1 EFECTOS DE LAS CONDICIONES DE EXTRACCIÓN SOBRE LAS PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS DE LA PECTINA OBTENIDA A PARTIR DE MANGO MAYAGÜEZANO (Mangifera indica L.) Pamela Cadavid Diago Facultad de Ciencias Agrícolas Programa de Ciencia y Tecnología de Alimentos Universidad De Puerto Rico – Recinto Universitario Mayagüez
2 “There is nothing like looking, if you want to find something “There is nothing like looking, if you want to find something. You certainly usually find something, if you look, but it is not always quite the something you were after.” J.R.R. Tolkien “The Lord Of the Rings”
3 Introducción Objetivos Mango Mayagüezano Pectina Materiales y Métodos Resultados Análisis proximal Rendimiento del proceso de pre tratamiento Rendimiento del proceso de extracción Grado de esterificación Capacidad de gelificacion y características de textura FTIR Propiedades Texturales a diferentes concentraciones Conclusiones Recomendaciones
4 CONSUMO FRUTAS EXOTICASPropiedades nutricionales y terapeúticas (Ayala Zavala et al., 2011) Desechos poscosecha y subproductos del Uso Industrial INDUSTRIA DE ALIMENTOS Búsqueda constante de nuevas fuentes de materia prima Aprovechamiento total de los recursos naturales (Nuevas fuentes de obtención o utilización de subproductos) PECTINA Hidrocoloide naturalmente presente en células vegetales Agente gelificante, espesante, texturizante, emulsificante y estabilizante. Obtenido Industrialmente de cáscara de cítricos y bagazo de manzana (rendimientos del 15 y 30% respectivamente) (Endress & Mattes, 2009)
5 MANGO Mango → fruta tropical de alto consumo.Mango maduro → β – caroteno, Vitamina C, Vitamina B1 y B2, y Vitamina A, tiamina, niacina, calcio, fósforo, hierro, y es una excelente fuente de potasio. Tiene un alto contenido de fibra(40% DV), es bajo en grasa y sodio. Contenido calórico debido a sus azucares, fuente rápida de energía. (Anon, 1984) Según Pronósticos (FAO, 2004), en el 2010 la producción mundial de mango alcanzó los 30.7 millones de toneladas, equivalentes a cerca del 50 por ciento de la producción mundial de frutas tropicales. Alrededor del 77% de la producción mundial de mango se produce en Asia y el Pacífico, 13% en América Latina y el Caribe y un 9% en África.
6 MANGO MAYAGÜEZANO Arocho (2002)Sein (1935): “mango de tamaño mediano ( g), de colores llamativos y muy fibroso” No procesado industrialmente → consumo local Susceptible a Antracnosis (hongo Colletotrichum gloesporioides). Síntomas aparecen luego de madurar.
7 OBJETIVO: Estudiar el efecto que ejercen las condiciones de extracción (pH de la solución extractora, temperatura, tiempo de extracción, y fracción seleccionada – pulpa o cáscara) sobre las características fisicoquímicas de la pectina contenida en la cáscara y la pulpa del mango mayagüezano (Mangifera indica L.) Rendimiento del proceso de pre-tratamiento y extracción de pectinas a partir de cáscara y pulpa Características de la pectina obtenida (Grado de Esterificación, grado de gelificación) Propiedades texturales de las geles de las pectinas obtenidas (Fuerza de Ruptura y Elasticidad) Detección e identificación de grupos carboxilos libres y esterificados en las pectinas obtenidas mediante Espectroscopía de Infrarrojo con transformadas de Fourier (FTIR)
8 PECTINA Hidrocoloide natural presente en pared celular vegetalFibra dietaria soluble en frutas Heteropolisacárido de alto peso molecular Importancia: capacidad de formar geles capaz de atrapar agua en su estructura a bajo pH o en presencia de cationes divalentes sin disolverse en el agua
9
10 PECTINA Método Comercial Método Enzimático HIDROLISIS ACIDACáscaras (cítricos) y puré de manzana pH ( ), T (60-100˚C), t (0-360 min) Acidos minerales (HCl, HNO3) Pectinas de alto peso molecular Rendimientos altos (17-20%) Diferentes tipos de pectinas Método Comercial Método Enzimático PECTINA Enzimas celulasas/hemi-celulasas ‘Green labelled o bio-pectinas’ Bajo peso molecular (~ Dalton) Actividad biológica y aplicaciones médicas Bajo rendimiento Poca capacidad de gelificación
11 Caracterización de la PectinaRENDIMIENTO (%): Factibilidad del proceso. GRADO DE ESTERIFICACIÓN (GE): porcentaje (%) de grupos carboxilos esterificados por cantidad total de grupos carboxilos de la pectina. Permite determinar la capacidad de gelificación de la pectina y su aplicación. GRADO DE GELIFICACION (SAG): capacidad de formar geles. Cantidad de azúcar (g) con la cual un gramo de pectina forma un gel de firmeza estándar, bajo condiciones controladas de acidez y sólidos solubles (pH 3.0 y 65 °Brix).
12 Pectina con alto Indice MetóxiloPectina con bajo Indice Metóxilo Pectina Amidadas con bajo Indice Metóxilo OBIPEKTIN, 2010
13 Uso (Phillips, 2000)
14 Pre-tratamiento (RIA) Extracción Ácida CaracterizaciónMETODOLOGÍA Pre-tratamiento (RIA) Extracción Ácida Caracterización
15 PRETRATAMIENTO: RESIDUOS INSOLUBLES EN ALCOHOL (RIA)
16 EXTRACCIÓN ACIDA
17 EXTRACCIÓN ACIDA FACTORES NIVEL MINIMO NIVEL MÁXIMO A: Temperatura, °C80 90 B: Tiempo de extracción, min 45 C: pH 1.5 3 D: Fracción de la Fruta Cáscara Pulpa Koubala, 2008
18 GRADO DE ESTERIFICACIÓNCaracterización RENDIMIENTO GRADO DE ESTERIFICACIÓN (TITULACIÓN) (Bochek et al., 2001)
19 GRADO DE GELIFICACIÓN (SAG)(IFT, 1959) - Fuerza: 19.5 a 27.0% sag - pH: 2.2 a 2.4 - Sólidos: 64.5 a 65.5% Consistencia Consistómetro de Bostwick
20 Fuerza de Ruptura y ElasticidadTexturómetro TX Analyzer Plus
21 FTIR Espectro de Infrarrojo con Transformadas de Fourier(a) Alto grado de esterificación (DE=71.13%), (b) Bajo grado de esterificación (DE=24.27). (Liu et al., 2010)
22 ANÁLISIS DE RESULTADOSRendimiento Grado de Esterificación Capacidad de Gelificación FTIR
23 Análisis Proximal del Mango MayagüezanoPULPA CÁSCARA Humedad, % 77.72±0.06 72.57±0.08 Ceniza, % 2.12±0.01 2.85±0.01 Proteína, % Base seca 1.98±0.11 3.21±0.13 Grasa, % base seca 1.44±0.21 2.42±0.17 Fibra, % Base Seca 4.57±0.01 12.16±0.01 Carbohidratos, por diferencia 12.17±0.24 6.79±0.23 % proteína, humedad y grasa → similares en cáscara y pulpa, % fibra → cáscara > pulpa. % proteína en la cáscara equivalente a lo reportado en la literatura, con ligeras diferencias debidas al tipo de variedad utilizada. (Ashifat, Omotubga, Kehinde, Olayinka, & Edugbola, 2012; Ashoush & Gadallah, 2011)
24 Proceso de Extracción Corrida Temperatura (°C) Tiempo (min) pH Sección Fruta % Rendimiento, (g/ g RIA) 1 80 45 1.5 Cáscara 2 3 Pulpa 90 4 7.4569 5 6 7 8 9 10 9.2389 11 12 13 14 15 16 Koubala et al., (2008) obtuvo rendimientos de 10.1% y 15.3% (g pectina/g de material seco), para las variedades Amelioreé y mango, respetivamente, bajo condiciones de extracción (HCl pH 1.5, 85°C, 1 hora). Kratchanova et al., (1991) : usando HCl a pH 1.5, 85°C y 30 min. Encontró un efecto positivo en el rendimiento y en el grado de esterificación obtenida, tanto de cáscaras como de pulpas de ambas variedades tratadas con etanol, la desactivación de pectinesterasas.
25 Análisis Estadístico: Rendimiento
26 Sudhakar & Maini, (2000): Mango Totapuri - HCL 0. 05N (pH 1Sudhakar & Maini, (2000): Mango Totapuri - HCL 0.05N (pH 1.3), 1 hora, 100 ºC El rendimiento está afectado por el pH de la solución extractora; aumenta con la disminución del pH. - El rendimiento es directamente proporcional al tiempo de extracción (30 y 60 min), y no aumentó significativamente luego de 1 hora de extracción.
27 Prueba Tukey para el RendimientoTratamientos Media Temperatura 90 °C 21.8a 80 °C 16.4b Tiempo 90 min 20.1a 45 min 18.1a pH 1.5 25.3 a 3 12.9b Sección fruta Pulpa 22.2a Cáscara 16.0b
28 Grado de EsterificaciónCorrida Temperatura (°C) Tiempo (min) pH Sección Fruta % Grado de Esterificación 1 80 45 1.5 cáscara 2 3 pulpa 90 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
29 Análisis estadístico para el Grado de Esterificación
30 Srirangarajan et al., (1977) reportó grados de esterificación de 61% para cáscara de mango- Kratchanova (1991) 77.2 % y 76.2 % para la pulpa y cáscara de mango variedad Ceni, 62.3% y 77.9% para la variedad Springfield. - Koubala et al., (2008): cáscaras de mango variedades Amélioréé y Mango, usando HCl pH1.5 como solución extractora, obteniendo valores de grado de esterificación de 57% para Amélioréé y 52% para Mango, ambas pectinas de alto metóxilo.
31 Prueba de Tukey para el Grado de EsterificaciónTratamientos Media Temperatura 90 °C 82.5a 80 °C 81.3a Tiempo 90 min 82.8a 45 min 81.1b pH 1.5 93.6 a 3 70.3b Sección fruta Pulpa 84.8a Cáscara 79.0b
32 Capacidad de GelificaciónRigelómetro Sección de la Fruta Temperatura (ºC) Tiempo de Extracción (min) pH ºSAG Cáscara 80 45 1.5 83.78 3.0 * 90 117.90 119.08 96.07 Pulpa 77.00 98.80 112.01 67.08 *Condición no pudo ser evaluada porque la muestra estaba muy líquida o no mantenía la estructura.
33 Tiempo de Extracción (min)Consistómetro Sección de la Fruta Temperatura (ºC) Tiempo de Extracción (min) pH Desplazamiento (cm/seg) Cáscara 80 45 1.5 * 3.0 0.2750 90 0.3250 0.3750 0.4583 Pulpa 0.7333 0.5833 0.3917 *Condición no pudo ser evaluada porque la muestra estaba muy sólida.
34 CAPACIDAD DE GELIFICACION Y PROPIEDADES TEXTURALESLa cantidad de pectina extraída y disponible para el estudio, y cantidad de datos, son limitados, y las conclusiones podrían estar viciadas, por ende, los hallazgos se expresarán como posibles tendencias que habría que validar con un estudio más extenso. El análisis de los datos arrojó evidencia de relación significativa solo en el caso del consistometro con el pH. Esta relación fue probada con análisis de varianza y se comprobó (P<0.05) que las geles con pH de 3.0 resultaban en valores menores en el consistometro (0.33) que geles de pectinas extraídas a pH 1.5 (0.59). Hussain et al., (1991) estudio el efecto de diferentes niveles de pH y tiempo afectan la cantidad y calidad de pectinas obtenidas a partir de cáscara de mango. Con respecto al rendimiento, no hubo diferencia significativa entre los niveles de pH, y con respecto a la calidad medida como grado de gelificación se encontró que a menor pH hubo un mayor grado de gelificación, comparable con la tendencia del consistometro para esta investigación, con una diferencia de alrededor de 5 SAG, como se observa en la Tabla 14.
35 CAPACIDAD DE GELIFICACION Y PROPIEDADES TEXTURALESLas interacciones Temperatura_pH y Sección de Fruta_pH fueron significativas para los datos del consistométro, pero no para los del Rigelómetro. La interacción común a ambos equipos , Sección de Fruta_pH fue evaluada usando varias transformaciones de los datos pero no se consiguió un modelo que pudiese establecer una relación entre ambos equipos. Los resultados sugirieron que el pH es más importante para explicar los datos del consistométro mientras que para los datos del Rigelómetro, la sección de fruta explica mejor la variabilidad.
36 Correlación de Pearson entre el Rigelometro y el ConsistometroVariable Observada Consistométro Rigelómetro (Inverso de los datos normalizados) Coeficiente (r) Valor P Rendimiento, % 0.61 0.11 0.25 0.55 0.06 0.82 Grado de Esterificación, % -0.71 0.05 0.03 0.95 -0.28 0.30 Fuerza de Ruptura, g -0.44 0.28 0.43 0.34 0.62 0.01 Elasticidad, mm 0.18 0.66 -0.17 0.71 -0.49 Ninguna de las relaciones es muy fuerte ni es posible identificar alguna variable que pueda atar los resultados del consistométro con los del Rigelómetro; aun usando transformaciones de los datos.
37 PROPIEDADES TEXTURALES A DIFERENTES CONCENTRACIONESb c a Muestra Fuerza de Ruptura (g) Elasticidad (mm) Gel 0.5% 18.404 2.937 Gel 0.7% 53.884 7.522 Gel 1.0% 55.633
38 FTIR – Pectinas Pulpa
39 FTIR – Pectinas Cáscara
40 GRADO ESTERIFICACIÓN, %Espectros de Infrarojos con Transformadas de Fourier, FTIR → SECCIÓN FRUTA CORRIDA GRADO ESTERIFICACIÓN, % OBSERVACION PULPA 5 73 Grupos carboxilos libres (1650cm-1) con mayor intensidad con respecto a la banda de grupos carboxilos esterificados (1750cm-1). Grado de esterificación ≈ 70%. 16 71.5 2 94.6 Grupos carboxilos esterificados predominan. Alto grado de esterificación mediante titulaciones. 3 75.4 8 94.4 14 77.1 9 96.6 Se observan ambos picos de similar intensidad, pero el valor de su grado de esterificación fue alto. 11 95.8 La banda cercana a 1650 cm-1, es de menor intensidad con respecto a la presente en 1750cm-1, pero su valor de grado de esterificación es alto, contradiciendo el valor encontrado durante la titulación. Esto pudo ser debido a sobrestimación durante la titulación por acidez atribuida a otros grupos.
41 GRADO ESTERIFICACIÓN, %SECCIÓN FRUTA CORRIDA GRADO ESTERIFICACIÓN, % OBSERVACION Cáscara 1 69.6 Hay predominancia de los grupos carboxilos esterificados (alrededor de 1750 cm-1) con respecto a la banda de los grupos carboxilos libres (1650cm-1). 4 89.7 6 93.4 7 66.1 10 93.1 13 65.4 15 63.9 La banda intensa a cm-1 (grupos carboxílicos libres), confirma su bajo grado de esterificación En las pectinas estudiadas no se reportó la presencia de las bandas en 1540 – 1560 cm-1 (presencia de amida procedente de proteínas), y la banda cm-1 (anillos aromáticos - presencia de lignina). Esto indica la efectividad del proceso de extracción y pre-tratamiento.
42 Conclusiones Rendimiento →Temperatura, sección de fruta y tiempo son directamente proporcionales al rendimiento de la extracción, resultando valores del 4.93 al 18.51% (g pectina/ g material seco) para la cáscara y 3.85 a 12.33% para la pulpa. Para el pH: a mayor valor, menor rendimiento. Mejores condiciones de extracción: 45min, 90°C, pH 1.5 y la pulpa del mango.
43 Conclusiones Grado de esterificación medido por titulación →Pectinas obtenidas con alto grado de esterificación (Alto Indice de Metóxilo) pH es directamente proporcional al grado de esterificación sección de la fruta con mayores valores fue la pulpa. Valores promedio varían de 71.52% al 96.63% para la pulpa, y 63.87% al 93.44% para la cáscara. Las pectinas obtenidas en esta investigación son mayores de 50%, lo cual las cataloga como pectinas de alto metóxilo.
44 Conclusiones Espectroscopía FTIR →Presencia de ambas bandas, en 1650 cm-1 (grupos carboxilos libres), y 1750cm-1(grupos carboxilos esterificados ), lo cual explica su alto grado de esterificación. No se reportó la presencia de las bandas en cm- 1 (presencia de amida procedente de proteínas), y la banda cm-1 (anillos aromáticos que indican presencia de lignina). Esto indica la efectividad del proceso de extracción y pre-tratamiento con respecto a la pureza de las muestras.
45 Conclusiones Capacidad de gelificación (Rigelómetro y consistométro) →El análisis gráfico de los datos de ambos equipos contra los factores no arrojó evidencia de relaciones significativas, excepto en el caso del consistométro con el pH. Esta relación fue probada con análisis de varianza y se comprobó (P<0.05) que las geles con pH de 3.0 resultaban en valores menores en el consistométro (0.33) que geles de pectinas extraídas a pH 1.5 (0.59). La interacción común a ambos equipos, Sección de Fruta_pH fue evaluada pero no se consiguió un modelo que pudiese establecer una relación entre ambos equipos. Los resultados sugirieron que el pH es más importante para explicar los datos del consistométro mientras que para los datos del Rigelómetro, la sección de fruta explica mejor la variabilidad. Análisis de correlación de Pearson: Ninguna de las relaciones es muy fuerte ni es posible identificar alguna variable que pueda atar los resultados del consistométro con los del Rigelómetro; aun usando transformaciones de los datos.
46 BIBLIOGRAFÍA ANON Mango. In: Salunkhe, D.K. and Desai, B.B. (eds). Postharvest Biotechnology of Fruits, Vol I, pp CRC Press, Boca Raton, Florida AROCHO Y., Postharvest evaluation of fruits from six Mayagüezano mango (Mangifera indica L.) germplasms for their use as fresh fruit. Tesis de Maestría no Publicada. Universidad de Puerto Rico – Recinto Universitario de Mayagüez. Mayagüez, Puerto Rico. BENERO J. R, RODRIGUEZ A.J, Mango Pulp Extracting Method. Journal of Agriculture of the University of Puerto Rico, 55(4): BERARDINI, N.; KNODLER, M.; SCHIEBER, A.; CARLE, R, Utilization of mango peels as a source of pectin and polyphenolics. Innovative Food Sci. Emerging Technol. 2005, 6, 442–452. DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DEL ESTADO LIBRE ASOCIADO DE PUERTO RICO, Ingreso bruto Agricola, Año Fiscal (accesed 22 March 2011) GUNNING, A P., (2009). Recognition of galactan components of pectin by galectin-3. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology, 23(2), doi: /fj FAO/WHO JOINT EXPERT COMMITTEE ON FOOD ADDITIVES, Compendium of Food Additive Specifications. 68th meeting. Roma, Italia. FERNANDEZ, Maria Luz Pectins: Composition, Chemistry, Physicochemical Properties, Food Applications, and Physiological Effects, In: Handbook of Dietary Fiber. Ed. Taylor & Francis FERREIRA, A. S Extracción y Caracterización de la Pectina de Uchuva. Universidad Nacional de Colombia, Santa Fé de Bogotá, Colombia
47 IFT Committee on Pectin Standardisation, 1959IFT Committee on Pectin Standardisation, Method 5-54, Food Technology 13, MIN, B., Lim, J., Ko, S., Lee, K.-G., Lee, S. H., & Lee, S. (2011). Environmentally friendly preparation of pectins from agricultural byproducts and their structural/rheological characterization. Bioresource technology, 102(4), Elsevier Ltd. doi: /j.biortech NEIDHART, S., SIRISAKULWAT, S., NAGEL, A., NEIDHART, S., SIRISAKULWAT, S., NAGEL, A., & SRUAMSIRI, P. (2009). Pectins and Pectinases ( 2009 ) H . A . Schols , R . G . F . Visser and A . G . J . Voragen ( eds .) Wageningen Academic Press , Wageningen , in press Which mango processing residues are suitable for pectin recovery in terms of yield , molecular and techno-functional properties of extractable pectins ? Which mango processing residues are suitable for pectin recovery in terms of yield , molecular and techno-functional properties of extractable pectins ? KOUBALA, B. B.; KANSCI, G.; MBOME, L. I.; CRE´PEAU, M.-J.; THIBAULT, J.-F.; RALET, M.-C, Effect of extraction conditions on some physicochemical characteristics of pectins from “Ame´liore´e” and “Mango” mango peels. Food Hydrocolloids 2008, 22 (7), 1345–1351. OBIPEKTIN, Varieties of pectin. PHILLIPS G O, WILLIAMS P A, Handbook of Hydrocolloids. First edition. Woodhead Publishers. Cambridge, England. Pp PLOETZ, R.C.. Antracnosis en mango: Manejo de la enfermedad más importante pre y postcosecha. (accesed 6 May 2012) RANGANNA S Handbook of analysis and quality control for fruit and vegetables products. McGraw-hill. Segunda edición. Pag
48 SEIN, F Heat Sterilization of Mangoes and Guavas for Fruit Flies. Journal of Agriculture of the University of Puerto Rico, 19(2): SRIRANGARAJAN, A. N., & SHRIKHANDE, A. J. (1977). Characterization Of Mango Peel Pectin. Journal of Food Science, 42(1), doi: /j tb01273.x VORAGEN, A.G.J., PILNIK, W., THIBAULT, J.F., AXELOS, M.A.V. AND RENARD, C.M.G.C Pectins, in: Food Polysaccharides and Their Applications , ed., A.M. Stephen. New York: Marcel Dekker, Inc., pp. 287–339. YASHODA, H. M., PRABHA, T. N., & THARANATHAN, R. N. (2005). Mango ripening--chemical and structural characterization of pectic and hemicellulosic polysaccharides. Carbohydrate research, 340(7), doi: /j.carres
49 Gracias por su atención…