Uvas pasas reducidas en azúcares fortificadas con antioxidantes polifenólicos residuales de la industria cervecera

¹Núcleo de Tecnología de Semillas y Alimentos (TECSE), Departamento de Ingeniería Química y Tecnología de los Alimentos (DIQTyA), Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNICEN). ²Comisión de Investigaciones Científicas (CIC), Argentina.

Resumen

En este trabajo se presenta el estudio de un proceso innovador de fortificación mediante un tratamiento osmótico en solución rica en antioxidantes polifenólicos del bagazo cervecero residual, aplicado a uvas reducidas en azúcares de alto contenido calórico (fructosa, glucosa). El proceso consta de dos etapas de ósmosis (EI, EII) complementadas con una fase final de secado por aire caliente (SAC). En la primera etapa se reducen los carbohidratos de la fruta mediante un pretratamiento osmótico asistido por ultrasonido desarrollado previamente en un rango de tiempos de inmersión de 5-25 min. Las uvas obtenidas en la EI bajo condiciones óptimas (25 min de pretratamiento para lograr la máxima reducción de azúcares calóricos de la uva fresca) se someten a una segunda etapa osmótica (EII) donde se fortifican durante diferentes tiempos de inmersión (30, 60 y 90 min) por impregnación en solución concentrada de ácido gálico (antioxidante polifenólico mayoritario del bagazo residual extraído bajo condiciones optimizadas reportadas en la literatura). Se observó efecto significativo (p < 0,05) del tiempo de ósmosis sobre las variables adimensionales pérdida de agua (WL) y ganancia de sólidos solubles (SG) de ambas etapas (EI y EII). La máxima incorporación de antioxidante polifenólico se logró a un tiempo de 60 min, alcanzándose una concentración de 70,66 ± 0,93 mg GAE (mg de ácido gálico equivalente) /g uva luego de la EII, finalizando el proceso con secado hasta 18% b.h. (base húmeda) a fin de estabilizar el producto.

Palabras claves

compuestos fenólicos residuales - bagazo cervecero - fortificación con antioxidantes - uvas bajas calorías

Abstract

This work presents the study of an innovative fortification process through osmotic treatment in a solution rich in polyphenolic antioxidants from residual brewer’s spent grain, applied to grapes with reduced high-calorie sugar content (fructose, glucose). The process consists of two osmosis stages (EI, EII) complemented by a final hot air-drying phase (SAC). In the first stage, fruit carbohydrates are reduced through an ultrasound-assisted osmotic pretreatment, previously developed, within an immersion time range of 5–25 minutes. Grapes obtained in EI under optimal conditions (25 minutes of pretreatment to achieve maximum reduction of caloric sugars in fresh grapes) undergo a second osmotic stage (EII), where they are fortified during different immersion times (30, 60, and 90 minutes) by impregnation in a concentrated gallic acid solution (the primary polyphenolic antioxidant from residual spent grain extracted under optimized conditions reported in the literature). A significant effect (p < 0.05) of osmosis time was observed on the dimensionless variables of water loss (WL) and soluble solids gain (SG) in both stages (EI and EII). The maximum incorporation of polyphenolic antioxidant was achieved at 60 minutes, reaching a concentration of 70.66 ± 0.93 mg GAE (mg gallic acid equivalent)/g of grape after EII, with the process concluding with drying to 18% moisture content (wet basis) to stabilize the product.

Keywords

Residual phenolic compounds - brewer’s spent grain - antioxidant fortification - low-calorie grapes

Introducción

La cerveza es una de las bebidas alcohólicas más consumidas en Argentina; en promedio en 2019 se consumieron 42 litros per cápita, con una producción de más de 20 millones de hectolitros al año. Su elaboración consiste en una serie de operaciones sucesivas (malteado, molido, macerado, filtrado, etc.) que generan gran cantidad de residuos insolubles como es el bagazo cervecero. En promedio, por cada litro de cerveza producido se originan unos 600 g de bagazo. Este residuo se compone aproximadamente de 15-26% de proteínas, 70% de fibras, 3.9-18% de lípidos, 2.5-4.5% de cenizas, además de contener vitaminas, aminoácidos y compuestos fenólicos. Los compuestos fenólicos con capacidad antioxidante son muy valorados en la industria de alimentos saludables por sus propiedades funcionales para neutralizar radicales libres. Atento a ello, en el presente trabajo se propuso alcanzar el objetivo de desarrollar un producto innovador: uvas pasas fortificadas con antioxidantes residuales de la industria cervecera. Esta temática emergente apunta a lograr el aprovechamiento integral de las cadenas productivas agroalimentarias, constituye actualmente un área de investigación de gran interés ampliamente abordada (Kennas et al. (2020); Marand et al. (2020); Figueroa & Genovese (2019); Alzate-Arbeláez et al. (2019)). En este sentido, recientes trabajos (Aguirre-García et al. (2020); Yılmaz & Bastıoğlu (2020); Nawirska-Olszańska et al. (2020); Pasławska et al. (2019); entre otros) se han enfocado en la fortificación de productos con componentes bioactivos (antioxidantes, vita minas, minerales) durante el procesamiento de frutas y hortalizas. No obstante, no han sido reportados aún trabajos donde confluyan los objetivos de recuperar componentes bioactivos antioxidantes de residuos vegetales de la industria de alimentos para ser utilizados en pos de fortificar productos deshidrata dos estables reducidos en azúcares calóricos, lo que constituye un área de vacancia. La uva rosada variedad Red Globe no se caracteriza por ser rica en antioxidantes polifenólicos comparada con otras variedades como la uva-negra azulada cv. Napoca que presenta 134 mg GAE (ácido gálico) /100 g uva, o la uva blanca cv. Muscatt Ottonel que contiene 63 mg GAE/100 g uva (Bunea et al. (2012)). En función de lo expuesto se propone agregar valor nutricional a la uva de mesa rosada variedad Red Globe mediante un proceso obtención de una uva pasa reducida en carbohidratos calóricos y enriquecida con antioxidantes extraídos del bagazo cervecero residual. La producción de este alimento que aprovecha un residuo de la industria cervecera contribuye al “Plan de Acción en Cambio Climático” fijado por la Ley de adaptación y mitigación al cambio climático (Ley N° 3871/11) y con las metas del objetivo 12 sobre producción y consumo responsable de la agenda 2030 de Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecida por las Naciones Unidas (MAGyP, 2020). Y por otro lado, el hecho de aplicar antioxidantes residuales a frutas deshidratadas reducidas en azúcares calóricos, contribuye a las políticas en prevención y control de sobrepeso y obesidad enmarcadas en el “Programa Nacional de Alimentación Saludable y Prevención de Obesidad” (Resolución 732/2016, Dirección de Promoción de la Salud y Control de ENT), en la “Estrategia Nacional para la Prevención y Control de Enfermedades no Transmisibles” y en el “Plan Nacional Argentina Saludable”, los cuales pro mueven una dieta sana y variada (Resolución Nº 1083/2009, Ministerio de Salud Pública de la Nación Argentina) y la reducción/sustitución de azúcares en alimentos procesados. Como innovación en este trabajo se planteó utilizar compuestos bioactivos (antioxidantes polifenólicos) extraídos de residuos de la industria cervecera para fortificar uvas durante el proceso de osmodeshidratación combinada con secado, a fin de obtener productos estables de calidad superior con propie dades funcionales. Esta investigación se enmarca entre los objetivos del Programa “Diseño y Optimización de Procesos” (Acreditado 03/E187) del Núcleo “Tecnologías de Semillas y Alimentos (TECSE) que se desarrolla en la Facultad de Ingeniería de la UNICEN. Esta línea de trabajo está orientada al estudio de tecnologías innovadoras y desarrollo de nuevos procesos aplica dos a la conservación de productos vegetales de ele vado contenido acuoso (tales como frutas), basados en métodos combinados (ósmosis, ultrasonido, secado por aire caliente) con la finalidad de obtener alimentos saludables estables y de alto valor agrega do (Laborde et al. (2015); Laborde et al. (2020); Laborde & Pagano (2022)) a las cadenas productivas frutícolas (regionales, nacionales), tales como son las uvas pasas reducidas en azúcares caló ricos fortificadas con antioxidantes polifenólicos que se pueden extraerse del bagazo residual de la industria cervecera.

Nota aclaratoria: Este artículo fue publicado originalmente en la revista La Alimentación Latinoamericana (Goyenetche Brienzo, Laborde, & Pagano, 2023).
La presente versión se reproduce con fines académicos, en el marco de la aprobación de un curso de posgrado, para ejemplificar el uso de determinadas herramientas, como por ejemplo R Markdown.

Materiales

Bagazo residual de la industria cervecera

Se utilizó bagazo residual fresco proveniente de la cervecería “Kabbalah Brewing Company” (Olavarría, provincia de Buenos Aires, Argentina), el cual fue almacenado en contenedores plásticos herméticos e inmediatamente llevado a freezer (-17 ± 1 ºC) hasta el momento de realizar los ensayos.

Uva

Como matriz vegetal se emplearon uvas frescas de mesa de la variedad Red Globe seleccionadas por tamaño, color y estado de maduración, adquiridas en el mercado local de Olavarría (Provincia de Buenos Aires, Argentina) y almacenadas en refrigeración (2-5 °C) hasta el momento de su procesado.

Metodología

Determinación de humedad del bagazo

La humedad se determinó por el método 14.003, AOAC (1980) sobre muestras de aproximadamente 5 g, por triplicado. Considerando muy elevada la cantidad de agua presente en el bagazo cervecero residual, se lo sometió a un secado convectivo suave a una temperatura de 60 ºC durante 24 h.

Determinación de compuestos fenólicos del bagazo

Con el objetivo de llevar a cabo la determinación de los compuestos polifenólicos presentes en el bagazo residual, en primer lugar, se realizó una extracción con solvente sumergiendo el bagazo previamente deshidratado en una solución de etanol-agua al 72% (v/v) en una proporción 30:1 mL solvente/g sólido seco durante 60 minutos a una temperatura de 80 °C (Carciochi et al. (2018)). Seguidamente, el extracto obtenido se concentró por evaporación a 40 °C utilizando un evaporador rotatorio de vacío hasta la completa eliminación de etanol (Medeiros et al. (2019)). La cuantificación de polifenoles totales presentes en el bagazo se realizó a través del método de Folin Ciocalteu (F-C) con una adaptación de la técnica de Cicco et al. (2009). El procedimiento analítico consistió en tomar un volumen de 100 mL del extracto de polifenoles en un tubo de ensayo, al cual se le aña dieron 125 ml de reactivo F-C. Seguidamente se agregaron 375 mL de una solución de carbonato de sodio al 20% (p/v). La mezcla se agitó y se llevó a un baño a una temperatura a 40 °C durante 20 min. Finalmente, el tubo se enfrió sobre escamas de hielo y se leyó la absorbancia a 760 nm en refractómetro. Los resultados se expresaron en mg equivalentes de ácido gálico (GAE) por cada 100 g de muestra. Con el mismo procedimiento se construyó la curva de calibración reemplazando el volumen de la muestra por diferentes concentraciones (30-300 ppm) del patrón ácido gálico.

Determinación de humedad y sólidos solubles de la uva

La humedad se determinó mediante secado en estufa de convección forzada (ICSA, DH6-9123ª, Argentina) a una temperatura de 70 ± 1°C hasta peso constante, sobre una muestra de 5 g, por triplicado (adaptación del método 934.06, AOAC (1996)). El contenido de sólidos solubles (expresado como °Brix) se midió mediante refractómetro (ATAGO, Japón, precisión ±0,05 ºBrix) a partir de jugo de uva filtrado, a temperatura ambiente (25 ºC), por triplicado.

Determinación de compuestos fenólicos de la uva

Para la extracción de los polifenoles totales se utilizó el método optimizado por Lerma et al. (2013). A tal fin, 10 g de uvas se cortaron en pequeños trozos y se colocaron en 25 mL etanol: agua (1:1 v/v) en vasos herméticamente cerrados. Los mismos se llevaron a 20 minutos de sonicación. Transcurrido el tiempo se filtró con papel de filtro de permeabilidad 26 L/ (s m2). El extracto obtenido se reservó en un recipiente, el cual se protegió de la luz con papel aluminio. Este procedimiento de extracción y filtrado se repitió 4 veces, recolectándose todos los extractos en un mismo balón para luego realizar la cuantificación. El contenido de polifenoles totales de los extractos de uva se determinó con el reactivo de Folin-Ciocalteau por el método de Slinkard & Singleton (1977). Los resultados se expresaron en mg equivalentes de ácido gálico (GAE) por cada 100 g de muestra.

Obtención de uvas reducidas en azúcares

Para la obtención de uvas reducidas en azúcares calóricos (fructosa, glucosa) se tomó como base el tratamiento osmótico dual en dos etapas (EI, EII) optimizado por Laborde (2019). A tal fin, con el objetivo de obtener uvas reducidas en azúcares fortifica das con antioxidantes polifenólicos residuales de la industria cervecera, la primera etapa (EI) de este pro ceso consistió en la inmersión de las uvas frescas en agua destilada (en una relación másica de 1 parte de fruta a 4 partes de solvente) con asistencia de ultra sonido (frecuencia 40 kHz) durante un tiempo de 25 min a temperatura ambiente de 25 ºC (Laborde, 2019). A lo largo del proceso se evaluó el cambio de humedad y de sólidos solubles de las uvas a intervalos regulares (rango: 5-25 min), a fin de confirmar el tiempo óptimo para lograr la mayor reducción de azúcares de las uvas.

Impregnación con polifenoles aplicada a las uvas pretratadas

La fortificación de las uvas reducidas en carbohidratos bajo condiciones óptimas provenientes de la EI, se realizó en una segunda etapa del tratamiento osmótico dual (EII) sin asistencia ultrasonido, empleando una solución hipertónica de ácido gálico en agua destilada (como representativo de los polifenoles del bagazo) en una concentración de 310 mg GAE/100 mL, con el objetivo de evitar posibles inter acciones de otros componentes. En esta segunda fase se usó una relación másica de 1 parte de fruta a 2 partes de solución osmótica, sin aplicación de ultrasonido (Laborde, 2019).

Diseño experimental

En el diseño experimental se consideró el factor tiempo de inmersión (t: 30, 60 y 90 min) en solución concentrada de ácido gálico (310 mg GAE/100 mL) aplicado a las uvas previamente reducidas en azúcares mediante un pretratamiento osmótico asistido por ultrasonido bajo condiciones óptimas. Todos los ensayos se hicieron por duplicado. La función objetivo planteada fue alcanzar la máxima incorporación de antioxidante polifenólico a la fruta en el rango de estudio. Finalmente, las frutas se extrajeron de la solución, se escurrieron en colador y se llevaron a una etapa complementaria de secado en estufa a 60 ºC hasta alcanzar una humedad final menor al 18% b.h. para su conservación.

Variables normalizadas

Considerando que durante ambas etapas del proceso osmótico dual sucede un doble flujo contrapuesto de materia debido a la diferencia de concentración de solutos entre el sólido y el solvente que lo rodea, para evaluar el efecto neto del proceso sobre el balance de materia es preciso recurrir a las variables adimensionales normalizadas que se presentan en las Ecuaciones 1, 2 y 3, las cuales describen la pérdida de agua (WL), la ganancia de sólidos solubles (SG) y la reducción de masa (WR). \[ WL = \frac{(W_i \cdot X_i - W_f \cdot X_f)}{W_i} \cdot 100 \tag{1} \] \[ SG = \frac{(W_f \cdot X_{sf} - W_i \cdot X_{si})}{W_i} \cdot 100 \tag{2} \] \[ WR = \frac{(W_i - W_f)}{W_i} \cdot 100 \tag{3} \]

donde: Wi es la masa (g) inicial de la muestra; Wf es la masa (g) final de la muestra; Xi es el contenido de agua (g agua/g muestra) inicial; Xf es el contenido de agua (g agua/g muestra) final; Xsi es el contenido inicial de materia seca (g sólido/g muestra); Xsf es el contenido final de materia seca (g sólido/g muestra).

Análisis estadístico de resultados

Los resultados obtenidos fueron estadísticamente evaluados mediante análisis de la varianza (ANOVA) con SYSTAT a fin de determinar efectos significativos (para < 0,05) de los factores del proceso sobre las variables de control.

Resultados y Discusión

Caracterización de fruta y bagazo cervecero

Los resultados de la caracterización inicial de las uvas frescas variedad Red Globe y del bagazo cervecero residual se muestran en las Tablas I y II.

Tabla 1. Caracterización de la uva fresca

Parámetro	Valor
Humedad (% b.h.)	83,00 ± 0,83
Sólidos Solubles (°Brix)	17,40 ± 1,90
Polifenoles Totales (mg GAE/100 g uva)	50,42 ± 19,90

Tabla 2. Caracterización del bagazo cervecero residual

Parámetro	Valor
Humedad Bagazo Fresco (% b.h.)	71,61 ± 0,92
Humedad Bagazo Seco (% b.s.)	252,54 ± 11,46
Polifenoles Totales Bagazo Seco (mg GAE/100 g sol. seco)	442,30 ± 25,61

Pretratamiento de reducción de azúcares de la uva

Como resultado de la variación de humedad (H) y del contenido de sólidos solubles (SS) de las uvas duran te el pretratamiento de ósmosis en agua destilada asistido por ultrasonido (EI), se obtuvieron datos que se presentan en la Figura 1 como valores medios con sus desvíos estándar. El análisis de la varianza de los resultados observados para la humedad de las uvas en la primera etapa del tratamiento dual (EI) evidenció diferencia significativa (p < 0,005) la diferencia con respecto a la uva fresca (t=0), resultando mínimo SS a un tiempo proceso de 25 min coincidentemente con los resultados informados por Laborde (2019). El cambio de SS (ºBrix) representó una reducción del 29% de los carbohidratos, mientras que el aumento de la humedad fue sólo de un 5%. En el mismo sentido, las variables normalizadas WL y SG presentaron comportamientos similares a las variables H y SS: hubo efecto significativo del tiempo de ósmosis (p < 0,05) sobre la pérdida de agua (WL) y sobre la ganancia de sólidos solubles (SG) de las uvas. Asimismo, SG presentó un mínimo de 7,33% a los 25 min de ósmosis, una diferencia muy significativa respecto de la fruta fres ca (p < 0,05), por lo cual este tiempo de pretratamiento fue seleccionado para reducir los azúcares de la fruta. Coincidentemente, en trabajos previos (Laborde et al. (2018)) y de otros autores (Fernandes & Rodrigues (2007)) donde se han aplicado pretratamientos osmóticos asistidos por ultrasonido en otras matrices vegetales (bananas) también se ha probado una importante reducción de azúcares; y, en el mismo sentido, se ha reportado asimismo un incremento del contenido de humedad en las frutas durante el pretratamiento (Moreira et al. (2010)). Sobre las uvas obtenidas bajo las condiciones óptimas del pretratamiento (EI) se determinó el con tenido de polifenoles totales, resultando de 53,81 ± 23,5 mg GAE/100 g, una concentración mayor que de la uva fresca como consecuencia de la reducción de masa (WR) de las uvas en el proceso.

Figura 1. Variación temporal de humedad (h), sólidos solubles (SS), pérdida de agua (WL) y ganancia de sólidos solubles (SG) de las uvas durante la etapa de reducción de azúcares del tratamiento osmótico (EI).

Proceso de fortificación de las uvas pretratadas

Las uvas pretratadas por ósmosis en agua destilada durante 25 min con asistencia de ultrasonido se extrajeron de la solución con colador, se secaron sobre papel absorbente y se sumergieron en una solución hipertónica rica en antioxidante polifenólico (ácido gálico) a una concentración de 310 mg GAE/100 mL durante diferentes tiempos de impregnación (30, 60 y 90 min) sin ultrasonido a temperatura ambiente empleando una relación fruta-solución de 1:2. A lo largo del proceso se evaluó la variable concentración de polifenoles residuales (PFR) presente en la matriz vegetal (Figura 2). El análisis de la varianza demostró influencia del tiempo de impregnación sobre el contenido de compuestos fenólicos de la uva. La mayor concentración de PFR en las muestras se obtuvo para un tiempo de tratamiento de 60 min (70,66 ± 0,93 mg GAE/100 g uva) (Figura 2), resultando significativamente (p < 0,05) mayor que la concentración correspondiente a la fruta fresca (t=0), lo cual evidencia la eficacia del proceso de fortificación.

Figura 2. Variación temporal del contenido de antioxidantes polifenólicos (ácido gálico) de las uvas reducidas en azúcares durante la etapa de fortificación con antioxidante polifenólico.

Conclusiones

Es posible obtener un snack de uva rosada Red Globe osmóticamente reducida en azúcares de alto contenido calórico (fructosa, glucosa) fortificadas con antioxidantes polifenólicos residuales (ácido gálico extraído del bagazo de la industria cervecera) mediante un tratamiento osmótico dual de dos etapas complementado con secado. El proceso óptimo requiere de una primera etapa asistida por ultrasonido aplicada a las uvas frescas que involucra inmersión en agua destilada durante 25 min a temperatura ambiente, seguida de una segunda etapa de impregnación de las uvas reducidas en carbohidratos con antioxidantes polifenólicos (ácido gálico) presentes en el bagazo cervecero residual durante 60 min a temperatura ambiente, finalizando con secado suave a 60 ºC hasta una humedad de 18% b.h., obteniéndose un producto final con calidad superior.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNICEN) por el financiamiento del Proyecto, y a la Facultad de Ingeniería (FIO-UNICEN) y al Consejo Interuniversitario Nacional (CIN) por las becas de Entrenamiento y de Estímulo a las Vocaciones Científicas.

Agradezco especialmente al Dr. Ricardo Palma, responsable del dictado del curso de posgrado, por su guía y enseñanzas.

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