EMBALAJES INTELIGENTES NUEVAS TECNOLOGIAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS SEGUROS • Importante campo hoy en día en Ciencias de Alimentos son las nuevas técnicas de preservación para garantir un alimento seguro. • Parte de estas técnicas se refiere a los sistemas de embalajes inteligentes. • Compuestos naturales tales como Aceites Esenciales, Lizosima, Nisina, son investigados para ser utilizados como preservantes de manera que garanticen la calidad de los alimentos denominados “Green label”. • Aplicación de compuestos antimicrobianos tales como Bacteriocinas, entre otros , son propuestos para inhibir el crecimiento de microorganismos (MO) indeseables. COMPONENTES ACTIVOS NATURALES INCORPORADOS DIRECTAMENTE EN POLÍMEROS USADOS EN EMBALAJES DE ALIMENTOS COMPONENTE ACTIVO LIZOSIMA NISINA POLIMERO/ PORTADOR SUBSTRATO REFERENCIAS SUBSTRATO REFERENCIAS Celulosa Carne cocida Alginato Pescado Field, Pivarnick, Barnett, and Rand (1986) ÁCIDO ACÉ ACÉTICO Quitosan Agua Ouattara, Simard, Piette, Begin, and Holley (2000a) Quitosan Bologna, Jamón cocido, Pastrami Ouattara, Simard, Piette, Begin, and Holley (2000b) ÁCIDO LÁCTICO Alginato Músculo de vacuno Siragusa and Dickinson (1992) Willett, Willett, and Siragusa (2001) ÁCIDO SORBICO WPI Medio de cultivo Cagri, Ustunol, and Ryser (2001) Coma, Sebti, Sebti, Pardon, Pardon, Deschamps, Deschamps, and ÁCIDO PROPIONICO Quitosan Agua Ouattara et al. (2000a) Quitosan Bologna, Jamón cocido, Pastrami Ouattara et al. (2000b) Lee, Hwang, and Cho (1998) Appendini and Hotchkiss (1997) Medio de cultivo Padgett, Padgett, Han, Han, and Dawson (1998) Filme de celulosa, PE Queso, Queso, jamonada Scannell et al. (2000) SPI, Filmes de almidó almidón de maí maíz Medio de cultivo Padgett, Padgett, Han, Han, and Dawson (1998) PE Carcasa de res Siragusa, Siragusa, Cutter, Cutter, and Willett (1999), Cutter, Cutter, Pichavant (2001) LACTICINA POLIMERO/ PORTADOR GLUCOXIDASE Medio de cultivo Filmes comestibles Medio de cultivo COMPONENTE ACTIVO PEDIOCINA PVOH, Nylon, Acetato de celulosa HPMC COMPONENTES ACTIVOS NATURALES INCORPORADOS DIRECTAMENTE EN POLÍMEROS USADOS EN EMBALAJES DE ALIMENTOS Capa de silicio Medio de cultivo Daeschel, Daeschel, Mcguire, Mcguire, and Almakhlafi (1992) Filmes de almidó almidón de maí maíz Medio de cultivo Padgett, Padgett, Han, Han, and Dawson (2000) PVC, LDPE, nylon Medio de cultivo Natrajan and Sheldon (2000) Filmes Medio de cultivo SPI, WPI, WG, EA Filme de celulosa, PE Ming, Weber, Ayres, and Sandine (1997) EXTRACTO DE SEMILLA DE UVA LDPE Lechuga, Brote de soya HINOKITIOL LDPE Frutas y vegetales Imakura, Yamada, and Fukazawa (1992) Hoffman, Han, Han, and Dawson (2001) POLVO DE BAMBU No estipulado Vegetales y productos marinos. Fishery products, vegetables, etc. Buffer Fosfato Ko, Ko, Janes, Janes, Hettiarachchy, Hettiarachchy, and Johnson (2001) TOCOFEROLES LDPE Bife Moore et al. (2003) Queso, Queso, jamonada Scannell et al. (2000) COMPUESTOS NATURALES ANTIMICROBIANOS • Agentes antimicrobianos existen en animales planta y MO donde desenvuelven mecanismos de defensa del hospedero. • Ejemplos: – Compuestos antimicrobianos como: Lactoperoxidasa (leche); – Lizosima (Huevos blancos); – Saponinas (hierbas y especias); – Bacteriocinas (Bactérias ácido lácticas (LAB)). Devlieghere, F.; Vermeiren, L.; Debevere, J.(2004). New preservation technologies: Possibilities and limitations. International Dairy Journal, 14, 273-285. COMPUESTOS NATURALES ANTIMICROBIANOS • Dos puntos importantes que deben ser tomados en cuenta para la aplicación practica de estos compuestos naturales antimicrobianos: 1. Cambios en las propiedades organolépticas y en la textura de los alimentos cuando estos compuestos son adicionados. 1 COMPUESTOS NATURALES ANTIMICROBIANOS 2. Interacción de los componentes con los ingredientes y la influencia de esta interacción en la eficacia de estos compuestos. – Concentraciones moderadas de NaCl presentes en alimentos neutralizan la actividad antimicrobiana de estos compuestos naturales. Ejemplo: Lizosima, Bacteriocinas (Sakacina, Curvacina) – Otros compuestos como proteínas, grasas y almidón pueden alterar la actividad antimicrobiana de estos compuestos. BIOPRESERVACIÓN • Actualmente existe un mayor interés del consumidor por alimentos Minimamente Procesados, las investigaciones apuntam a la preservación de los alimentos a través de métodos biológicos. • Biopreservación: Aumenta el tiempo de vida útil de los alimentos mediante el uso de Microflora natural controlada (BAL) y de productos antibacteriales como ácido láctico, bacteriocinas, etc. BIOPRESERVACIÓN • BAL- Bacterias ácido lácticas consideradas cultivos antagonistas porque inhiben el crecimiento de MO a través de dos mecanismos: – Competencia por nutrientes. – Producción de metabolitos antimicrobianos: ácido láctico y acético, peróxido de hidrógeno, enzimas antimicrobianas, bacteriocinas y reuterinas. BIOPRESERVACIÓN • Cultivos Bacteriocinogénicos – Producen compuestos antimicrobianos extracelulares (proteínas o péptidos) sintetizados en los ribosomas, que poseen efectos bacteriostáticos en otros MO. – Estos compuestos actúan en la membrana citoplasmática formando poros en la bicapa fosfolipídica. – Ejemplos: • Lactococcus lactis (Nisina) • Pedioccocus acidilactici (Pediocina) OPORTUNIDADES E INCONVENIENTES EN LAS NUEVAS TECNICAS DE PRESERVACI ÓN DE ALIMENTOS PRESERVACIÓ BIOPRESERVACIÓN • Cultivos No Bacteriocinogénicos Nuevas técnicas de Preservació Preservación Embalajes activos – Alternativa para suplir las desventajas de los cultivos Bacteriocinogénicos. – El carácter antagonista de este cultivo se basa en la combinación de efectos como producción de substancias antimicrobianas y la competencia por nutrientes específicos. Oportunidades Sequestradores de oxí oxígeno incorporado em Filmes demuestran ciertas limitaciones em su efectividad. efectividad. Permite el tratamiento de la superficie de los productos. Compatibilidad com la legislació legislación. Facilita el procesamiento. procesamiento. Cantidades de compuestos activos que migran no son substanciales. substanciales. Compuestos activos tienen que ser termoestables cuando son incorporados em filmes plá plásticos Compuestos naturales antimicrobianos Green label Alto costo Aspecto Natural Interacció Interacción con ingredientes del producto Baja solubilidad de agua Cambios em las propiedades organolé organolépticas Aspecto Natural Espectro de actividad restringido Perdida espontanea de bacteriocinogenicidad Difusió Difusión limitada em matrices sólidas Bacteriocinas Inactivació Inactivación por enzimas proteolí proteolíticas – Ejemplos: • Lactobacillus alimentarius BJ-33 • Lactobacillus sakei TH1 Inconvenientes Sequestradores de oxí oxígeno em sachets efectivos. efectivos. Inactivació Inactivación por ingredientes del producto Bacterias resistentes a Bacteriocinas Cultivos Protectores Green label Algunas veces es difí difícil de aplicar Aspecto Natural Inestabilidad térmica Efectividad no siempre comprovada em alimentos 2 • Los agentes naturales antimicrobianos en general tienen un alto valor agregado y por tanto poseen un costo muy elevado. • Por esta razón el equipo de nuestro Laboratorio de Bioquímica de Alimentos, estudia la producción de compuestos antimicrobianos naturales y de Biosurfactantes a partir de residuos agroindustriales, teniendo en cuenta que en general estos substratos son de bajo costo y muy mal aprovechados. PRODUCCIÓN DE BIOSURFACTANTES PARA LA OBTENCIÓN DE PRODUCTOS DE ALTO VALOR AGREGADO Manipueira MANDIOCA Manipueira AGUA DE LAVADO LAVADO Y DESCASCARAMENTO CASCARAS RALLADO PRENSADO Platos tradicionales de la culinaria regional hechos a base de Manipueira Residuo líquido de la industria de harina de fécula de mandioca; MANIPUEIRA DESMENUZAMENTO CERNIDO TOSTADO FIBRAS CERNIDO AGLOMERADOS Pato no Tucupi ACONDICIONAMIENTO ALMACENAMIENTO Folegatti et al, 2005 Tacacá Manipueira PRODUCCIÓN La mandioca es cultivada en todo el territorio brasilero. IBGE, 2005 3 Composición PRODUCCIÓN milhões de toneladas • Es producida en gran escala. • Producción en aumento. 26,6 millones de toneladas 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 80% procesada en Ind. productoras de fécula e harina + 30% en masa 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 6,5 millones de toneladas de Manipueira FAO, 2006 Buen substrato para procesos biotecnológicos Composición Componente Maróstica Jr. (2007) Nitschke et al (2003) Damasceno et al (1999) Sólidos Totales (g/l) 60,0 62,0 62,0 DQO (g/l) 53,4 55,8 60,0 60,0 39,5 41,45 58,18 34,51 Costa (2005) Ponte (1992) Almidón (%) Azúcares no red. (g/l) Barros (2007) 5,71 Sacarosa (g/l) Azúcares red. (g/l) Leonel (1995) 34,2 36,2 29,3 13,9 24,5 20,1 23,3 20,2 - Glucosa (g/l) 7,6 Fructuosa (g/l) Nitrógeno total (g/l) 4,2 0,6 0,43 1,42 1,92 NH4+ (mg/l) 36,2 NO3- (mg/l) Fósforo (mg/l) 1,72 369 245 83,3 5,2 161,3 256,5 293,0 16,2 246 Potasio (mg/l) Calcio (mg/l) 3640 236 3472 293 895 184 2,9 122,8 1853,5 227,5 2650,0 220,0 894 Magnesio (mg/l) 438 519 173 366,8 405,0 340,0 288 Azufre (mg/l) Hierro (mg/l) 61,4 2,72 154 7,80 38,0 8,0 69,0 5,6 195,0 15,3 74,0 7,60 150 4,2 Zinc (mg/l) 3,01 2,80 4,50 1,1 4,2 3,20 1,4 Manganeso (mg/l) 3,46 1,70 1,50 4,1 3,7 3,9 Cobre (mg/l) 1,11 1,0 0,75 0,7 11,5 0,9 1,6 0,3 0,3 5,0 Boro (mg/l) Manipueira 2,08 1,60 131 4 Aplicaciones en Biotecnología • Tóxica (glucósidos cianogénicos, especialmente Linamarina); Linamarina • Contaminante (elevada carga de material orgánico). Lotaustralina Biosurfactantes Compuestos anfifílicos Tensoactivos (agentes de actividad superficial) Biosurfactantes Compuestos anfifílicos Tensoactivos (agentes de actividad superficial) 4 Biosurfactantes Bacillus subtilis – L-Leu L-Glu H3C CH3 CH OH O C CH2 CH HN O H3C CH2 H3C H2 C C H2 H2 C C H2 H2 C C H2 H2 C C H2 H2 C CH C CH3 CH C HN O CH CH2 O C C NH CH2 O O HN C C O CH H2C CH3 CH CH CH H 3C L-Leu H3C O CH2 H N H2C Industria de Alimentos • Emulsionantes; • solubilidad de aromas. – Ambientales • Biorremediación metales pesados. – Industria Petrolera • Biorremediación en derrames de D-Leu petróleo; • recup. de óleo de pozos antiguos. – Salud L-Val • Antibiótico/ antiviral; • Vehículo para aplic. de L-Asp medicamentos por vía pulmonar; Surfactina • Antitumoral; NH CH C CH O H 2C CH3 H3C C N H CH CH3 D-Leu CH H2C Limitaciones – Costos elevados de producción impiden su aplicación. – Desconocimiento del comportamiento de microorganismos utilizando “Manipueira” como substrato en porcesos de gran escala. CH3 O C OH O Proceso Objetivos 1. Optimizar las etapas del proceso; 2. Ampliar la escala de un proceso que aún se encuentra en estudio; Definición de puntos óptimos en los parámetros controlados en cada etapa 3. Proponer un proceso continuo (pequeña escala). Proceso Proceso Definición de puntos óptimos en los parámetros controlados en cada etapa Proponer un nuevo modelo de purificación usando ultrafiltración. 5 Optimizar etapas del proceso Métodos Analíticos (Objetivo 1) • Medida da tensión superficial (Tensiometro); Métodos Analíticos (Objetivo 2) Ampliar la escala de un proceso que aún se encuentra en estudio • Medida de la producción de surfactantes (purificación por precipitación ácida); • Conteo padrón en placas; • pH del medio; • Producción de espuma; • Concentración de carbohidratos (almidón y reductores) • Conteo padrón en placas; • Métodos indirectos de medida de concentración de Surfactina; – Conductividad. Proponer un proceso continuo (pequeña escala) Métodos Analíticos (Objetivo 3) Outras Aplicaciones Gran potencial para otras aplicaciones • Ácidos Orgánicos • Aromas • Biomasa • Medida de la producción de surfactante (purificación por precipitación ácida); • Conteo padrón en placas; • pH del medio; • Producción de espuma; • Concentración de carbohidratos (almidón y reductores) Ácidos Orgánicos Aspergillus niger Ácido Cítrico – – Oleaginosa Proteica • Substrato para producción de Enzimas Ácidos Orgánicos Rhizopus sp Ácido Fumárico – Industria de Alimentos • Bebidas • Mermeladas y Conservas • Dulces • Frutas e Legumbres • Productos Lácteos • Grasa e Aceites • Citrato de Sodio – – – Productos Farmacéuticos Cosméticos Industria de Plásticos – – – – – Industria de Alimentos Productos Farmacéuticos Cosméticos Industria de Polímeros Aditivos para colorantes 6 Aromas Aromas Fusarium oxysporum Biotransformación de terpenos limoneno Penicillium sp Biotransformación de terpenos Citronelol Alfa-terpineol Óxido de rosa Geranio Cítrico/ Naranja Coníferas/ Pino Violeta Aromas Rosa búlgara Biomasa Geotrichum fragans Oleaginosa ácido 2-metil propanóico 1-butanol propionato de etila Acetato de etila – – butanodiol Fruta madura 2-metil 1-butanol 2-metil propionato de etila Candida utilis Rhodotorula gracilis Hansenula saturnus Schwanniomyces alluvius etc... – Alimentación humana Ventajas Substrato para la producción de Enzimas A partir de diversos linajes de microorganismos Combustibles y lubricantes Alimentación animal 3-metil 1-butanol Protéica feniletanol Trichosporum sp Ecologicamente correcta Celulasas Glicosidasas Lipasas Amilasas Proteasas Financieramente viable 7 CONCLUSIONES • Las nuevas tecnologías son pensadas para proveer alimentos seguros y de óptima calidad organoléptica y nutricional. • La Ciencia de Alimentos y la Ingeniería de Alimentos pueden proveer nuevos ingredientes y nuevos procesos que permitan alcanzar este objetivo. GRACIAS • Nuevos ingredientes deben ser investigados. A partir de los sub-productos industriales los cuales podrán causar impacto considerable en la innovación en la Industria de Alimentos. 8