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FACULTAD DE QUÍMICA MÉXICO, D.F. 2016 T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: Q U Í M I C O D E A L I M E N T O S P R E S E N T A: JUAN JOSÉ HINOJOSA GONZÁLEZ EXTRACCIÓN DE GLUCÓSIDOS MAYORITARIOS DE STEVIA REBAUDIANA BERTONI POR MÉTODOS FLUIDO SUPERCRÍTICO Y AGUA CALIENTE PRESURIZADA, PARA LA ELABORACIÓN DE UN CHOCOLATE CON FIBRA APTO PARA DIABÉTICOS. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. ÍNDICE 1. Resumen ............................................................................................................................. 1 2. Introducción ........................................................................................................................ 4 3. Objetivos e hipótesis........................................................................................................ 4 4. Marco teórico ..................................................................................................................... 5 4.1 El problema de la Diabetes en el mundo ........................................................... 5 4.2 La diabetes en México ............................................................................................. 6 4.3 Stevia rebaudiana como edulcorante no calórico ........................................... 8 4.4 Extracción con fluidos supercríticos .................................................................. 11 4.5 Cuantificación por el método cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) ......................................................................................................... 13 4.5.1 Principios cromatográficos......................................................................... 14 4.5.2 Instrumentación ............................................................................................. 15 4.5.3 Fase móvil y el depósito ............................................................................. 16 4.5.4 Bombas ............................................................................................................ 16 4.5.5 Inyectores ....................................................................................................... 17 4.5.6 Detectores ...................................................................................................... 17 4.5.7 Adquisición de datos o sistemas de visualización ............................. 17 4.5.8 Columnas ........................................................................................................ 18 4.5.9 Técnicas de separación .............................................................................. 19 4.5.10 Derivatización .............................................................................................. 19 4.5.11 Validación ..................................................................................................... 19 4.6 Superficies de Respuesta ..................................................................................... 20 4.6.1 Diseños de Superficies de Respuesta ................................................... 20 4.6.2 Polinomio de primer orden......................................................................... 21 4.6.3 Prueba de la significancia de los coeficientes estimados en el modelo ajustado ............................................................................................ 21 4.6.4 Prueba de falta de ajuste ........................................................................... 22 4.7 Alimentos para diabéticos ..................................................................................... 23 4.8 Chocolate apto para diabéticos .......................................................................... 24 4.8.1 Alimento nutracéutico .................................................................................. 25 4.8.2 Antioxidante natural .............................................................................. 25 4.8.3 Fabricación de chocolate a partir del cacao ......................................... 25 4.8.4 Importancia del proceso de temperado ................................................. 27 4.8.5 Propiedades físico-químicas que influyen en la elaboración del chocolate ............................................................................................................. 27 4.9 Inulina de agave ...................................................................................................... 29 5. Metodología ..................................................................................................................... 30 5.1 Obtención de la materia prima y molienda .................................................... 31 5.2 Extracción de los principales glucósidos de Stevia rebaudiana Bertoni ................................................................................................................................ 31 5.3 Cuantificación por HPLC de los glucósidos edulcorantes ......................... 36 5.4 Desarrollo de un alimento apto para el consumo de Diabéticos ............. 37 5.5 Elaboración de la fórmula de chocolate amargo con fibra sin azúcares añadidos y endulzado con estevia ................................................. 37 5.6 Proceso de elaboración del chocolate ............................................................ 38 5.7 Evaluación sensorial ............................................................................................. 41 5.8 Análisis químico proximal (AQP) ..................................................................... 41 6. Resultados y discusión ................................................................................................. 42 6.1 Extracción con CO2 supercrítico ......................................................................... 42 6.2 Extracción con CO2 supercrítico y cosolvente ............................................... 45 6.3 Extracción con agua caliente presurizada ....................................................... 47 6.4 Estandarización de la técnica de cuantificación por el método HPLC. Elaboración de la curva patrón para el estándar rebaudiósido A y esteviósido ........................................................................................................................ 50 6.5 Cuantificación por el método de HPLC de los glucósidos presentes en los extractos obtenidos por FSC ......................................................................... 53 6.6 Cuantificación por el método de HPLC de los glucósidos presentes en los extractos obtenidos por FSC y la adición de un cosolvente al sistema ..............................................................................................................................58 6.7 Cuantificación por el método de HPLC de los glucósidos presentes en los extractos obtenidos mediante “Agua caliente presurizada” ................ 61 6.8 Desarrollo de un producto apto para diabéticos ............................................ 66 Análisis bromatológico del producto elaborado .................................................... 66 6.9 Información nutrimental ......................................................................................... 67 6.10 Resultados de la evaluación sensorial ........................................................... 68 7. Análisis y discusión ........................................................................................................ 69 7.1 Estudio de las diferentes metodologías de extracción propuestas para el diseño experimental ........................................................................................ 69 7.2 Análisis de los resultados de la cuantificación por HPLC ........................... 71 7.3 Desarrollo de un alimento apto para diabéticos ............................................ 73 8. Conclusiones .............................................................................................. 76 9. Perspectivas..................................................................................................................... 78 10. Bibliografía ........................................................................................................................ 79 11. Anexos ............................................................................................................................... 87 1 RESUMEN En la actualidad, debido al incremento en el consumo de alimentos que sean benéficos a la salud de los consumidores, denominados como “alimentos funcionales”, se han desarrollado investigaciones para obtener de una forma segura, rápida y de bajo costo, las sustancias y los componentes bioactivos que los contengan. En general la extracción de dichos compuestos se realiza a través de solventes orgánicos, que no resultan muy efectivos por ser poco selectivos y laboriosos, tóxicos e inflamables; por lo anterior, se plantea un proyecto de investigación cuyo objetivo general es realizar la extracción de los componentes de la estevia utilizando fluidos supercríticos y agua caliente presurizada. El diseño experimental se basó en la metodología de superficie de respuesta (RSM), la cual consiste en un conjunto de técnicas matemáticas y estadísticas utilizadas para modelar y analizar problemas en los que una variable de interés está influenciada por otras. El objetivo principal fue identificar las condiciones de mayor rendimiento en lo referente a cantidades de extractos obtenidos con la posibilidad de revelar una gran cantidad de información a partir de un pequeño número de experimentos. Las variables de interés fueron la temperatura, la presión, el tiempo de extracción, la presencia o ausencia, de un cosolvente (mezcla agua-etanol en una concentración 70:30 v/v), este último con variaciones en el volumen incorporado al sistema para observar el efecto que genera sobre el rendimiento y por último, el uso de diferentes concentraciones de estevia para conocer el efecto del soluto en la obtención de glucósidos. (Montgomery, D. 1991; Erkucuk, A. et al., 2009). Se encontró que la presión presentó efectos significativos para la extracción con CO2 supercrítico (FSC), al obtener rendimientos no mayores que 2% por lo cual se planteó un nuevo diseño en el cual se incluyó un cosolvente para medir su efecto en el rendimiento. Como segundo factor de interés en este diseño, la presión se varió con el mismo propósito (FSC- cosolvente) y manteniendo constantes la temperatura y tiempo de extracción se consiguió un aumento en el rendimiento hasta valores de 2.9 %, sin embargo, la respuesta no fue satisfactoria; el estudio estadístico indicó que la presión era 2 significativa al 95% de nivel de confianza en términos de rendimiento. Por último se incluyó a la propuesta experimental una extracción con agua caliente a elevadas presiones, esta vez con variaciones en la cantidad de muestra, temperatura y tiempo de proceso, se alcanzaron cifras significativamente mayores a los diseños anteriores con un valor máximo de 67%. La identificación y cuantificación los glucósidos de esteviol (esteviósido y rebaudiósido A) en extractos de Stevia rebaudiana Bertoni por Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC) se desarrolló de acuerdo con la metodología recomendada por JECFA (2010). Los resultados cromatográficos se analizaron con el programa Clarity versión 2.7.3.498 (2000-2009). Cada muestra se analizó por triplicado y se calculó la concentración a través de la ecuación de la recta de regresión lineal construida con los estándares. En el caso de los diseños FSC y FSC-cosolvente se encontró a nivel trazas el esteviósido en los extractos obtenidos, de tal forma que se procedió a determinar únicamente el rebaudiósido A en estas muestras. El mayor rendimiento para la metodología FSC (extracción con CO2 supercrítico) fue el que tiene las condiciones más altas del diseño, es decir: temperatura: 90°C, presión: 400 bar, y tiempo de 60 min, con una cantidad promedio de (5525±307) µg Reb A/100 g de hoja de estevia molida y seca. Para el diseño FSC-cosolvente se calculó la cantidad (11780.80±199) µg Reb A/100 g de hoja de estevia molida y seca, que es la máxima extraída mediante esta técnica en las condiciones Presión: 400 bar y %cosolvente: 20%, siendo estas las más altas del diseño. Por último, para el diseño “agua caliente presurizada” se halló la presencia de ambos glucósidos, además de ser el método con el mayor rendimiento de extracción de glucósidos bajo las condiciones temperatura: 150°C, relación estevia/agua: 10g/200mL, y tiempo: 30 min, fue de 41.51±1.7 g Reb A y 6.76±0.13 g esteviósido por cada 100 g de hoja, siendo estos valores superiores a los reportados en la literatura. Determinadas las condiciones más adecuadas de extracción de glucósidos en el diseño propuesto, y con el fin del uso potencial en alimentos, se decidió utilizar dicho extracto en la elaboración de un alimento apto para diabéticos utilizando 3 como edulcorante los extractos de estevia, el resultado fue un chocolate amargo con fibra (inulina) sin azúcares añadidos y endulzado con estevia, con base en lo que establece la NOM-186-SSA1/SCFI-2002, Cacao, productos y derivados, especificaciones sanitarias y denominación comercial se desarrollo la formulación base del producto. Mediante un análisis químico proximal (AQP) se determinó la composición, los datos recabados fueron: humedad: 11.69±0.60%, grasa: 39.48±0.23%, proteína: 6.48±0.11%, fibra: 2.36±0.28%, cenizas: 1.42±0.05%, se concluyó con la evaluación sensorial del producto elaborado, la cual indicó un nivel de agrado mayor al producto comercial, para los atributos “apariencia”, “color” y “textura” se encontró diferencia significativa entre las muestras (α=0.05), mientras que para los atributos “aroma”, “sabor”, y “en general” no hay diferencia significativa, por lo cual se propone seguir mejorando la formulación de tal manera que la percepción general del chocolate elaborado mejore y tenga oportunidad en el mercado. 4 INTRODUCCIÓN: En nuestro país, los datos de la Encuesta Nacional de Salud y Nutrición realizada en 2012 reportan cifras crecientes de sobrepeso y obesidad en la población tanto infantil como adulta. La elevada ingesta de calorías en la dieta junto con un estilo de vida sedentario, son los principales factores. Así se puede mencionar como una alternativa el uso de la Stevia rebaudiana (planta originaria deParaguay), con un reciente auge de producción en el estado de Yucatán en México y que posee un poder edulcorante 300 veces más dulce que la sacarosa, sin aportar ni una sola caloría. Sus principios activos son los esteviósidos y los rebaudiósidos, que son los glucósidos responsables del sabor dulce de la planta, encontrándose en mayor cantidad el esteviósido y rebaudiósido A (SAGARPA, 2011; Gutiérrez et al. 2012) Actualmente, debido al incremento en el consumo de alimentos que presenten beneficios a la salud de los consumidores (“alimentos funcionales”), se han desarrollado investigaciones para obtener las sustancias y componentes bioactivos que los contengan de una forma segura, rápida y de bajo costo. Por lo anterior, se ha planteado un proyecto de investigación cuyo objetivo general es realizar la extracción de los componentes de la Stevia utilizando fluidos supercríticos y agua caliente presurizada, con el fin de su uso potencial en el desarrollo de alimentos aptos para diabéticos. OBJETIVO GENERAL -Determinar las condiciones más adecuadas para la obtención de edulcorantes no calóricos (glucósidos de esteviol) presentes en hojas de Stevia rebaudiana Bertoni aplicando técnicas de extracción con fluido supercrítico y agua caliente presurizada, para su incorporación en un producto apto para diabéticos. OBJETIVOS PARTICULARES -Determinar las condiciones de mayor rendimiento de extracción mediante la metodología de fluido supercrítico, en presencia y ausencia de un cosolvente. 5 -Determinar las condiciones de mayor rendimiento de la extracción mediante la metodología de agua caliente presurizada. -Estimar la cantidad de los glucósidos edulcorantes, esteviósido y rebaudiósido A, presentes en extractos de Stevia rebaudiana Bertoni mediante una cuantificación por cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC). -Elaborar de un producto de confitería que sea apto para diabéticos utilizando como agente endulzante extractos de Stevia rebaudiana Bertoni. HIPÓTESIS -La extracción de glucósidos de la Stevia rebaudiana mediante estas metodologías permitirá obtener cantidades importantes de edulcorantes con uso potencial en alimentos debido a la alta eficiencia de las técnicas de extracción empleadas en el diseño experimental. MARCO TEÓRICO El problema de la Diabetes en el mundo. La diabetes es un reto de salud global; estimaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS) indican que en 1995 había en el mundo 30 millones de personas con diabetes, actualmente se estima que 347 millones de personas viven con diabetes y se espera que alcance los 438 millones en 2030. A nivel mundial, México es el sexto país con mayor número de personas con diabetes, después de China, India, Estados Unidos, Brasil y Rusia (International Diabetes Federation) (ENSANUT, 2012) (Figura 1). Según la OMS, se calcula que en 2004 fallecieron 3.4 millones de personas como consecuencia del exceso de azúcar en sangre. Casi la mitad de esas muertes corresponden a personas menores de 70 años, y un 55% a mujeres. La OMS prevé que las muertes por diabetes se multipliquen por dos entre 2005 y 2030. La ingesta de una dieta saludable, la actividad física regular, el mantenimiento de un peso corporal adecuado y la evitación del consumo de tabaco pueden prevenir la o retrasar la aparición de la diabetes tipo 2. Esta enfermedad y sus complicaciones 6 tienen un importante impacto económico en quienes la padecen, sus familias, los sistemas de salud y los países. Un ejemplo de esta situación fue presentado por la OMS, donde estimó que en 2006-2015 China dejará de percibir unos ingresos nacionales de US$ 558 000 millones a causa de las cardiopatías, los AVC y la diabetes (OMS, 2011). Figura 1. Prevalencia de Diabetes. Fuente. Organización Mundial de la Salud La diabetes en México Debido a situaciones de índole económica, tradicional o geográfica, la dieta del mexicano está basada generalmente en maíz o sus derivados acompañados de otros alimentos ricos en grasa y colesterol, el estilo de vida acelerado deja de lado el poder llevar una dieta balanceada y mucho influyen los medios de comunicación masiva plagados de comerciales ofreciendo comida no saludable que van muchas veces estratégicamente dirigidos a los menores, futuros consumidores y que también estarán padeciendo diabetes juvenil por la falta de prevención. Es importante mencionar que México es el primer lugar en consumo de refrescos y uno de los primeros lugares en obesidad a nivel mundial (Aguilar, 2007). De acuerdo con la Encuesta Nacional de Salud y Nutrición 2012 (ENSANUT), el 9.17% de la población adulta en México tiene diagnóstico de diabetes, lo que 7 equivale a 6.4 millones de personas, con una prevalencia ligeramente mayor en mujeres (9.67%) que en hombres (8.60%). Se identificaron como variables asociadas con la presencia de Diabetes Mellitus (DM) la edad, la baja escolaridad, el antecedente familiar de DM y la coexistencia de hipertensión arterial, enfermedad renal o hipercolesterolemia en ambos sexos (Hernández-Ávila et al. 2013). A nivel familiar, el manejo terapéutico de personas con diabetes representa una carga económica muy importante, ya que se estima que los gastos médicos de una persona con diabetes es 2 a 5 veces mayores que los de una persona sin esta enfermedad, ademas de considerar que el tener esta enfermedad representa una reducción estimada de la esperanza de vida de 5 a 10 años. Además, a nivel nacional el impacto económico es aún mayor, ya que esta enfermedad puede representar el 4-5% de los presupuestos de salud según la Organización Mundial de la Salud (OMS) (Donnelly et al. 2000). Los desafíos que enfrentan los sistemas de salud son enormes, tanto por el costo económico que representa el tratamiento de esta enfermedad, como la pérdida de la calidad de vida de los que padecen diabetes. Todo lo anterior, hacen que la DM sea un área prioritaria para el sector salud. En este sentido el presente proyecto está enfocado a proporcionar alternativas alimentarias a toda la población diabética del país. La diabetes es una afección crónica que se desencadena cuando el organismo pierde su capacidad de producir suficiente insulina o de utilizarla con eficacia. La insulina es una hormona que se produce en el páncreas y que permite que la glucosa de los alimentos pase a las células del organismo, en donde se convierte en energía para que funcionen los músculos y los tejidos. Como resultado, una persona con diabetes no absorbe la glucosa adecuadamente, de modo que ésta queda circulando en la sangre (hiperglucemia) y dañando los tejidos con el paso del tiempo. Este deterioro causa complicaciones para la salud potencialmente letales. La Diabetes Mellitus involucra un conjunto de enfermedades metabólicas cuyo tratamiento a través de un equipo interdiscipliario de salud, tiene como 8 objetivo central, lograr los niveles recomendados de control glucémico (A1C < 7%) a través de modificaciones en la dieta, aumento en el ejercicio y tratamiento farmacológico. El uso de extractos conteniendo los glucósidos edulcorantes para la elaboración de alimentos funcionales es una estrategia que puede ser utilizada para combatir o controlar las enfermedades crónicas no trasmisibles antes mencionadas (International Diabetes Federation, 2015). Stevia rebaudiana como edulcorante no calórico. La Stevia rebaudiana es una planta originaria de Paraguay, con reciente auge de producción en México, que posee un poder edulcorante no calórico 300 veces más dulce que la sacarosa. Los glicósidos responsables del dulzor de la planta fueron descubiertos en 1931 y actualmente extractos conteniéndolos son utilizados como aditivos alimentarios y edulcorantes no calóricos por Japón y Brasil. Además, es una planta que posee diversos componentes nutracéuticos y a la que sele ha atribuido un potencial antidiabético (Madan, et al, 2010). Los compuestos responsables del dulzor de la Stevia rebaudiana son los glucósidos de esteviol de tipo diterpenoide (Figura 2), aislados e identificados como esteviósido, esteviolbiósido, rebaudiósido A, B, C, D, E y F y dulcósido. Éstos compuestos se encuentran en las hojas de la planta en porcentajes variables en función de la especie, las condiciones de crecimiento y las técnicas agronómicas, llegando a alcanzar hasta el 15% de su composición (Gilabert, 2014). Figura 2. Estructuras de los glucósidos de esteviol. Estos glucósidos son considerados como dietéticos porque su estructura no es metabolizada por el organismo humano. Asimismo presentan características de 9 estabilidad al calor (198-200°C), al pH, no se fermentan, son antiplacas y anticaries, por lo que son muy recomendables para diabéticos (Brandle, 1998). En varios estudios se ha reportado el efecto antihiperglucemiante de S. rebaudiana y del esteviósido, tanto en modelos animales como en humanos, así como el efecto hipoglucemiante. Los esteviósidos reducen el exceso de glucosa en la sangre y tienden a potenciar la secreción de insulina en pacientes con esta enfermedad, pudiendo ser considerada como aditivo para el mejoramiento de la regulación de la diabetes (Woelwer-Rieck et al. 2010; Kujur et al. 2012). Los compuestos dulces de la estevia son usados en Japón, China y Brasil y su mercado se está extendiendo a Europa, Canadá y América Latina debido a las ventajas que ofrecen sobre edulcorantes químicos como el aspartame, acesulfame k, ciclamato, y sobre la sacarosa, por el aporte de calorías. Tiene muchos años que las hojas de Stevia secas se utilizan como edulcorantes naturales y sus glucósidos de esteviol extraídos (esteviósido y rebaudiósido A) están aprobados para uso alimentario en general en Australia, Argentina, Brasil, China, India, Israel, Japón, Nueva Zelanda, Paraguay, Rusia, Corea del Sur y algunos otros países. En EE.UU., el rebaudiósido A y glucósidos de esteviol altamente purificados recibieron el estatus GRAS (generalmente reconocido como seguro) en 2008 y 2009, respectivamente, y están siendo utilizados como aditivos alimentarios. El Comité Mixto (FAO/OMS) de Expertos en Aditivos Alimentarios (JECFA) estableció regulaciones para los glucósidos de esteviol que exigen un nivel de pureza no menor que el 95% de los siete glucósidos de esteviol definidos químicamente. El JECFA también decidió en 2008 elevar la IDA (ingesta diaria admisible) para los glucósidos de esteviol expresadas como esteviol 2-4 mg / kg de peso corporal (Cargill, 2008; Merisant, 2008; Wisdom, 2009; JECFA, 2008). Muchos de los procesos de extracción de los glucósidos de Stevia rebaudiana se llevan a cabo en Japón y hay muchas patentes que los describen. Las diferentes extracciones se pueden categorizar en aquellas basadas en solventes, adsorción 10 cromatográfica, intercambio iónico, precipitación selectiva, procesos de membrana, y fluidos supercríticos (Giraldo et al, 2005; Fujita, 2001) Los factores que contribuyen a la cantidad y tipo de glucósidos son la variedad de Stevia, así como las condiciones climáticas y de siembra. Existen variedades de Stevia cuya composición de esteviósidos es distinta a las variedades generalmente cultivadas (Cuadro 1), como es el caso de una variedad que no contiene rebaudiósido A, ni rebaudiósido C, otra donde el principal componente es Rebaudiósido C y otra denominada Morita que fue mejorada para tener 2.5 veces más rebaudiósido A que de esteviósido y esta es la que se utiliza principalmente como edulcorante (Brandle, 1999; Morita, 2000). En diversos estados del sureste de México, como son Quintana Roo, Chiapas, Veracruz y Yucatán se han cultivado de manera experimental algunas variedades de S. rebaudiana, denominadas criollos 1, 2, SMI (provenientes de Paraguay) y Morita II, sobre las cuales se han estudiado el contenido de esteviósido y rebaudiósido A. En las variedades generalmente cultivadas los principales compuestos glucósidos de esteviol son cuatro: esteviósido, rebaudiósido A, dulcósido y rebaudiósido C. En menor cantidad, se pueden encontrar el rebaudiósido C (1-2%) y dulcósido A (0,4-0,7 %), además del estevolbiósido, rubusósido, rebaudiósido B, D, E y F (<0,4% cada uno de ellos). Cuadro 1. Contenido de glucósidos de esteviol presentes en distintas variedades de Stevia. Fuente: (Gilabert y Encinas, 2014; Aranda et al., 2014) Contenido de glucósidos en g/100g de hojas secas de Stevia para distintas variedades Glucósidos Gardana et al. (2003) Goyal et al. (2010) Kinghorn y Soejarto (1985) Morita II Aranda et al (2010) Criolla Aranda et al (2010) Promedio ± D.E. Promedio ± D.E. Promedio ± D.E. Promedio ± D.E. Promedio ± D.E. Esteviósido 5.8 ± 1.3 9.1 5-10 3.97 ± 0.003 8.80 ± 0.14 Rebaudiósido A 1.8 ± 0.2 3.8 2-4 15.15 ± 0.2 4.03 ± 0.01 Rebaudiósido C 1.3 ± 0.4 0.6 1-2 2.24 ± 0.04 2.05 ± 0.01 Dulcósido A ND 0.3 0.4-0.7 0.61 ± 0.04 0.74 ± 0.03 11 Extracción con fluidos supercríticos Un fluido supercrítico (FSC) es cualquier fluido que se encuentra a presiones y temperaturas superiores por encima de sus valores críticos. Los FSC pueden aplicarse en muchos procesos de extracción como una alternativa favorable al uso de solventes orgánicos. Los beneficios de aplicar la tecnología de FSC en la industria de alimentos son varios, siendo la mas relevante la respuesta a las demandas de producir sin dañar el medio ambiente, ya que en general los solventes utilizados no son contaminantes. La industria química requiere solventes “verdes” para su desarrollo sostenible; los problemas de residuos en los productos finales, los riesgos para el personal de planta y de laboratorios de los compuestos orgánicos volátiles y su descarga a la atmósfera son problemas que preocupan a la sociedad y son cuidadosamente controlados por los gobiernos y los organismos internacionales (Velasco, 2007). Los fluidos supercríticos (FSC) tienen la capacidad de extraer ciertos compuestos químicos con el uso de solventes específicos bajo la combinación de temperatura y presión (Brunner, 2005; Rozzi y Singh, 2002). En el cuadro 2 se muestran las propiedades críticas de algunos compuestos comúnmente usados como fluidos supercríticos. El CO2 es el fluido supercrítico más utilizado debido a que es no tóxico, no inflamable, no corrosivo, incoloro, no es costoso, se elimina fácilmente, no deja residuos, sus condiciones críticas son relativamente fáciles de alcanzar y se consigue con diferentes grados de pureza, se puede trabajar a baja temperatura y por tanto, se pueden separar compuestos termolábiles, se puede obtener a partir de procesos de fermentación alcohólica y ayuda a prevenir la degradación térmica de ciertos componentes químicos del alimento cuando son extraídos. El problema con muchos de los fluidos en comparación con el CO2, es que hay ciertas dificultades en obtener solventes puros del fluido (Meireles, 2005; Wark, 1985). 12 Cuadro 2. Propiedades criticas de los fluidos supercriticos. (Fuente: Brunner, 2005) Las ventajas de los fluidos supercríticos son: 1. Poseen alto coeficiente de difusión y una viscosidad más baja que los líquidos. 2. Ausencia de tensión superficial, la cual aumenta la operación de extracción dada la rápida penetración de los FSC al interior de los poros de la matriz heterogénea. 3. La selectividad durante la extracción puede ser manipulada dada la variación de las diferentes condiciones de operación temperatura y presión afectando la solubilidad de varios componentes en el fluido supercrítico. 4. La extracción con fluidos supercríticos no deja residuos químicos. 5. La extracción con CO2 supercrítico permite su fácil recuperación por procesos de reciclaje.El CO2 supercrítico también ha sido usado en innumerables aplicaciones industriales que incluyen diferentes campos como: alimentos, agricultura, acuicultura, pesticidas, procesos microbianos, petroquímica y farmacéutica (Sánchez et al., 2005; Tonthubthimthong et al., 2001; Vagi et al., 2005). Las aplicaciones de los FSC (especialmente del CO2 supercrítico), son muy amplias, por ello es de resaltar otros campos de aplicación también de interés industrial como son la eliminación de aceite en papas y croquetas fritas de yuca (Hurtado, 2002); la eliminación de alcohol en bebidas alcohólicas (Señorans, 2001); la extracción de aromas y sabores de jugos cítricos (Temelli, 1998). 13 También se han desarrollado nuevos procesos de extrusión y esponjado con CO2SC (Alavi, 2003; Jeong, 2004) y se han inactivado bacterias y esporas por CO2SC (Watanabe et al., 2003). Entre otras aplicaciones se puede mencionar el fraccionamiento de grasas y aceites, la eliminación de ácidos grasos libres en aceites, la deodorización y la extracción de aceite a partir de lecitina y el aprovechamiento de residuos obtenidos de los procesos de refinación (Esquivel y Gil, 1993). En general la extracción se realiza a través de solventes orgánicos, que resultan poco efectivos por ser tóxicos, inflamables, poco selectivos y muy laboriosos. Por esto se ha encontrado que los FSC una muy buena alternativa ya que adicionalmente a su seguridad, pueden obtenerse mejores resultados porque tienen la capacidad de disolver o extraer un número mayor de componentes con una mejor calidad y mediante un proceso más eficiente. Cuantificación por el método cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) La cromatografía de líquidos de alta resolución es la técnica de separación más ampliamente utilizada. Las razones de la popularidad de esta técnica son su sensibilidad, su fácil adaptación a las determinaciones cuantitativas exactas, su idoneidad para la separación de especies no volátiles o termolábiles y, sobre todo, su gran aplicabilidad a sustancias que son de primordial interés en la industria, en muchos campos de la ciencia y para la sociedad en general. Algunos ejemplos de estos materiales incluyen los aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, hidrocarburos, carbohidratos, drogas, terpenoides, plaguicidas, antibióticos esteroides, especies organometálicas y una cierta variedad de sustancias inorgánicas (Skoog et al. 2005). El análisis cuantitativo básico implica la medición de pico altura o área de pico para determinar la concentración de un compuesto, el área del pico o la altura se grafica en función a la concentración de la sustancia. Para picos que están bien 14 resueltos, tanto la altura del pico y el área son proporcionales a la concentración del analito (Kupiec, 2004). Los tres métodos de calibración diferentes, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones, pueden ser utilizados en términos cuantitativos: estándar externo, patrón interno y el método de adición estándar. En este trabajo se utilizó el método de estandar externo que es el más simple de los tres métodos. La precisión de este método depende de la reproducibilidad del volumen de inyección. Para realizar este método la solución patrón contiene a todos los analitos en concentración similar a las presentes en la muestra. Se inyecta por separado una cantidad fija de estándar y de muestra y la altura o área de pico es entonces la respuesta de la concentración para cada compuesto. La curva debe ser lineal y pasar por el origen. La concentración de lo desconocido se determina entonces según la siguiente ecuación Principios cromatográficos Retención. La retención de un analito con un determinado material de empacamiento y eluyente, puede ser expresada como un tiempo de retención o volumen de retención. La retención es la cantidad de la fase móvil necesaria para arrastrar la muestra a través de la columna (Kupiec, 2004). El tiempo de retención se define como el tiempo en que un componente es retenido en la columna por la fase estacionaria con relación al tiempo que reside en la fase móvil. La retención es mejor descrita como una proporción de la capacidad de la columna (k'), que puede utilizarse para evaluar la eficacia de las columnas. Cuanto más tiempo un componente es retenido por la columna , mayor es el factor de capacidad. La proporción de la capacidad de la columna para un compuesto ( A) se define por la siguiente ecuación: 15 Donde VA es el volumen de elución de componente A y V0 es el volumen de elución de un compuesto no retenido. A caudal constante, los tiempos de retención (TA y T0) se puede utilizar en lugar de la retención o volúmenes de elución (Kupiec, 2004). Resolución. Es la capacidad de la columna para separar los picos cromatograficos. La resolución (R) se expresa como el cociente de la distancia entre los máximos de dos picos y el valor medio de la anchura del pico a la línea base: Donde la TB es el tiempo de retención de la componente B, TA es el tiempo de retención de un componente, WA es el ancho del pico de un componente y el WB es el ancho del pico del componente B. Si R es igual o mayor que 1.5, entonces los componentes están completamente separados, pero si R es menor que 1.5, entonces se superponen los componentes (Kupiec, 2004). Sensibilidad. Es una medida del menor nivel detectable de un componente en una separación cromatográfica y es dependiente de la señal. La sensibilidad puede aumentarse mediante la derivatización del compuesto de interés, la optimización del sistema cromatográfico o miniaturización del sistema (Kupiec, 2004). Instrumentación Como se muestra en el diagrama esquemático en la Figura 3, la instrumentación HPLC incluye fuente de fase móvil, una bomba, un inyector, una columna, detector y integrador o adquisición y sistema de visualización. El corazón de la sistema es la columna donde se produce la separación. Dado que la fase estacionaria puede estar compuesta de partículas porosas de tamaño micrométrico, se requiere una bomba de alta presión para mover la fase móvil a través de la columna. El proceso cromatográfico comienza inyectando el soluto en el inyector al inicio de la columna. La separación de los componentes se produce cuando los analitos y la fase móvil se bombean a través de la columna. Finalmente, cada componente eluye en la columna como un pico en la visualización de datos. La respuesta del 16 detector a cada componente se observa en un registrador gráfico o en la pantalla del ordenador y es conocido como un cromatograma. Para recoger, almacenar y analizar los datos cromatográficos, se utilizan con frecuencia integradores y otro equipo de procesamiento de datos (Kupiec, 2004). Figura 3. Diagrama esquemático de un cromatógrafo líquido de alto rendimiento (HPLC) Fase móvil y el depósito El tipo y la composición de la fase móvil afecta a la separación de los componentes. Diferentes disolventes se utilizan para diferentes tipos de HPLC. Para HPLC de fase normal, el disolvente es no-polar y, en HPLC de fase reversa, el solvente es normalmente una mezcla de agua y un disolvente orgánico polar. La pureza de los disolventes y sales inorgánicas utilizadas en la fase móvil es primordial (Kupiec, 2004). Bombas Bombas de alta presión son necesarias para empujar la fase móvil a través de la fase estacionaria de empaquetado. Se requieren bombas que resitan enormes presiones (generalmente alrededor de 1000-2000 psi) y flujos constantes para garantizar la reproducibilidad y precisión. Las bombas son generalmente conocidas por ser durables, pero un adecuado mantenimiento deben llevarse a cabo para mantener esa característica.La incapacidad de acumular presión, altas presiones o fuga podría indicar que la bomba no está funcionando correctamente (Kupiec, 2004). 17 Inyectores El inyector puede ser de inyección manual o automática. Un inyector para un sistema HPLC debería proporcionar la inyección de la muestra de líquido dentro de un intervalo de 0.1-100 mL de volumen con alta reproducibilidad y bajo alta presión (4000 psi). Para cromatografía líquida, muestras líquidas pueden ser directamente inyectadas y muestras sólidas sólo necesitan ser diluídas en un solvente apropiado (Kupiec, 2004). Detectores El detector se utiliza para indicar la presencia de un compuesto y para proporcionar una señal electrónica a un dispositivo de visualización de datos. Los principales tipos de detectores utilizados en HPLC son el índice de refracción (RI), ultravioleta (UV-Vis) y fluorescencia, pero también hay arreglo de diodos, amperométricos y detectores de conductividad. Cada detector tiene sus ventajas, limitaciones y analitos para las cuales son más eficaces. La mayoría de las aplicaciones al análisis de fármacos, hacen uso de detectores que responden a la absorción de la radiación ultravioleta (o luz visible) por el soluto, ya que pasa a través de la célda de flujo en el interior del detector. El reciente desarrollo de las técnicas acopladas ha mejorado la capacidad para separar e identificar varias entidades dentro de una mezcla. Estas técnicas incluyen la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS), cromatografía líquida- espectrometría de masas-espectrometría de masas (LC-MSMS) ó espectroscopia infrarroja (LC-IR) y acoplada a la resonancia magnética nuclear (LC-NMR). Estas técnicas implican generalmente separación cromatográfica, seguida por la identificación de los picos con detectores tradicionales, tales como los rayos UV, combinados con la identificación del compuesto con MS, IR o RMN (Kupiec, 2004). Adquisición de datos o sistemas de visualización El uso de modernas técnicas sistemas de visualización pueden ayudar en el análisis de señal. El sistema de adquisición de datos de la mayoría de los 18 sistemas de HPLC es un equipo de cómputo. El equipo integra la respuesta del detector a cada componente y lo coloca en un cromatógrama que es fácil de leer e interpretar. Otras características más avanzadas también pueden aplicarse a un sistema cromatográfico, estas incluyen inyectores automáticos controlados por ordenador, controladores de gradiente multi-bomba y colectores de fracciones (Kupiec, 2004; Moffat, 2004). Columnas La columna (s) de fase estacionaria es el núcleo de cualquier sistema cromatográfico. Las columnas están comercialmente disponibles en diferentes longitudes, tamaños de orificio y materiales de empacamiento. La combinación correcta de longitud y el material de empacamiento en correlación con la fase móvil apropiada puede ayudar a una separación más efectiva de una muestra compuesta. Una gran variedad de dimensiones de columnas están disponibles, calibre normal, micro- y mini-calibre. Diferentes dimensiones de columna pueden ser utilizados para diferentes tipos de separaciones, así como diferentes materiales de empaque y fase móvil. Los materiales de empaque más utilizado para separaciones HPLC son a base de sílice. El material más popular es octadecyl- sílice (ODS-sílice), que contiene C18 de revestimiento, pero materiales con C1, C2, C4, C6, C8 y C22 están también disponibles. Diversas fracciones químicas enlazado a la sílice, así como el empaque polimérico, están diseñados para la purificación de compuestos específicos. Otros tipos de materiales de empaque de columna incluyen zirconia, bases polímericas y columnas monolíticas. Los platos teóricos relacionan la separación cromatográfica con la teoría de la destilación y son una medida de la eficiencia de la columna. El número de platos teóricos (N) puede determinarse mediante la siguiente ecuación: Donde tR1 es el total de tiempo de retención y W es el ancho de banda del pico. En general, las columnas de cromatografía de líquidos (CL) son bastante duraderas, con una larga vida de servicio a menos que se usen en alguna forma 19 intrínsecamente destructiva, por ejemplo, con un elevado grado de acidez o eluyentes básicos o con continuas inyecciones de "suciedad" biológica. La degradación de la columna es inevitable, pero se puede prolongar la vida de la columna con un mantenimiento adecuado (Kupiec, 2004; Moffat, 2004). Técnicas de separación La elución en gradiente vs la elución isocrática Son métodos de bombeo a través de una columna de fase móvil. En el método isocrático, la composición de la fase móvil permanece constante, mientras que en el método de gradiente la composición cambia durante el proceso de separación. El método isocrático es la técnica más sencilla y debería ser la primera elección a la hora de desarrollar una separación. La elución en gradiente es usualmente generada combinando los flujos presurizados de dos bombas y cambiando sus caudales individuales con un controlador electrónico o sistema de datos manteniendo el caudal total constante (Kupiec, 2004; Moffat, 2004). Derivatización La derivatización de muestras implica una reacción química que altera la estructura molecular del analito de interés para mejorar la detección. En HPLC, la derivatización de un analito generalmente es innecesaria para lograr una separación satisfactoria. La derivatización es utilizada para mejorar la sensibilidad y selectividad de la detección cuando los detectores disponibles no son satisfactorios para compuestos no derivatizados (Kupiec, 2004). Validación Es importante utilizar un método CL validado al realizar el análisis. Características analíticas típicas evaluados en una validación CL incluyen pero no son limitados a la precisión, exactitud y especificidad, límite de detección, límite de cuantificación, linealidad y rango. Es importante considerar la Administración de Drogas y Alimentos de Estados Unidos (FDA) y Estados Unidos (USPNF Pharmacopeia- National Formulary) como directrices a la hora de validar los métodos utilizados 20 para LC muestras farmacéuticas (Kupiec, 2004; Knox, 1978; Simpson, 1976;Pungor, 1995). Superficies de Respuesta La Metodología de Superficies de Respuesta (MSR) es una combinación de análisis de Regresión y Diseño Experimental que fue introducida por Box y Wilson en 1951. Es una estrategia de experimentación secuencial y modelación que conduce a la localización de los valores óptimos de las variables independientes que maximizan, minimizan o cumplen ciertas restricciones en la variable respuesta (Jiménez, 2015). El objetivo de la metodología de superficies de respuesta es optimizar una o más variables de interés, lo cual se logra al determinar sus mejores condiciones de operabilidad. Para ello se utiliza un conjunto de técnicas estadísticas que nos permiten analizar y modelar la forma en que la variable de interés es influenciada por otras. Se pueden distinguir tres aspectos claves en esta metodología: diseño, modelo y técnicas de optimización. Se necesita, por lo tanto, conocer de diseño de experimentos para poder elegir el diseño más apropiado. Entre los diseños base más utilizados se encuentran los diseños factoriales (Khuri, 1997). Diseños de Superficies de Respuesta El grado de los modelos polinomiales usados generalmente en el análisis de superficies de respuesta permite la clasificación de los diseños; los más comúnmente usados son el modelo lineal o de primer orden y el modelo cuadrático o de segundo orden. El modelo de primer orden, sin considerar interacciones, se puede escribir de la siguiente manera: En caso de detectar curvatura en el sistema se empleará un modelo de segundo orden, de la forma 21 Para estimarlos parámetros de este modelo se puede utilizar el método de mínimos cuadrados. Si el modelo ajustado describe adecuadamente la función de respuesta, entonces el analizar este modelo es casi equivalente a analizar el sistema real (Cordell, 1990). Polinomio de primer orden Generalmente se desconoce la relación entre la respuesta y las variables independientes, por ello requerimos un modelo que aproxime la relacion funcional entre Y y las variables independientes. Este modelo provee las bases para un nuevo experimento que nos lleva hacia uno nuevo. Los parámetros del modelo se estiman mediante el método de mínimos cuadrados. Una vez que se tienen los estimadores se sustituyen en la ecuación y obtenemos el modelo ajustado. Este modelo se utiliza cuando queremos estudiar el comportamiento de la variable de respuesta unicamente en la región y cuando no conocemos la forma de la superficie (Cordell, 1990). Prueba de la significancia de los coeficientes estimados en el modelo ajustado Para estimar los coeficientes se requieren N≥k+1 valores de respuesta(Y). El analisis de los de las corridas se presentan en una tabla de análisis de varianza. La tabla presenta las diferentes fuentes de variación que contribuyen a la variacion total de los datos. La variacion total recibe el nomvre de suma de cuadrados total SST, se calcula de la siguiente manera: Donde Yu es el valor de la u-ésima corrida. La suma de cuadrados se compone de la suma de cuadrados debido a la regresión y la suma de cuadrados no tomada en cuenta por el modelo ajustado. La fórmula de la suma de cuadrados debido a la regresión es: 22 La suma de cuadrados residual, que corresponde a la no tomada en cuenta, se calcula de la siguiente forma: En el siguiente cuadro se observa el análisis de varianza, en ella p representa el número de términos del modelo ajustado. Cuadro 3. Análisis de varianza (ANOVA) La prueba de significancia de la ecuación de regresión ajustada tiene la siguiente hipótesis nula H0: todas las ᵝs (excluyendo ᵝ0) son cero contra la alternativa HA: al menos una de las ᵝs (excluyendo ᵝ0) es diferente de cero. La prueba supone que el error se comporta normalmente, en ésta se utiliza el estadistico de prueba F, el cual se calcula Este se compara contra una F(p-1, N-p), si F calculada excede este valor la hipótesis nula se rechaza con un nivel de confianza de α. Esto significa que la variación explicada por el modelo es significativamente mayor que la variación inexplicable (Cordell, 1990). Además de esta prueba se puede hacer un análisis del ajuste del modelo con la R2, que es la proporcion total de la variacion de las Yus con respecto a la media que se puede explicar con la ecuación de regresión ajustada. Esta se calcula de la siguiente manera: Prueba de falta de ajuste La falta de ajuste se presenta por la no planaridad o la curvatura de la superficie de respuest, ésta no se detecta debido a la exclusión de los términos cuadráticos (o cúbicos) o de los términos de producto cruzado que se refieren al efecto de interacción entre factores. La prueba de falta de ajuste requiere que el diseño del experimento satisfaga: 23 1. El número de los distintos puntos del diseño, n, debe exceder el número de términos en el modelo ajustado, es decir n>k+1, y 2. Al menos dos réplicas deben colectarse en uno o más puntos del diseño para estimar lavarianza del error. Además los valores del error aleatorio (Ɛu) deben asumir una distribucion normal e independiente con una varianza comun σ2. La prueba de adecuación del modelo ajustado es: La hipótesis de suficiencia de ajuste con un nivel α de significancia se rechaza cuando el valor calculado del estdistico es mayor a F(n-p, N-n, α). Cuando la F calculada no es mayor al cuadrado medio residual es utilizado para estimar σ2 y también se usa para probar la significancia del modelo ajustado. Cuando la hipótesis de suficiencia de ajuste se rechaza, se debe de elevar el grado del modelo aumentando términos de producto cruzado y/o términos de mayor grado en x1, x2,…xk. Si se requieren puntos adicionales para estimar todos coeficientes éstos se añaden. Si no se rechaza la hipótesis se puede inferir que la superficie es plana. Una vez que se tiene la ecuación y se ha probado el ajuste se buscan niveles que mejoren los valores de la respuesta (Cornell, 1990) . Alimentos para diabéticos De acuerdo con las recomendaciones de la Asociación Americana de Diabetes, la terapia nutricional es muy importante en la prevención y tratamiento de la DM2, con el objeto de controlar los niveles de glucosa en sangre, normalizar los niveles de presión arterial, evitar el aumento de peso y las complicaciones de la enfermedad. Las recomendaciones de cantidad y calidad de los hidratos de carbono (CHO) deben realizarse buscando siempre los beneficios generales del uso del índice glicémico y la carga glicémica (American Diabetes Association 2012). La alimentación programada es uno de los pilares del tratamiento de la diabetes, en cualquiera de sus formas. Sin ella, es difícil lograr un control metabólico 24 adecuado aunque se utilicen medicamentos hipoglicemiantes de alta potencia. En muchos casos, conjunto al ejercicio, constituye la única medida terapéutica. El plan de alimentación depende de la edad, género, estado nutricional, actividad física, estados fisiológicos y patológicos. En relación con la alimentación, los hidratos de carbono (CHO) son fundamentales en el control de la glicemia, ya que determinan hasta un 50% la variabilidad en la respuesta glicémica. Por tal motivo se propone la elaboración de un alimento que sea un coadyuvante en el tratamiento de de la diabetes (Wolever, 1996; Sheard, 2004). Chocolate apto para diabéticos El árbol del cacao tiene el nombre científico de Theobroma cacao, que le fue dado por Carlos Linneo, padre de la taxonomía moderna y un amante ferviente del chocolate. Theobroma significa “el alimento de los dioses”. En estado natural, el árbol del cacao se distribuye en Sudamérica y Centroamérica. Crece en regiones con climas tropicales húmedos, por lo que la franja de siembra tiene límites biogeográficos muy claros (Coe, 2000). Existen alrededor de 20 especies, aunque sólo algunas producen un fruto con el valor comercial para la fabricación del chocolate. Alrededor de los 3 años de edad, el árbol produce frutos. Éstos se conocen con el nombre de mazorcas y al interior se encuentra una pulpa dulce y blanca que envuelve a los granos del cacao. En un árbol de cacao en buen estado se pueden recolectar las mazorcas dos veces al año (Beyer, 2011). De acuerdo con datos de SAGARPA, en México hay más de 40 mil hectáreas de cacao en los estados de Tabasco y Chiapas, que producen 20 mil toneladas y podrían llegar hacia el final del sexenio hasta las 45 mil toneladas. En 2009, el gobierno federal destinó 500 millones de pesos para detonar proyectos productivos en el Trópico Húmedo (región sur del país), entre ellos el cultivo de cacao. Esta acción trataría de colocar de nuevo a la producción del cacao mexicano en el mercado internacional, ya que actualmente este rubro está 25 dominado por países como Costa de Marfil, Nigeria, Brasil, Trinidad y Tobago, y Papúa Nueva Guinea (Beyer, 2011) . Alimento nutracéutico Actualmente es casi del conocimiento general que ciertos componentes del chocolate tienen efectos benéficos que protegen al corazón: dilata las arterias musculares y evita la disfunción endotelial, modifica las propiedades de las membranas celulares y las funciones de sus receptores, impacta el ambiente óxido-reductor, e influye en la expresión de los genes y la actividad de las proteínas. Se reconoce que, en el chocolate, como en otros productos, el arsenal de compuestos químicos, como un todo, es mucho más poderoso que una desus partes (López, 2011). Antioxidante natural El chocolate tiene un alto contenido de flavonoides, algunos de ellos, las epicatequinas que dan lugar a las procianidinas. La epicatequina tiene la propiedad de inhibir de forma muy potente la oxidación de los lípidos en el plasma sanguíneo, dada su capacidad de unirse a las LDL. También se ha demostrado que las procianidinas inducen la vasodilatación dependiente de óxido nítrico, mejorando a los pacientes con hipertensión. Un consumo intenso de chocolate oscuro lleva a un aumento en la sensibilidad a insulina (disminución de la resistencia ligada a la diabetes). Se ha demostrado que las procianidinas del cacao inhiben selectivamente el crecimiento de células de cáncer de mama. En general, se estima que el chocolate oscuro contiene casi 24 mg de antioxidantes por gramo, el cacao en polvo, al ser una fuente concentrada, contiene unos 42.5 mg por g de cacao, mientras una taza de té negro de unos 180 ml, contribuye con unos 630 mg; un vaso de vino tinto de 100 ml, con 190 mg; un vaso de jugo de naranja de 240 ml con 54 mg, y una ración de unos 70 g de moras azules, con 180mg (López, 2011). 26 Fabricación de chocolate a partir del cacao Los granos del cacao pasan necesariamente por un conjunto de procesos físicos y químicos antes de dar lugar al chocolate. Se sacan los granos del fruto y junto con la cubierta mucilaginosa que los rodea, se colocan en bandejas al sol, y se inicia así la fermentación que alcanza altas temperaturas, gracias a los procesos fisicoquímicos que ocurren al interior de las almendras. Se deja que las bacterias y levaduras actúen, para obtener un grano menos astringente (aproximadamente 5 días). Terminada la fermentación se procede al secado, que puede hacerse al sol o mediante máquinas de gas, revolviendo los granos de vez en cuando. Una vez fermentadas y secas, las almendras del cacao se tuestan mediante aire caliente y vapor saturado a temperaturas que rebasan los 100º C. Entre la deshidratación y el tostado, los granos pierden su humedad, adquieren aroma. Una vez tostadas, es más sencillo quitarles la cáscara (cribado) (Martínez, 2006). Actualmente, para obtener cacao, los granos secos y cribados se trituran y se separan mediante aire a presión en grandes máquinas que cuentan con rodillos estriados, molinos de masa, molinos de disco y extrusores. El material resultante se hace pasar a altas temperaturas entre rodillos muy finos, que reducen las partículas a menos de un milímetro. Un proceso de filtración separa al material cremoso del resto. Por otra parte, los granos molidos dan lugar a una “torta” sólida, que es la materia prima del chocolate, llamada pasta o licor de cacao. Esta pasta puede pulverizarse para obtener la cocoa, o moldearse en forma de ladrillos para la venta a industrias chocolateras y repostería. Tanto el licor como la manteca del cacao son utilizados en buen porcentaje para la elaboración de chocolates finos (Martínez, 2006; Coe, 2000; Álvarez, 2006). Composición de la manteca de cacao Su composición es 98 % de triglicéridos, 1 % de ácidos grasos libres, 0,3-0,5 % de diglicéridos y 0,1 % de monoglicéridos. También contiene alrededor de 0,2 % de esteroles y 150 a 350 ppm de tocoferoles (principalmente c-tocoferol). El contenido de fosfolípidos varía de 0,05 a 0,13 %. Una amplia gama de compuestos volátiles 27 tales como piracinas, tiazoles, piridinas y ácidos grasos de cadena corta, son los responsables de su aroma. Los ácidos grasos dominantes en la composición de la manteca de cacao son el palmítico (C16, P) 24,4 – 26,7%; el esteárico (C18; St) 34,4 – 35,4%, el oleico (18:1; O) 37,7 – 38,1% y el linoleico (C18:2, L) en baja proporción 2,1%. La mayor parte de los triglicéridos (77%) están compuestos por ácido oleico (cis) en la posición media del glicerol, con los dos ácidos saturados en las dos posiciones restantes formando alternativamente tres triglicéridos simétricos POP, POSt, StOSt. Sólo el 2% de los triglicéridos están completamente saturados. El ácido oleico forma un ángulo en el doble enlace, mientras que el palmítico y el esteárico se mantienen rectos. Estos factores geométricos hacen que los triglicéridos cristalicen en una cadena triple (Beckett, 1988). Importancia del proceso de temperado El temperado es el proceso donde se somete al chocolate a cambios de temperaturas definidos a fin de provocar la cristalización de la materia grasa (la manteca de cacao) y así lograr la textura deseada. La manteca de cacao posee diferentes cristales: unos inestables que funden aproximadamente entre 17 ºC y 28 ºC; otro, estable que funde a 33-35 ºC y otro a los 45-46 ºC (Cuadro 4). La finalidad del templado es lograr la mezcla íntima de los cristales de la manteca de cacao, es decir, la completa homogeneización que se traduce en fácil desmolde, brillo, buena textura y durabilidad de la pieza terminada. (Beckett, 1988). Cuadro 4. Curva del temperado para distintos tipos de chocolate. (MINEC, 2013) Producto 1° Etapa: Fundición 2° Etapa: Descenso 3° Etapa: Remonte Chocolate semiamargo 42°-44°C 28°-29°C 31°-33°C Chocolate con leche 42°-44°C 26°-27°C 28°-30°C Chocolate blanco 38°-40°C 24°-25°C 28°-29°C La calidad de los productos de chocolate depende no sólo de la composición del chocolate y de la elaboración de las materias primas, sino también; del tratamiento que se le dé a la masa conchada del chocolate. (MINEC, 2013) 28 Propiedades físico-químicas que influyen en la elaboración del chocolate Dada la composición relativamente homogénea de los triglicéridos, la manteca cristaliza en una estructura altamente ordenada. Esta característica es la responsable de su dureza y comportamiento durante la fusión. Mediante difracción de rayos X, fueron aisladas cuatro formas de cristalización principales (identificadas como γ, α, β y β’). Cada una de las diferentes formas de cristalización presenta puntos de fusión y calores latentes significativamente diferentes entre sí, siendo las formas γ, α y β’ termodinámicamente inestables, frente a la forma estable β. El objetivo del temperado es producir el mayor número posible de núcleos de cristalización β. En el siguiente cuadro se mencionan las características de las formas cristalinas, según varios autores (Codini, 2004). Cuadro 5. Cristalización polimorfa de la manteca de cacao. El procesamiento del chocolate debe entonces adaptarse a este polimorfismo de la manteca, y obtener un tipo de cristal estable denominado β (V), en el que se alcanza una distribución óptima de los cristales que produce un chocolate con brillo, estabilidad y dureza adecuada. Si esta operación se omite o se realiza incorrectamente, la vida útil del chocolate es de algunos meses, luego de los cuales se puede apreciar la aparición de manchas sobre la superficie del mismo, fenómeno conocido como 'fat bloom', originado en la migración de la grasa desde el interior del producto a la superficie. Las precauciones para evitar el fat bloom son: asegurar una fusión total de todos los cristales antes del temperado; utilizar las temperaturas adecuadas en relación a la formulación, mezcla homogénea; evitar el enfriamiento al inicio (no menos de 10º C), mantener la humedad relativa 29 a 65%, moldes a una temperatura de 20º a 28º C, temperatura de almacén entre 18º a 22º C (Codini, 2004). Inulina de agave El agave es una fuente importante de fructanos, que son polímeros de unidades de fructosa que generalmente tienen una unidad de glucosa terminal o interna. Uno de los fructanos más estudiados es la inulina de achicoria (Chicorium intybus), la cual ha sido utilizada como aditivo en los alimentos (en la elaboración de yogurt, pastas y helados), por su capacidad para formar emulsiones y geles en presencia de agua, proporcionando una textura similar a la queproducen las grasas, pero con menor valor calórico. (López et al, 2003) El grado de polimerizacion de la inulina se encuentra en un intervalo de 2 a 60 unidades. Las fracciones de inulina de bajo peso molecular (GP 2-20) se conocen cono fructooligosacaridos (Handa et al, 2012). El uso de los fructanos como ingrediente alimentario se ha incrementado debido a sus beneficios como prebiótico natural, fibra dietética, así como por sus funciones tecnológicas (estabilizante, edulcorante, gelificante, entre otros). La inulina y los fructooligosacaridos (FOS) han sido clasificados como ingredientes funcionales, y también han recibido la aprobación de aditivos generalmente reconocidos como seguros (GRAS) por la FDA. (Espinoza y Urias, 2012) Debido a la configuracion tipo β de los enclaces entre monómeros de fructosa (Figura 9), los fructanos del tipo inulina pueden resistir la hidrólisis enzimática por las enzimas digestivas del hombre, razón por la cual permanecen intactos al pasar por el tracto gastrointestinal, hasta llegar a ser hidrolizados y fermentados por las bacterias presentes en el colon, comportándose así como fibra dietética (Madrigal y Sangoris, 2007) Figura 4. Estructura química de la inulina (Ritsema, 2003) 30 METODOLOGÍA En la siguiente figura se muestra la metodología para el desarrrollo de la invesigación. Figura 5. Metodología experimental para la extracción, cuantificación y aplicación de los principales glucósidos de la Stevia rebaudiana. 31 Obtención de la materia prima y molienda Se utilizaron hojas de Stevia (Stevia rebaudiana Bertoni, variedad Morita II) las cuales fueron proporcionadas por el Campo Experimental del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), ubicado en el municipio de Mocochá, Yucatán, México. Las hojas S. rebaudiana obtenidas de cada variedad fueron secadas a la sombra y pulverizadas en molino dentado Thomas Wiley Model 4 (Thomas Scientific, NJ, E.E.U.U), hasta obtener una harina que se pasó por malla 60 (1 mm) y protegidas de la luz para su uso posterior. Extracción de los principales glucósidos de Stevia rebaudiana Bertoni. La extracción con FSC y agua caliente presurizada se realizó en el Laboratorio de Ingeniería Química, ubicado el el campus de la Facultad de Ingeniería Química de la UADY a cargo del Dr. Rocha Uribe José A. Se utilizó un equipo de extracción supercritica modelo SFT-150 SFE/SFR System (Supercritical Fluid Extraction/Reaction) para la metodología FSC, del cual se presenta una imagen del mismo (Figura 6), así como una descripción del sistema operativo. Figura 6. Equipo empleado para la extracción supercrítica. 32 El SFT-150 system es un instrumento plenamente capaz para realizar extracciones por medio de fluidos supercríticos. La introducción a los fluidos supercríticos ofrece la flexibilidad y características de seguridad que a menudo sólo se encuentran en sistemas de extracción de mayor precio. El diseño modular de la SFT-150 hace que sea fácil y rentable para alterar las unidades configuración básica adaptándolo para satisfacer nuevas o cambiantes necesidades de aplicación. El SFT-150 tiene varios mecanismos de control integrado que permite al usuario realizar una amplia variedad de tareas. Estos incluyen la posibilidad de ajustar manualmente algunos parámetros físicos. Por ejemplo: temperatura, presión, etc. El corazón del SFT-150 system es un recipiente de acero inoxidable capaz de contener fluidos supercríticos a presiones de hasta 10.000 psi. (68,9 MPa). El SFT-150 incorpora una bomba de alto rendimiento accionada por aire, lo cual puede producir rápidamente altas presiones necesarias para el trabajo con fluidos supercríticos, además tiene ciertos bloqueos para proporcionar las precauciones de seguridad, evitando el exceso de temperatura o condiciones de presión excesiva. La válvula restrictiva (regulador de contrapresión) proporciona un control preciso sobre los flujos, lo cual es esencial en la obtención de resultados altamente reproducibles. El flujo puede variar de 1 a 330 ml/min (1 a 310 gramos/min) de CO2 líquido en condiciones normales de funcionamiento. Aunque que el dióxido de carbono es el más comúnmente utilizado, el SFT-150 permite al usuario la flexibilidad para trabajar con una gran variedad de fluidos supercríticos. El SFT-150 SFE/SFR system controla la presurización mediante un regulador de aire que regula la cantidad de aire suministrada a la bomba. Además, un módulo de adición de cosolvente puede ser configurado en el SFT-150, el cual es controlado manualmente. 33 Diseño experimental para la extracción de glucósidos de Stevia rebaudiana El diseño experimental se basó en la metodología de superficie de respuesta (RSM), la cual consiste en un conjunto de técnicas matemáticas y estadísticas utilizadas para modelar y analizar problemas en los que una variable de interés está influenciada por otras. El objetivo principal fue identificar las condiciones de rendimiento más alto en cuanto a cantidades de extractos obtenidos con la posibilidad de revelar una gran cantidad de información a partir de un pequeño número de experimentos. Las variables de interés fueron la temperatura, presión, el tiempo de extracción, la presencia o ausencia, de un cosolvente (mezcla agua- etanol en una concentración 70:30 v/v), este último con variaciones de volumen incorporado para observar el efecto que genera sobre el rendimiento y por último, el uso de diferentes cantidades de estevia para conocer el efecto de la masa de muestra en la obtención de glucósidos. (Montgomery, D. 1991; Erkucuk, A. et al., 2009). En un primer ensayo experimental, se utilizó un diseño factorial 23 con 5 puntos centrales lo cual dio como resultado trece corridas, esto con el fin de conocer los factores que afectaron el rendimiento, además de identificar la cantidad de glucósidos extraídos sin el uso de un cosolvente. Se realizó un análisis estadístico (ANOVA multifactorial), donde las 5 repeticiones en el punto central del diseño experimental tienen el objetivo de estimar la magnitud del error experimental, y tener un mejor estimador (Cuadro 6). Una vez obtenidos los resultados del diseño anterior se observaron los factores que afectaron el rendimiento de extracción, la presión tuvo un efecto significativo (α= 95%), de tal manera que se planteó un nuevo diseño factorial 22 teniendo como factores la presión y la adición de un cosolvente en distintas concentraciones. El diseño con 4 puntos centrales da como resultado un total de ocho corridas. Ésta metodología permite conocer los factores que afectan el rendimiento y la cantidad de glucósidos extraídos con el uso de un cosolvente. Así mismo se realizó un análisis estadístico (ANOVA multifactorial) con 3 grados de libertad para estimar el error (Cuadro 7). 34 En el siguiente cuadro se muestran las condiciones establecidas para la primera extracción de los glucósidos de la Stevia rebaudiana B. con CO2 supercrítico sin cosolvente. Cuadro 6. Factores y niveles del diseño experimental para la extracción con fluidos supercríticos (CO2). Corrida Presión (bar) Tiempo (min) Temperatura (°C) 1 200 30 40 2 200 60 40 3 400 30 40 4 400 60 40 5 200 30 90 6 200 60 90 7 400 30 90 8 400 60 90 9 300 45 65 10 300 45 65 11 300 45 65 12 300 45 65 13 300 45 65 La condición constante fue: Tamaño de muestra 25 g. En el siguiente cuadro se aprecian las condiciones establecidas para la extracción de los glucósidos de la Stevia rebaudiana B. con CO2 supercrítico con la adición de cosolvente al sistema. Cuadro 7. Factores y niveles del diseño experimental para la extracción con fluidos supercríticos (CO2), y con la adición de un cosolvente al sistema (mezcla etanol-agua). Tratamiento Presión(Bar) Cosolvente* (%) 1 200 10 2 200 20 3 400 10 4 400 20 5 300 15 6 300 15 7 300 15 8 300 15 35 *Nota: El % de cosolvente incorporado al sistema depende de la cantidad de CO2 suministrada. Las condiciones constantes fueron: tamaño de muestra: 25 g de Stevia rebaudiana B. Temperatura 75°C. Tiempo de corrida 45 min. Por último, se realizó una extracción con la metodología de agua caliente presurizada, para este experimento se utilizó un diseño factorial 23, teniendo como factores la temperatura, el tiempo de extracción y la variación de la concentración de Stevia rebaudiana Bertoni, el diseño con 5 puntos centrales resulta en un total de trece corridas, esto con el fin de conocer los factores que afectan el rendimiento, además de conocer la cantidad de glucósidos extraídos mediante esta metodología. Se realizó un análisis estadístico (ANOVA multifactorial) con 5 repeticiones permite calcular la magnitud del error experimental, y tener un mejor estimador (Cuadro 8). En el siguiente cuadro se muestran las condiciones establecidas para la extracción de los glucósidos de la Stevia rebaudiana B. con agua caliente presurizada. Cuadro 8. Factores y niveles del diseño experimental para la extracción con agua caliente presurizada. Tratamiento Temperatura (°C) Tiempo (min) Relación Estevia agua (m/v) 1 100 30 10g/200mL 2 100 30 20g/200mL 3 100 90 10g/200mL 4 100 90 20g/200mL 5 150 30 10g/200mL 6 150 30 20g/200mL 7 150 90 10g/200mL 8 150 90 20g/200mL 9 125 60 15g/200mL 10 125 60 15g/200mL 11 125 60 15g/200mL 12 125 60 15g/200mL 13 125 60 15g/200mL La condición constante fue: Presión: 300 bar 36 Cuantificación por HPLC de los glucósidos edulcorantes Se realizó la metodología recomendada por JECFA. Se elaboró una curva patrón para cada glucósido con 5 concentraciones (10, 20, 30, 40, 50 μg/mL) del estándar rebaudiósido A (Sigma 01432), (20, 40, 60, 80, 100 μg/mL) para rebaudiósido A (Sigma 01432) y (20, 40, 60, 80, 100 μg/mL) del estándar esteviósido (Sigma S3572), los cuales se suspendieron en agua grado HPLC, filtraron con membrana de 0.45 μm y se congelaron a -20 ºC hasta su uso. Las condiciones cromatográficas fueron las que se describen a continuación: se utilizó un equipo Agilent serie 100 con una columna Luna 5μ C18 100A (Phenomenex) de 250 mm de longitud, diámetro interno de 4.6 mm y tamaño de partícula de 5μm, la fase móvil fue una mezcla 32:68 (v/v) de acetonitrilo y solución amortiguadora de sodio fosfato 10 mmol/L (pH 2.6), con un flujo isocrático de 1 mL/min y detector UV a 210 nm. Los resultados cromatográficos se analizaron con el programa Clarity versión 2.7.3.498 (2000-2009) (Montgomery, 1991; Erkucuk et. al., 2009; JECFA, 2010). El equipo HPLC empleado en el desarrollo experimental se muestra en la Figura 7. Figura 7. Equipo para la Cuantificación HPLC. 37 La cuantificación por HPLC se llevó a cabo en el Laboratorio de Ciencias de Alimentos ubicado el el campus de la Facultad de Ingeniería Química de la UADY a cargo de la Dra. Campos Segura Mayra R. Se analizaron los extractos de S. rebaudiana Bertoni variedad Morita II para cuantificar los glucósidos derivados de esteviol. Cada muestra se analizó por triplicado y se determinó la concentración a través de la ecuación de la recta de regresión lineal construida con los estándares. Se realizó un análisis estadístico de las muestras donde se obtuvieron resultados con un coeficiente de variación menor o igual al 5%, por lo que estadísticamente estos datos se consideran aceptables y precisos (DANE, 2008). Así mismo con estos datos se realizó un análisis estadístico para determinar las condiciones en las cuales se obtuvo la mayor cantidad de glucósidos de la Stevia rebaudiana B., y se concluyó sobre las posibles causas y los factores que influyen en la obtención de estos edulcorantes. Desarrollo de un alimento apto para el consumo de Diabéticos Descripción del producto Producto elaborado a base de una mezcla de cocoa en polvo, manteca de cacao e inulina, endulzado con glucósidos de esteviol, apto para el consumo de personas con diabetes y público en general. Contiene fibra, reducido en calorías, sin azúcares añadidos, listo para consumo. Se realizó un chocolate amargo de acuerdo con la NOM-186-SSA1/SCFI-2002 del cual se describe en el Cuadro 9 su composición promedio. Elaboración de la fórmula de chocolate amargo con fibra sin azúcares añadidos y endulzado con estevia La NOM-186-SSA1/SCFI-2002 indica una cantidad mínima de 22.0% de manteca de cacao y 18.0% de cocoa desengrasada para la denominación de chocolate amargo, de tal manera que al utilizar la cantidad de manteca de cacao de 37.1% 38 supera este límite mínimo. Por otro lado se uso 24% de cocoa con 10% de grasa, eliminando la grasa tenemos un porcentaje de 21.6% de cocoa desengrasadacon lo cual cumple con la norma. Por otro lado, la NOM-086-SSA1-1994 especifica que los productos adicionados de fibra: son aquellos en los que el contenido de fibra es igual o mayor de 2.5 g/porción en relación al contenido del alimento original o de su similar, el producto con 4 g fibra (inulina)/20 g chocolate supera este límite minimo por lo cual es prudente esta denominación. Cuadro 9. Formulación base para la elaboración de un chocolate con fibra sin azúcar añadida. Proceso de elaboración del chocolate Mezclado Una vez que se adquirieron los ingredientes se procedió al desarrollo del chocolate. El mezclado se dividió en 2 partes. 1. Se colocó la inulina y el extracto de Stevia rebaudiana B liofilizado en un recipiente metálico, se agregó el agua, la vainilla y el sorbitol, se agitó a velocidad media con ayuda de un agitador con veleta hasta su completa disolución. 2. Se depositó la cantidad de manteca de cacao a utilizar en el recipiente metálico y se comenzó el calentamiento a baño María, con agitación media y constante para fundir la grasa. La temperatura no debe exceder los 45- 48°C y se debe mantener la mezcla fluida. Por último, se adicionó la cocoa Componente Cantidad (%) Manteca de cacao 37.10 Cocoa en polvo 24.06 Inulina 20.00 Sorbitol 8.10 Agua 5.70 Vainilla 3.60 Lecitina 0.92 Estevia 0.47 Goma arábiga 0.05 Total 100.00 39 en polvo mientras la agitación se disminuía un poco para evitar proyecciones o salpicaduras. Agitación con calentamiento y Homogeneización Al no contar con un equipo adecuado para conchar el chocolate, se procedió a realizar una agitación hasta que la mezcla fuera homogénea y sin presencia de partículas o grumos (aproximadamente 30 min). De igual manera, la temperatura no debe exceder los 45-48°C para mantener la mezcla fluida. Este es un proceso necesario debido a que gran parte de la calidad del producto final depende de esta operación. Temperado Se calentó el agua a una temperatura mayor que 80 ºC sin que hierva. 1º Etapa de calentamiento/fundición: Se colocó el recipiente con el chocolate sobre el Baño María mezclando continuamente hasta que el chocolate alcance la temperatura (46-48°C) y quitar del Baño María. Nota: no apoyar el recipiente con chocolate fundido sobre una superficie fría para evitar un shock térmico. 2º Etapa de descenso de temperatura: Baño María Invertido: se colocó el recipiente con el chocolate sobre un recipiente con agua fría y hielo (agregar poca cantidad) revolviendo continuamente hasta que el chocolate alcance la temperatura (26-28°C). 3º Etapa de remonte o alcance de temperatura de templado. Se calienta el agua del Baño María nuevamente y se coloca el recipiente con el chocolate sobre el mismo, revolviendo continuamente hasta que el chocolate alcance la temperatura (31-33°C). Se retira del Baño María. Nota: En todo el proceso se debe utilizar un termómetro para medir la temperatura.
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