Caracterización de frutos del género Opuntia, extracción y coacervación compleja de sus betalaínas - Carreón Hidalgo, Juan Pablo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2022)
Known for their use as food colorants, betalains are water-soluble pigments found in various plant species. Adding these compounds as a colorant can also offer added value, as betalains are known to have several functional properties that can be beneficial to consumer health. Although the main source of these pigments is beet (Beta vulgaris), it is imperative to characterize other plant species that can offer advantages from an agronomic and compositional approach. In order to produce food additives from plant species, processes must be developed that allow obtaining the maximum extraction yields of the compounds of interest, that contribute to maintain or improve their stability and that are environmentally friendly This study carried out the characterization of four varieties of fruits of the genus Opuntia: Vigor, Pirámides, Pelota, and Mandarina. Characterization was carried out by measuring different chemical parameters, color, quantity of betalains, antioxidant capacity, and total phenolic compounds in the aqueous extracts of the pulp, which were compared with those obtained in beet, taking into account that it is the most used and studied source of betalains. The results obtained in the prickly pear varieties were within the ranges reported for other varieties from other regions. To carry out the next stages of the study, two varieties of prickly pear were selected: Vigor, with a purple color, for its high pigment content, and Mandarina, for its attractive yellow-orange color and its lower availability in nature. The second stage of this study entailed establishing the extraction method of functional compounds from Vigor and Mandarina prickly pear pulp. A triple aqueous extraction at a 1:2 ratio (g/mL) using fresh prickly pear pulp was established as the best method of extraction of betalains and other functional compounds in comparison with other types of extraction evaluated, such as the percentage of ethanol in water as solvent, the increase of solvent volume, the application of ultrasound for up to 6 min, and the application of microwave-ultrasound for up to 10 min. Extraction with ethanol in water significantly reduced extraction yields of the compounds of interest by up to 35%, while higher solvent volumes increased yields by up to 45%. The application of microwave-ultrasound had no effect on extraction and, notably, the application of ultrasound for 3 min increased extraction yields of functional compounds in both varieties of prickly pear. Triple aqueous extraction with a 1:2 ratio (g/mL) in Vigor prickly pear pulp yielded, compared to sonotrode application for 3 min, e.g., 14.2% more betacyanins, 6.0% more total phenolic compounds, 31.4% more antioxidant capacity by ABTS, and 66.3% more antioxidant capacity by DPPH. Regarding Mandarina prickly pear pulp, triple aqueous extraction resulted in 6.4% more betaxanthins, 19.4% less total phenolic compounds, 15.6% more antioxidant capacity by ABTS, and up to 2 times more antioxidant capacity by DPPH than sonotrode application for 3 and 6 min. A third stage involved carrying out heat stability tests with aqueous extracts of Vigor and Mandarina prickly pear pulp, as well as beet pulp. Betaxanthins from Mandarina prickly pear were found to be more thermostable than beet betaxanthins at a temperature range of 50 to 90°C, while Vigor prickly pear betacyanins exhibited similar thermostability to beet extracts. Although the antioxidant capacity and total phenolic compounds in the aqueous extracts subjected to different temperatures showed a significant decrease with respect to heat treatment time, no clear effect was recorded for increasing temperature. This could be due to the presence of other compounds from the raw material and the generation of degradation compounds of betalains and phenolic compounds due to the effect of temperature. Finally, the process of encapsulation by complex coacervation of betalains in the pulp of Vigor and Mandarina prickly pear varieties was established. A response surface design (BoxBehnken) was proposed using soy protein and pectin through variations in pH, percentage of soy protein, and betalain concentration. This allowed obtaining an encapsulation efficiency of up to 39% for betacyanins using a pH of 4, a protein percentage of 2.0% (w/v) and an absorbance of 0.2 at 538 nm, while in the case of betaxanthins, efficiencies between 37 - 47% were obtained using absorbances of 0.2 at 483 nm. The encapsulation efficiencies of betalains obtained in this study were below those reported in recent studies of encapsulation by simple and complex coacervation of betalains. This could be due to the low affinity of betalains for the coacervate formed with the biopolymers used to carry out the complex coacervation. The results of this study can contribute to the selection of prickly pear varieties with potential for use as a betalain source, as well as to the establishment of extraction and encapsulation processes by complex coacervation. In addition, this study also provides a methodology that can be used to evaluate and compare the thermostability of different sources. Further research is required to determine the role of other compounds in the antioxidant activity during heat treatment and whether the encapsulation process by complex coacervation can play a part in betalain stability increase.; Las betalaínas son pigmentos hidrosolubles encontrados en distintas especies vegetales y pueden utilizarse para impartir color a alimentos. Añadir estos compuestos como colorante también puede ofrecer un valor agregado ya que se sabe que las betalaínas tienen varias propiedades funcionales que pueden ser benéficas para la salud del consumidor. La principal fuente de estos pigmentos es el betabel (Beta vulgaris), sin embargo, es necesario caracterizar otras especies vegetales que puedan ofrecer ventajas desde un punto de vista agronómico y composicional. Para producir aditivos alimentarios a partir de especies vegetales es necesario desarrollar procesos que permitan obtener los máximos rendimientos de extracción de los compuestos de interés, que contribuyan o mantener o mejorar su estabilidad y que sean amigables con el ambiente. En el presente estudio se llevó a cabo la caracterización de cuatro variedades de frutos del género Opuntia: Vigor, Pirámides, Pelota y Mandarina. La caracterización se llevó a cabo mediante la medición de distintos parámetros químicos, color, cantidad de betalaínas, capacidad antioxidante y compuestos fenólicos totales en los extractos acuosos de la pulpa, los cuales se compararon con los obtenidos en betabel, tomando en cuenta que es la fuente de betalaínas más utilizada y estudiada. Los resultados obtenidos en las variedades de tuna estuvieron dentro de los rangos reportados para otras variedades provenientes de otras regiones. Para llevar a cabo las siguientes etapas del estudio se seleccionaron dos variedades de tuna, Vigor de color púrpura, por su alto contenido de pigmentos y Mandarina por su coloración atractiva amarillo-naranja y por su menor disponibilidad en la naturaleza. En la segunda etapa de este estudio se estableció el método de extracción de compuestos funcionales provenientes de las pulpas de tuna Vigor y Mandarina. Una triple extracción acuosa en relación 1:2 (g/mL) utilizando pulpa fresca de tuna se estableció como el mejor método de extracción de betalaínas y otros compuestos funcionales en comparación con otros de los tipos de extracción evaluados, tales como el porcentaje de etanol en agua como solvente, el aumento del volumen de solvente, la aplicación de ultrasonido por hasta 6 min y la aplicación de microondas-ultrasonido por hasta 10 min. La extracción con etanol en agua redujo significativamente los rendimientos de extracción de los compuestos de interés hasta en un 35%, mientras mayores volúmenes de solvente aumentaron los rendimientos hasta en un 45%. La aplicación de microondas-ultrasonido no tuvo ningún efecto sobre la extracción y, notoriamente, la aplicación de ultrasonido por 3 min aumentó los rendimientos de extracción de compuestos funcionales en ambas variedades de tuna. La triple extracción acuosa con una relación 1:2 (g/mL) en pulpa de tuna Vigor permitió obtener, en comparación con la aplicación de sonotrodo por 3 min, por ejemplo, 14.2% más betacianinas, 6.0% más compuestos fenólicos totales, 31.4% más capacidad antioxidante por ABTS y 66.3% más capacidad antioxidante por DPPH. En pulpa de tuna Mandarina, la triple extracción acuosa resultó en 6.4% más betaxantinas, 19.4% menos compuestos fenólicos totales,15.6% más capacidad antioxidante por ABTS y hasta 2 veces más capacidad antioxidante por DPPH que la aplicación de sonotrodo por 3 y 6 min. En una tercera etapa, se llevaron a cabo pruebas de estabilidad térmica con los extractos acuosos de las pulpas de las tunas Vigor y Mandarina, así como de betabel. Las betaxantinas provenientes de tuna Mandarina resultaron más termoestables que las betaxantinas de betabel en un rango de temperaturas de 50 a 90 °C, mientras que las betacianinas de tuna Vigor mostraron una termo estabilidad similar a las de los extractos de betabel. La capacidad antioxidante y los compuestos fenólicos totales en los extractos acuosos sometidos a distintas temperaturas mostraron una disminución significativa respecto al tiempo de tratamiento térmico, pero no se registró un efecto claro por el aumento de la temperatura. Esto pudo deberse a la presencia de otros compuestos provenientes de la materia prima y a la generación de compuestos de degradación de betalaínas y compuestos fenólicos por efecto de la temperatura. Finalmente, se llevó a cabo el establecimiento del proceso de encapsulación mediante coacervación compleja de las betalaínas en la pulpa de las variedades de tuna Vigor y Mandarina. Utilizando proteína de soya y pectina, se planteó un diseño de superficie de respuesta (Box-Behnken) variando el pH, el porcentaje de proteína de soya y la concentración de betalaínas. Lo anterior permitió obtener una eficiencia de encapsulación de betacianinas de hasta el 39% utilizando un pH de 4, un porcentaje de proteína de 2.0% (p/v) y una absorbancia de 0.2 a 538 nm, mientras que en el caso de betaxantinas se obtuvieron eficiencias entre 37 - 47% utilizando absorbancias de 0.2 a 483 nm. Las eficiencias de encapsulación de betalaínas obtenidas en este estudio estuvieron por debajo de lo reportado en estudios recientes de encapsulación mediante coacervación simple y compleja de betalaínas. Lo anterior pudo deberse a la poca afinidad de las betalaínas por el coacervado formado con los biopolímeros utilizados para llevar a cabo la coacervación compleja. Los resultados de este estudio pueden ayudar a la selección de variedades de tuna con potencial para ser utilizadas como fuente de betalaínas, así como al establecimiento de procesos de extracción y encapsulación mediante coacervación compleja. En adición, en este estudio también se presenta una metodología que puede utilizarse para evaluar y comparar la termo estabilidad de distintas fuentes. Es necesario llevar a cabo más investigación para determinar el papel de otros compuestos en la actividad antioxidante durante el tratamiento térmico y si el proceso de encapsulación mediante coacervación compleja puede contribuir a aumentar la estabilidad de las betalaínas.