS FENÓLICOS
Hidroxicinámicos
Ácidos cafeico, clorogénico, ferúlico y neoclorogénico
Blueberry (1881-2112), Cerezas dulces (290- 1280), Pera (44-1270), Manzana (2-258), Naranja (21-182), Patata blanca (100-190), Pomelo (25-60), Jugo de Cerezas (124), Jugo de Manzana (9-114), Granos de café (56 g/kg PS)
Hidroxibenzoicos Ácidos elágico y gálico
Raspberry (19-102), Fresa (21-89), Jugo de Uva negra (79), Jugo de uva verde (110) TANINOS
Condensados
Catequina, polímero de epicatequina
Lentejas (3800), Frijoles de ojo negro (141- 1774), Uva oscura (43-64), Uva clara (39-53), Vino tinto (2567), Vino blanco (239), Jugo de manzana (8-87)
a Contenido total de todos los fitoquímicos incluidos en la Subclase, no es de fitoquímicos individuales. Para fines comparativos solo desde 1985 se reportan estudios donde los compuestos fenólicos se expresan como porcentaje del peso fresco del alimento.
b Miligramos por kilogramo de alimento o por litro de jugo.
c PS = Peso seco.
Fuente: King y Young (1999) citado por Palencia (2000).
2.2.2. Antocianinas
La palabra antocianina deriva del griego anthos (flor) y kyanos (azul oscuro).
Son un grupo de pigmentos solubles en agua cuya ocurrencia es muy amplia en el reino vegetal. La mayoría de los colores rojos y azules de frutas, vegetales y flores deben su atractiva coloración a las antocianinas disueltas en la savia de las células (Francis, 1978 citado por Ojeda, 2003). Es el pigmento más importante, después de la clorofila, que es visible al ojo humano (Leyva, 2009).
En las células, dentro de las vacuolas, las antocianinas, pueden estar localizadas en organelos esféricos conocidos como antocianoplastos, que se forman mientras la síntesis de pigmentos está en operación.
La función más importante de las antocianinas es la percepción visible para la atracción de animales para propósitos de polinización y dispersión de semillas.
Además se encargan de la filtración de la luz o pueden acumularse como resultado de estrés (Lewis y Walker, 1995).
Forman parte de la familia de los polifenoles y se definen como flavonoides fenólicos, teniendo una función antioxidante. Se diferencian de otros polifenoles por poseer azúcares dentro de sus grupos funcionales y en su mayoría presentar varios grupos –OH; las diferencias individuales entre las antocianinas dependen del número de grupos hidroxilo, la naturaleza y número de azúcares que están unidos a la molécula, a la posición de esa unión, la naturaleza y número de ácidos aromáticos unidos al azúcar en la molécula (Muñoz y Soto, 2005).
Diferentes estudios han señalado que las antocianinas tienen una importante bioactividad, así se ha demostrado que las antocianinas son efectivas en la inhibición del crecimiento de células cancerosas (Moenne-Locoz, 2008), de igual manera investigaciones realizadas con extractos de Vitis vinifera ricos en antocianinas, han mostrado que disminuyen la fragilidad y permeabilidad capilar; también efectos antiinflamatorios y actividad antiedema (Muñoz y Soto, 2005); por lo que se ha dedicado gran parte de los esfuerzos a investigar sus propiedades funcionales, su relación con enfermedades cardiovasculares y desarrollo de alimentos funcionales.
2.2.2.1. Estructura y clasificación
Las antocianinas son glucósidos de antocianidinas, pertenecientes a la familia de los flavonoides derivados del catión 2- fenilbenzopirilo o ión flavilio, formados por una molécula de antocianidina (aglicón) que se une a una fracción de carbohidrato a
través de un enlace B-glicosídico; estructuralmente están compuestos por dos anillos aromáticos A y B unidos por una cadena de 3 C. Variaciones estructurales del anillo B resultan en seis antocianidinas conocidas (Fig. 5): cianidina, delfinidina, peonidina, petunidina, malvidina y pelargonidina (López et al., 2002; Garzon, 2008).
Figura 5. Estructura y sustituyentes de las antocianinas (Garzon, 2008).
La coloración de cada antocianidina y sus fuentes en frutas y vegetales, se muestran en el siguiente cuadro.
CUADRO 4. Color y distribución de las principales antocianidinas en algunas frutas y vegetales comunes.
Compuesto Color Frutas y vegetales
Delfinidina Rojo azulado Uva concordia, mirtillo, bilberry, grosella negra Cianidina Rojo naranja Fresa, mora, ruibarbo, grosella negra, cereza, col
roja, bilberry, arándano, sauco, uva concordia, maíz, ciruela, frambuesa, cebolla roja.
Pelargonidina Naranja Fresa, maíz
Malvidina Rojo azulado Uva, mirtillo, bilberry
Peonidina Rojo Cereza, arandano, camote morado, ciruela.
Fuente: Wang et al. (1997) citado por Ojeda (2003).
El color de las antocianinas depende del número y orientación de los grupos hidroxilo y metoxilo de la molécula. Incrementos en la hidroxilación producen desplazamientos hacia tonalidades azules mientras que incrementos en las metoxilaciones producen coloraciones rojas (Garzon, 2008).
Aglicona Substitución λmax (nm) R1 R2 Espectro visible Pelargonidina H H 494 (naranja) Cianidina OH H 506 (naranja-rojo) Delfinidina OH OH 508 (azul-rojo) Peonidina OCH3 H 506 (naranja-rojo) Petunidina OCH3 OH 508 (azul-rojo) Malvidina OCH3 OCH3 510 (azul-rojo)
Basado en la posición de la unión y número de residuos de azúcares, las antocianinas han sido clasificadas dentro de 18 grupos, los 3-monósidos, 3-biósidos, 3,5-diglicósidos y 3,7-diglicósidos son los más comúnes (Jackman y Smith, 1992). En la naturaleza el grupo glicosídico es el más común, las cuales siempre presentan sustituciones glicosídicas en las posiciones 3 y/o 5 con mono, di o trisacáridos que incrementan su solubilidad. Dentro de los sacáridos glicosilantes se pueden encontrar monosacáridos diferentes como glucosa, galactosa, xilosa, ramnosa, arabinosa, siendo una de las mas abundantes la cianidina-3-glucósido; y disacáridos principalmente rutinosa, soforosa, sambubiosa, gentobiosa o laminariobiosa que ocurre menos frecuente. Otra posible variación en la estructura es la acilación de los residuos de azúcares de la molécula con ácidos orgánicos. Los ácidos orgánicos pueden ser alifáticos, tales como: malónico, acético, málico, succínico u oxálico; o aromáticos: p-cumárico, cafeico, ferúlico, sinápico, gálico, o p-hidroxibenzóico (Garzon, 2008). El tipo de sustitución glicosídica y de acilación producen efectos en el tono de las antocianinas; es así como sustituciones glicosídicas en la posición 5 al igual que acilaciones aromáticas, producen un desplazamiento hacia las tonalidades púrpura (Stintzing et al., 2002).
2.2.2.2. Factores que afectan la estabilidad y color de las antocianinas
Las antocianinas debido a la deficiencia del electrón en su estructura poseen una alta reactividad en diferentes condiciones (misma estructura química, pH, temperatura, oxígeno, dióxido de azufre, compuestos carbonílicos, metales y actividad de agua de la matriz) que hacen que no sean muy estables y con ello modifiquen sus propiedades físicas, químicas y biológicas (Garzon, 2008; Muñoz y Soto, 2005).
Entre los factores que rigen la estabilidad de las antocianinas y sus mecanismos de degradación se encuentran:
a) pH. El pH tiene una marcada influencia en el color de las soluciones de antocianinas, se comportan como indicadores de pH debido a su naturaleza anfotérica. Bajo pH 3 las soluciones de antocianinas muestran una coloración roja más intensa, al incrementar los valores de pH de dichas soluciones el color normalmente va desvaneciendo hasta llegar a un punto en que desaparece el color en el rango de 4 a 5. Incrementos más altos en el valor de pH otorgan a la solución colores de la gama de los púrpuras o azules. La disminución del pH, tiene un efecto estabilizante sobre los antocianos, particularmente en presencia de oxígeno. Esto puede explicarse porque el equilibrio, entre la forma catiónica
coloreada y la pseudobase incolora, se desplaza hacia la primera, que es mucho más estable (Moenne-Locoz, 2008).
A un pH determinado en equilibrio, existen 4 estructuras de antocianinas/aglicona: la base quinoidal (anhidro) azul, el catión flavilio, rojo y las decoloreadas pseudobases carbinol y chalcona (Jackman y Smith, 1992).
En la Figura 6, se muestran las variaciones del pH y las correspondientes estructuras de antocianinas.
Figura 6. Estructura de antocianinas a diferentes pH’s (Giusti y Wrolstad, 2001 citado por Leyva, 2009).
b) Estructura. Por su diversidad estructural las antocianinas no son igual de resistentes a los efectos de deterioro. Cuando el grado de hidroxilación de la aglicona se incrementa, la estabilidad generalmente decrece; en cambio la sustitución con grupos metoxilos tiene un efecto contrario. La glicosidación de los grupos hidroxilos libres incrementa la estabilidad, similar efecto al de la metoxilación, presumiblemente debido al bloqueo de los grupos hidroxilo
reactivos. De igual manera antocianinas diglicosidadas son más estables a la decoloración durante el almacenamiento, calor y exposición a la luz que los monoglucósidos; por lo tanto la naturaleza del azúcar también tiene efecto protector. La estabilidad de especies coloreadas, especialmente la base quinoidal, quizá está proporcionado por la presencia de grupos acilo ligados a los azúcares en la molécula, esto es por copigmentación intramolecular (Jackman y Smith, 1992).
c) Interacción con ácido ascórbico. Investigaciones sugieren que la degradación máxima de antocianinas ocurre bajo condiciones más favorables de oxidación del ácido ascórbico, lo que sugiere una posible interacción entre ambos componentes. Este ácido que actúa como antioxidante ha sido relacionado estrechamente con los compuestos polifenólicos, sin embargo, estudios indican que este ácido puede acelerar la degradación de las antocianinas (Moenne-Locoz, 2008). El efecto del ácido ascórbico sobre la estabilidad de las antocianinas se puede explicar como una posible reacción de condensación entre el ácido y los pigmentos (Garzon, 2008). En presencia de iones cobre y de oxígeno la oxidación del ácido ascórbico a ácido dehidroascórbico está acompañado por la formación de agua oxigenada, la cual oxida las antocianinas, originando la formación de malvonas incoloras (Coultate, 1984).
d) Oxígeno. El oxígeno es una de las causas importantes de la destrucción de las antocianinas, presentes en jugos y vinos tintos y por ende, de los concentrados de antocianos sólidos o líquidos. Por ello, es conveniente almacenarlos en atmósfera inerte (nitrógeno o anhídrido carbónico) y reducir a un mínimo el espacio de cabeza de los envases (Moenne-Locoz, 2008).
e) Temperatura. Los tratamientos térmicos también influyen en la destrucción de las antocianinas. Existe una relación logarítmica entre la retención del color y la temperatura de los procesos de estabilización o almacenamiento. Por lo tanto, para mejorar la retención de pigmentos hay que aplicar tratamientos térmicos de alta temperatura y corto tiempo, como también un almacenamiento a bajas temperaturas (Moenne-Locoz, 2008). Incrementos de temperatura resultan en pérdida del azúcar glicosilante en la posición 3 de la molécula y apertura de anillo con la consecuente producción de chalconas incoloras (Timberlake, 1980).
f) Enzimas. Existe un número de enzimas, endógenas en la mayoría de los tejidos vegetales, las cuales se relacionan con la decoloración de las antocianinas. Generalmente han sido identificadas como glicosidasas (antocianasas) o fenolasas las cuales catalizan la oxidación de compuestos fenólicos (Moenne-Locoz, 2008). Las enzimas glicosiladas actúan directamente sobre las antocianinas, pero la acción de las polifenoloxidasas y peroxidasas son indirectas. Estas enzimas pueden ser nativas de los tejidos de las plantas o provenientes de la contaminación con mohos (Leyva, 2009).
g) Copigmentación y autoasociación. Las antocianinas interaccionan fácilmente con otros flavonoides incoloros que abundan en los tejidos vegetales; estas asociaciones “copigmentación” que se basan en enlaces de hidrógeno entre grupos hidroxílicos, incrementan la intensidad del color, modificando los valores de λmax, y tienden a estabilizar las formas azules quinoidales (Coultate, 1984).
Las antocianinas para mantener su vívido color sin transformarse en la forma incolora en solución, se autoasocian para formar pilas helicoidales mediante atracciones hidrofóbicas y por puentes de hidrógeno entre los núcleos flavilio.
El apilamiento tiende a proteger los grupos cromóferos asociados al azúcar frente a las reacciones de hidratación (Ojeda, 2003). Estos fenómenos de autoasociación se dan cuando la concentración de antocianinas alcanza valores altos y se dan entre dos cationes flavilio, dos formas hemicetal, dos bases quinoidales, e inclusive, entre una base quinoidal y un catión flavilio, protegiendo la molécula de antocianina (Hoshino et al., 1982).
Éstas y otras reacciones se han demostrado que actúan para estabilizar los pigmentos antocianos, sin embargo la estabilización también puede resultar de la formación de complejos con algunos metales como aluminio, hierro, cobre y varios otros iones metálicos (Moenne-Locoz, 2008).
h) Aw. Incrementos en la actividad de agua del medio causan degradación de las antocianinas probablemente debido a una mayor interacción entre el agua y el catión flavilio para formar la pseudobase inestable (Garzon, 2008).
2.2.3. Carotenoides
Los carotenoides son los pigmentos responsables de la mayoría de los colores amarillos y anaranjados de las frutas y verduras. Se encuentran carotenoides en todos los tejidos fotosintéticos, junto con las clorofilas, así como en una serie de tejidos vegetales no fotosintéticos, como componentes de los cromoplastos. Los cromoplastos son orgánulos que pueden ser considerados como cloroplastos degenerados (Coultate, 1984).
Se encuentran normalmente en frutas y verduras en forma –trans, aunque en algunos casos, por ejemplo, las algas, puede existir una porción considerable que se encuentre en forma de isómeros cis.
Los carotenoides son un conjunto de compuestos relacionados estructuralmente que proporcionan color en la naturaleza. Consiste en un grupo de unos 600 pigmentos naturales con una amplia distribución entre las plantas, pero solo unos 24 se encuentran incluidos dentro de los productos destinados al consumo humano. En las plantas desempeñan 2 funciones esenciales: son pigmentos accesorios del proceso de la fotosíntesis, y proporcionan fotoprotección. Estas funciones se consiguen gracias a la presencia de una estructura polieno, que permite a estas moléculas absorber luz y captar, o inactivar, moléculas de oxígeno singulete o radicales libres (Pokorny et al., 2005).
A pesar de que normalmente se asocian con los vegetales, también se encuentran carotenoides en algunos tejidos animales. La yema de huevo debe su color amarillo a dos xantofilas, luteína y zeaxantina, conteniendo solo pequeñas proporciones de β-caroteno. Estos carotenoides y la aún menor cantidad responsable del tono amarillento de la grasa de depósito de los animales, derivan de la materia vegetal de la dieta. El pigmento púrpura-verdoso oscuro del caparazón de la langosta es un complejo de una proteína con astaxantina. Cuando la langosta se hierve, la proteína se desnaturaliza y el color adquiere una tonalidad rojiza, más típica de los carotenoides. La astaxantina es también la responsable de la tonalidad rosada de la carne de salmón (Coultate, 1984).
El β-caroteno además de tener la características de convertirse en parte en vitamina A dentro del organismo, es un potente antioxidante, protege al organismo de los efectos nocivos de “radicales libres” responsables del envejecimiento. Esta función de antioxidante solamente se da en los alimentos que fueron previamente sometidos a proceso de cocción, al menos 5 minutos (Nutrinfo, 2000).
2.2.3.1. Estructura y clasificación
Químicamente se clasifican como terpenoides, sustancias derivadas en la naturaleza del intermediario metabólico ácido mevalónico, que aporta la unidad básica estructural. Los terpenoides con una, dos, tres o cuatro unidades isoprenoides (hemi-, mono-, sequi- y di-terpenoides, respectivamente son bien conocidos, pero los más importantes para los químicos de los alimentos son los esteroides, los cuales son triterpenoides (es decir contienen 30 átomos de carbono) y los carotenoides, que son los únicos tretaterpenoides conocidos (Coultate, 1984). La estructura molecular de los carotenoides incluye una larga cadena de dobles enlaces de la que proviene su función antioxidante.
En muchos casos, los carotenoides (normalmente presente en su forma trans) están íntimamente asociados a las estructuras complejas encargadas de recolectar luz en las membranas de los discos tilacoides de los cloroplastos, donde se encuentran en una estructura ordenada asociada a proteínas de unión. En el caso de la zanahoria y del tomate, el β-caroteno y el licopeno, respectivamente se encuentran en forma de estructuras semicristalinas unidas a las membranas de los cromoplastos o cloroplastos. Se esperaría que al ser moléculas liposolubles se encontraran en asociación con estructuras lipídicas subcelulares, sin embargo, se encuentran unidas a proteínas (Pokorny et al., 2005).
Los carotenoides se dividen en dos grupos principales: los carotenos que son estrictamente hidrocarburos y las xantofilas que contienen oxígeno.
Dentro de los carotenos están el licopeno, β-caroteno, α-caroteno y Ɣ- caroteno, de ellos el más sencillo es el licopeno. Una molécula de licopeno se sintetizan a partir de dos unidades diterpenoides unidas “cabeza contra cabeza”. Otros carotenos se forman por ciclación de los extremos de la cadena.
Dentro del grupo de las xantofilas están la zeaxantina, luteína, anteraxantina, violaxantina, neoxantina, capsantina y astaxantina. Las xantofilas se forman inicialmente por hidroxilación de carotenos y la mayoría de los tejidos de las plantas contienen trazas de criptoxantinas precursores monohidroxílicos de las xantofilas dihidroxílicas, como la zeaxantina o la luteína. Posteriores reacciones de oxidación conducen a la formación de epóxidos como la anteraxantina y la violaxantina y de cetonas como la astaxantina y la capsantina (Coultate, 1984).
