FACULTAD DE CIENCIAS AGROINDUSTRIALES PROGRAMA DE ...

FACULTAD DE CIENCIAS AGROINDUSTRIALES PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

DESARROLLO DE UN MODELO MATEMÁTICO QUE PERMITA PREDECIR EL

CAMBIO DEL CONTENIDO DE POLIFENOLES EN UNA MATRIZ

ALIMENTARIA SOMETIDA A TRATAMIENTOS TÉRMICOS CON DIFERENTES

CONDICIONES

Julio Cesar Luna R1.; Juan Alejandro Barreto B2.; Zaira Tatiana Marín A3.

1Ingeniero de Alimentos, Docente investigador Grupo CYTA, Universidad del Quindío. Correo:

[email protected]

2Estudiante de Ingeniería de Alimentos, Facultad de Ciencias Agroindustriales, Universidad del

Quindío. Correo: [email protected]

3Ingeniera de Alimentos, Docente investigadora Grupo CYTA, Universidad del Quindío.

Correo: [email protected]

RESUMEN

El objetivo de esta investigación fue establecer un modelo matemático que permitiera predecir

el efecto del tratamiento térmico a diferentes condiciones de temperatura y pH, y su efecto sobre

el contenido final de polifenoles en una matriz alimentaria. La matriz alimentaria se expuso a

tres temperaturas (63 °C, 70 °C, 75 °C) y tres diferentes pHs (3, 3.5, 4) el cual se ajustó

implementando buffer citrato. Las condiciones que afectan más significativamente la

destrucción de los polifenoles son a temperatura de 75 °C y pH 4. Después de haber sometido

la matriz al tratamiento térmico se cuantificó el contenido final de polifenoles mediante el

método de Folin-Ciocalteu. Con los resultados obtenidos se hizo un modelo predictivo que

permite realizar una estimación del contenido final de polifenoles en función de las condiciones

del proceso pH, Temperatura y tiempo.

Palabras clave: polifenoles, actividad antioxidante, cinética de degradación. Destrucción

térmica.

Vol 24, No 39 (2016), Revista Alimentos Hoy -117

mailto:[email protected]



YURI

Texto tecleado

Recibido 08/11/2016, Aceptado 09/12/2016, Disponible online 31/12/2016


ABSTRACT

The objective of this research was to establish a mathematical model that would predict the

effect of heat treatment at different conditions of temperature and pH, and its effect on the final

content of polyphenols in a food matrix. Food matrix was exposed at three temperatures (63 °

C, 70 ° C, 75 ° C) and three different pHs (3, 3.5, 4) which were adjusted using citrate buffer.

Conditions affecting more significantly the destruction of polyphenols were 75 ° C and pH 4.

After subjecting the matrix to the final heat treatment polyphenol content was quantitated by the

Folin-Ciocalteu. With the results a predictive model was devised that allows to estimate the final

content of polyphenols according to the process conditions of pH, temperature and time.

Keywords: polyphenols, antioxidant activity, degradation kinetics. Thermal destruction.

1. INTRODUCCIÓN

En la naturaleza existe una amplia variedad

de compuestos que presentan una estructura

molecular caracterizada por la presencia de

uno o varios anillos fenólicos. Estos

compuestos podemos denominarlos

polifenoles. Se originan principalmente en

las plantas, que los sintetizan en gran

cantidad, como producto de su metabolismo

secundario (Quiñones M., et al, 2012).

Actualmente existe gran interés en estos

compuestos debido a la gran variedad de

actividades biológicas que presentan,

considerándose uno de los compuestos

fitoquímicos alimentarios más importantes

por su contribución al mantenimiento de la

salud humana. La actividad biológica de los

polifenoles está relacionada con su carácter

antioxidante, el cual es debido a su

habilidad para quelar metales, inhibir la

actividad de la enzima lipooxigenasa y

actuar como atrapadores de radicales libres.

De hecho, diversas organizaciones

internacionales, en el ámbito de la nutrición,

recomiendan un consumo diario como

mínimo de cinco raciones de fruta o

verdura, para asegurar una adecuada ingesta



de antioxidantes y prevenir enfermedades

relacionadas con el estrés oxidativo (Garcia

E., et al, 2015).

Estos compuestos también poseen un efecto

sobre los alimentos en sus características

sensoriales ya que son responsables de

diversas propiedades entre ellas

encontramos el color, (antocianinas,

flavonoles) sabor (flavonona), aroma

(eugenol), etc.

La cantidad de compuestos polifenólicos y

tipos presentes en un alimento varía en

función de la especie vegetal, variedad y

parte del vegetal considerada (fruto,

semillas, brotes, hojas), horas de exposición

solar, grado de madurez, condiciones de

cultivo, procesado, condiciones de

almacenamiento, etc (Garcia E., et al,

2015).

La mayoría se caracterizan por ser

hidrosolubles y estables al calor siendo

susceptibles a los cambios químicos

(maduración de las frutas), físicos en el

procesado de los alimentos: picado y

trituración (estos forman parte de la

organización tisular y de estructuras, que al

romperse se lixivian y se destruyen

parcialmente en contacto con el aire);

Algunos polifenoles son sensibles a

tratamientos térmicos, ya que el calor

excesivo altera los pigmentos de los

alimentos (Agostini L., et al, 2004).

Los tratamientos térmicos buscan reducir la

carga microbiana y la inactivación de

enzimas presentes que pueden alterar un

determinado alimento, pero también

generan pérdidas en cuanto al contenido de

polifenoles, en la actualidad en el momento

de diseñar alimentos las empresas

desconocen cuál es el efecto que pueden

ocasionar algunos tratamientos térmicos

sobre nutrientes como los polifenoles.

Ahora la ecuación de Arrhenius es una

expresión que se utiliza para comprobar la

dependencia de la constante de velocidad (o

cinética) de una reacción química con

respecto a la temperatura que tiene la k

como constante de degradación (Ibarz A., et

al. 2000).

En microbiología predictiva

frecuentemente se emplean otras

magnitudes equivalentes a k para

caracterizar la velocidad de muerte de los

microorganismos, como es el tiempo de

reducción decimal D, que es el tiempo

necesario para reducir el número de

microorganismos vivos a la décima parte

del número inicial (Vidal C., 2011).

Lebert I., y Lebert A. 2006, han utilizado

ecuaciones de predicción de tiempos de



muerte decimal de microorganismos en

función de diferentes parámetros para

realizar una predicción cuantitativa del

comportamiento microbiano durante el

procesamiento de alimentos.

El objetivo de esta investigación fue

establecer un modelo matemático que

permitiera predecir el efecto de tratamientos

térmicos a condiciones diferentes de

temperatura y pH, sobre el contenido final

de polifenoles usando como matriz

alimenticia un néctar de mora.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1.Materia prima y localización:

Se emplearon frutos de mora (Rubus

glaucus Benth) adquiridos en mercado local

de la ciudad de Armenia-Quindío, para la

elaboración de un néctar con un contenido

del 30 % de pulpa que se utilizó como

matriz. La cuantificación de polifenoles y

los ensayos se realizaron en el Laboratorio

de investigación en post-cosecha de la

Universidad del Quindío, localizado en el

municipio de Armenia, la cual se encuentra

a 1480 msnm.

2.2.Tratamiento térmico:

Las muestras se sometieron a combinación

de 3 temperaturas, 3 pHs y 5 tiempos

diferentes, dichos tratamientos se realizaron

en un baño termostatado, en el cual se

controlaron la temperatura (63ºC, 70ºC o

75ºC) empleando termómetros de mercurio,

a tres pHs diferentes (3, 3,5 o 4) los cuales

se ajustaron implementando un buffer de

citrato al 10% ajustado potencio

métricamente en un pH-metro 704 meter

metrohm. El tiempo se controló con

cronometro digital marca Casio. Luego de

cada tratamiento se realizó un choque

térmico con agua y hielo a una temperatura

de 4°C, con el fin de detener la degradación

de los polifenoles.

2.3.Cuantificación de polifenoles:

Antes de someter la matriz al tratamiento

térmico se hizo cuantificación de

polifenoles; después de haberlas sometido a

cada una de las condiciones establecidas

según la planificación; Se realizaron los

análisis del contenido final de polifenoles

de cada uno de los ensayos por duplicado.

Se propuso el procedimiento descrito para

la obtención del índice de Folin-Ciocalteu

por Lenore S. Clesceri (Lenore S., 1998).



2.3.1. Reactivo de Folin-Ciocalteu:

Se pesaron 10,0 g de tungstato de sodio

(Na2WO4*2H2O) mas 2,5 g de molibdato de

sodio y se agregaron 70 mL de agua

destilada. En un matraz de fondo plano de

200 mL se mezclaron las anteriores

sustancias con 5 mL de ácido fosfórico

(H3PO4 al 85%) y 10 mL de ácido

clorhídrico fumante [HCl]. Se conectó el

matraz a un condensador de reflujo

adicionando perlas de vidrio a la mezcla, la

cual se debía tener a ebullición por 10 horas.

Transcurrido ese tiempo, se adicionaron

15,0 g de sulfato de litio (Li2SO4) más 5 mL

de agua desionizada y dos gotas de agua de

bromo, la mezcla resultante se puso a

ebullición sin condensación por un tiempo

de 15 minutos con el objetivo de eliminar el

exceso de bromo. Se enfrió la solución

resultante hasta 25 ºC y se aforo hasta los

100 mL, la solución de color amarillo, se

filtró para que el producto resultante sea de

color verde esmeralda. Este reactivo se

almaceno en un frasco hermético, de

coloración ámbar y con tapón de seguridad

para protegerlo de la acción reductora del

polvo y la materia orgánica transportada por

el aire.

2.3.2. Reactivo de carbonato de

sodio:

Se preparó una solución de Na2CO3 al 20 %

en un balón aforado de 250 mL con 50 g de

éste reactivo y con agua destilada para

aforar al volumen total.

2.3.3. Metodología para la

cuantificación del contenido

polifenoles con el índice de

FolinCiocalteu:

Utilizando pipetas aforadas, se tomaron

alícuotas de 1,0 mL de cada una de las

muestras las cuales fueron transferidas a

diferentes tubos de ensayo que contenían

6,0 mL de agua destilada. Luego, se

adicionaron 500 μL del reactivo Folin-

Ciocalteu a cada tubo de ensayo. Después

de cinco minutos, se añadieron 1,5 mL de la

solución de carbonato de sodio al 20 %.

Luego de 45 minutos de reacción a

temperatura ambiente y alejada de la

radiación solar se observó la formación de

la coloración, comparando la lectura con un

blanco preparado al mismo tiempo, las

mismas condiciones, se aforaron los

estándares y la muestra a 10 mL. Los

resultados obtenidos se expresaron como

mg A.G (ácido gálico)/100 g de muestra.



2.3.4. Toma de muestras y del

blanco en el espectrofotómetro

de UV-VIS

Se utilizó un espectrofotómetro

ultravioleta-visible (UV-VIS) con arreglo

de diodos Hewllet Packard modelo HP-

8453, se programó el software en la opción

de cuantificación, donde se determina el

barrido entre una frecuencia de 400-1100

nm, fijando la banda de análisis a los 750

nm. Se acomodaron las unidades de

respuesta en orden de concentración de

mg/L (ppm) para compararlo con una curva

de calibración o recta estándar realizada con

un blanco de ácido gálico (A.G.).

2.3.5. Construcción de la recta

estándar usando ácido gálico

(A.G):

Se construyó una recta estándar a partir de

diluciones de ácido gálico con

concentración conocida, la cual se usó para

cuantificar el contenido de polifenoles

disponibles, la solución patron se preparó

disolviendo 50 mg de ácido gálico en un

matraz aforado de 100 mL y se aforo el

balón con agua destilada, esta mezcla se

almaceno hasta por dos semanas en el

refrigerador a 4 °C para ser utilizada en cada

uno de los ensayos. La construcción de la

curva de calibración se realizó disolviendo

la solución de ácido gálico desde 500 mg/L

hasta 0, 1, 2, 3, 4, 5 mg/L (relación

V1*C1=V2*C2) de polifenol conocido. El

equipo de UV-VIS identifica este blanco y

posteriormente se pueden cuantificar los

analitos; los valores hallados del contenido

total de polifenoles (mg A.G/100 g de

muestra) se reportan como equivalentes de

ácido gálico (GAE) reconocidas como

“sustancias reductoras del reactivo de

Folin-fenol”

.

2.4.Análisis estadístico:

El análisis estadístico se realizó con el

modelo realizado en base a los datos

obtenidos en la parte experimental,

implementando como base matemática la

ecuación de Arrhenius (Ibarz A., et al.

2000). Halladas las constantes de

degradación D, se linealizaron para una

mayor exactitud del modelo final y se

obtuvo la ecuación por regresión lineal

multivariable en el programa

STARGRAPHICS CENTURION IV.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La matriz alimenticia utilizada fue un néctar

de mora con 30% de pulpa. Se estableció

este porcentaje mayor al expuesto en la



resolución 3929 para visualizar mejor la

degradación.

Se seleccionó la mora ya que según Koca,

I., et al. 2009 tiene un elevado contenido en

polifenoles muy superior a otras frutas

como la fresa, el mango o la ciruela,

También se destaca por su capacidad

antioxidante, su elevada acidez, pH bajo

(2,9- 3,1).

3.1.Determinación de condiciones

De acuerdo a las pruebas preliminares se

observó que se degrada en mayor medida a

temperaturas superiores a 63°C, por lo que

se planifico que los ensayos fueran a: 63,

70ºC y 75ºC, a pH de 3.0, 3.5 y 4.0. Los

tiempos de estos tratamientos se

modificaron ya que a temperaturas

superiores a 70°C la degradación se

producía de manera más acelerada, por lo

que se determinaron tiempos más cortos.

Los tiempos para 63ºC fueron de 1, 120, 900

y 1800 segundos y para la temperatura de

70ºC fueron de 1, 30, 60, 180, 300 y 540

segundos. Finalmente para las de 75ºC

fueron de 1, 30, 90, 300 y 600 segundos.

Los valores reportados se expresan en

minutos ya que los valores D se expresa en

minutos y para los valores de K si se

expresan en segundos.

3.2.Cuantificación de contenido final

de polifenoles:

El comportamiento del contenido final de

polifenoles en el néctar de mora sometido a

los tratamientos térmicos con temperaturas,

pHs y tiempos establecidos se expone en los

grafios 1, 2 y 3.

Grafico 1. Cinética de degradación de

polifenoles a pH 3.0.



-0,004

-0,003

-0,002

-0,001

0

0 20 40Ln

C

Minutos

pH 3.0

63°C

70ºC

75ºC

-0,015

-0,01

-0,005

0

0 20 40

Ln C

Minutos

pH 3.5

63ºC

70ºC

75ºC





Tabla 1. Constantes k con respecto pH y

temperatura.

K

pH

T °C 4 3,5 3

75 0,0011 0,0010 0,0002

70 0,0009 0,0008 0,0002

63 0,0003 0,0002 0,0001

Tabla 2. Constantes D con respecto con pH

y temperatura.

D

pH

T °C 4 3,5 3

75 34,9 38,4 191,9

70 42,6 48,0 191,9

63 127,9 191,9 383,8

Los valores K expresados en la tabla 1

equivalen a la pendiente en cada ecuación

de la recta, estos aumentan a medida que

asciende la temperatura, lo que indica que a

mayor temperatura la degradación de los

polifenoles es mayor en un mismo tiempo,

es decir, son directamente proporcionales.

Luna R. Julio C. (2006) indica el efecto de

la temperatura sobre las reacciones

químicas, y expone que para que se presente

una reacción se necesita una cantidad de

energía suficiente para que suceda.

En el grupo de los polifenoles podemos

encontrar diversas sustancias, un subgrupo

denominado flavonoides en los cuales se

encuentran pigmentos como las

antocianinas, que según R. Fennema (2010)

son relativamente inestables y la mayor

estabilidad ocurre en condiciones ácidas. En

cuanto a otros polifenoles como las

isoflavonas se ha sido establecido que su

biodisponibilidad puede ser influenciada

por su estructura química en alimentos y a

la susceptibilidad a la degradación durante

el calentamiento (Shao S., et al. 2009 ). Lo

que concuerda con los datos obtenidos

experimentalmente, como se puede

observar en la tabla 2 donde los valores D

expresados en minutos a diferentes

temperaturas y pHs, lo que indica que

-0,02

-0,01

0

0 20 40

Ln C

Minutos

pH 4.0

63ºC

70ºC

75ºC



requiere mayor tiempo cuando se encuentra

a pH ácidos. También existen compuestos

polifenolicos que posiblemente no se vieron

alterados por el tratamiento térmico ni por

los pHs empleados. Como es el caso de los

taninos que son polímeros polifenólicos

producidos en las plantas como compuestos

secundarios y que tienen la capacidad de

formar complejos con proteínas,

polisacáridos, ácidos nucleicos, esteroides y

saponinas desempeñando en las plantas una

acción defensiva ante los insectos (Hom., et

al. 2001).

Esta afirmación es válida ya que en la

bibliografía los taninos sufren

degradaciones a partir de 225ºC, siendo

máxima a 300ºC y a pH superior a 6 (Peña

C., 2007 ).

En cuanto a otros estudios reportados por

Urrea R., et al. (2012) Indicaron que en un

proceso de secado convectivo en zanahoria

los polifenoles fueron más sensibles al largo

tiempo de exposición al tratamiento térmico

que al efecto de la temperatura. La

comparación de los datos publicados se

dificulta por la estabilidad de los polifenoles

debido a las diferentes condiciones

experimentales usadas por otros autores

reportando resultados diferentes.

3.3.Obtención del modelo

Con los valores D obtenidos para cada

relación de temperatura y pH, se procedió a

aplicar el logaritmo natural a cada valor

para linealizar y así obtener una ecuación

más exacta en la descripción del

comportamiento de la constante de en

función de los pHs y la temperatura. Luego

por regresión lineal multivariable se obtuvo

la ecuación de predicción de valor D para

cualquier temperatura y pH dados en el

programa STARGRAPHICS

CENTURION IV.

3.3.1. Modelo

La ecuación obtenida para la descripción

del comportamiento de la degradación de

los polifenoles en función del pH y la

temperatura se obtuvo con el programa

STARGRAPHIPS CENTURION

aplicando una relación de regresión lineal

multivariable con un ajuste por mínimos

cuadrados ordinarios, esto se aplicó a los

logaritmos naturales de los valores D

obtenidos con el fin de linealizarlos y

aumentar así la correlación final.

La ecuación obtenida fue la siguiente:

LOG10 D= 7,2919 - 0,0448823*T -

0,623563*pH

La correlación o R-Cuadrada ajustada, que

es más apropiada para comparar modelos



con diferente número de variables

independientes, es de 78,9227 %, lo cual

indica que la ecuación obtenida describe el

79% del comportamiento del valor D

(Destrucción Térmica de Polifenoles) en

tratamientos térmicos con diferentes

temperaturas y pHs. De este valor se puede

inferir que la degradación térmica de los

polifenoles sigue una cinética de primer

orden.

Los valores P obtenidos para la relación de

la temperatura y el pH con el cambio en el

valor D fueron inferiores a 0.05, lo que

indica que ambas variables son

estadísticamente significativas con un nivel

de confianza del 95%, lo que concuerda con

R. Fennema, (2010) que señala que los

principales factores que gobiernan la

degradación de las antocianinas que son

compuestos fenólicos son el pH, la

temperatura y la concentración de oxígeno,

y entre estas la estabilidad de las

antocianinas en los alimentos se ve

notablemente afectada por la temperatura al

igual que otros polifenoles.

4. CONCLUSIONES

Se obtuvo un modelamiento

matemático que sigue una cinética

de degradación de primer orden que

permite inferir la degradación en el

contenido final de polifenoles en

tratamientos térmicos a diferentes

condiciones de temperatura y pH.

con una precisión del 79 %. la

ecuación es:

LOG10 D= 7,2919 - 0,0448823*T -

0,623563*pH

La temperatura y el pH afecta

significativamente el contenido de

polifenoles ya que a medida que

aumenta el pH y la temperatura

existe una mayor degradación en el

contenido final de polifenoles.

5. BIBIOGRAFIA

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el sistema cardiovascular. SCIELO.

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2. Garcia E., et al, 2015.

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Superior de Ingeniería Agronómica

y del Medio Natural.

3. Agostini L., et al, 2004.

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Universidad de las Islas Baleares

Palma de Mallorca, España.

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de salud y protección social.

Relativa al reglamento técnico sobre

los requisitos sanitarios que deben

cumplir las frutas y bebidas con

adición de pulpa de fruta.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al laboratorio de

investigación en post cosecha (LIP) de la

universidad del Quindío, por todo el apoyo

para la realización de esta investigación.

A la Química Leidy Tatiana Sánchez y al

Quimico Omar Rolando Garcia, por toda la

ayuda y asesoría brindada.


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