Desarrollo de microencapsulados enriquecidos en carotenoides a partir de residuos de frutas tropicales para uso como colorantes naturales en alimentos

Abstract

Con el fin de desarrollar un prototipo de colorante natural, en este trabajo de tesis se seleccionaron las cáscaras de mango (Mangifera indica) y de banano (Musa paradisiaca), y la pulpa de tomate de árbol amarillo (Solanum betaceum Cav. variedad amarilla), como materias primas para el desarrollo de 8 microencapsulados (M1-M8) a través del método de secado por aspersión con aire caliente (spray-drying). Las ocho muestras se obtuvieron del procesamiento a dos temperaturas (130ºC y 180ºC) y con 4 composiciones de la mezcla de alimentación, empleando en todos los casos maltodextrina como agente encapsulante. Se realizó una caracterización fisicoquímica de las materias primas y de los microencapsulados midiendo: pH, sólidos solubles (ºBrix), Aw, contenido de humedad, determinación del color en parámetros CIELAB (L*, a* y b*), digestibilidad in vitro, fibra dietaria (FDT, FDN y FDA), contenido de cenizas y de minerales (Mn, K, Na, Mg, Ca, P, Zn, C, Cb y Fe). Los análisis térmicos determinaron que las materias primas y los microencapsulados son estables hasta los 150ºC. El análisis de la morfología mediante SEM, mostró que las materias primas exhibieron formas irregulares y fibrosas, mientras que los microencapsulados presentaron una microestructura más regular y esférica, confirmando así el éxito del proceso de microencapsulación. El análisis del aroma realizado mediante la técnica SAFE (para el tomate de árbol amarillo) y HS-SPME acoplada a GC-O y GC-MS (para las cáscaras de mango y banano, y los microencapsulados), permitió la identificación de los compuestos activos del aroma en las materias primas y en los microencapsulados. En el caso del tomate de árbol amarillo se identificaron el (Z)-3-hexenal, el hexanal y el butanoato de etilo como compuestos impactos del aroma de esta fruta. En la cáscara de mango el hexanol y terpenos como b-mirceno, limoneno, a-terpineno y a-terpinoleno fueron activos olfativamente; en contraste, en la cáscara de banano fueron relevantes los ésteres alifáticos y también el limoneno. Es importante resaltar que en los microencapsulados no se detectó la presencia de “off-flavors”. El análisis cuantitativo y cualitativo de los pigmentos (carotenoides) tanto en las materias primas como en los microencapsulados, mostró que la temperatura de secado afecta significativamente el contenido de estos compuestos. El análisis del contenido de carotenoides por HPLC/DAD-APCI/MS, permitió la identificación de los compuestos por comparación de sus tiempos de retención, espectros de absorbancia UV-Vis y espectros de masas (MS) con compuestos de referencia. Los compuestos mayoritarios en las muestras fueron el b-caroteno, la zeaxantina, la luteína y los ésteres de la b-criptoxantina. En el tomate de árbol amarillo, se identificaron y cuantificaron 7 carotenoides con una concentración total de 6,7 mg b-caroteno/100 g. La luteína fue detectada como el único carotenoide en la cáscara de banano con una concentración de 1,6 mg b-caroteno/100 g. En la cáscara de mango se identificaron y cuantificaron 4 carotenoides con una concentración total de 4,9 mg b-caroteno/100 g. Los microencapsulados, las muestras M2 y M4 (secadas a 130ºC), exhibieron los valores más altos del contenido de carotenoides con 3,5 y 2,0 mg b-caroteno/100 g de muestra, respectivamente. En los ensayos de estabilidad de las muestras M2 y M4, se encontró que el aumento de la humedad de almacenamiento afectó considerablemente la estructura de los microencapsulados (fluidez), y su contenido de carotenoides. Durante su almacenamiento, el tiempo de vida media para estos microencapsulados fue mayor a 20 días en oscuridad, a una temperatura de 18ºC y 57% de humedad relativa. Así se lograron desarrollar dos prototipos de ingredientes para la industria alimenticia a partir de subproductos del procesamiento (secado) de frutas.

Abstract: In order to develop a natural pigment, in this work the mango (Mangifera indica) and the banana peels (Musa paradisiaca), and yellow tree tomato pulp (Solanum betaceum Cav., yellow variety) were selected as raw materials to obtain 8 microencapsulates (M1-M8) by spray-drying. The eight samples were obtained by the processing at two temperatures (130°C and 180°C) and at 4 feed mixture compositions, by using maltodextrin as the encapsulating agent, in all cases. A physicochemical characterization of the raw materials as well as the microencapsulates was performed by measuring: pH, soluble solids (ºBrix), Aw, moisture content, CIELAB (L*, a* and b*) parameters, in vitro digestibility, ash content and mineral content (Mn, K, Na, Mg, Ca, P, Zn, C, Cb and Fe), and dietary fiber (FDT, NDF and FDA). Thermal analyses allowed to conclude that the raw materials and microencapsules were stable up to 150°C. The morphology analysis performed by SEM, showed that the raw materials exhibited an irregular and fibrous shape, while the microencapsulates showed a regular and spherical microstructure, such confirming the success of microencapsulation process. The flavor analyses performed by SAFE technique (for yellow tree tomato) and HS-SPME coupled to GC-O and GC-MS (for mango and banana peels and the microencapsulates), allowed the identification of the odor-active compounds for the raw materials, and the microencapsulates. In the case of yellow tree tomato, (Z)-3-hexenal, hexanal and ethyl butanoate were identified as key aroma compounds. The volatile compounds, hexanol and the terpenes such as ß-myrcene, limonene, ß-terpinene and ß-terpinolene were relevant in the mango peelings aroma; in contrast, aliphatic esters and limonene were odor-active compounds in banana peeling aroma. It is important to note that there were not detected any presence of off-flavors and the aroma compounds from mango peelings were the most relevant in the microencapsulates. The qualitative and quantitative analyses of the pigments (carotenoids) in the raw materials and microencapsulates showed that the drying temperature significantly affected their carotenoid content. During HPLC/DAD-APCI/MS analyses, the identification was performed by comparison of retention times, UV-Vis absorbance spectra and mass spectra (MS) of with reference compounds. The major compounds in the samples were ß-carotene, zeaxanthin, lutein, and ß-cryptoxanthin esters. Seven carotenoids were identified and quantified in the yellow tree tomato with 6,7 mg ß- carotene/100 g total concentration. Lutein was the only carotenoid detected in banana peel with a concentration of 1,6 mg carotene/100 g. In mango peel, 4 carotenoids were quantified with 4,9 mg ß-carotene/100 g total concentration. Among the microencapsulates, M2 and M4 samples (dried at 130°C) exhibited the highest values for carotenoid content with 3,5 and 2,0 mg carotene/100 g sample, respectively. During the stability test of M2 and M4 samples, the microencapsulate structure (fluidity) and the carotenoids content were significantly affected by the increase of moisture content during their storage. The half-life time for these microencapsulates was more than 20 days with the darkness, at 18ºC and 57% of relative humidity as storage conditions. In this way, the development of two prototypes of ingredients for the food industry was achieved from fruit’s processing (drying) byproducts