Propiedades Funcionales de los Alimentos Fernando Pérez Muñoz Ingeniero de Alimentos Recinto...

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Propiedades Funcionales de los Alimentos

Fernando Pérez MuñozIngeniero de Alimentos

Recinto Universitario de Mayagüez

24/marzo/2012

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¿Quiénes Somos?

Food Industry Forum• Organización sin ánimo de

lucro• Misión

– FIF existe para capacitar, formar alianzas y promover el desarrollo de la industria de alimentos de Puerto Rico y el Caribe.

• Próxima actividad– Producción Orgánica– 4 de mayo @ Jardín Botánico

CITAI• Centro de Innovación y

Tecnología Agro-Industrial– Parte de UPRM-CITA

• Provee apoyo técnico y servicios de análisis– Adiestramiento a través del

Instituto de Inocuidad (IIAA)• SQF 2000 – 19&20 de abril• Técnicas Básicas en Análisis

Sensorial – 5 de mayo• Fundamentos de Ciencias de

Alimentos – 19 de mayo

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Agenda

• Introducción a los Conceptos

• Componentes Principales

– Agua, proteínas, carbohidratos, lípidos, minerales

• Aditivos y Preservativos

• Ejemplos de Productos

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INTRODUCCIÓNPropiedades Funcionales de los Alimentos

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Definiciones

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alimento.(Del lat. alimentum, de alĕre, alimentar).1. m. Conjunto de cosas que el hombre y los animales comen o beben para subsistir.2. m. Cada una de las sustancias que un ser vivo toma o recibe para su nutrición.

propiedad.(De propriedad).3. f. Atributo o cualidad esencial de alguien o algo.

funcional.1. adj. Perteneciente o relativo a las funciones. 2. adj. Se dice de todo aquello en cuyo diseño u organización se ha atendido, sobre todo, a la facilidad, utilidad y comodidad de su empleo.

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Propiedad Funcional de Alimento

“¿Qué es?”• Aportación deseada a las

características finales del alimento– Nutricionales– Sensoriales– Vida útil

• Naturales o artificiales

“¿Qué NO es?”• Inocuidad• Empaque• Reclamos de salud

(“functional foods”)• Cualidades del ingrediente

(apariencia, rehidratación,…)

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Estas podrían incluirse, pero no las vamos a considerar en esta charla…

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Ejemplo: Pan

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Ejemplo: ¿Cuáles son los ingredientes?

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Nutrición Sensorial

Vida Útil

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COMPONENTES PRINCIPALESPropiedades Funcionales de los Alimentos

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Componentes Principales

• Agua• Proteínas• Lípidos• Carbohidratos• Cenizas (minerales)

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Agua

• Está en “todas partes”– 60% o más del cuerpo

• Disolvente y dispersante universal• Enlaces de hidrógeno y covalentes– Muy reactivo: con grupos hidroxilos (ROH),

carbonilos (RCOO), aminos (RNH2), amidos (RCONH2) o iminos (RCNH2)

• Actividad de agua (aW)– Agua libre o cometida (“free or bound”)

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AguaPropiedad Valor Implicación

Tipo de compuesto Polar Atracciones dipolo->

Peso Molecular 18 Molécula liviana y pequeña

Punto de Fusión 0ºC Pasa a estado sólido más fácil que otros solventes

Punto de Ebullición 100ºC Su estado es estable a temperatura ambiente

Calor de Vaporización 2,200 J/g Mucha energía para cambiar de estado

Constante Dieléctrica 78.5 Rompe enlaces iónicos con más facilidad

Tensión Superficial 0.072 N/m Permite la capilaridad

pH 7.0 Disocia fácilmente para producir ácidos y bases

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Agua

• Potable – Requisitos de ley para contenido de minerales y microrganismos

• El contenido de sales de minerales disueltos definen el pH y la dureza– Calcio, magnesio, sodio y potasio suben el pH– Calcio y magnesio aumentan la dureza– Hierro y manganeso forman películas de “slime”

• Tiene gases disueltos• Puede tener contaminantes disueltos (BOD/COD)24/marzo/2012

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Sales en el Agua

• Afecta positivamente la fermentación de cerveza ya que las enzimas requieren las sales

• Causa endurecimiento de los tejidos– Bueno para frutas y vegetales

• Puede causar decoloración de los pigmentos• Puede afectar la efectividad de los limpiadores

o algunos ingredientes– Formación de espuma

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Minerales

• ~0.2 a 0.3% de la ingesta nutricional– Macroelementos (Ca, Mg, P, Na, K, Cl) versus

microelementos (Fe, Zn, Cu, Mn, I, Co, Ni, Mo, Cr, F, Se, V, B, Si)

• Requeridos para muchos procesos bioquímicos y fisiológicos

• Biodisponibilidad depende del compuesto

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Minerales: Funcionalidad

• Son parte de aditivos con características antimicrobiales, secuestrantes, antioxidantes, enaltecedores de sabor, agentes amortiguadores y suplementos dietéticos– Sal– EDTA (ácido etilendiaminotetraacético)– STPP (Trifosfato de Sodio)

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Minerales: Funcionalidad

• Esenciales para el funcionamiento de enzimas y hormonas

• Críticos en la formación de geles con alginatos y carageno

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Minerales: FuncionalidadCompuesto Función

Alginato de calcio Espesante, estabilizador

Ascorbato dihidrato de calcio Antioxidante

Benzoato de monocalcio Preservativo antimicrobial

Cloruro de calcio Aumenta la firmeza

Fosfato de monocalcio Amortiguador, texturizante, “leavening”

EDTA Antioxidante, preservativo quelante

Sorbato de calcio Preservativo antimicótico

Carbonato de magnesio Antiaglutinante, anti-blanqueador

Glutamato de magnesio Realzante de sabor, sustituto de sal

Kasal Emulsificador

Nitrito o nitrato de sodio Fijador de color

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Proteínas

• Definición:– Productos lineares de condensación de varios α-L-

amino ácidos que difieren en peso molecular, carga y carácter polar

• Las actividad biológica, valor nutricional y rol de la proteína dependen de la conformación (estructura tridimensional)– Esto, a su vez, depende de las propiedades químicas, el

tamaño y los amino ácidos envueltos• Se diferencian de péptidos en el tamaño (>100 kDa)

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α-L-Amino Ácidos

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α significa que el grupo amino enlasa con el

carbón inmediatamente adyacente al carboxilo

L se refiere al isómero

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Amino ÁcidosAmino Acido Abrev. H2O R Esencial

Acido Aspartámico Asp

Acido Glutámico Glu

Alanina Ala No

Arginina Arg Niños

Asparagina Asn

Cisteina Cys S Niños

Fenilalanina Phe No Sí

Glicina Gly No

Glutamina Gln

Histidina His Sí

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Amino Acido Abrev. H2O R Esencial

Isoleucina Ile No Sí

Leucina Leu No Sí

Lisina Lys Sí

Metionina Met No S Sí

Prolina Pro No

Serina Ser PO43-

Tirosina Tyr PO43- Niños

Treonina Thr PO43- Sí

Triptofán Trp No Sí

Valina Val No Sí

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Proteínas: Funcionalidad

• Las proteínas definen la apariencia, color, jugosidad, sensación bucal y textura– También definen aspectos del procesamiento

• Funciones más importantes– Solubilidad– Retención de agua– Formación de láminas y geles– Emulsificación– Espuma

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Proteínas: Solubilidad

• Depende de factores como composición de la proteína, pH, concentración, tipo de solvente y tamaño de partícula

• Desnaturalización– Daño a la conformación– Puede aumentar o disminuir la solubilidad

• Punto Isoeléctrico (pI)– pH de mínima solubilidad – precipitación!!!– Iones pueden aumentar o disminuir (salting in/out)

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Proteínas: Retención de Agua (WHC)

• Definida por – Enlaces entre el agua y la proteína– Agua atrapada dentro de la estructura proteica

• El procesamiento afecta– Congelación y descongelación– Cocción– pH o sales

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• Cambios en la conformación de la proteína– Típicamente inducida por calor

• Requiere que la proteína tenga baja cantidad de residuos hidrofóbicos

• Permite la formación de productos cárnicos– Meatloaf, carnes formadas, salchichas

• Láminas comestibles– Barreras al agua, aceite, oxígeno o volátiles– Previenen el pardeamiento por oxidación

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Proteínas: Láminas y Geles

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Proteínas: Emulsificación

• Facilita la integración de líquidos inmiscibles • La emulsificación depende del tamaño de las

gotas y la concentración de la fase dispersa• Se afecta con pH, sales y calor– Pues se afecta la conformación de la proteína

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Proteínas: Espuma

• Espuma o Foam se refiere a la dispersión de burbujas de aire en una fase líquida o semisólida

• Afectada por la hidrofobicidad de la superficie de la proteína, temperatura, pH

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Lípidos

• Compuestos no solubles en agua de naturaleza polar o no-polar– Grasas →sólidas a temperatura ambiente– Aceites → líquidas a temperatura ambiente

• Ácidos grasos– Cadenas de 4 a 24 hidrocarbonos que termina con un grupo de ácido

carboxilo– Enlaces saturados (oico) o no saturados (anoico o enoico)– Puede contener algún grupo funcional que contenga oxígeno,

halógenos, nitrógeno o azufre– Doble enlaces cis causan doblamiento del molécula

• trans tienen menos densidad y solubilidad, pero mayor punto de fusión que cis

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Ácidos Grasos Comunes

Abrev. Nombre Símbolo4:0 Butírico B6:0 Capróico H8:0 Caprílico Oc

10:0 Cáprico D12:0 Láurico La14:0 Myrístico M16:0 Palmítico P18:0 Esteárico St20:0 Eicosanoico Ad

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Abrev. Nombre Símbolo16:1 Palmitoleco Po18:1 Oleico O18:2 Linoleico L18:3 Linolenico Ln20:4 Araquidónico An22:1 Erúcico E

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Lípidos

• Glicerolípidos– Mono, di o tri, dependiendo de la cantidad de ácidos

grasos unidos al glicerol– Los grupos hidroxilos del glicerol son esterificados

por los ácidos grasos

• Fosfolípidos o glicerofosfolípidos– Lípido que contiene ácido fosfórico– Lecitina = emulsificante y prevención de

cristalización 24/marzo/2012

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Lípidos

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Lípidos: Funcionalidad

• Barrera contra el agua, por tanto:– Previene el crecimiento de microrganismos– Previene pérdida (o ganancia) de agua– Es humectante

• Atributos sensoriales– Textura y sensación en la boca, color, reología y

sabor (gusto y aroma)– La oxidación puede ser positiva (quesos) o

negativa (pescado)

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Carbohidratos

• Fuente de energía y matriz estructural en la naturaleza• Cada carbono tiene un oxígeno

– Al menos un O2 con doble enlace

• Rol– Gusto → dulzura– Sabor, aroma y color

• Maillard• Caramelización• Enzimático

– Textura– Encapsulación– Polímeros biodegradables y láminas comestibles

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Carbohidratos

• Clasificación– Monosacáridos: azúcares libres• D-glucosa es la más abundante• Estructuras en pentosas o hexosas

– Oligo-sacáridos: 2 a 10 monosacáridos• Sucrosa (azúcar de mesa), lactosa, maltosa (sirope de

maíz)

– Polisacáridos: más de 10 monosacáridos• Celulosa, amilosa, amilopectina, pectina

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El Secreto está en el Enlace

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Almidón: enlace (1→4)-α-D

Celulosa: enlace (1→4)-β-D

Pectina: enlace (1→4)-α-D-Acido Galacturónico

Glicógeno: enlace (1→4)-α-D con ramificaciones (1→6)-α

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Carbohidratos: Funcionalidad

• Hidrofilidad– Los grupos hydroxilos interactúan con las moléculas

de agua• Solubilidad y capacidad de atrapar agua

– Actividad de agua

– Esta capacidad de atrapar agua se conoce como humectancia• La selección del sacárido apropiado ayuda a controlar la

absorción de agua (por lo tanto, el deterioro de calidad)

– Sinéresis → pérdida de agua (retrogradación)

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Carbohidratos: Funcionalidad• Dulzura– Sacáridos de bajo peso– Alcoholes de azúcar– Azúcares clorinadas• Remplazan el hidroxilo

– Otros no-sacáridos

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Compuesto Dulzura Relativa

Sucralosa 600

Sacarina 300

Acesulfame 200

Aspartame 180

Fructosa 1.40-1.70

HFCS 1.20-1.60

Sucrosa 1

Xilitol 0.9

Glucosa 0.7-0.8

Maltitol 0.7

Maltosa 0.3-0.5

Lactosa 0.2

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Carbohidratos: Funcionalidad

• Gelación o gelificación– Los gránulos de almidón se hidratan y abren

(aumento en viscosidad)– Las cadenas se entrelazan unas con otras

formando una red• Calor y la acción mecánica ayudan• Ausencia de grasas y pH bajos aumentan la gelificación

– Almidones, pectinas y gomas se pueden modificar para que gelifiquen bajo condiciones diferentes a lo normales

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Gomas de Importancia ComercialNombre Propiedad

Guar Alta viscosidad con poca concentración

Locust bean Sinérgico con carrageno

Gum arabic Alta solubilidad en agua

Gum tragecanth Estable en un amplio rango de pH

Agar Forma geles extremadamente fuertes

Carragenan Forma geles en presencia de K+

Alginate Forma geles en presencia de Ca2+

Dextran Inhibe la cristalización en dulces y postres

Xanthan Dispersiones altamente seudoplásticas

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Carbohidratos: Funcionalidad

• Relleno (“bulking agents”)– Celulosa, hemicelulosa y lignina (fibra dietética)– Puede o no ser soluble, pero no es digerible– Pueden tener efecto espesante

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ADITIVOS Y PRESERVATIVOSPropiedades Funcionales de los Alimentos

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Definiciones

• Aditivo– Substancia no nutritiva añadida intencionalmente

al alimento, en pequeñas cantidades, para mejorar sus características• Es una ayuda al alimento• No es uno de los ingredientes básicos necesarios para

elaborar el alimento.

• Preservativo– Aditivo para “mejorar” algún aspecto del largo de

vida del producto (preservar el producto)24/marzo/2012

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Aditivos

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Categoría Función

Preservativo Extender vida útil

Enaltecedores de sabor

Mejorar percepción de sabor o gusto

Colorante Mejora apariencia

Espesante Viscosidad del líquido

Clarificador Remueve impurezas

Sustituto de grasa

Remplazar o bajar contenido de grasa

Pro/prebioticos Culturas vivas o estimulantes de éstas

Categoría Función

Antioxidante Proteger lípidos del O2

Endulzante Remplazar azúcar y proveer dulzura

Emulsificador Mantener solución agua-aceite

Gelificante Viscosidad del semisólido

Acidulante Baja el pH

Pro-nutriente Mejora absorción de nutrientes

Otros: anticoagulantes, humectantes, anti-espumantes, mejoradores de harina, elevantes y polvos de hornear, sales de derretir, endurecedores, rellenos, enzimas, etcétera

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Uso de Aditivos

• El uso de aditivos está regulado por las agencias de índole político para los diferentes países– En EEUU, la FDA permite los considerados GRAS

• Establece cuáles, dónde y en qué cantidad

– UN FAO/WHO Codex Alimentarius• Establece guías para el comercio entre países

• Diferentes regiones aceptan o rechazan diferentes sustancias o cantidades permitidas– Implicaciones de comercio

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Aditivos: Ejemplos

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• Ácidos– Acético para producción de queso– Fosfórico en bebidas carbonatadas– Cítrico para bajar pH (<4.6) en enlatados– Ascórbico (nutriente) como antioxidante

• Elevantes (generan gas)– Bicarbonato de sodio en panes– Bicarbonato de potasio para panes bajos en sodio– Forfato de monocalcio y fosfato de sodio-aluminio se usan

el harinas tipo “self rising” y mezclas con harina de maíz– Pirofosfatos para masas refrigeradas

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Aditivos: Ejemplos

• Bases– Hidróxido de sodio para oscurecer y remover

compuestos amargos en aceitunas– Bicarbonato de sodio en chocolate promueve la

formación de colores y sabores– Pirofosfato tetrasódico y fosfato disódico

promueven la formación de geles en las mezclas de pudding instantáneo

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Aditivos: Ejemplos

• Sales– Varias formas de fosfato ayudan a proveer textura

suave en la producción de imitaciones de queso– Los fosfatos también aumentan la capacidad de

retención de agua en productos cárnicos• Agentes quelantes (atrapan iones de metales)– EDTA en mariscos enlatados para evitar la

formación de cristales

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Aditivos: Ejemplos• Antimicrobiales– Sulfitos y metabisulfitos• Aplicación general, pero regulada• También mantienen el color y sabor, y previene las

reacciones de pardeamiento no-enzimático• Ayuda a blanquear las harinas (bleaching)

– Nitritos y nitratos• De potasio o sodio son las más comunes• También fijan el color y aportan al sabor• Regulados por “ser tóxicos”

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Aditivos: Ejemplos

• Antimicrobiales– Sorbatos y benzoatos (y sus ácidos)

• Antimicrobiales y antimicóticos de uso general• Jaleas, panes, bizcochos, especies, productos

fermentados, quesos, vino

• Edulcorantes (endulzantes)– Xilitol, sorbitol y maltitol en dulces y chicles donde

el consumo es bajo (causan diarrea en exceso)– Aspartame, sucralosa y acesulfame K los más típicos

edulcorantes artificiales hoy día24/marzo/2012

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EJEMPLOS DE PRODUCTOSPropiedades Funcionales de los Alimentos

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Potato Chips

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Ingrediente Función

Papa deshidratada Componente principal

Almidón modificado Provee estructura cohesiva

Aceite de maíz Para “freir”, provee sabores y previene absorción de agua

Azúcar Para caramelización que da color

Sal Saborizante

Lecitina de Soya Emulsificante

Fosfato monosódico y bicarbonato de sodio

Elevantes

Dextrosa Atrapa el agua para retener textura

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Bebida

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Ingrediente Función

Agua Componente principal

Tamarindo Saborizante

Azúcar Edulcorante

Goma Xanthan Mantiene solución y mejora viscosidad

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Crema de Chocolate sin Azúcar

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Ingrediente Función

Maltitol Edulcorante

Mantequilla de cacao Grasa del cacao. Provee textura.

Polvo de cacao procesado con alcalinos

Color y sabor

Licor de chocolate Componente principal

Polvo de cacao Sabor.

Sólidos de leche Textura y sabor

Lecitina Evita la cristalización

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Bebida de Proteína

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Ingrediente Función

Mezcla de Proteínas Componente principal

Cacao Saborizante

Sabores artificiales Saborizante

Lecitina Emulsificante

Acesulfame K Edulcorante

Aminogen Pro-nutriente enzimático (para digerir proteínas)

Lactasa Pro-nutriente enzimático (para digerir lactosa)

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Salchicha

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Ingrediente Función

Cerdo Componente principal

Sal Saborizante

Lactato de sodio Aglutinante

Agua Humectante

Acido cítrico Regulador de acidez

Azúcar Saborizante y color (Maillard)

Especies naturales Saborizante

Ajo fresco Saborizante

Diacetato de sodio Preservativo antimicrobial

Nitrito de sodio Preservativo antimicrobial

Carcasa de colágeno Proveer estructura para procesamiento

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¿Preguntas?

Gracias por su amable atención…

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