Ing. Pedro Cerezal Mezquita Ph D Universidad de Antofagasta

Transcripción

1 Ing. Pedro Cerezal Mezquita Ph D Universidad de Antofagasta 1

2 Objetivo General Mostrar una panorámica actual en relación a los Alimentos e Ingredientes funcionales (AeIF) a partir de microalgas en la Industria Alimentaria dando a conocer los principales compuestos de alto valor (colorantes, ácidos grasos poliinsaturados omega-3, proteínas, entre otros) con énfasis en los desafíos y las tendencias actuales. 2

3 Qué son los Alimentos Funcionales? No existe una definición universal para los Alimentos Funcionales (AF), se trata más de un CONCEPTO que de un grupo de alimentos Nació en Japón en los años 80. Las autoridades sanitarias para controlar los gastos, generados por la mayor esperanza de vida de la población anciana, había que garantizar una mejor calidad de vida. En 1990 se aprobaron los Alimentos de Uso Específico para la Salud (Foods for Specific Health Use, FOSHU), Este concepto se desarrolló después en Europa dentro del Proyecto Functional Food Science in Europe (FUFOSE) financiado por la Comisión Europea (EC) y coordinado por International Life Sciences Institute (ILSI). 3

4 Hasta la Fecha el Concepto de AF de mayor aceptación es el emitido por ILSI Europe en el año 1999 en el documeno de consenso Functional Food Science in Europe (FUFOSE). Aparición de Alimentos Funcionales 4

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7 Puede ser un alimento natural, al que se añade o se le elimina un componente, mediante medios tecnológicos o biológicos Puede tratarse de un alimento en el que se ha modificado la naturaleza o la biodisponibilidad de uno o más de sus componentes Combinación de las dos posibilidades anteriores Puede ir dirigido a toda la población o a grupos concretos como los referidos a la edad, constitución genética o situación fisiológica o combinación de estas posibilidades 7

8 Los AF pueden proporcionar efectos beneficiosos en las siguientes afecciones Osteoporosis Sindrome metabólico Diabetes Anemía Enfermedades coronarias Depresión AF Colesterol Menopausia Obesidad Enfermedades gastrointestinales Ciertos tipos de cáncer Hipertensión 8

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10 Ampliar el concepto de una alimentación saludable y quitar los actuales prejuicios existentes. Un 43% de la población cree que comer saludable es comer sólo ensaladas, 4 de cada 10 chilenos prefiere la comida sabrosa por sobre la comida sana; y 21% de los chilenos considera que los alimentos saludables son desabridos y aburridos. 10

11 Las microalgas, nuevos caminos hacia AeIF La forma presente de entender la nutrición en los países desarrollados considera que los alimentos no deben sólo suministrar los requerimientos básicos del organismo en: Proteínas, Grasas, Hidratos de carbono y Minerales, Además deben proporcionar Salud Los AF constituyen la respuesta a este reto, Mejorar la salud y reducir el riesgo a contraer enfermedades. Para ello se suelen enriquecer en CBA, que mejoran las funciones gastrointestinales, el aporte de sistemas redox y antioxidantes, y el metabolismo de macronutrientes o micronutrientes. 11

12 RAZONES PARA DESAROLLAR LA PRODUCCIÓN DE LAS MICROALGAS Actividad complementaria con los sectores tradicionales porque: No demanda suelo fértil Bajo consumo de agua dulce Bajo impacto ambiental CHILE en varias de sus regiones es un lugar ideal para su desarrollo Alta productividad / alto valor añadido. Gran potencial de generación de valor Es una actividad en plena expansión (aumenta la demanda). Número de competidores limitado. Componentes más importantes de las Microalgas Altos contenidos de ácidos grasos poliinsaturados : Altos contenidos proteicos con excelentes perfiles aminoacidicos Otras biomoléculas (pigmentos, antioxidantes, factores de crecimiento) 12

13 CHILE TIENE OPORTUNIDADES SUMAMENTE INTERESANTES PARA POTENCIAR EL DESARROLLO DE ALIMENTOS SALUDABLES Y PARA TRANSFORMARSE EN POLO DE INNOVACIÓN A NIVEL MUNDIAL. Impacto Socio-económico 1) El cultivo masivo industrial es atractivo para zonas áridas y semiáridas. 2) Además de la producción de aceite que podría utilizarse para la obtención de biodiesel y/o como grado alimenticio, se puede obtener cantidades considerables de proteína como complemento alimenticio para el hombre. 3) Extracción de ácidos grasos esenciales (EPA y DHA) para su utilización como complemento alimenticio o incorporarlas en diferentes alimentos. 4) Extracción de pigmentos (carotenos, astaxantina, ficocianina y ficoeritrina) para utilizarlos en la industria alimenticia como colorantes naturales así como complemento alimenticio por su capacidad antioxidante. 13

14 VENTAJAS DE LAS MICROALGAS COMO ALIMENTOS FUNCIONALES Potenciales IF encontrados en diferentes Microalgas 14

15 COMPOSICIONES QUÍMICAS DE ESPECIES DE MICROALGAS Y OTRAS FUENTES PARA ALIMENTACIÓN HUMANA. 15

16 FAO/OMS recomienda 500 mg/día de EPA + DHA en los adultos y 300 mg/día de DHA para las madres. Para lactantes y escolares = 150 mg/día de DHA 16

17 List of carotenoids that are possible to obtain by selected microalgae 17

18 Ingredientes funcionales potenciales a partir de las microalgas from microalgae y sus principales efectos en la salud humana.. 18

19 Global distribution of Private Companies producing commercial food and feed products derived from microalgae (2014) 19

20 MERCADO Y NORMATIVA DE ALIMENTOS QUE CONTIENEN MICROALGAS En Chile Año 2012 Mercado de las Microalgas en la Industria Alimentaria Reducido Las importaciones y exportaciones de biomasa de microalgas fueron: 6,11 y 18,5 t, respectivamente, siendo Estados Unidos, Europa y Japón los principales destinos Un mercado que se estima moviliza más de US $5 millones al año El cultivo de microalgas se ha destinado principalmente a producir biomasa para la elaboración de productos nutritivos para acuicultura y consumo humano, basándose en la capacidad de generar: ácidos grasos omega 3 y 6, antioxidantes, vitaminas y sales minerales, entre otros. 20

21 MERCADO Y NORMATIVA DE ALIMENTOS QUE CONTIENEN MICROALGAS En EE.UU la FDA ha notificado la aceptación del uso de ingredientes derivados de microalgas como: la spirulina, regulando su utilización en bebidas y bases para bebidas, cereales y jugos de frutas, productos lácteos, congelados y mezclas, productos de granos y pastas, frutas procesadas y verduras. En Chile, Falta de claridad para las Empresas Chilenas respecto de: cuáles son los organismos fiscalizadores cuáles son las normativas que aplican para cada caso y cuáles serían las regulaciones aplicables a los procesos de producción y elaboración de alimentos. También es una dificultad escalar la producción de microalgas a nivel comercial, dado que es considerado como algo riesgoso, desconocido y muy costoso 21

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23 Existe la necesidad de combinar los procedimientos de extracción adecuados, selectivos, rentables y respetuosos con el medio ambiente, así como con los requisitos legales en cuanto a la utilización de disolventes y procesos de calidad alimentaria. Técnicas de Extracción Tradicionales (TET) Extracción Soxhlet (ES) Extracción Sólido-Líquido (ESL) Extracción Líquido-Líquido (ELL) Estas técnicas están caracterizadas por la utilización de altos volúmenes de solventes y tiempos largos de extracción. Estas técnicas producen frecuentemente bajos rendimientos de extracción de los CBA y presentan una baja selectividad 23

24 Las TET son por lo general procedimientos no automatizados y su reproducibilidad por tanto, puede verse comprometida. Se han desarrollado Nuevas Técnicas de Extracción (NTE) que se están aplicando en los procesos de obtención de CBA, en microalgas, con resultados muy alentadores desde el punto de vista del rendimiento y calidad, así como ser amigables con el medio ambiente: Nuevas Técnicas de Extracción de CBA con fluido supercritico (EFS) con líquidos presurizados (ELP) acelerada con solvente (EAS) enzimática (EE) con agua caliente presurizada (EACP) asistida con ultrasonido (EAU) asistida con microondas (EAM) con altas presiones de homogenización (EAPH) Proporcionan una alternativa eficaz a los problemas encontrados con el uso de los procedimientros de las extracciones tradicionales 24

25 Breve descripción de los principales ingredientes potenciales de AF que pueden ser aisladas a partir de diferentes fuentes de microalgas: Antioxidantes Lipidos Hidratos de carbono Péptidos y Proteínas Extracción con fluido supercritico (EFS) Dunaliella salina Haematococcus pluvialis Spirulina platensis Chlorella vulgaris Botrycoccus braunii Scenedesmus and Nostoc 25

26 Extracción con líquidos presurizados (ELP) Dunaliella salina Haematococcus pluvialis Spirulina platensis Chlorella vulgaris Botrycoccus braunii Scenedesmus and Nostoc La extracción con líquidos presurizados es también conocida como extracción de fluido a presión (EFP), extracción mejorada con disolventes (EMD), extracción con disolvente a alta presión (EDAP), o extracción acelerada con disolvente (EAD). En comparación con la EFS, la ELP es más versátil en términos de los disolventes de extracción que pueden ser utilizados y, por lo tanto, es más flexible en términos de CBA a ser extraídos. En la ELP se seleccionará el disolvente dependiendo de la polaridad del compuesto objetivo. Sin embargo, esta técnica es considerada por mucho, menos selectiva que el EFS. 26

27 Extracción con agua caliente presurizada (EACP) También conocida como la extracción de agua subcrítica (EAS), extracción de agua presurizada de baja polaridad (EAPBP), o extracción de agua sobrecalentada (EASC) es un uso particular de (ELP) con agua como disolvente de extracción. Las principales ventajas de los sistemas a baja escala, en comparación con configuraciones comerciales, son la posibilidad de realizar ambas extracciones, dinámicas y estáticas, con menos restricciones operativas, el intervalo de temperatura de trabajo y la posibilidad de llevar a cabo diferentes procesos (de reacción, de secado, y de extracción) mediante la modificación de la configuración básica. 27

28 Extracción enzimática y mediante Shock osmótico Es una reducción repentina de la presión osmótica, Las paredes de las células de las microalgas se degradan por el uso de enzimas. Es un método relativamente fácil de utilizar Las enzimas también pueden ser utilizadas para transformar los ácidos grasos presentes en las microalgas 28

29 Extracción asistida con ultrasonido (EAU) con microondas (EAM) y con altas presiones de homogenización (EAPH) Resultados satisfactorios en las especies Cl. Vulgaris; Scenedesmus sp.; y en Botriococcus sp. Combinación EAU + EAM EAU EAPH La EAU utiliza la cavitación acústica para causar la ruptura de las paredes celulares, la reducción de tamaño de las partículas y el aumento de contacto entre el disolvente y el CBA de interés. La EAM utiliza radiación de microondas que causa el movimiento de moléculas polares y la rotación de dipolos para calentar los disolventes y promover la transferencia de compuestos de interés de la matriz de la muestra en el disolvente. La EAPH utiliza muy altas presiones (> 150 MPa) contribuyendo a la disrupción celular y la liberación de sustancias de interés intracelulares. 29

30 La incorporación de las microalgas como ingrediente ("funcional") en la formulación de nuevos productos en todo el mundo ha experimentado un crecimiento exponencial, alcanzando un peak de lanzamientos en

31 PRODUCTOS CON ADICIÓN DE MICROALGAS PRESENTES EN EL MERCADO 31

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33 OTROS PRODUCTOS COMERCIALES CON ADICIÓN DE MICROALGAS Jugo de saúco + manzana + alga con 4% de Chlorella Helados Funcionales Galletas con harina de microalgas 33

34 PRODUCTOS CON ADICIÓN DE MICROALGAS. DESARROLLADOS EN INVESTIGACIÓN 34

35 The enrichment of raw control fresh pastas with Ig and Dv biomass led also to a significant increase of eicosapentaenoic acid (20:5ω3, EPA) and docosahexaenoic acid (22:6ω3, DHA) that were absent in raw control pastas Preparation of a fresh pasta enriched with Isochrysis galbana (Ig) microalga biomass (a). Effect of microalgal biomass concentration (Diacronema vlkianum) (Dv) on the appearance of fresh pasta (b). Pastas containing different levels of Spirulina maxima (1) and Chlorella vulgaris green (2) and orange (3) biomass. 35

36 Oil-in-water (o/w) pea protein-stabilized emulsions, a) without pigment addition (control), b) with 0.50% (w/w) lutein, c) with 0.50% (w/w) phycocyanin, d) with both pigments in equal proportion 50L:50P (0.50% total piment). Oil-in-water food emulsions coloured with different concentrations of a) Haematococcus pluvialis, b) Chlorella vulgaris green and c) Chlorella vulgaris orange biomass 36

37 Biscuits with Chlorella vulgaris biomass, a) at various concentration levels ( %), b) and in comparison with Haematococcus pluvialis (pink) and Chlorella vulgaris (orange) carotenogenic biomass addition. Biscuits with different incorporation levels (0.0%, 1.0%, 3.0%) of Isochrysis galbana biomass. Gelled vegetable desserts with incorporation of microalgae biomass (a) and commercial pigments (b). 37

38 Yogur, Leches y Helados Salsas aderezos (Mayonesas y cocktail) Postres de Gelatinas Haematococcus pluvialis (Astaxantina) Bebidas energizantes Rellenos de bombones Estudio reológico de la oleorresina Estudio de estabilidad de la oleorresina Pigmentos Naturales A partir de biomasa de Microalgas Murriellopsis sp (Luteína) Yogur y Leches Mayonesas Porfiridium Cruentum (Β-Ficoeritrina) Productos lácteos Salsas aderezos (Mayonesas) Chlrolella vulgaris Rellenos de bombones Mayonesa Spirulina Tabletones dulces 38

39 Degradación de la astaxantina en el yogur naturalpara un tiempo de 28 días. Degradación de la astaxantina en el yogur dietpara un tiempo de 28 días. 39

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41 Etapas para la obtención del microencapsulado de aceite de microalgas y su aplicación. Selección de materiales Aceite de Microalgas (DHA > 35 %) Formulación Preparación de la emulsión Homogeneización de la emulsión Microencapsulado Polisacáridos Proteínas - Maltodextrina - Goma arábiga - Caseinato de sodio - Gelatina Emulsificante - Lecitina de Soya Secado por aspersión Recuperación de microencapsulado Empacado al vacío Almacenamiento Caracterización del microencapsulado Aplicación en matriz alimentaria Materiales pared seleccionados para la microencapsulación. Componentes generales Porcentaje (%) Componentes específicos Participación en la Fórmula (%) Materiales Pared 46.5 Maltodextrina 27.9 Aceite de microalga Formulación para la emulsión Goma arábiga Caseinato de sodio 18.6 Gelatina 46.5 Aceite de microalga (DSM life s) 46.5 Emulsificante 7.0 Lecitina de Soya

42 Secador por Aspersión B-290 (Büchi); (a) Vista frontal; (b) Esquema representativo indicando partes y accesorios Perfil de Ácidos Grasos del Aceite de Microalga rico en Omega-3 DMS life s DHS Microencapsulados con diferentes cantidades de materiales pared Nombre (Ácidos Tiempo de Área Área Grasos) retención (min) (%) C18:1n9t C18:1n9c C18:2n6t C20: C18:3n C18:3n C20: C20:3n C20:3n (C22:1n9 + C20:4n6) C23: C22: EPA (C20:5n3) C24: C24: DHA (C22:6n3) Composición de Ácidos Grasos del Aceite de Microalga rico en Omega-3 DMS life s DHS 42

43 Diferentes sabores de yogur con 50 g cada uno, y 0,5 g de microencapsulados (500 mg de aceite de microalgas 200 mg de DHA) y leches con 0,4 g microencapsulados (160 mg DHA) Microencapsulado obtenido con la mejor formulación 43

44 Elaboración de Emulsión de la oleorresina de astaxantina Agitación mecánica Ultraturrax (UT) Agitación mecánica Ultraturrax (UT) Ultrasonido (US) Fase líquida Mezcla de fases y calentamiento Adición de oleorresina de astaxantina Emulsión gruesa Emulsión fina Fase sólida Dilución de una gota de emulsión en 100, 500 y 1000 µl Observación y medición de micelas 44

45 Selección de Bebidas isotónicas del mercado ( Controles ) Pigmentación de Bebidas isotónicas con la emulsión de astaxantina simulando las coloraciones del mercado A B C D E Amarillo crepúsculo, tartrazina Amarillo crepúsculo Sin colorantes Rojo allura AC Rojo allura AC Coordenadas cromáticas BIC L* a* b* Naranja (A) 47,43 ± 3,16 a 24,00 ± 0,86 a 78,21 ± 2,21 a (B) 46,57 ± 0,34 a 22,58 ± 0,17 b 75,41 ± 0,67 a Incolora (C) 61,72 ± 0,56-0,98 ± 0,13 1,74 ± 0,17 Roja (D) 35,74 ± 1,32 a 41,96 ± 0,34 a 29,69 ± 2,17 a (E) 33,34 ± 0,17 b 45,09 ± 0,06 b 44,40 ± 0,45 b 45

46 Características cromáticas de las Bebidas isotónicas pigmentadas con la emulsión de astaxantina. p Coordenadas cromáticas Peso de EOA (ppm) BIP L* a* b* ,36 ± 0,06 a 28,59 ± 0,04ª 39,54 ± 0,21 a ,07 ± 0,03 b 35,49 ± 0,04 b 48,56 ± 0,20 e ,74 ± 0,05 c 38,00 ± 0,06 c 47,19 ± 0,16 d ,17 ± 0,04 d 38,80 ± 0,05 d 44,31 ± 0,20 c ,80 ± 0,03 e 39,20 ± 0,06 e 41,09 ± 0,17 b 46

47 Pigmentación de mayonesa con oleorresina de astaxantina y cúrcuma. Oleorresina de Cúrcuma Oleorresina de Astaxantina *Huevo entero *Aceite *Limón *Sal Mayonesa prototipo PERFIL DE ELUCIÓN DE LA OLEORRESINA EN MAYONESA FORMULADA A, BY C 47

48 Pigmentación de matrices alimentarias con astaxantina microencapsulada en oleosomas (AMO) Muestras de Helado pigmentado; M1 (2,4 % AMO) y M2 (4,5 % AMO) (a) (b). Muestras de Yogurt natural pigmentado. De izquierda a derecha: M1 (Yogurt sin pigmentar) M2 (0,3% AMO); M3 (0,6% AMO); M4 (1,2% AMO); M5 (Yogurt comercial) (a) y (b). 48

49 Mayonesa casera sin AMO (a). Mayonesa casera pigmentada: De izquierda a derecha: M1 (0,09% AMO) y M2 (0,6% AMO) (b) y (c). Pigmentación de base de mayonesa casera con AMO (M2), para simular aderezo tipo Cocktail (M1) (a y b). 49

50 Pigmentación de Postres de gelatina con emulsión de oleorresina de astaxantina Muestra de gelatina pigmentada en la cubeta de cuarzo del equipo ColorFlex Gelatina Pigmentada con emulsión de Astaxantina 50

51 Pigmentación de relleno de bombón con oleorresina de astaxantina (OA) Oleorresina de Astaxantina 5% Elaboración de Bombón Controlando en Bombón Final: Derretido: 50±3 C Tiempo de fundido: 18±3 min Moldeo: 10 C/20min Estrés lumínico, irradiación de luz blanca artificial fluorescente de forma ininterrumpida de 20 W, muestras ubicadas en zona central, siendo estas expuestas a 4700 Lux. Se midió la influencia de OA, en la dureza del relleno del bombón. Mediciones realizadas con texturometro TA.XT.PLus. Comparando bombones con/sin adición de OA 51

52 Nº AUTORES, AÑO Y TÍTULO REVISTA Pubicaciones Científicas (Base ISI: Corriente Principal) Cerezal, P.; Barragán, B.E.; Palma, J.C.; Ortíz, C.P. (2013). MILKS PIGMENTATION WITH Journal of Food Science and ASTAXANTHIN AND DETERMINATION OF COLOUR STABILITY DURING SHORT PERIOD Technology Mysore. 52 (3): 1634 COLD STORAGE Cerezal, P.; Barragán, B.E.; Palma, J.C.; Ortíz, C.P. (2014). STABILITY OF ASTAXANTHIN IN YOGURT USED TO SIMULATE APRICOT COLOR, UNDER REFRIGERATION. Food Science and Technology. 34 (3): Villalobos, F.; Cerezal, P.; Hernández, M.L.; Barragán, B.E. (2013). PRODUCTION AND International Journal of Food STABILITY OF WATER-DISPERSIBLE ASTAXANTHIN OLEORESIN FROM PHAFFIA Science and Technology; 48 (6): RHODOZYMA Pubicaciones Científicas (Base Scielo: Corriente Principal Latinoamérica) Nº AUTORES, AÑO Y TÍTULO REVISTA 1 2 Letelier, J.C.; Tejo, M.; Cerezal, P. (2014). STUDY OF CHEMICAL DEGREE Revista de la Facultad Nacional MODIFICATION OF PROTEIN ISOLATED FROM THE MICROALGAE SPIRULINA (Arthrospira de Agronomía de Medellín. 67 (2) maxima). Supl. II: Letelier, J.C.; Marqués de Lucena, S. (2014). CHARACTERIZATION OF THE PROTEIN FRACTIONS FROM THE MICROALGAE SPIRULINA (ARTHROSPIRA MAXIMUM) Revista de la Facultad Nacional de Agronomía de Medellín. 67 (2) Supl. II:

53 Observaciones finales y perspectivas futuras. Las microalgas son una fuente de un gran número de compuestos naturales de alto valor: pigmentos, PUFAs, carbohidratos, proteínas y otros, que tienen una amplia gama de aplicaciones como IF. Las microalgas como biorreactores tienen ventajas sobre las bacterias, levaduras, plantas, y otros sistemas para la producción de moléculas biológicamente activas, incluyendo: la sostenibilidad, la seguridad, los métodos de cultivo alternativos y escalabilidad. Persiste un gran número de cuellos de botella que deben resolverse antes que las microalgas puedan desplazarse de un nicho de mercado hacia el uso a gran escala como Commodities de Alimentos. Para los ingredientes derivados de las microalgas, se necesitan realizar serios esfuerzos de I + D y una mayor comprensión por parte de los consumidores, así como campañas de mercado para promover sus ventajas y su aceptabilidad. 53

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