Potencial tecnológico de extractos vegetales en reemplazo de aditivos sintéticos para inhibir reacciones de deterioro en alimentos procesados y almacenados

Abstract

Las reacciones de pardeo no enzimático (como la reacción de Maillard) modifican las características fisicoquímicas, funcionales y organolépticas de alimentos, nutraceúticos y cosméticos. Sin embargo, en los últimos años distintas organizaciones internacionales identificaron compuestos que se generan en alimentos como potencialmente tóxicos y/o cancerígenos. Algunos de ellos son furfurales y compuestos heterocíclicos (furanos, pirroles y piridinas) y acrilamida. Se detectaron en concentraciones variables dependiendo de la severidad del tratamiento térmico o de las condiciones de almacenamiento. La ocurrencia de reacciones oxidativas o radicalarias, por lo general, no se tienen en cuenta cuando se analizan los factores que intervienen en la cinética de la reacción de Maillard, y sin embargo las mismas afectan no sólo a los lípidos sino también a los azúcares y juegan un papel muy importante en el transcurso de la reacción y en los productos que se forman. El objetivo de esta tesis fue explorar fuentes naturales de inhibidores de reacciones de deterioro, en particular estudiar la relación entre acción antioxidante y efecto antiglicante. Se evaluó la efectividad de extractos de hierbas y especias seleccionadas, de las familias Piperaceae, Lamiaceae, entre otras, para mitigar reacciones de deterioro y/o reemplazar aditivos sintéticos. Se abordó el objetivo desde una perspectiva de una química limpia y libre de solventes orgánicos combinada con nuevas tecnologías para la optimización de la extracción de biomoléculas con las funcionalidades deseadas. Los extractos vegetales se prepararon empleando soluciones etanol-agua, o β-ciclodextrina-agua en combinación con ultrasonido para facilitar la extracción de biomoléculas con actividad antiradicalaria y reductora. Se optimizó la extracción de antioxidantes a través de la metodología de superficie de respuesta. Sobre los extractos obtenidos se estudió la capacidad antioxidante e inhibitoria del pardeo. Se evaluaron marcadores químicos de distintas etapas de la reacción de Maillard: furosina, hidroximetilfurfural, glicosilación mediante SDS-PAGE con tinción específica, y absorbancia a 420 nm. Los extractos naturales presentaron efecto inhibitorio en el siguiente orden: pimienta de Jamaica > tomillo > pimienta verde > negra > blanca. El contenido de polifenoles correlacionó con la actividad antiglicante, lo que indica que los caminos oxidativos que llevan a la formación de productos pardos tienen una importante influencia, además de la vía tradicional de generación de intermediarios a través del reordenamiento de Amadori. La transición vítrea en los extractos estabilizados por liofilización en trehalosa provocó disminución de la capacidad antioxidante acentuada por cristalización de la matriz. Los resultados obtenidos contribuirán a mejorar la seguridad alimentaria y mitigar la generación de intermediarios no deseables en el procesado térmico de alimentos, ampliando las aplicaciones tecnológicas de productos naturales.

Non-enzymatic browning reactions (such as the Maillard reaction) modify the physicochemical, functional and organoleptic characteristics of foods, nutraceuticals and cosmetics. However, in recent years different international organizations have identified compounds that are generated in foods as potentially toxic and/or carcinogenic. Some of them are furfural and heterocyclic compounds (furans, pyrroles and pyridines) and acrylamide. They were detected in variable concentrations depending on the severity of the heat treatment or storage conditions. The occurrence of oxidative or radical reactions, in general, are not taken into account when analyzing the factors involved in the kinetics of the Maillard reaction, and yet they affect not only the lipids but also the sugars and they play a very important role in the course of the reaction and in the products that are formed. The objective of this thesis was to explore natural sources of inhibitors of deteriorative reactions, in particular the relationship between antioxidant action and antiglicante effect was studied. The effectiveness of extracts of selected herbs and spices, from the families Piperaceae, Lamiaceae, among others, was evaluated to mitigate deteriorative reactions and/or replace synthetic additives. The objective was addressed in the framework of a clean chemistry and free of organic solvents, combined with new technologies that favor the extraction of biomolecules with the desired functionalities. The plant extracts were prepared using ethanol-water solutions, or β-cyclodextrin-water in combination with ultrasound to facilitate the extraction of biomolecules with antiradical and reducing activity. The extraction of antioxidants was optimized through the response surface methodology. On the obtained extracts, the antioxidant and inhibitory capacity of browning were studied. Chemical markers of different stages of the Maillard reaction were evaluated: furosine, hidroximetilfurfur: furosine, hydroxymethylfurfural, glycosylation by SDS-PAGE with specific staining, and absorbance at 420 nm. The natural extracts had inhibitory effect in the following order: Jamaica pepper > thyme > green pepper > black pepper > white pepper. The content of polyphenols correlated with the antiglicant activity, which indicates that the oxidative pathways that lead to the formation of brown products have an important influence, in addition to the traditional way of intermediaries generation through the rearrangement of Amadori. The glass transition in the extracts stabilized in trehalose by freeze-drying, led to a decreased antioxidant capacity accentuated by the crystallization of the matrix. The obtained results contribute to improve food safety and to mitigate the generation of undesirable intermediaries in the thermal processing of foods, expanding the technological applications of natural products.