Obtención de compuestos biofuncionales a partir del material lignocelulósico de Amaranthus hyponchondriacus L. Público Deposited

El amaranto se ha cultivado en México desde la época precolombina, del cual se obtiene un rendimiento aproximado por hectárea de 1.1 a 6 toneladas de grano, 3.8 a 4.1 y toneladas de hoja lo que genera anualmente alrededor de 271,100 toneladas de residuos agrícolas llamados “rastrojo de amaranto”. El uso del rastrojo de amaranto es muy limitado, se abandona en el campo como abono vegetal, se usa como forraje para animales y en la mayoría de las veces es quemado, representando un problema de contaminación. El rastrojo de amaranto es una material lignocelulósico compuesto principalmente de celulosa, hemicelulosas y lignina, representando una importante fuente de fibra dietética. A la fecha no existe un estudio integral del rastrojo de amaranto. Por lo que el objetivo del este trabajo fue darle un valor agregado a este material lignocelulósico de amaranto, obteniendo compuestos biofuncionales: fibra dietética, antioxidantes y prebióticos. Para lograr este objetivo se utilizaron 2 tipos de rastrojo RT y RC, el tallo y la hoja. La fibra dietética se obtuvo mediante un tratamiento con enzimas digestivas, los compuestos antioxidantes se obtuvieron mediante una extracción acuosa siguiendo una relación 1:20 (p/v) y una hidrólisis ácida con ácido sulfúrico manteniendo una temperatura de 121ºC y una relación 1:16 (p/v), los hidrolizados se llevaron a pH 7 con una solución saturada de carbonato de sodio, seguidos de una extracción con acetato de etilo la relación fue de 1:3(v/v), para la separación de compuestos polares y no polares de los hidrolizados. A los extractos acuosos e hidrolizados se les cuantifico el contenido de fenoles totales por el método de Folin-Ciucalteau y flavonoides, así mismo se les evaluó su capacidad antioxidante por diferentes sistemas de oxido reducción (% de inhibición de los radicales DPPH•, ABTS-persulfato, efecto quelante sobre el ión Fe2+, poder reductor). Los prebióticos se obtuvieron mediante la hidrólisis ácida para lo cual se cuantificó el contenido de azúcares reductores por el método de DNS. El análisis químico proximal de los rastrojos RT y RC, tallo y hoja en crudo, mostró que el tallo contiene el mayor contenido de fibra cruda (44.1±1.72), la hoja el mayor contenido de proteína, extracto etéreo y cenizas (19.6±0.65, 5.4±0.19, 12.1±0.24 respectivamente). El análisis químico de los materiales en crudo mostro que el tallo es el que presenta el mayor contenido de celulosa (46.8±0.1) debido a que el tallo es el medio por el cual se nutre la planta, La hoja y el RC fueron los que presentaron el mayor contenido de hemicelulosas (23.6±1.3 y 26±0.4 respectivamente), en cuanto a la lignina el tallo y la hoja son los que presentaron un mayor contenido (15.4±0.3 y 12.5±0.4), el mayor contenido de extraíbles estuvo presente en el RT (38.1±1.1). 60% de las hemicelulosas de RT corresponde a los pentosanos, (para este material de estudio serían Xilosa y arabinosa), en el caso de RC en su mayoría de las hemicelulosas está compuesta de glucosa, manosa y galactosa, y cerca de un 22% pertenece a xilosa y arabinosa, en tallo se puede asegurar que las hemicelulosas que contiene está compuesta únicamente de xilosas y arabinosas, mientras que para la hoja cerca del 50% son pentosas y la otra mitad lo componen las hexosas. Al realizar la extracción acuosa se obtienen residuos sólidos en los que se concentra el contenido de compuestos, como en el caso de la proteína en las muestras de RC y hoja (15.9±0.63 y 29.9±1.6), así como el contenido de fibra (RT=27.6±0.22, RC=10.8±0.52, tallo=47.2±3.0 y hoja=10.47±0.37) y extracto etéreo en todas las muestras de estudio ya que este tipo de compuestos son insolubles en medios acuosos, además de perdidas en minerales y ELN. El tallo presento el mayor contenido de fibra dietética total (69.77%), en comparación con el RT hoja y tallo (54.82%, 42.34% y 30.55% respectivamente), lo cual nos indica que tanto el tallo como el RT son una fuente para la obtención de Fibra dietética. La mayor concentración de polifenoles en los extractos acuosos (EA) se obtuvieron a ebullición durante 5 minutos, el EA de hoja fue la que presentó un contenido de polifenoles (12.55±0.8 mgeq.AG/g) mayor a los EA de los rastrojos RT, RC y tallo (7.6±0.56, 6.2±0.04 y 1.62±0.01 mgeq.AG/g). Para el caso de los hidrolizados el mayor contenido de polifenoles se alcanza a un tiempo de 90 minutos utilizando una concentración de ácido sulfúrico de 5% (v/v) manteniendo la temperatura de 121ºC. Se evaluó en el residuo sólido obtenido de la extracción acuosa y en la fibra dietética insoluble obtenida a partir de tratamientos enzimáticos con el fin de purificarlos, sin embargo se encontró un mayor contenido de polifenoles en los residuos sólidos sin purificar. Comparativamente el contenido de polifenoles expresado en mg eq. AG/g de los rastrojos RT y RC, tallo y hoja en la fase orgánica resulto: 26,64±0.39, 33,79±0.14, 55.65±0.56, 15.33±0.34, respectivamente y para la fase acuosa resulto: 70.52±1.2, 83,98±0.15, 57.99±0.93 y 101.53±1.61, siendo el hidrolizado de la hoja en la fase acuosa la que presenta el mayor contenido de polifenoles. Así pues el proceso de hidrólisis libera un contenido importante de compuestos fenólicos. Se observo que la cantidad de flavonoides tanto en los extractos acuosos como en los hidrolizados no representa un importante porcentaje de los polifenoles totales, por lo que sugiere una caracterización de estos compuestos. El IC50 de reducción del radical DPPH• que presentaron los extractos acuosos de para RT, RC tallo y hoja fueron de 0.73, 0.84, 0.45 y 1.45 mg eq. AG/g, mientras que los hidrolizados de RT, Rc tallo y hoja para la fase orgánica fue de 0.039, 0.35, 0.55 y 0.30 mg eq. AG/g y para la fase acuosa 0.97, 2.08, 1.7 y 1.69 mg eq. AG/g, respectivamente, lo cual nos indica que la actividad antioxidante no es proporcional al contenido de polifenoles, tanto en los extractos acuosos como en los hidrolizados. El extracto acuoso de hoja fue la que presento un mayor porcentaje de inhibición del radical ABTS-persulfato (57.58±0.68, a una concentración equivalente a 28.13±0.2 mg eq. Trolox/g). En cuanto al poder reductor se pudo observar que en los extractos acuosos y los hidrolizados no intervienen de forma predominante las reacciones de oxido reducción por medio de la transferencia de hidrógenos como lo hace el glutatión reducido. Así mismo todos los extractos acuosos y los hidrolizados presentaron actividad quelante sobre el ión Fe2+, en el caso de los hidrolizados se necesitaron concentraciones de ppm de polifenoles para poder observar el la actividad quelante. La liberación de azúcares reductores fue dependiente del tiempo, se sugiere medir su grado de polimerización para asegurar que caen dentro del rango de oligosacáridos. El amaranto es un cultivo que genera residuos agrícolas llamados Rastrojo de amaranto, teniendo un uso limitado hasta antes de esta investigación. Las pruebas realizadas muestran que los rastrojos RT y RC, el tallo y la hoja son fuente de compuestos funcionales que pueden ser incluidos para la elaboración de alimentos funcionales, por lo que el rastrojo de amaranto el tallo y la hoja representan una alternativa como materias primas potenciales para la industria alimentaria, al enfocarse hacia un desarrollo sostenible y renovable por la utilización de nuevas fuentes de recursos.

Amaranth has been cultivated in Mexico since pre-Columbian times, which gives an approximate yield per hectare 1.1 to 6 tons of grain / ha, 3.8 to 4.1 tons of coca leaf / ha, which generates about 271.100 tons of agricultural waste called "stubble Amaranth". The use of amaranth stubble is very limited, used as fertilizer, animal fodder and mostly burned, representing a pollution problem. The stubble Amaranth is a lignocellulosic material composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin, an important source of dietary fiber. To date there is no integrate studies about it. The main goal of this work was to add value to the amaranth´s lignocellulosic material, obtaining biofunctional compounds, dietary fiber, antioxidants and prebiotics. To achieve this goal using 2 types of stubble RT and RC, stem and leaf. Dietary fiber was obtained by treatment with digestive enzymes, antioxidant compounds were obtained by aqueous extraction following a relationship 1:20 (w / v) and acid hydrolysis with sulfuric acid to maintain a temperature of 121 ° C and a 1:16 ratio (w / v), the hydrolysates were taken to pH 7 with a saturated solution of sodium carbonate, followed by extraction with ethyl acetate the ratio was 1:3 (v / v) for separation of polar compounds and nonpolar hydrolysates. In the aqueous extracts and hydrolysates were quantified total phenol content by Folin-Ciucalteau and flavonoids, are likewise evaluated their antioxidant capacity by different systems of oxide reduction (% inhibition of DPPH • radicals, ABTS- persulfate ion chelating effect on Fe2+, reducing power). Prebiotics were obtained by acid hydrolysis and quantified the content of reducing sugars by DNS method. Proximal chemical analysis of residues RT and RC, stem and leaf oil showed that the stem contains the highest content of crude fiber (44.1 ± 1.72), leaves contain the most protein, ether extract and ash amounts (19.6 ± 0.65 , 5.4 ± 0.19, 12.1 ± 0.24 respectively). Chemical analysis of raw materials showed that the stem is the one with the higher cellulose content (46.8 ± 0.1) because stem is the means for plant nourishment, leaf and RC were the ones that presented the highest content of hemicelluloses (23.6 ± 1.3 and 26 ± 0.4 respectively). About lignin, stem and leaves are those that had a higher content (15.4 ± 0.3 and 12.5 ± 0.4). The largest extractable content was present in the RT (38.1 ± 1.1). 60% of RT hemicelluloses correspond to the pentosans (study material for correspond to xylose and arabinose) in the case of RC in most of the hemicellulose is composed of glucose, mannose and galactose, and about 22% belongs to xylose and arabinose, in the stem can ensure that the contained hemicelluloses consist only of arabinose and xylose, while for the sheet about 50% are pentoses and the other half is made up of hexoses. After aqueous extraction, solid residues were obtained and compounds are concentrated in this phase, as in the case of protein in the samples of RC and leaf (15.9 ± 0.63 and 29.9 ± 1.6) and the fiber content ( RT = 27.6 ± 0.22, RC = 10.8 ± 0.52, = 47.2 ± 3.0 stem and leaf = 10.47 ± 0.37) and ether extract in all study samples because these compounds are insoluble in aqueous media, in addition to loss of minerals and ELN. The stem presented the highest content of total dietary fiber (69.77%) compared with RT leaf and stem (54.82%, 42.34% and 30.55% respectively), which indicates that both the stem and the RT is a source for obtaining dietary fiber. The highest polyphenol concentration in the aqueous extract (EA) was obtained when boiling for 5 minutes, the EA leaf was the one with a polyphenol content of 12.55 ± 0.8 mgeq.AG / g, higher than the EA of stubble RT, RC and stem (7.6 ± 0.56, 6.2 ± 0.04 and 1.62 ± 0.01 mgeq.AG / g). In the case of the hydrolysates, the highest polyphenol content is reached at 90 minutes using a sulfuric acid concentration of 5% (v / v) maintaining 121 ° C. The solid residue obtained by aqueous extraction and insoluble dietary fiber from enzyme treatments. Was evaluated in aim to be purified, however, in unpurified solids higher polyphenol content was found. Comparatively the polyphenol content in mg eq. AG / g of stubble RT and RC, stem and leaf resulted in the organic phase: 26.64 ± 0.39, 33.79 ± 0.14, 55.65 ± 0.56, 15.33 ± 0.34, respectively, and turned the water phase: 70.52 ± 1.2 , 83.98 ± 0.15, 57.99 ± 0.93 and 101.53 ± 1.61, being the leaf hydrolyzate in the aqueous phase the one with the highest polyphenol content. Thus, the hydrolysis process releases a significant content of phenolic compounds. It was observed that the amount of flavonoids in both water extracts and in hydrolysates do not represent a significant percentage of total polyphenols, which suggests a characterization of these compounds. The IC50 for reduction of DPPH radical • presented by the aqueous extracts of RT, RC stem and leaf were 0.73, 0.84, 0.45 and 1.45 mg eq. AG / g, while hydrolysates RT, Rc stem and leaf in organic phase were 0.039, 0.35, 0.55 and 0.30 mg eq. AG / g for the aqueous phase 0.97, 2.08, 1.7 and 1.69 mg eq. AG / g, respectively, which indicates that the antioxidant activity is not proportional to the polyphenol content in both water extracts and in the hydrolysates. The leaves´ aqueous extract presented the highest inhibition percentage of ABTS-persulfate radical (57.58 ± 0.68 at a concentration equivalent to 28.13 ± 0.2 mg eq. Trolox / g). About reducing power, it was observed in the aqueous extracts and hydrolysates are not involved predominantly in redox reactions via hydrogen transfer as does the reduced glutathione. Likewise, all the aqueous extracts and hydrolysates showed chelating activity on Fe2+ ion, in the case of the hydrolysates, polyphenol ppm-order concentrations were needed to observe the chelating activity. The release of reducing sugars was time dependent, it is suggested to measure the degree of polymerization to ensure that are considered in the range of oligosaccharides. Amaranth is an agricultural crop that produces waste called amaranth stubble, having limited use prior to this investigation. Tests show that the residues RT and RC, stem and leaf are a source of biofunctional compounds that can be included for the development of functional foods, so the stubble of amaranth stem and leaf are alternative raw materials with potential for being achieved by food industry, focusing towards renewable and sustainable development for using new resources.

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