Embed Size (px)
DESCRIPTION
Importante trabajo de investigación en el que se exponen temas como: aprovechamiento de residuos agroindustriales, producción de celulosa bacteriana, incremento de fibra dietaria en alimentos, alimentos funcionales, análisis sensorial, sistemas de producción de celulosa bacteriana.
Citation preview
1
MEJORA DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA BACTERIANA
CONSEGUIDA DEL APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES Y SU
APLICACIÓN COMO FUENTE DE FIBRA DIETARIA EN ALIMENTOS
ANGEL DANIEL RIOS OSORIO
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
MEDELLÍN
2012
2
MEJORA DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE CELULOSA BACTERIANA
CONSEGUIDA DEL APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES Y SU
APLICACIÓN COMO FUENTE DE FIBRA DIETARIA EN ALIMENTOS
ANGEL DANIEL RIOS OSORIO
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Agroindustrial
Asesor
CATALINA ALVAREZ LÓPEZ
Ingeniera Agroindustrial. Doctora en Ingeniería
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
MEDELLÍN
2012
3
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
______________________________
Firma
Nombre
Presidente del jurado
______________________________
Firma
Nombre
Jurado
_____________________________
Firma
Nombre
Jurado
Medellín, 14 de Febrero de 2012
4
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
Mi familia por el apoyo incondicional durante todos estos años de estudio y por
motivarme a seguir adelante con éste trabajo de grado sin desfallecer ante las
dificultades.
A Catalina Álvarez, mi directora de tesis, por la confianza brindada al permitirme
trabajar conjuntamente y por aportar sus conocimientos en la realización de éste
trabajo de grado.
A Lina María Vélez y Cristina Castro, por las diferentes asesorías y por el
acompañamiento constante durante todo el proceso.
A Gladis García, jefe de producción de Alimentos Alan, por colaborarme con los
residuos y la información necesaria para la realización del proyecto.
5
CONTENIDO
Pag.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 16
1. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 18
1.1. ALIMENTOS FUNCIONALES .................................................................. 18
1.1.1. Generalidades ................................................................................... 18
1.1.2. Tipos de alimentos funcionales.......................................................... 19
1.1.3. Algunos ejemplos de alimentos funcionales ...................................... 20
1.1.4. Normatividad y reglamentación de los alimentos funcionales ........... 23
1.2. FIBRA DIETARÍA ..................................................................................... 25
1.2.1. Generalidades ................................................................................... 25
1.2.2. Clasificación de la fibra dietaria ......................................................... 27
1.2.3. Fibra dietaria en algunos alimentos ................................................... 28
1.2.4. Celulosa como fuente de fibra dietaria .............................................. 31
1.2.5. Normatividad y reglamentación de la fibra dietaria en alimentos ....... 32
1.3. CELULOSA .............................................................................................. 34
1.3.1. Generalidades ................................................................................... 34
1.3.2. Aplicaciones de la celulosa ................................................................ 35
1.3.3. Fuentes de obtención ........................................................................ 36
1.4. CELULOSA BACTERIANA (CB) .............................................................. 39
1.4.1. Generalidades ................................................................................... 39
1.4.2. Variables que intervienen en la producción de CB ............................ 41
1.4.3. Rendimientos de cultivos de CB ........................................................ 51
1.4.4. Usos de la CB .................................................................................... 55
1.4.5. Normatividad y reglamentación de la celulosa en alimentos ............. 60
1.5. ANÁLISIS SENSORIAL EN ALIMENTOS ................................................ 62
1.5.1. Generalidades ................................................................................... 62
1.1.1. Pruebas de aceptación ...................................................................... 63
1.5.2. Clasificación hedónica ....................................................................... 64
6
1.5.3. Atributos generalmente evaluados en alimentos ............................... 65
1.5.4. Tipos de jueces sensoriales .............................................................. 68
1.5.5. Recomendaciones para realizar pruebas sensoriales ....................... 69
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 71
2.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 71
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 71
3. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................... 73
3.1. FASE 1: Obtención de CB a partir de residuos agroindustriales .............. 73
3.1.1. Selección de los residuos .................................................................. 74
3.1.2. Preparación del medio de cultivo ....................................................... 75
3.1.3. Determinación de grados Brix y del contenido de azúcares .............. 75
3.1.4. Proceso de dilución y adecuación del pH .......................................... 77
3.1.5. Proceso de esterilización ................................................................... 78
3.1.6. Inoculación del cultivo ........................................................................ 79
3.1.7. Proceso de lavado de la CB .............................................................. 80
3.1.8. Proceso de secado y pesado............................................................. 81
3.2. FASE 2: Caracterización de la CB obtenida y evaluación de algunas
variables ............................................................................................................. 83
3.2.1. Resultados bromatológicos, microbiológicos y contenido de fibra
dietaria de la CB ............................................................................................. 83
3.2.2. Evaluación de algunas variables ....................................................... 83
3.3. FASE 3: Diseño de un biorreactor para aumentar la producción de la CB
…………………………………………………………………………………..88
3.3.1. Diseño y elaboración del biorreactor ................................................. 88
3.3.2. Evaluación de la producción de CB en el biorreactor utilizando panela
como sustrato ................................................................................................. 90
3.3.3. Experimento en el biorreactor con el residuo que tuvo mejor
rendimiento ..................................................................................................... 91
3.4. FASE 4: Diseño y desarrollo de productos enriquecidos con CB ............. 92
3.4.1. Producción de CB con el residuo de mayor rendimiento ................... 92
3.4.2. Reducción de tamaño de la CB ......................................................... 93
7
3.4.3. Formulación y elaboración del alimento con inclusión de CB ............ 94
3.4.4. Evaluación de propiedades físicas del alimento ................................ 96
3.4.5. Evaluación del contenido de FD de los alimentos ............................. 96
3.4.6. Análisis sensorial del alimento con inclusión de CB .......................... 97
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................... 99
4.1. FASE 1: Obtención de la celulosa bacteriana .......................................... 99
4.1.1. Rendimiento de las diferentes frutas empleada ................................. 99
4.1.2. Obtención de medios de cultivo ....................................................... 101
4.1.3. Determinación de grados Brix y contenido de azúcares .................. 103
4.1.4. Proceso de dilución con residuos seleccionados............................. 107
4.1.5. Rendimiento de los residuos seleccionados en la producción CB ... 112
4.2. FASE 2: Caracterización de la CB y evaluación de algunas variables ... 116
4.2.1. Resultados bromatológicos y microbiológicos de las CB ................. 116
4.2.2. Evaluación de algunas variables ..................................................... 117
4.3. FASE 3: Diseño de un biorreactor para optimizar la producción de CB . 125
4.3.1. Diseño y elaboración del biorreactor ............................................... 125
4.3.2. Experimento con medio comercial en el biorreactor y la prueba
comparativa .................................................................................................. 128
4.3.3. Experimento con medio a partir de residuos de guanábana en el
biorreactor y el recipiente de vidrio ............................................................... 130
4.4. FASE 4: Diseño y desarrollo de producto alimentario enriquecido con
celulosa bacteriana .......................................................................................... 132
4.4.1. Evaluación de propiedades físicas del alimento con inclusión de CB
…………………………………………………………………………….132
4.4.2. Contenido de FD de los alimentos con inclusión de CB .................. 136
4.4.3. Análisis sensorial de los alimentos con inclusión de CB .................. 137
5. CONCLUSIONES ......................................................................................... 142
RECOMENDACIONES……………………………………………………………….144
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 145
ANEXOS ............................................................................................................. 159
8
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Estructura química de la celulosa………………………………………34
Figura 2. Diferentes tipos de celulosas……………………………………………37
Figura 3. Efectos de la temperatura en la obtención de CB……………………48
Figura 4. Biorreactor centrífugo desarrollado por Park………………………....52
Figura 5. Sistema de cultivo estático desarrollado por Yoshino………………..54
Figura 6. Procedimiento para la obtención de CB…………………………….....73
Figura 7. Refractómetro empleado en la medición de grados Brix…………….76
Figura 8. Algunos medios de cultivo e instrumentos antes de esterilizar……..78
Figura 9. Equipo empleado para el proceso de esterilización……………….....79
Figura 10. Recipientes utilizados para secar la CB…………………………….....82
Figura 11. Horno de convección forzada utilizado en el proceso de
secado…………………………………………………………………………………….82
Figura 12. Horno de convección natural utilizado en el proceso de
secado…………………………………………………………………………………….87
Figura 13. Ejemplo de la placa empleada para elaborar las membranas de
silicona…………………………………………………………………………………....89
Figura 14. Mallas de acero de las paredes del bioreactor………………………..90
Figura 15. Cutter empleado en la producción de medios de cultivo…………….92
Figura 16. Procesador empleado para reducir el tamaño de la CB………….....93
Figura 17. Molino de cuchillas empleado…………………………………………..93
Figura 18. Rendimiento de las frutas en la producción de pulpas……………..99
Figura 19. Volúmenes de las soluciones filtradas para cada residuo………....101
Figura 20. Grados Brix de los diferentes jugos de residuos y soluciones
filtradas…………………………………………………………………………………..103
9
Figura 21. Concentraciones de los diferentes azúcares para cada
solución filtrada…………………………………………………………………………105
Figura 22. Residuos seleccionados de acuerdo al mayor contenido de
azúcares totales………………………………………………………………………...107
Figura 23. Diferentes diluciones preparadas con cada residuo………………..108
Figura 24. Muestras microfiltradas de las diferentes diluciones de cada
residuo ………………………………………………………………….......................109
Figura 25. Contenido de azúcares para cada dilución del mango……………..109
Figura 26. Contenido de azúcares para cada dilución de la mandarina………110
Figura 27. Contenido de azúcares para cada dilución de la guanábana……...110
Figura 28. CB seca obtenida con las diferentes diluciones de cada residuo....112
Figura 29. Variación del contenido de medio de cultivo con igual porcentaje
de inóculo………………………………………………………………………………..119
Figura 30. CB obtenida a partir de residuos de mandarina en estado
húmedo y seco………………………………………………………………………….121
Figura 31. CB lavada con una solución de KOH al 5%....................................122
Figura 32. CB obtenidas a partir de residuos de guanábana
secadas a diferentes temperaturas y tiempos………………………………………123
Figura 33. Prototipo inicial del biorreactor..………………………………………125
Figura 34. Prototipo final del biorreactor...………………………………………..126
Figura 35. Áreas superficiales del biorreactor y el recipiente de vidrio………..127
Figura 36. CB húmeda obtenida con el biorreactor y el recipiente de vidrio….128
Figura 37. CB seca obtenida con el biorreactor y la el recipiente de vidrio..…129
Figura 38. CB húmeda obtenida a partir de residuos de guanábana
con el biorreactor y el recipiente de vidrio……...……………………………………130
Figura 39. CB seca obtenida a partir de residuos de guanábana
con el biorreactor y el recipiente de vidrio…...………………………………………131
Figura 40. Diferentes tratamientos de carnes de hamburguesas
asadas en fresco……………………………………………………………………….134
10
Figura 41. Diferentes tratamientos de carnes de hamburguesas asadas
luego de congelarlas…………………………………………………………………...134
Figura 42. Jueces evaluadores diligenciando el formato empleado para la
prueba de análisis sensorial………………………………………………………….138
Figura 43. Interpretación de los datos obtenidos mediante la prueba de
análisis sensorial………………………………………………………………………138
Figura 44. ¿Incluiría usted éste producto a sus hábitos cotidianos
de alimentación?...................................................................................................140
11
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Algunos alimentos funcionales……………………………………........21
Tabla 2. Propiedades de la CB respecto a la celulosa vegetal………………..40
Tabla 3. Diferentes bacterias productoras de CB……………………………….41
Tabla 4. Algunos ejemplos en los que se aplica la CB…………………….......56
Tabla 5. Aplicación de CB en algunos alimentos…………………………….....59
Tabla 6. Ejemplo de escalas utilizadas en pruebas sensoriales………….......65
Tabla 7. Variedad y procedencia de las frutas seleccionadas………………..74
Tabla 8. Composición de los diferentes tratamientos variando la
cantidad de inóculo……………………………………………………………………..84
Tabla 9. Composición de los diferentes tratamientos variando la
cantidad de medio……………………………………………………………………....85
Tabla 10. Temperaturas y tiempos de secado de los diferentes
tratamientos…………………………………………………………….........................87
Tabla 11. Formulación base para la carne de hamburguesa de res………….95
Tabla 12. Ficha de la prueba sensorial hedónica………………………………98
Tabla 13. Contenido de azucares totales de cada solución filtrada………….106
Tabla 14. CB obtenida a partir los residuos seleccionados y sus
respectivas diluciones…………………………………………………………………113
Tabla 15. Composición porcentual de cada azúcar en las diluciones
que mejores resultados obtuvieron……………………………………………….….114
Tabla 16. Análisis bromatológico de CB húmeda………………………………116
Tabla 17. Análisis microbiológico de la CB……………………………………...117
Tabla 18. Producción de CB variando la concentración de inóculo………….118
Tabla 19. Producción de CB variando la cantidad de medio………………….119
Tabla 20. Porcentaje de humedad de las diferentes muestras de CB………..120
12
Tabla 21. Cantidad de agua empleada en el lavado con KOH de la CB……..122
Tabla 22. Evaluación del diámetro en las carnes de hamburguesas..……….132
Tabla 23. Evaluación del espesor en las carnes de hamburguesas…..……..133
Tabla 24. Evaluación del peso en las carnes de hamburguesas…..…………135
Tabla 25. Resultados fisicoquímicos de las carnes de hamburguesas
con inclusión de CB y la muestra patrón…………………………………………….136
13
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Norma General del Codex Alimentarius para los Aditivos Alimentarios -
Celulosa en polvo………………………………………...........................................160
Anexo B. Alimentos en los que se puede adicionar celulosa en polvo de
acuerdo al Codex Alimentarius……………………………………………………….162
Anexo C. Dibujos técnicos del biorreactor diseñado con el programa
Solid Edge ST…………………………………………………………………………164
Anexo D. Resultados cromatográficos de los ocho residuos evaluados………...168
Anexo E. Resultados cromatográficos de las diferentes diluciones de
mango, mandarina y guanábana……………………………………………………170
Anexo F. Resultados bromatológicos y microbiológicos de la celulosa
bacteriana………………………………………………………………………………172
Anexo G. Análisis fisicoquímico de los alimentos con inclusión de
celulosa bacteriana…………………………………………………………………….176
Anexo H. Formato empleado en el análisis sensorial de los alimentos………….178
14
RESUMEN
Se seleccionaron ocho residuos de frutas provenientes de una empresa
despulpadora: piña, uva, mora, mandarina, fresa, guanábana, mango y tomate de
árbol. Estos residuos fueron procesados y diluidos, posteriormente se les
determinó los grados Brix y el contenido de azucares. Se seleccionaron los tres
residuos con mayor contenido de azucares totales (la suma de glucosa, sacarosa
y fructosa), cada uno fue procesado y preparado en tres diluciones diferentes, se
les adecuó el pH en 3.5 – 3.6 y luego se esterilizaron a una temperatura entre 123
– 127 ºC y presiones entre 17 – 20 PSI, por 20 minutos. Los diferentes
tratamientos se inocularon al 20% (v/v) con Gluconacetobacter sp, se dejaron a
temperatura ambiente (22ºC) durante 10 días; luego las muestras de celulosa
bacteriana (CB) se lavaron con una solución de hidróxido de potasio (KOH) al 5%,
se dejaron secando 48 horas a 40 ºC y finalmente se pesaron. Se encontró que la
dilución 2 del residuo de guanábana con 52.61% de fructosa, 47.25% de glucosa y
0.13% de glucosa fue la que tuvo mayor rendimiento, al obtener 0.123 g de CB
seca por cada 35 ml de medio de cultivo.
La CB obtenida fue analizada mediante análisis bromatológicos, microbiológicos y
contenido de fibra dietaria; además, se realizaron experimentos que evaluaron
variables como la cantidad de inóculo, la cantidad de medio de cultivo, el
porcentaje de humedad de la CB, la cantidad de agua utilizada en el lavado con
KOH y la influencia de la temperatura y el tiempo de secado en la apariencia final
de la CB.
También se diseñó y elaboró un biorreactor con el que se pudo aumentar la
producción de CB en cultivos estáticos al incrementar el área superficial del
15
sistema. El biorreactor desarrollado presenta paredes elaboradas con membranas
de silicona de 0.9 – 1.1 mm de grosor, tiene una capacidad para 1 L de medio de
cultivo y un área superficial total de 372.5 cm2, cerca de un 57.48% más que el
recipiente de vidrio que sirvió de prueba comparativa. Con el sistema desarrollado
se logró obtener entre un 11.36 – 12.38% más de CB en estado seco.
Por último, se obtuvo CB con el residuo de guanábana que fue el que mayor
rendimiento tuvo; estas películas secas fueron cortadas y molidas con el fin de
reducir el tamaño de las mismas, para poderlas incluir en la carne de
hamburguesa, alimento seleccionado para evaluar el incremento de fibra dietaria
(FD) mediante la inclusión de CB. Se encontró que en una muestra de carne de
hamburguesa de 100g con 2.5g de CB, se incrementa el contenido de FD Total en
un 13.22%, respecto a una muestra patrón. Al alimento con CB se le evaluaron
algunas propiedades físicas como diámetro, espesor, peso, dureza, textura y
gomosidad; además, se les realizó una prueba de análisis sensorial con 50 jueces,
que valoraron parámetros como apariencia, sabor, textura y color.
Palabras Claves: ALIMENTOS FUNCIONALES, FIBRA DIETARIA, CELULOSA
BACTERIANA, ANÁLISIS SENSORIAL
16
INTRODUCCIÓN
La celulosa es una gran fuente de fibra dietaría1. Uno de los componentes más
importantes en los vegetales es este tipo de fibra, la cual se ha vinculado a efectos
benéficos para la salud humana, entre los que se destacan el efecto laxante, su
papel en la prevención de la cardiopatía coronaria y su rol en la regulación tanto
del colesterol y la glucosa plasmática, como del peso y la prevención de algunos
cánceres2. Por estas razones, en los últimos años se han estudiando una gran
variedad de materiales que contienen un importante porcentaje de fibra dietaria en
su composición3, además de la forma de incorporar estos componentes como un
ingrediente funcional en productos existentes en el mercado o en nuevos
productos4.
La CB es una buena opción para obtener celulosa, por un lado se estarían
empleando residuos orgánicos disminuyendo la carga ambiental de los mismos; y
por el otro, se emplearían microorganismos que son capaces de producir una 1 FAO. Los carbohidratos en la Nutrición Humana. Análisis de la Fibra Dietética. [En Línea] <Disponible en: http://www.fao.org/index_es.htm > (Consultado en Septiembre de 2010) 2 NAWIRSKA, A., & KWASNIEWSKA, M. Dietary fibre fractions from fruit and vegetable processing
waste. En: Food Chemistry,(2005).Vol.91. p221–225.
3 LARREA, et al. Effect of some operational extrusion parameters on the constituents of orange
pulp. En: Food Chemistry, (2005). Vol.89, p 301–308
4 CHAU, C.-F., & HUANG, Y.-L. Comparison of the chemical composition and physicochemical
properties of different fibers prepared from the peel of Citrus sinensis L. Cv. Liucheng. En: Food
Chemistry, (2003). Vol.51, p 2615–2618.
17
celulosa pura, haciendo que no sean necesarios procesos químicos (altamente
contaminantes) para limpiarla, como ocurre con la celulosa vegetal.
La composición física de los residuos sólidos urbanos en nuestro país está
constituida en más del 50% por residuos orgánicos; por lo que es necesario dar
una buena disposición final a estos o generar valor agregado a partir de los
mismos. Algunas de las formas que hay para aprovechar estos residuos orgánicos
son la alimentación animal, el compostaje, la generación de biogás, lombricultivos,
entre otras5; en nuestro caso, se emplearon estos residuos como fuentes de
carbono para la obtención de CB, que posteriormente fue utilizada como
ingrediente aportante de fibra dietaria en alimentos convencionales. De acuerdo a
todo lo anterior, este proyecto busca mejorar el proceso de obtención de la CB a
partir de residuos orgánicos agroindustriales, para incorporarla en alimentos de
consumo ordinario como ingrediente funcional con el fin de aumentar el contenido
de fibra dietaria de los mismos.
Además, el hecho de que la producción de CB tenga en la mayoría de los casos
rendimientos menores al 1%, esto en base a la literatura consultada; es una
aliciente, para querer diseñar un biorreactor con el que se puedan mejorar las
producciones de CB en cultivos estáticos, que son los más empleados.
5 JARAMILLO, Gladys. ZAPATA, Liliana. Aprovechamiento de Residuos Sólidos Orgánicos en Colombia. Medellín, 2008, 106 pags. Trabajo de Grado. Universidad de Antioquia. Escuela de Ingeniería. Facultad de Ingeniería Ambiental.
18
1. MARCO TEÓRICO
A continuación se presentan los principales conceptos a los que se hace
referencia en el documento.
1.1. ALIMENTOS FUNCIONALES
1.1.1. Generalidades
La alimentación funcional se originó en Japón durante la década de 1980, cuando
el gobierno de ese país financió un proyecto de investigación nacional sobre las
implicaciones de las ciencias médicas en la dieta de las personas, buscando con
esto garantizar buenas condiciones de salud para la población de mayor edad6.
De acuerdo con el Consejo Europeo de Información sobre la Alimentación7, los
alimentos funcionales se definen como:
“Productos alimenticios semejantes que comúnmente conoce la población,
generalmente tienen la misma forma, color, sabor, tamaño; con el atributo
adicional más allá del nutricional implícito en el alimento, de producir un
beneficio para quien lo consume o de disminuir los riesgos de contraer
6 ARIAS-ARANDA, Daniel. Innovation in the functional foods industry in a peripheral region of the European Union: Andalusia (Spain). En: Food Policy. Granada, España. Vol. 35, 2010. P. 240–246.
7 EUFIC - Consejo Europeo de Información sobre la Alimentación. Alimentos Funcionales. [En línea]. 2006. <Disponible en: http://www.eufic.org/article/es/page/BARCHIVE/expid/basics-alimentos-
funcionales/%20-%2043k%20- > (Consultado en Agosto de 2010)
19
enfermedades, ya que contienen un ingrediente activo que genera efectos
positivos para la salud. Entre los alimentos funcionales se destacan
aquellos que contienen determinados minerales, vitaminas, ácidos grasos o
fibra alimenticia, los alimentos a los que se han añadido sustancias
biológicamente activas, como los fitoquímicos u otros antioxidantes, y los
probióticos, que tienen cultivos vivos de microorganismos beneficiosos”.
En la actualidad, son tres las principales tendencias en las que se enmarca el
desarrollo de alimentos funcionales, estas son: placer, conveniencia y salud. En el
caso de ésta última, las funciones y objetivos a los que se han dirigido las
investigaciones, son: crecimiento y desarrollo, metabolismo o utilización de
nutrientes, defensa antioxidante, sistema cardiovascular, fisiología o
funcionamiento intestinal y funciones psicológicas y conductuales8. Los alimentos
funcionales están estrechamente relacionados con el mantenimiento de la salud y
atención médica preventiva9.
1.1.2. Tipos de alimentos funcionales
Con el fin dar una clasificación a los alimentos funcionales, la Unión Europea creó
la comisión “Functional Foods Science in Europe” (FUFOSE)10. Gracias a este
Comité se pudo desarrollar dos declaraciones de acuerdo a las propiedades
saludables relacionadas con los alimentos funcionales. Estas son:
8 NARANJO, Elizabeth. Tendencias de los alimentos funcionales. En: Día técnico de Ingeniería Agroindustrial (2010, Medellín). Memorias del día técnico: UPB, 2010. P. 13. 9 ARIAS-ARANDA, D. Op. Cit., p. 241.
10 EUFIC. Functional Foods Science in Europe(FUFOSE). Op. Cit., <Pagina web>
20
TIPO A: “Funcionales de mejora". Son aquellos alimentos que poseen
determinadas funciones fisiológicas y psicológicas; además, ayudan en
actividades biológicas que van más allá de su papel establecido en el
crecimiento, el desarrollo y otras funciones normales del cuerpo. Este tipo
de alimentos no hacen referencia a enfermedades o estados patológicos.
Algunos ejemplos son los oligosacáridos no digestibles que mejoran el
crecimiento de la flora bacteriana intestinal o la cafeína que puede mejorar
el rendimiento cognitivo.
TIPO B: “Funcionales de reducción de riesgo de enfermedades". Son
alimentos que se asocian al consumo de un alimento o de sus componentes
para ayudar a reducir el riesgo de padecer una determinada enfermedad o
afección, gracias a los nutrientes específicos que contenga dicho alimento.
Un ejemplo, es la ingesta adecuada de calcio que puede ayudar a reducir el
riesgo posterior de sufrir osteoporosis.
1.1.3. Algunos ejemplos de alimentos funcionales
Los alimentos funcionales pueden contener minerales, vitaminas, ácidos grasos o
fibras dietéticas, y muchos más componentes específicos, que tienen diversas
funciones dentro del organismo11. Algunos ejemplos de alimentos funcionales, se
muestran en la Tabla 1.
11
EUFIC. Op. Cit., <Pagina web>
21
Tabla 1. Algunos alimentos funcionales (Adaptado de EUFIC12, 2011)
En investigaciones realizadas, se encontró que reemplazando el 20% en la
formulación de productos cárnicos tipo salchichas e incorporando como agente
sustituto el fruto seco de la nuez, es posible obtener un alimento con propiedades
funcionales como la disminución en el riesgo de enfermedades cardiovasculares,
gracias a que se disminuyen los ácidos grasos saturados y el colesterol13.
12 EUFIC, Op. Cit., <Pagina web>. 13 JIMÉNEZ, F. Productos cárnicos funcionales preparados con nuez. En: Revista CTC. Madrid, Vol. 22, 2004. P. 1 - 5
Alimento Componente activo Función del componente
Bebidas lácteas
con cultivos Probióticos
Mejoran y regulan el
funcionamiento digestivo del
organismo, entre otras
funciones.
Margarinas Esteroles vegetales y
ésteres
Ayudan a disminuir el colesterol
y el riesgo de enfermedades
cardiacas
Huevos ricos en
ácidos grasos Omega 3
Ayudan a controlar la
hipertensión y el metabolismo
de los lípidos
Cereales para el
desayuno Ácido fólico
Favorece la formación de
glóbulos rojos y la regeneración
celular
Pan y barras de
cereales Isoflavonas
Reduce el riesgo de sufrir
cáncer de mama o de próstata,
enfermedades cardíacas y de
osteoporosis
22
En la actualidad, el segmento de bebidas y refrescos es el que más crece a nivel
mundial dentro del sector de alimentos funcionales. Productos como néctares que
mediante la inclusión de fibras vegetales con propiedades prebióticas, ayudan a
mantener el balance de la microflora intestinal, logrando regular el sistema
digestivo14; o bebidas gaseosas como la Pepsi Kick15, que al tener incorporados
componentes como las cafeína y el ginsegn, mejoran la capacidad cognitiva del
consumidor.
Diversas compañías a nivel mundial han fomentado el desarrollo de alimentos
funcionales. Empresas como Johnson & Johnson o Unilever, impulsaron el uso de
la soya como base de alimentos funcionales, gracias al contenido de esteres
vegetales y sus beneficios en la reducción de riesgo de cáncer y los niveles de
colesterol; por su parte, Nestlé y Danone, cada una de forma independiente han
investigando los beneficios en el organismo que proporcionan alimentos con
cultivos probióticos16.
En Colombia, ha sido Alpina una de las empresas que más ha incursionado en
este segmento de alimentos, siendo Regeneris uno de los productos funcionales
más conocidos de su portafolio. Este yogurt tiene propiedades que mejoran el ciclo
digestivo, gracias a la incorporación de frutas, cereales y cultivos probióticos17.
14 BON APPETIT, S.A. Néctares mejoran el balance y la calidad de vida. En: deGUATE [En Línea]. El Salvador, 2008. <Disponible en: http://www.deguate.com/artman/publish/gestion_negocios/ nectares-petit-mejoran-el-balance-y-la-calidad-de-vida.shtml> (Consultado el 18 de Julio de 2011). 15 PEPSI Co. Productos. En: Pepsi Kick. [En Línea]. Buenos Aires, 2011. <Disponible en: http://ar.pepsimundo.com/productos/kick/> (Consultado el 16 de Agosto de 2011). 16 ARIAS-ARANDA, D. Op. Cit., p. 241. 17 ALPINA. Productos funcionales. En: Regeneris [En Línea]. Bogotá, 2011. <Disponible en: http://www.alpina.com.co/productos-funcionales/regeneris/> (Consultado el 10 de Agosto de 2011).
23
1.1.4. Normatividad y reglamentación de los alimentos funcionales
En 1991 Japón reglamentó este tipo de alimentos, estableciendo la categoría
“Alimentos para Uso Especifico en la Salud” – FOSHU (por sus siglas en inglés).
Los alimentos pertenecientes a esta categoría, debían ser aprobados por el
Ministerio de Salud, mediante los estudios y todas las pruebas científicas que
garantizaran los beneficios del alimento funcional18.
En el viejo continente, ha sido la Comisión Europea de Acción Concertada sobre
Bromatología Funcional (FUFOSE) la encargada de elaborar la normatividad para
los alimentos funcionales. Se ha enfocado en desarrollar y establecer un enfoque
científico, donde se tengan las pruebas necesarias para respaldar el adelanto de
productos alimenticios que puedan tener un efecto beneficioso sobre una función
fisiológica del cuerpo, mejorando el estado de salud y bienestar de un individuo19.
En el caso de Estados Unidos, desde 1993 está permitido mencionar propiedades
"que reducen el riesgo de padecer enfermedades" en ciertos alimentos. Este tipo
de alusiones deben estar autorizadas por el departamento de Administración para
Alimentos y Medicamentos (Food and Drug Administration, FDA), siempre que
existan evidencias científicas públicamente disponibles que respalden las
pruebas20.
18 KWAK, No-Seong. Functional foods. Part 1: the development of a regulatory concept. En: Food Control. Reino Unido. Vol. 12, 2001. p. 99 – 107 19
EUFIC. Op. Cit., <Pagina web> 20
EUFIC. Ibid.
24
En la actualidad, Colombia no cuenta con una normatividad dedicada
específicamente a los alimentos funcionales, pero se han realizado declaraciones
importantes acerca de estos. Una de las más importantes, es la realizada en la
resolución 33321 de 2011 en el artículo 21, donde se reglamentan los tipos de
declaraciones de propiedades saludables que deben llevar los alimentos
“21.1 Declaración de función de los nutrientes: Son declaraciones de
propiedades nutricionales que describen la función fisiológica del
nutriente en el crecimiento, el desarrollo y las funciones normales del
organismo.
Ejemplo: Nutriente A (indicando la función fisiológica del nutriente A en
el organismo para el mantenimiento de la salud y la promoción de un
desarrollo y crecimiento normal). El alimento X es buena fuente del
nutriente A.”
De acuerdo con el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos
(INVIMA), un alimento no puede clasificarse como funcional si en su rotulo se
declaran características terapéuticas. Tampoco entran en esta categoría aquellos
alimentos que tengan mensajes como: reduce el apetito, mejora tu figura, reduce
de peso, entre otros22.
21 COLOMBIA. MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL. Resolución 333 de 2011 – Regulación de etiquetado en alimentos para consumo humano. Bogotá: 2011. 39 pags. 22 INVIMA. Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos. Bogotá: INIVMA, Acta 05/06 de 2006. 9pag.
25
1.2. FIBRA DIETARÍA
1.2.1. Generalidades
La American Association of Cereal Chemist - AACC23, define la fibra dietaría (FD)
se define como:
“La parte comestible de las plantas o hidratos de carbono análogos que
son resistentes a la digestión y absorción en el intestino delgado, con
fermentación completa o parcial en el intestino grueso. La fibra dietética
incluye polisacáridos, oligosacáridos, lignina y sustancias asociadas de la
planta. Las fibras dietéticas promueven efectos beneficiosos fisiológicos
como el laxante, además que atenúa los niveles de colesterol y de la
glucosa en sangre”.
En abril de 2007 el Institute of Food Science & Technology - IFST24, desarrolló un
nuevo concepto denominado fibra funcional o añadida, que incluye otros hidratos
de carbono absorbibles no digeribles, que alcanzan el último tramo de tracto
digestivo, como el almidón resistente, la inulina, diversos oligosacáridos y
disacáridos como la lactulosa. Se hablaría entonces de fibra dietaria total como la
suma de fibra dietética más fibra funcional.
23 AACC - American Association of Cereal Chemist. Dietary fibre. [En Línea]. USA. <Disponible en: http://www.aaccnet.org> (Consultado el 22 de Agosto de 2010) 24 IFST - Institute of Food Science & Technology. Information statement. Dietary fibre. [En Línea].
Londres, Inglaterra. 2007. <Disponible en: www.ifst.org/document.aspx?id=117>. (Consultado el
16 Septiembre de 2010)
26
Las fibras en general están presentes en las paredes de las células de origen
vegetal. Este grupo está compuesto por la celulosa, hemicelulosa, lignina, pectina
y demás glúcidos complejos. Cuando se consumen estas fibras, el sistema
digestivo no puede metabolizarlas, por lo que de esta forma logran barrer con gran
cantidad de desechos del organismo, los cuales se eliminan a través de las
heces25.
Desde un punto de vista médico, los efectos fisiológicos o biológicos de las fibras
en el organismo, hacen que este tipo de componentes tengan un futuro
prometedor en diferentes investigaciones y aplicaciones. Por ejemplo, algunas
fibras tienen la capacidad de ligar ciertas moléculas y no permitir su absorción
intestinal, contribuyendo a reducir el riesgo de sufrir hipercolesterolemia26. Al
añadir FD en la alimentación se logra reducir en gran medida los trastornos
intestinales; además, se presentan beneficios como bajar los niveles sanguíneos
del colesterol y los triglicéridos27.
También se sabe, que existe una asociación entre la ingesta de dietas ricas en
fibra y una menor incidencia de cáncer de intestino; esto puede ser porque la fibra
liga algunas sustancias cancerígenas y porque aumenta la velocidad del tránsito
25 DUARTE, Letizia. Las fibras y su importancia en la dieta diaria. [En Línea]. Universidad del Norte, Paraguay. 2010. <Disponible en: http://letiziaduarte.com/?cat=10>. (Consultado 11 de Septiembre de 2010) 26 SILVA, Daniel Alejandro. Documentación y estandarización de la técnica para la determinación de fibra en productos alimenticios para el laboratorio de análisis de aguas y alimentos de la Universidad Tecnológica de Pereira [En Línea]. Pereira, 2007, 68 p. Trabajo de grado. Universidad Tecnológica de Pereira. Escuela de Tecnología Química. <Disponible en: http://biblioteca.utp.edu.co/tesisdigitales/texto/6413S586d.swf.> (Consultado 20 de Junio de 2011). 27 EBSCO. Dietary fiber. En: Columbia Electronic Encyclopedia, 6th Edition. [En Línea] 2010 <Disponible en: http://web.ebscohost.com/ehost/dietaryfiber> (Consultado en Junio de 2011)
27
intestinal, reduciendo la posibilidad de una interacción de los compuestos
cancerígenos con la mucosa intestinal28.
1.2.2. Clasificación de la fibra dietaria
En general, la FD se puede clasificar según la solubilidad y el grado de
fermentación. La fibra dietética está compuesta por componentes solubles e
insolubles; los primeros ejercen principalmente actividad metabólica y los
segundos, actividad mecánica29.
1.2.2.1. Fibra dietaria insoluble
Este tipo de fibras no son solubles en agua, son más lentas y no se degradan ni se
fermentan completamente en el proceso de digestión. Entre ellas están la
celulosa, la lignina y parte de la hemicelulosa. Las FDI afectan la función intestinal,
incrementando el bolo fecal mediante la absorción de agua y disminuyendo el
tiempo de tránsito de las heces a través del colon30.
28 SILVA, D. Op. Cit., p35 29 ESCUDERO, Elena y GONZALEZ, P. La Fibra dietética. En: Nutrición Hospitalaria. Cercedilla, Madrid. Vol. 21, 2006. p.61-72. 30 SALMERON, J. y otros. Dietary fiber, glycemic load, and risk of NIDDM in men. En: Diabetes Care. USA. Vol. 20, no.4, 1997. p.545- 550.
28
1.2.2.2. Fibra dietaria soluble
Las FDS se disuelven en agua y forman un gel de manera natural, además son
degradadas y fermentables en el intestino grueso. Algunas de estas fibras son las
pectinas, gomas, mucilagos, algunas hemicelulosas y celulosas químicamente
modificadas como la carboximetilcelulosa (CMC). También se incluyen las gomas
provenientes de microorganismos31.
En general, este tipo de fibras son ampliamente utilizadas como aditivos para los
alimentos (se aplican como espesantes, estabilizadores, agentes gelificantes); así
mismo estimulan el crecimiento de la flora intestinal, lo que a su vez incrementa la
producción de ácidos grasos de cadena corta, que reducen el pH del colon32.
1.2.3. Fibra dietaria en algunos alimentos
La FD se encuentra principalmente en frutas, verduras, legumbres y los granos de
cereales enteros. Más del 95% de la fibra está presente en las paredes de las
células parenquimáticas vegetales, entre las cuáles se destacan la celulosa, las
hemicelulosas y las pectinas33. Los productos cárnicos tienen significativamente
menor contenido de FD en comparación con vegetales, frutas y cereales34.
31 MALCOLM, A. Moore. Soluble and insoluble fiber influences on cancer developmen. En: Critical Reviews in Oncology: Hematology. Japón. Vol. 27, 1998. P. 229 –242. 32 JENKINS, David y otros. Dietary fiber, the evolution of the human diet and coronary heart disease. En: Nutritional Research. Toronto, Canadá. Vol.18, 1998. p. 633–652. 33
CASTAÑO, Eduardo. El mayor consumo de fibra no significa siempre mejorar la salud. En: Hacia la promoción de la Salud. [En Línea]. Manizales. Vol. 9, 2004. p.17-25. <Disponible en:http://promocionsalud.ucaldas.edu.co/downloads/Revista%209_3.pdf> (Consultado 21 de Junio de 2010)
29
Existen muchos alimentos que pueden proveer gran cantidad de FD en su
consumo, como son las zanahorias, manzanas, guayabas, pepinos, frijoles,
verduras del género crucíferas (coles, brócoli y coliflor), entre otras; lo ideal es
que el nivel de consumo de fibra dietaria esté entre 40 – 80 g/persona/día35.
De acuerdo con el Instituto Colombiano de Bienestar Familiar (ICBF), el consumo
sugerido de FD para la población mayor de dos años está entre 20 – 40
g/persona/día, teniendo como fuentes principales de esta fibra a las frutas y los
cereales36.
Existen diferentes alternativas para incrementar la fibra de un alimento en la dieta
diaria, la más común es mediante la adición en el producto que se desea preparar.
Para esto, se han estudiado materias primas diferentes a los cereales como
posibles fuentes de FD, dentro de las que se encuentran la fibra proveniente de
las frutas y verduras37, y la de los residuos de su procesamiento38.
33 BROOKS, Stephen P.J. Dietary fibre in baby foods of major brands sold in Canada. En: Journal of Food Composition and Analysis. Ottawa, Canada. Vol. 19, 2006. p. 59–66 35 MIRANDA, Álvaro. La fibra dietaria en la nutrición. Celulosa. En: Facultad de medicina, UAEMEX. [En Línea] México. 2011. <Disponible en: http://www.uaemex.mx/fmedicina/articulos/fibra.pdf> (Consultado en junio de 2011) 36
ICBF. Instituto Colombiano de Bienestar Familiar. Guías alimentarias para la población colombiana mayor de 2 años. [En Línea]. Colombia, 1999. <Disponible en: https://www.icbf.gov.co/icbf/directorio/portel/libreria/pdf/BASESTECNICASGUIAALIMENTARIAPOBLACIONMAYORDE2A%C3%91OS.pdf>. (Consultado el 4 de agosto de 2011) 37 CARME, María. Effect of air-drying temperature on physico-chemical properties of dietary fiber and antioxidant capacity of orange (Citrus aurantium v. anoneta) by-products. En: Food Chemistry. España. Vol. 104, 2007. p 1014–1024. 38 SENDRA, Esther. Incorporation of citrus fibers in fermented milk containing probiotic bacteria. En: Food Microbiology. España. Vol. 25, 2008. p. 13-21.
30
En la investigación realizada por David Severiche y Clara Restrepo39, se evaluaron
los beneficios que proporcionarían la sustitución de algunos porcentajes de harina
de maíz en productos tradicionales como arepas y galletas, mediante la inclusión
de harinas elaboradas con residuos cítricos y de la industria del banano. Se
encontró que las harinas provenientes del albedo de la naranja y del banano verde
con cáscara de rechazo, pueden ser utilizadas para mejorar el aporte de diferentes
componentes en los alimentos, como es el caso de la FD.
De igual forma, otros alimentos han sido desarrollados con la inclusión de FD en
su formulación, tal es el caso del queso crema elaborado por Yenisey Barrera40 y
su equipo. En esta investigación, se empleó CMC como fuente añadida de fibra
dietaria, agregando 5g por cada 100g de producto terminado. Se encontró que el
queso crema con inclusión de CMC tenía una mayor consistencia y alto contenido
energético.
39 SEVERICHE, David, y RESTREPO, Clara. Evaluación del efecto de la inclusión de fibra dietaria proveniente de subproductos de musáceas y residuos de la transformación de cítricos en la elaboración de productos de panadería y de maíz. 2008, 82 p. Trabajo de Grado. Universidad Pontificia Bolivariana, Escuela de Ingenierías, Facultad de Ing. Agroindustrial. 40 BARRERA, Yenisey. Formulación de un queso crema con fibra dietética incorporada. Control de calidad. En: Revista Cubana de Alimentación y Nutrición. Cuba. Vol.19, Nº 2. 2009. P.255-260
31
1.2.4. Celulosa como fuente de fibra dietaria
La celulosa es considerada una gran fuente de FDI, lo que le confiere
características ideales para su inclusión en alimentos que buscan mejorar el flujo
intestinal de las personas41. La celulosa se encuentra en alimentos como las
zanahorias, coles, verduras y cereales integrales42.
En general, la celulosa con fines alimenticios se comercializa en polvo. Es un
polímero puro, triturado mecánicamente, obtenido mediante el procesamiento de
la alfa-celulosa proveniente directamente de fibras vegetales. Se emplea como FD
indigestible, agente de separación o sustancia portadora de alta pureza química y
microbiana43.
La celulosa en polvo es empleada como fuente de FD para enriquecer diferentes
alimentos, como son: productos cárnicos, panificación, productos lácteos,
bebidas, entre otros; además, este tipo de productos presenta ventajas como
reducción de calorías, poder ligante, estabilidad, efecto emulsionante, mejora en la
textura y estabilidad de pH44.
41 FAO. Los carbohidratos en la Nutrición Humana. Análisis de la Fibra Dietética. [En Línea] 2010. <Disponible en: http://www.fao.org/index_es.htm > (Consultado en Septiembre de 2010) 42 MIRANDA, A. Op. Cit. P. 11 43 JECFA. Comité mixto FAO/OMS de expertos en aditivos alimentarios. Aditivos. Celulosa en polvo. [En Línea] Nueva York, USA. 2011. <Disponible en: http://www.fao.org/ag/agn/jecfa-additives/details.html;jsessionid=42D1BD3BFC049B866906BA73850BD751?id=348> (Consultado en junio de 2011) 44 COMPAÑÍA J. RETTENMAIER & SÖHNE. Vitacel. Aplicaciones. Fibras dietarías. [En Línea]. Rosenberg, Alemania, 2011. <Disponible en: http://www.jrs.de/cgi-bin/wPermission.cgi?file=/wSpanisch/anwend/food/anwend_fleisch.shtml&navid=75> (Consultado en junio de 2011)
32
1.2.5. Normatividad y reglamentación de la fibra dietaria en alimentos
A nivel internacional, ha sido la organización Food and Drugs Administration
(FDA)45 de los Estados Unidos, la que ha aprobado diferentes categorías para el
contenido de FD y su respectivo etiquetado en los alimentos:
Alto en fibra: Contiene 5 gramos de fibra o más por porción.
Buena fuente de fibra: Contiene de 2.5 a 4.9 g de fibra por porción.
Más fibra o fibra añadida: Contiene por lo menos 2.5 g de fibra más que
el alimento de referencia.
*considerando una porción de 100 g.
En Colombia, el Ministerio de Protección Social y el INVIMA han reglamentado el
contenido de FD en los alimentos. La resolución 333 de 201146 que trata acerca
de “Regulación de etiquetados y rotulados en alimentos”, presenta inicialmente
una serie de definiciones importantes para entender los diferentes artículos, entre
las que se encuentran:
Fibra dietaria: Son carbohidratos y lignina, que no son hidrolizados
por las enzimas endógenas del tracto gastrointestinal de los
humanos. La fibra dietaria puede ser soluble o insoluble.
o Fibra soluble: La fracción de la FD soluble en agua.
45 FDA. Food and Drugs Administration. Nutrition labeling and education act (nlea) requirements-
attachment 4. Dietary fiber. [En Línea]. USA. 2010. <Disponible en:
www.fda.gov/ICECI/Inspections/InspectionGuides/ucm114092.htm>. (Consultado en Junio de
2011).
46 COLOMBIA. MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL. Resolución 333 de 2011. Op. Cit, p. 17.
33
o Fibra insoluble: Es la fracción de la FD que no se disuelve en agua.
De acuerdo con el articulo 8.1.2 de la Res. 333, se dice que la FD es uno de los
componentes de obligatoria declaración en los diferentes alimentos; aunque éste
articulo en el inciso e), declara que si el contenido de FD es inferior a 1g por
porción (100g), no es necesario informar de la cantidad de fibra del alimento. Por
su parte, el artículo 8.2.2, afirma que tanto la FDS como la FDI son componentes
opcionales en la declaración del contenido del alimento.
En el capítulo IV, articulo 13 de la misma resolución, se hace referencia a los
diferentes valores diarios de los nutrientes del alimento, entre los que se encuentra
la FD. Se establece que para niños mayores de 6 meses y menores de 4 años, el
consumo debe ser 19 g FD/día; mientras que para los adultos se recomiendan
valores diarios de 25 g FD/día.
De acuerdo con los artículos 16.6 y 17, los alimentos que contengan FD podrán
llevar alguno de los siguientes descriptores:
Alto en fibra: Si contiene 20% o más del valor de referencia por cada
porción.
Buena fuente de fibra: Si contiene entre un 10% y un 19% más del
valor de referencia por cada porción.
No es bajo en grasa total: Si no cumple con las anteriores definiciones.
*En todos se debe especificar la grasa total por porción
34
1.3. CELULOSA
1.3.1. Generalidades
La celulosa es la biomolécula más abundante de la biomasa terrestre, ya que se
encuentra en las paredes de las células de las plantas. Las manifestaciones
naturales en que se presenta la celulosa son en forma de fibras semicristalinas,
cuya morfología y aspecto puede variar de una fuente a otra47. Es un carbohidrato
polimérico, esto se debe a que está conformada por varias unidades de glucosa,
en forma lineal y fibrosa. Su formula empírica es (C6H10O5)n. Está constituida
principalmente por: 44 – 45% de carbono, 6 – 6.5% de hidrógeno y el resto es
oxígeno. La macromolécula de celulosa basa su estructura en unidades de
glucosa que están unidas a través de enlaces β-1,4-glucosídicos, que se forman
entre los átomos de carbono 1 y 4 48, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Estructura química de la celulosa
Fuente: HEINZE, Thomas. Unconventional methods in cellulose funtionalization. En: Revista
Progress in Polymer Science. Jena, Alemania. Vol.26. 2001. P 1692
47 GANDINI, Alessandro. Chapter 1 – The state of the art. En: Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Oxford, Inglaterra. 2007. P. 1 - 16. 48
HEINZE, Thomas. Unconventional methods in cellulose funtionalization. En: Revista Progress in Polymer Science. Jena, Alemania. Vol.26. 2001. P. 1689-1762
35
Entre las moléculas de glucosa que conforman la estructura de la celulosa, se
establecen múltiples puentes de hidrógeno gracias a los grupos hidroxilo, lo que
hace que ésta sea insoluble en agua. La fuerza de estos enlaces de hidrógeno es
del orden de 25 kJ/mol, cerca de 100 veces más fuerte que las Fuerzas de Van
Der Waals (aprox. 0,15 kJ/mol), que es la que atrae y mantiene unidas las
moléculas49.
1.3.2. Aplicaciones de la celulosa
Son diversas las aplicaciones que se le han dado a la celulosa, la principal y más
conocida de todas es la elaboración de papel y cartón. Actividad industrial que
incurre en un gran consumo de agua y energía; y que a su vez genera una notable
cantidad de residuos líquidos y sólidos, debidos principalmente a los métodos
químicos con los que se obtiene50.
No obstante, la celulosa tambien es empleada en diferentes industrias como la
alimentaria y la farmacéutica, donde ésta es sometida a modificaciones que
generan una serie de compuestos con múltiples propiedades funcionales, algunos
ejemplos son la carboximetil celulosa (CMC) que se utiliza como espesante, o la
celulosa microcristalina que es usada como anticompactante y para elaborar
tabletas51.
49 KRÄSSING, Hans. Cellulose: Structure, accessibility and reactivity. En: Polymer Monographs. Amsterdam, Holanda. Vol.11. 1996. P. 1-314. 50 ALTESOR, Alice. La industria de la celulosa y sus efectos: certezas e incertidumbres. En: Ecología Austral. Uruguay. Vol. 18. 2008. P. 291-303. 51 ANGIOLANI, Argeo. Capitulo XI. Las materias primas de las industrias químicas. En: Introducción a la Química Industrial. Ed. Andrés Bello. Santiago, Chile. 1960. p, 335.
36
Gracias a su alto contenido de glucosa, también se utiliza en la obtención de
biocombustibles; ya que esta actúa como sustrato para la fermentación alcohólica.
El problema de esta última aplicación es el proceso de hidrólisis que se le debe
hacer a la celulosa para poder obtener la glucosa, lo que aumenta en gran medida
los costos de producción y la contaminación ambiental, debido a los diferentes
ácidos que se emplean en el proceso y que son descargados al medio52.
1.3.3. Fuentes de obtención
La celulosa se extraen principalmente de los árboles, pero también existen otras
fuentes de fibras lignocelulósicas para su obtención, como lo es la paja, el bagazo
de la caña de azúcar, el bambú, el algodón, el lino, entre otras. Adicionalmente
esta puede ser producida por microorganismos tales como bacterias y hongos53.
1.3.3.1. Celulosa de origen vegetal
Como la celulosa de origen vegetal se encuentra unida a la lignina y a la
hemicelulosa, es necesario someter las fibras a tratamientos con soluciones
ácidas y alcalinas y con cloro, para que estos formen compuestos solubles en
52 TIMILSINA, Govinda. How much hope should we have for biofuels?. En: Energy. Washington, DC, United States. Vol. 36, 2011. P. 2056-2066. 53
CHAVEZ, Juan Luis, et al. Celulosa Bacteriana en Gluconacetobacter xylinum: Biosíntesis y Aplicaciones. En: Revista TIP. México D.F., México. Vol. 7. 2004. p. 18-25.
37
agua y la liberen. De acuerdo con Angiolani54, los métodos más conocidos para
realizar esta separación y obtener la celulosa, son los siguientes:
Método de Kraft: Las fibras se tratan con solución de hidróxido sódico, entre 3-
6 horas a 160-170ºC, bajo presión constante. Luego, se añade sulfato sódico
que posteriormente pasa a sulfuro sódico el cual se elimina posteriormente (ver
Figura 2).
Método de sulfito: En una autoclave se hace reaccionar anhídrido sulfuroso
sobre carbonato cálcico en presencia de agua, produciendo bisulfito cálcico
que degrada la lignina presente en las fibras. Se controla la temperatura entre
145-150 ºC y 5-6 atmósferas de presión.
Método de hidróxido de sodio: Es similar al anterior. Se emplea hidróxido de
sodio (NaOH) al 10%, con una temperatura de 170ºC y con 8 atmósferas de
presión. Se deja en cocción entre 4-6 horas.
Figura 2. Diferentes tipos de celulosas. A) Celulosa Kraft y B) Celulosa
blanqueada químicamente
Fuente: PAPELNET. Celulosa: Tipos de celulosa. [En línea]. Chile, 2009. <Disponible en:
http://www.papelnet.cl/celulosa/5.html> (Consulta: 28 Nov. 2010)
54ANGIOLANI, Argeo. Capitulo XX. Las industrias de las utilizaciones de los biocombustibles y maderas. Op. Cit., p. 648.
B A
38
En la mayoría de los casos es necesario blanquear la pasta de celulosa a través
de tratamientos con productos químicos clorados, ya que ésta es la de mayor
demanda en el mercado. Este proceso incluye la extracción de la lignina, resinas,
iones metálicos y otras sustancias que podrían afectar la calidad de la celulosa55.
1.3.3.2. Celulosa de origen bacterial
Este tipo de celulosa es obtenida por algunos microorganismos como bacterias u
hongos, que al ser introducidos en un medio de cultivo líquido con azúcares como
glucosa, fructosa, entre otros; logran producir la celulosa. En este proceso de
biosíntesis, han sido las bacterias del género Gluconacetobacter xylinum las que
mayor capacidad productora han tenido, logrando sintetizar estas fuentes de
carbono (en especial glucosa) y convirtiéndolas en una película gelatinosa que se
forma en la interface aire-liquido del medio cuando se trabaja en cultivos estáticos.
Al ser secada, esta capa se convierte en una fina película con características
químicas iguales a la celulosa vegetal, pero con la diferencia de ser más pura ya
con es libre de lignina y hemicelulosa.56.
55
PAPELNET. Celulosa: Tipos de celulosa. [En línea]. Chile, 2009. <Disponible en: http://www.papelnet.cl/celulosa/5.html> (Consulta: 28 Nov. 2010) 56
CHAVEZ, J. Op. Cit., p. 19
39
1.4. CELULOSA BACTERIANA (CB)
1.4.1. Generalidades
La celulosa bacteriana (CB) es una celulosa producida por algunos
microorganismos unicelulares. La estructura cristalina y la pureza que presenta la
CB hacen que sea una fuente alterna a la celulosa vegetal, ya que presentan una
composición química idéntica57. Esta biomolécula puede ser producida
extracelularmente por algunas especies bacterianas, ya que realizan una
biosíntesis del polímero a partir de carbohidratos como la glucosa58.
Aunque tiene igual composición química que la celulosa vegetal, la CB se destaca
como fuente alterna por su pureza, su estructura cristalina, y su resistencia a la
tracción59. La versatilidad de la CB en comparación con la vegetal, se debe al
hecho de que es químicamente pura, lo que significa que no va acompañada de
ningún otro compuesto orgánico como lignina, pectina y hemicelulosa, algo que si
sucede con la vegetal60.
La CB está conformada por microfibrillas que proporcionan excelente resistencia
mecánica, además de biodegradabilidad, biocompatibilidad, alta capacidad de
57
PUTRA, Ananda. Tubular bacterial cellulose gel with oriented fibrils on the curved surface. En: Polymer, Sapporo, Japón. Vol. 49. 2008. p. 1885 – 1891. 58
CHAVEZ, Op. Cit., p. 19 59 WAM, Z.Y. Mechanical, moisture absorption, and biodegradation behaviours of bacterial
cellulose fibre-reinforced starch biocomposites. En: Composites Science and Technology. Tianjin,
China. Vol. 69. 2009. P. 1212–1217.
60 KLEMM, Dieter. Bacterial synthetized cellulose - artificial blood vessels for microsurgery. En:
Progress in Polymer Science. Jena, Alemania. Vol. 26. 2001 .P. 1561–1603.
40
retención de agua y alta cristalinidad. La diferencia entre las CB y las celulosas
vegetales, se puede ver en su apariencia y en el contenido de agua de cada una,
estas últimas tienen un aspecto fibroso, mientras que las primeras se asemejan a
un gel61.
De acuerdo con Li Hu62, la CB posee características y propiedades que la
destacan de la celulosa vegetal, como se pueden ver en la Tabla 2.
Tabla 2. Propiedades de la CB respecto a la celulosa vegetal (Adaptado de Hu, 2009)
Propiedad Características de la CB
Resistencia mecánica La CB tiene capacidad para resistir fuerzas aplicadas sin romperse o adquirir deformaciones permanentes
Alta cristalinidad Mientras más cristalina sea la CB obtenida, más uniforme será la membrana que se extraiga.
Alta porosidad La CB obtiene esta propiedad, gracias a su red de microfibras ultrafinas.
Capacidad de retención de humedad
Debido a que la CB es un material higroscópico, tiene gran capacidad para absorber agua del medio en el que se encuentra.
Alta pureza La CB es un compuesto químicamente puro, que no tiene presencia de otros componentes orgánicos.
61 PECORARO, Edison. Chapter 17 - Bacterial Cellulose from Glucanacetobacter xylinus:
Preparation, Properties and Applications. En: Monomers, Polymers and Composites from
Renewable Resources. Editado por Mohamed Naceur. Oxford, Inglaterra. 2007. P. 369-383.
62 HU, Li. Effect of coupling treatment on mechanical properties of bacterial cellulose nanofibre-
reinforced UPR ecocomposites. En: Materials Letters. Tianjin, China. Vol. 63. 2009. P. 1952–1954.
41
1.4.2. Variables que intervienen en la producción de CB
1.4.2.1. Cepa
La biosíntesis de la celulosa bacterial se puede realizar con diferentes tipos de
microorganismos unicelulares. Las bacterias presentan diferentes cepas
productoras de CB63, como se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Diferentes bacterias productoras de CB (Adaptado de Jonas y
Farah, 1997)
Genero Estructura de la CB
Gluconacetobacter Película extracelular
Achromobacter Fibrillas de celulosa
Aerobacter Fibrillas de celulosa
Agrobacterium Pequeñas fibrillas de CB
Rhizobium, Pequeñas fibrillas de CB
Sarcina CB amorfa
Alcaligenes Fibrillas de celulosa
En la actualidad, las cepas de Gluconacetobacter sirven como organismos
modelos para la biosíntesis de la celulosa; éstas son bacterias que pueden
sintetizar la celulosa cuando se cultivan en un medio complejo que contiene una
63 JONAS, Rainer y FARAH, Luiz. Production and application of microbial cellulose. En: Polymer degradation and Srabiliry. Joinsville, Brasil. Vol. 59, 1998. P. 101-106.
42
fuente de carbono64. En especial, la bacteria Gluconacetobacter xylinum es el
arquetipo que mejores rendimientos presenta y tiene entre 41 cepas
pertenecientes al género Acetobacter y Agrobacterium65. Es importante aclarar
que de acuerdo con la Organización UniProt66, es lo mismo hablar de
Gluconacetobacter xylinum y de Acetobacter xylinum, ya que son sinónimos para
referirse al mismo microorganismo.
Además del rendimiento que presenta la bacteria G. xylinum en la producción de
CB, hay otras ventajas que favorecen su aplicación científica, como son la alta
pureza y la similitud estructural de la CB que se obtiene en comparación con la
celulosa vegetal; igualmente, su fácil manipulación hace que sea cómoda para
trabajar67.
Esta bacteria fue descrita por primera vez en 1886 gracias a A.J. Brown, quien
descubrió una capa gelatinosa en la superficie del medio durante la fermentación
del vinagre. Luego de diversos estudios, se comprobó que ésta capa poseía
características similares a la celulosa vegetal68.
64 SON, Hong-Joo. Increased production of bacterial cellulose by Acetobacter sp. V6 in synthetic media under shaking culture conditions. En: Bioresource Technology. Corea del Sur. Vol. 86. 2003. P. 215–219 65
MASAOKA, Satochini. Production of cellulose from glucose by Acetobacter xylinum. En: Journal or Fermentation and Bioingeneering. Osaka, Japón. Vol.71, 1993. P. 18 – 22. 66 UNIPROT. Organitation Universal Protein. Especies: xylinus Gluconacetobacter ( Acetobacter
xylinus ). [En Línea]. <Disponible en: http://www.uniprot.org/taxonomy/28448> (Consultado el 24
de Agosto de 2011)
67 CHAVEZ, Op. Cit., p. 19.
68
KLEMM, Op. Cit., p. 1564
43
1.4.2.2. Medios de cultivo y sustratos
Para adecuar un medio de cultivo con el que se desea obtener CB, se debe
emplear como sustrato una fuente de carbono rica en azúcares, que sea soluble
en agua y que no sea tóxica para el microorganismo que se desea emplear69, un
ejemplo de estos son los carbohidratos.
En general, los monómeros provenientes de azúcares son buenos precursores de
macromoléculas (CB) en diferentes medios de cultivo70. Se ha reportado la
obtención de CB en medios que contienen sustratos como la glucosa, la sacarosa,
la fructosa, la lactosa, el manitol, entre otros71, donde la D-glucosa es el
carbohidrato más empleado como sustrato en los diferentes cultivos para la
obtención de CB, gracias a los buenos rendimientos que se consiguen con ésta72.
Sin embargo, se ha demostrado que existen medios que han dado mejores
resultados en la producción de CB que los que tienen D-glucosa como sustrato, tal
es el caso del arabitol y el manitol (alcoholes de azúcar), que se metabolizan
gracias a fuentes de carbono como la xilulosa y fructosa, respectivamente; éstos,
han superado la producción a partir de la D-glucosa en 6.2 y 3.8 veces,
respectivamente73. También se han obtenido excelentes resultados en medios que
69 KLEMM, Op. Cit., p. 1564. 70
GALVIS, J.A, et al. Chapter 5 – Sugars as monomers En: Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Editado por Mohamed Naceur. Oxford, Inglaterra. 2007. P. 89 – 114. 71
CHAVEZ, Op. Cit., p. 19. 72
KLEMM, Op. Cit., p. 1565. 73
JONAS, R. y FARAH, L. Op., Cit., p.102
44
tienen como fuente de carbono la maltosa, dando producciones hasta 4.1 veces
mayores que otros sustratos como la galactosa, la lactosa y la glucosa74.
En investigaciones realizadas por Takaaki Naritomi75 y su equipo de trabajo, se
observó el efecto del etanol en medios de cultivo que tenían fructosa como fuente
de carbono (30g/L de fructosa). El estudio midió el rendimiento y el aumento en la
producción de CB, con la adición de diferentes concentraciones de etanol. Los
resultados mostraron una mejoraría en la producción al adicionar hasta 10g/L; sin
embargo, un aumento de concentración de etanol mayor a 15 g/L, generaba una
disminución en la producción debido a la inhibición del crecimiento de las células.
Con todo esto, se determinó que el etanol funciona como fuente de energía y no
como sustrato para la obtención de CB.
Este grupo investigativo también evaluó el efecto del lactato en la producción de
CB en medios de cultivo que contenían fructosa en diferentes concentraciones
(30, 70 y 100 g/L). Se encontró que los mejores rendimientos se obtenían en un
medio con 70 g/L de fructosa y 12,5 g/L de lactato. Se demostró que 77% del
lactato consumido se oxidaba a CO2 y sólo el 6,9% se convertía en CB. Al igual
que el etanol, se concluyó que el lactato funcionaba como fuente de energía y no
como sustrato para la obtención de CB76.
74
O´NEILL, Peggy, et al. Acetobacter xylinum: an inquiry into cellulose biosynthesis. En: The American Biology Teacher. Seattle. Vol. 62, No. 6. 2000. p 442 – 445 75 NARITOMI, Takaaki. Effect of Ethanol on Bacterial Cellulose Production in Continuous Culture
from Fructose. En: Journal of Fermentation and Bioengineeiung. Japón. Vol.85. 1998. P. 598-603.
76 NARITOMI, Takaaki. Effect of Lactate on Bacterial Cellulose Production from Fructose in Continuous Culture. En: Journal of Fermentation and Bioengineeiung. Japón. Vol.85. 1998. P. 89 - 95.
45
En un estudio realizado por Hong-Joo Son y su equipo77, se encontró que la
producción de CB se aumentaba al incluir compuestos como el etanol y el ácido
láctico en el medio de cultivo, y confirmaron lo dicho por Naritomi. En este caso, se
empleaba glucosa como sustrato, en vez de la fructosa y se afirmó que el aumento
en el rendimiento de la CB dependía de la presencia de sulfato de magnesio
(MgSO4 7H2O) en el medio.
Otros sustratos que se han empleado son los producidos a partir de frutas como lo
ha realizado Akihiro Kurosumi78. A partir de jugos de diferentes frutas como la
naranja, la piña, la manzana, la pera y la uva, empleando como cepa el A. xylinum
el autor produjo CB. Estos medios de cultivo fueron obtenidos con la fruta
completa, es decir, con cáscaras, semillas y pulpa. Se confirmó que los jugos de
naranja y pera fueron buenos medios para el crecimiento de la CB, obteniendo
cerca de 0.65 g de CB (peso en seco), a partir de 100 g de medio de cultivo.
En el caso anterior, la producción de CB se evaluó a partir de la sacarosa y la
fructosa. Los autores concluyeron que cantidades apreciables de celulosa
microbiana pueden ser producidas a partir de jugos de frutas que contienen una
gran cantidad de estos azúcares. Adicional a esto, se concluyó que los
rendimientos de la CB se incrementaron gracias al nitrógeno proveniente de los
jugos de frutas. En el caso de la naranja, que fue la de mayor producción, se
propuso que el incremento en el rendimiento es debido a las proteínas y
aminoácidos que ésta contiene79.
77 SON, H-J. Op. Cit., p. 217 78 KUROSUMI, Akihiro. Utilization of various fruit juices as carbon source for production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum NBRC 13693. En: Carbohydrate Polymers. Tokushima, Japón. Vol. 76. 2009. P.333–335 79 Ibid., p 333
46
Otro sustrato empleado por Feng Hong80 en sus trabajos ha sido el konjac.
Utilizando A. xylinum como microorganismo para sintetizar la CB y teniendo el
polvo de esta planta china como sustrato para el medio; se pudo comprobar que a
igual concentración de azúcares totales, la producción de CB en medios que
tenían konjac como sustrato, era tres veces mayor que empleando glucosa, seis
veces más alto que el uso de la manosa, y cinco veces mayor que el uso de la
glucosa-manosa como fuente de carbono. Todo esto realizado en cultivos
estáticos.
En Colombia, la investigadora Gesira de Ávila81, perteneciente a la Universidad
Nacional de Colombia, ha sido una de las que ha trabajado con la bacteria
Acetobacter, desarrollando medios de cultivos que favorezcan la obtención de este
biopolimero. Ella inició un proceso biotecnológico en el que creó un medio líquido
que resultó propicio para que la bacteria creara la CB. Este medio estaba
compuesto por glucosa (fuente de carbono); una fuente de nitrógeno, extracto de
levadura y otras fuentes de nutrientes, incluyendo sulfato de magnesio; fosfato
ácido dipotásico, cloruro de hierro, entre otras; obteniendo con éste medio muy
buenos resultados. A partir de 200 ml de medio de cultivo se obtuvieron 0,948 g de
CB / g de glucosa consumido.
En otras investigaciones realizadas por Cristina Castro82, perteneciente al Grupo
de Nuevos Materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana, se utilizaron
80 HONG, Feng. An alternative carbon source from konjac powder for enhancing production of bacterial cellulose in static cultures by a model strain A. xylinum. En: Carbohydrate Polymers. Shanghai, China. Vol. 72, 2008. P. 545–549. 81 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Hongo del Té: fuente de biopolimeros. [En Línea] <Disponible en: http://historico.unperiodico.unal.edu.co/Ediciones/108/17.html>. (Consultado el 9 de Septiembre, 2010). 82 CASTRO, Cristina. Structural characterization of bacterial cellulose produced by Gluconacetobacter swingsii sp. from Colombian agroindustrial wastes En: Carbohydrate Polymers. Medellin, Colombia. Vol. 84, 2011. p. 96–102.
47
residuos agroindustriales como la cáscara de piña para la producción de CB. Se
encontró que empleando este tipo de residuos como medio de cultivo, teniendo
como cepa la Gluconacetobacter swingssi sp., inoculando al 20% y dejando en
incubación durante 8 días, se pudo producir 2.8 g CB seca / L.
1.4.2.3. Temperatura y pH
Los estudios que han centrado sus investigaciones en la optimización de la
producción de CB, ven la temperatura de incubación y el pH del medio como unas
de las variables más importantes. Generalmente, en medios de cultivo que tiene
como sustrato la glucosa y como cepa el A. xylinum, se manejan rangos de pH
que están entre 3.5 – 7.0 y una temperatura entre 25 – 30 ºC83.
De acuerdo con O´Neill84 y su grupo de trabajo, la temperatura ideal para la
producción de la CB está cercana a los 30 ºC, tal y como se muestra en la Figura
3. Ellos realizaron sus experimentos en cultivos estáticos, empleando una cepa de
A. xylinum y utilizando 15 ml de medio rico en glucosa inoculado con 1ml de
preinóculo manejando el pH entre 6.6 y 6.8; todo esto durante una semana de
incubación. Los resultados demostraron que empleando 30ºC como temperatura
de incubación, se puede incrementar en un 50.47% y 60.95% la producción de CB
de sistemas que emplearon temperaturas de 22ºC y 37ºC, respectivamente.
83
JONAS, R. y FARAH, L. Op., Cit., p.102 84
O´NEILL. Op. Cit., p. 444
48
Por su parte, Chavez85 también trabajó con el mismo microorganismo y determinó
que el rango de temperatura óptimo para la producción de CB está entre 28 – 30
ºC, confirmando lo dicho por O´Neill (2000); aunque en este caso, el pH del medio
que tuvo mejores resultados estaba en un rango que variaba entre 4.0 – 6.0. Es
necesario resaltar que el pH óptimo del medio depende de la cepa productora y
para regular éste, se puede emplear ácido acético, que además sirve como fuente
de energía86.
Figura 3. Efectos de la temperatura en la obtención de CB
Fuente: O´NEILL, Peggy, et al. Acetobacter xylinum: an inquiry into cellulose biosynthesis. En: The
American Biology Teacher. Seattle. Vol. 62, No. 6. 2000. p 442 – 445
85
CHAVEZ, Op. Cit., p. 19 86
VANDAMME, Erik. Improved production of bacterial cellulose and its application potential. En: Polymer Degradation and Stability. Gent, Belgica. Vol. 59.1998. P. 93-99.
0,001
0,052
0,105
0,041
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 10 20 30 40
CB
(g)
Temperatura (ºC)
CB obtenida (g)
49
En un estudio realizado por Jung Wook Hwang87, se analizó el efecto del pH en el
rendimiento de un cultivo estático, teniendo como fuente de carbono la glucosa.
Se encontró que hay mejores rendimientos en la producción de CB si se adecua el
pH en los dos procesos principales que intervienen en esta biosíntesis: el primero,
es metabolizar la glucosa a ácido glucónico, a un pH de 4,0, ésto se da entre las 8
– 21 horas después de la inoculación; y el segundo, es el crecimiento de la CB en
un pH de 5.5, entre 21 – 35 horas de incubación. Con estos cambios, se dieron
aumentos en la producción de CB y se redujo el tiempo de incubación total, frente
a cultivos con pH constante.
1.4.2.4. Tiempo
Para Jonas y Farah88, los mejores rendimientos se dan entre los 4 y 10 días de
cultivo; algo que se aproxima a lo dicho por Chavez89, quien asegura que en
cultivos estáticos se debe tener entre una y dos semanas de fermentación. Por su
parte, Bae90 asegura que el crecimiento de la CB solo se da después de las
primeras 40 h (menos de dos días) y se logra un rendimiento óptimo a las 120 h (5
días) de fermentación91.
87
WOOK, Jung. Effects of pH and dissolved oxygen on Cellulose Production by Acetobacter. En: Journal Of Bioscience And Bioengineering. Corea del Sur. Vol. 88, No. 2, 1999. p. 183-188. 88 JONAS, R y FARAH, L. Op. Cit., p. 103 89 CHAVEZ, Op. Cit, p. 19. 90 BAE, Sangok. Improvement of Bacterial Cellulose Production by Addition of Agar in a Jar Fermentor. En: Journal of Bioscience and Bioengineering. Japón. Vol. 97, No. 1, 2004. P. 33–38. 91 PARK, Joong K. Production of bacterial cellulose by Gluconacetobacter hasenii using a new bioreactor equipped with centrifugal impeller. En: Korean J. Chem. Eng. Corea del Sur. Vol. 24, 2007. P. 264 – 271
50
1.4.2.5. Área superficial y disponibilidad de oxígeno
De acuerdo con Jonas y Farah (1998), una gran área superficial es importante
para una buena productividad92, confirmando lo dicho por Masaoka93 quien
asegura que la tasa de producción de CB depende proporcionalmente del área
superficial que tenga el medio de cultivo en contacto con el aire. Los resultados de
éste último, demostraron que los rendimientos de CB no se ven afectados por
la profundidad y el volumen del medio. De igual manera, en estudios realizados en
el Departamento de Ciencia del Bush School en Seattle, se obtuvieron mayores
producciones de CB en recipientes en los que se tenga una mayor área
superficial; pero además, a una temperatura alrededor de 30 ° C y utilizando la
maltosa como sustrato94.
Adicionalmente, se sabe que una buena incorporación de oxígeno al sistema es
importante para aumentar los rendimientos de CB. De acuerdo con Budhiono95 el
principal factor para el crecimiento de la celulosa microbiana es el oxígeno y no
tanto los glúcidos o sustratos que tenga el medio. Ellos demostraron que un
aumento del 10% en el oxígeno del sistema, condujo a un 25% de aumento en la
producción de CB96.
92
JONAS, R y FARAH, L. Op. Cit., p. 101 93 MASAOKA, Op. Cit, p. 20 94 O´NEILL, Op. Cit, p. 443 95 BUDHIONO, A. Kinetic aspects of bacterial cellulose formation in nata-de-coco cultura system. En: Carbohydrate Polymers. Indonesia. Vol. 40, 1999. p. 137–143 96 JONAS y FARAH, Op. Cit, p. 102
51
1.4.3. Rendimientos de cultivos de CB
Aunque la CB ha recibido mucha atención en los últimos años como un nuevo
material para diferentes aplicaciones industriales gracias a sus diferentes
propiedades; su baja productividad y los altos costos de producción de los
métodos existentes, no garantizan su aplicación de forma industrial97. Debido a
estos problemas, en la actualidad se busca aumentar la producción de los cultivos
de CB y bajar sus costos, ya sea variando los sustratos, cambiando el medio de
cultivo, diseñando biorreactores para su crecimiento o incluyendo componentes en
el medio.
La morfología macroscópica de la CB varía dependiendo del método de cultivo
empleado, ya sea estacionario o en agitación. En el cultivo estacionario se
produce una membrana gelatinosa de CB en la interface aire-líquido, mientras que
el cultivo en agitación produce una celulosa en forma de pequeñas esferas con
masas irregulares. Los resultados muestran mayores rendimientos de CB en
cultivos estacionarios98.
97 CHAVEZ. Op. Cit., p. 24 98
YAN, Zhiyong. Biosynthesis of bacterial cellulose/multi-walled carbon nanotubes in agitated culture. En: Carbohydrate Polymers. Shangai, China. Vol. 74. 2008. P.659-665.
52
1.4.3.1. Rendimientos de cultivos en agitación
Uno de los estudios que presentó avances en la producción de CB en un medio en
agitación, fue el realizado por Hong-Joo Son99; en el que se desarrolló un medio
de cultivo sintético, empleando como sustrato glucosa y adicionando etanol y
acido láctico. Se empleó como cepa el A. xylinum y se mantuvo una agitación de
200 rpm. Con todo esto se logró aumentar la producción de CB, en comparación
con los cultivos de agitación, obteniendo cerca de 4,16 g de CB /L en 8 días de
cultivo.
Por su parte, Joong K. Park100 y su equipo de trabajo, desarrollaron un biorreactor
centrífugo impulsado por una turbina con 6 aletas; adicional a ésto, el sistema
contaba con una bomba de aire para transferir oxígeno al sistema, como se
muestra en la Figura 4. La cepa empleada en los experimentos fue la
Gluconacetobacter hansenii y se tenía glucosa como fuente de carbono. Se
hicieron cultivos de agitación continua, unos sin controlar el pH y los otros
controlándolo. En los primeros, se pasó de producir 3.07 g/L a 6.65 g/L, en 140
horas de cultivo; mientras que controlando el medio con un pH óptimo de 5.0, se
pasó de producir 4.57 g/L a 11.52 g/L en el mismo período de tiempo. Este último
cultivo tuvo un rendimiento 2.9 veces superior que el obtenido en un fermentador
de agitación convencional.
99
SON, H-J. Op. Cit., p. 217 100
PARK, J. Op. Cit., p. 266.
53
Figura 4. Biorreactor centrífugo desarrollado por Park
Fuente: PARK, Joong K. Production of bacterial cellulose by Gluconacetobacter hasenii using a
new bioreactor equipped with centrifugal impeller. En: Korean J. Chem. Eng. Corea del Sur. Vol.
24, 2007. p. 266.
1.4.3.2. Rendimientos de cultivos estáticos
Aunque son diversos los sistemas que se han desarrollado para aumentar la
productividad de la CB, principalmente en los cultivos de agitación, las siembras
estáticas siguen siendo las preferidas101. En el caso de estos últimos, uno de los
métodos desarrollados para aumentar la producción, fue el creado por Tomoyuki
Yoshino102 y su grupo de investigación. Ellos diseñaron un sistema con el que se
101
JONAS, R y FARAH, L. Op. Cit., p. 101 102 YOSHINO, Tomoyuki. Cellulose Production by Acetobacter pasteurianus Silicone Membrane. En:
Journal of Fermentation and Bioengineering. Japón. Vol. 81.1996. P. 32-36
54
pudo duplicar la producción de la CB, en comparación con los cultivos
tradicionales (ver Figura 5). En este sistema, el medio inoculado estaba dentro de
un recipiente cilíndrico, invertido y separado del exterior por una membrana de
silicona; ésta es permeable al oxígeno, pero no a los líquidos. Durante este
estudio se encontró que la tasa de producción de CB dependía en gran medida del
grado de rugosidad de la superficie de la membrana de silicona. La tasa de
producción de CB era unas cinco veces mayor en una superficie brillante y lisa,
que en una superficie con relieves.
Figura 5. Sistema de cultivo estático desarrollado por Yoshino*
* 1) Corte transversal del recipiente de vidrio, 2) Cubierta de silicona, 3) Placa exterior, 4) Poros (3 -10 mm), 5) Mayas de acero inoxidable, 6) Membrana de silicona, 7) Medio
Fuente: YOSHINO, Tomoyuki. Cellulose Production by Acetobacter pasteurianus Silicone
Membrane. En: Journal of Fermentation and Bioengineering. Japón. Vol. 81.1996. P. 32-36.
55
También se ha mejorado la producción de CB en cultivos estáticos de superficie
(hasta 28 g/L) a través de una buena selección de la cepa, un control de
mutaciones, la optimización de la composición del medio y los parámetros físico-
químicos de éste. La glucosa y la fructosa como fuente de carbono y el ácido
acético como fuente de energía, combinado con un control preciso del pH y de los
niveles de oxígeno disuelto, dan como resultado un mayor rendimiento103.
La formación de CB en cultivos estáticos podría ser mejorada mediante la adición
de micropartículas insolubles tales como tierra de diatomeas (roca sedimentaria
silícea), sílice, perlas de vidrio y partículas de arcilla, ya que estas partículas
favorecen la retención de pequeñas cantidades de oxígeno. La combinación de
métodos nutricionales, mejoramiento genético y bioprocesos tecnológicos, da
como resultado niveles muy altos de la CB104.
1.4.4. Usos de la CB
Debido a que la CB tiene cualidades diferentes a la celulosa vegetal, se le
considera un biopolímero ideal para realizar diversas aplicaciones, como se
muestra en la Tabla 4.
103 VANDAMME, Op. Cit., p. 93 104
VANDAMME, Ibid.
56
Tabla 4. Algunos ejemplos en los que se aplica la CB (Adaptado de
Pecoraro105, 2007).
Área Aplicación
Cosmética Estabilizador de las emulsiones (componente de las uñas
artificiales)
Industria textil Textiles artificiales: materiales de alta absorción
Deporte y turismo Ropa deportiva, tiendas de campaña, material de camping
Minería y refinería Esponjas para la recuperación de petróleo derramado,
material de absorción de toxinas
Tratamiento de
residuos Reciclado de aceites y minerales
Tratamiento de
aguas
Purificación de aguas residuales urbanas, ultrafiltración de
aguas
Radiodifusión Diafragmas sensibles para micrófonos y auriculares
estéreo
Forestal Sustituto artificial de la madera, madera contrachapada de
múltiples capas
Industria del papel Papeles especiales, documentos de recuperación,
pañales, servilletas, billetes de banco
Industria mecánica Partes de carros, piezas de aviones, sellado de grietas
Producción de
alimentos
Inhibición de enzimas, ingrediente de alimentos ricos en
fibra dietaría, emulsificante
Medicina Piel artificial temporal para el tratamiento de quemaduras
y úlceras, componente de implantes dentales
Laboratorio Inmovilización de proteínas y células, resinas para
cromatografía
Nuevas
aplicaciones
Plásticos biodegradables, plantillas de pantallas de LCD,
material para prueba de balas, prótesis cardiovasculares
105
PECORARO, Op. Cit., p. 369-383.
57
Se han empleado membranas de CB sintetizadas a partir de A. xylinum y bajo
condiciones de cultivo estático, aplicándolas como películas para filtrar y clarificar
jugos de frutas. La aplicación de esta forma de celulosa microbiana en estos dos
procesos, permite la obtención de un producto con mayor claridad que una
muestra de jugo clarificado normalmente106.
La CB también ha sido utilizada como refuerzo en materiales compuestos a partir
de una matriz termoplástica de almidón. Estos biocompuestos se prepararon con
almidón de maíz, incluyendo también glicerol/agua como agente plastificante y la
CB como material de refuerzo. Se encontró que agregando CB en
concentraciones mayores al 5% se producía un gran aumento en la resistencia a
la tracción del material. Este tipo de compuestos tienen prometedoras aplicaciones
como envases de alimentos y como objetos biodegradables107.
Otra de las aplicaciones que ha tenido la CB ha sido la creación de membranas de
polielectrólitos (PEM), gracias a que la celulosa microbiana tiene la capacidad de
precipitar metales en una solución acuosa y a que su estructura química puede ser
alterada para modificar su idoneidad de acuerdo a la aplicación. En este caso, las
PEM son macromoléculas de polímeros que portan grupos iónicos unidos
covalentemente a su estructura y son empleadas en el desarrollo de sistemas
electroquímicos para la conversión de energía108.
106 KRYSTYNOWICZ, Alina y BIELECKI, Stanislaw. Application of bacterial cellulose for clarification of fruit juices. En: Progress in Biotechnology. Polonia. Vol. 17. 2000. P. 323-327. 107 MARTINS, Ivo. New biocomposites based on thermoplastic starch and bacterial cellulose. En: Composites Science and Technology. Portugal. Vol. 69, 2009. p. 2163–2168 108 EVANS, Barbara. Palladium - bacterial cellulose membranes for fuel cells. En: Biosensors and Bioelectronics. Maryville, USA. Vol. 18, 2003. p. 917 – 923.
58
Dieter Klemm109 y su equipo de trabajo, sintetizaron celulosa empleando el A.
xylinum y la glucosa como sustrato. Ellos diseñaron un sistema con el que
obtenían tubos de CB directamente desde el cultivo, teniendo como objetivo el
desarrollo de biomateriales para aplicarlos en medicina. Estos bioproductos fueron
empleados como cubiertas de experimentación en cirugías y como
interconexiones de vasos sanguíneos, con un diámetro interno de 1mm.
En Colombia, la Universidad Nacional (UNal) ha sido pionera en este tipo de
estudios, que buscan darle aplicaciones a la CB. El Grupo de Procesos Químicos
y Bioquímicos de la UNal inició labores en 1998 y desde entonces ha realizado
estudios en los que ha empleado la CB para mejorar la resistencia de productos
como el papel; como agente de separación (filtro que no permita el paso de ciertas
sustancias o grandes partículas), para la obtención de membranas de
preevaporación para la purificación de mezclas (como agua-etanol), y aplicaciones
en medicina, empleando la CB como sustituto de piel en caso de quemaduras110.
1.4.4.1. Aplicaciones de la CB en alimentos
La CB proporciona una textura suave y una alta capacidad de retención de agua
en los alimentos. Este tipo de celulosa microbiana sirve como un agente estable al
calor, como refuerzo para alimentos con estructuras frágiles, mejora la calidad de
alimentos viscosos y sirve como un agente no calórico111. Algunas aplicaciones de
la CB en alimentos se presentan en la Tabla 5.
109 KLEMM, Op. Cit., p. 1561 110 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, Op. Cit. <Pagina web> 111 OKIYAMA, Atsushi. Bacterial cellulose IV. Application to processed foods. En: Food Hydrocolloids. Japón. Vol. 6, Nº5, 1992. P. 503-511.
59
Tabla 5. Aplicación de CB en algunos alimentos (Adaptado de
Okiyama112, 1992)
Alimento Concentración de CB en peso
seco (%) Características del alimento con CB
Bebida de Chocolate
0,5
Se encontró que la viscosidad del alimento está directamente relacionada con la concentración de CB, ya que la celulosa no permite la precipitación del cacao.
Condimento de extracto de almeja
0,5
El alimento con CB era más estable que la muestra patrón, ya que no presentaba sinéresis después de un mes de almacenamiento.
Helado 0,5
El helado con CB tuvo una mayor estabilidad y mejor cuerpo; se obtuvo un alimento con mayor consistencia y que tardara más en derretirse.
Tofu (Cuajada de soya)
0,2 - 0,5 La CB actuó como refuerzo en la estructura del alimento, haciendo que este tuviera mayor consistencia.
Kamaboko (Pasta de pescado)
0,9
La CB permitió mejorar la estabilidad del alimento, ya que no permite la formación de gel de la pasta con el tiempo.
Hamburguesa 0,7 La CB en el alimento permitió reducir las calorías de éste, sin perder textura
Salchicha 0,2 Tuvo resultados similares a los de la hamburguesa, ya que redujo el contenido calórico sin perder textura
La CB presenta una gran resistencia en su estructura, pero al ser tratada con
alcohol de azúcar o con cloruro de calcio, mejora su textura permitiendo que sea
fácil de morder y que pueda ser incorporada como un nuevo material para las
ensaladas, postres bajos en calorías, alimentos procesados, entre otros113. Se ha
encontrado que la CB puede ser aplicada como una matriz de alimentos, tal es el
112 OKIYAMA, Op. Cit. P. 504 - 508 113
OKIYAMA, Atsushi. Bacterial cellulose II. Processing of the gelatinous cellulose for food materials. En: Food Hydrocolloids. Japón. Vol. 6, Nº5, 1992. P. 479-487.
60
caso del postre filipino “nata de coca”; además, es una buena fuente de fibra
dietaria114.
Una de las principales aplicaciones que ha tenido la CB en alimentos ha sido la
inmovilización de enzimas. En una investigación realizada por Sheng-Chi Wu115,
se encontró que incorporando pellets de CB, sintetizados a partir de A. xyilnum y
producidos en un cultivo de agitación con deflectores, se podía inmovilizar la
glucoamilasa. Esta enzima fue producida a partir de almidón de papa, empleando
la bacteria Aspergillus niger. La inmovilización de la glucoamilasa con CB aumenta
su estabilidad frente a cambios en el valor del pH y la temperatura, especialmente
en temperaturas bajas, potencializando sus aplicaciones industriales. En el sector
de los alimentos, la glucoamilasa es empleada para la degradación y eliminación
del almidón presente en las frutas, convirtiéndolo en unidades de glucosa
favoreciendo la preparación de zumos. Utilizando esta enzima, no es necesario
esperar a que las frutas estén maduras para poder emplearlas, ya que la misma
acelera este proceso116.
1.4.5. Normatividad y reglamentación de la celulosa en alimentos
Como la CB no cuenta con una normatividad especifica que regule su aplicación
en alimentos, se hace uso de las normas establecidas para la celulosa en polvo.
114 VANDAMM, Op. Cit., p. 93. 115 WU, Sheng-Chi. Application of bacterial cellulose pellets in enzyme immobilization. En: Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. Taiwan. Vol. 54, 2008. p. 103–108. 116
BIOTECONOLOGÍA. Enzimas en zumos y bebidas alcohólicas. En: Blog de Ciencia y Tecnología de la Fundación Telefónica [En Línea]. Madrid, Mayo de 2010. <Disponible en: http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-tecnologia/2011/05/20/enzimas-en-zumos-y-bebidas-alcoholicas> (Consultado el 17 de Mayo de 2011).
61
De acuerdo con las normas alimentarias de la FAO/OMS presentadas en el Codex
Alimentarius117, en su versión número 33 realizada en el 2010, se afirma que la
celulosa en polvo puede ser utilizada como aditivo en diferentes productos. Este
aditivo puede ser empleado como agente de glaseado, antiaglutinante,
emulsionante, espesante, estabilizador, humectante, incrementador del volumen y
como fibra dietaria indigestible. Todas las descripciones de la celulosa en polvo se
pueden ver en el Anexo A.
En Colombia, es el Ministerio de Comercio con el Decreto 2106 de 1983118 el que
reglamenta todos los diferentes aditivos para alimentos, basando todos sus
escritos y decisiones en lo que establezca el Codex Alimentarius. El Artículo 3 de
este decreto, define algunas de las características que posee la celulosa en polvo,
así:
Antiaglutinante: Sustancia o mezcla de sustancias que retarda o impide la
compactación de los alimentos en polvo.
Emulsionante: Sustancia o mezcla de sustancias capaz de mantener dos ó
más sustancias inmiscibles en emulsión o suspensión.
Espesante: La sustancia o mezcla de sustancias capaz de aumentar la
viscosidad de los alimentos en emulsión y suspensión.
Estabilizador: La sustancia o mezcla de sustancias que favorece y mantiene
las características físicas de las emulsiones, suspensiones y soluciones.
117 CODEX ALIMENTARIUS. Celulosa en polvo. [En Línea]. 2010. <Disponible en: http://www.codexalimentarius.net/gsfaonline/additives/details.html?id=68&lang=es> (Consultado en Junio de 2011). 118 COLOMBIA. MINISTERIO DE COMERCIO. Decreto 2106 de 1983 [En Línea]. Bogotá, 1983. <Disponible en:
http://www.mincomercio.gov.co/eContent/documentos/Normatividad/decretos/decreto-2106-1983.pdf >. (Consultado en junio de 2011)
62
Humectante: La sustancia o mezcla de sustancias capaz de modificar las
características higroscópicas de los alimentos.
En la Norma General del Codex para los Aditivos Alimentarios (GFSA)119,
aparecen los diferentes alimentos en los que se puede usar la celulosa en polvo
como aditivo, siempre y cuando se cumplan las buenas prácticas de fabricación
(BPF). Estos alimentos se pueden ver en el Anexo B.
1.5. ANÁLISIS SENSORIAL EN ALIMENTOS
1.5.1. Generalidades
Las reacciones que ocurren en el consumo de alimentos están provocadas por el
grado de satisfacción del consumidor con respecto a estímulos de los sentidos:
olfato, sabor, tacto, vista y hasta la audición. El análisis sensorial es una disciplina
que se dedica a estudiar formas de sistematizar estas observaciones, teniendo en
cuenta la subjetividad que determina cuando un alimento es o no aceptado120.
Esta experiencia sensorial de múltiples facetas es el fundamento para hacer un
buen análisis sensitivo a un alimento, ya que la interacción de todas estas
119
GFSA – Norma General del Codex para los Aditivos y Alimentos. Celulosa en polvo. [En Línea]. 2010. <Disponible en: http://www.codexalimentarius.net/gsfaonline/reference/table3.html?ad=68&lang=es>. (Consultado en Junio de 2011). 120 MARTINS ÁLVARES Semíramis D, ZAPICO T Julián, CARRAZEDO T José Augusto de Aguiar. Adaptación de la escala hedónica facial para medir preferencias alimentarias de alumnos de pre-escolar. En: Revista Chilena de Nutrición. Vol. 35, Nº1, Marzo 2008. p. 38-42
63
sensaciones, sumado a la percepción y el contacto físico, tienen importantes
repercusiones en la calificación de cada sabor121.
1.1.1. Pruebas de aceptación122
Las pruebas de aceptación se emplean para evaluar el grado de satisfacción o
aceptabilidad del producto, con el fin de determinar en una serie de productos cual
es el más aceptable o el preferido. Debería recalcarse, sin embargo que
aceptabilidad y preferencia no suponen lo mismo. Por ejemplo una persona puede
preferir el producto A al producto B, pero en ese momento encuentra que los dos
son inaceptables.
La información obtenida a partir de una prueba de aceptación sólo tiene valor si
refleja los resultados que se obtendrían de una población de gran tamaño, lo cual
es poco probable de conseguir salvo que se reclute un panel que represente la
población objetivo. Es conveniente que los analistas sensoriales sean conscientes
de la existencia y objetivos de estas pruebas de aceptabilidad.
En las pruebas de aceptación se emplean tres métodos principales para presentar
las muestras:
Prueba monádica: En este tipo de experimentos el evaluador prueba
solamente un producto y emite un juicio sobre él después de probarlo.
121
DELWICHE, Jeannine. The impact of perceptual interactions on perceived flavor. En: Food Quality and Preference. Ohio, USA. Vol. 15, 2004. P. 137–146 122 ROLAND P. Carpenter; DAVID H. lyon; TERRY A. Hasdell. Análisis sensorial en el desarrollo y control de la calidad de los alimentos. Zaragoza: Acribia, S.A, 2000. 191p
64
Prueba monádica secuencial: Los jueces evalúan dos o más muestras
presentadas secuencialmente para ser analizadas de una en una.
Pruebas pareadas: Se representan dos muestras a la vez, generalmente
pensando en alguna forma de comparación directa.
1.5.2. Clasificación hedónica
En esta prueba se le pide al juez que informe sobre el grado de satisfacción que le
merece un producto, generalmente seleccionando una categoría en una escala
“hedónica” o de satisfacción, que oscila desde “me disgusta muchísimo” a “me
gusta muchísimo”. Las escalas hedónicas se clasifican en:
Escalas de intervalo: Consiste en puntuar el grado de satisfacción en una
escala de intervalo adecuada o en una escala lineal continua, en la que solo
se muestran dos categorías, “me gusta muchísimo” y “me disgusta
muchísimo”, en los extremos de la escala. De esta forma puede utilizarse la
distancia entre las marcas a lo largo de la escala o línea, como una
verdadera puntuación de grado de satisfacción.
Escala proporcional: también se puede registrar el grado de satisfacción o
aceptación utilizando escalas de estimación de la magnitud, aunque para
los consumidores puede resultar difícil manejar los conceptos de proporción
sin cierta práctica inicial, pudiéndose sentir igualmente incómodos con la
puntuación arbitraria del grado de satisfacción que debe definirse para los
productos de referencia iniciales.
65
Cuando en discusiones de análisis sensorial se habla de “escala”, se hace
referencia a dos posibles significados:
Escala de respuesta: Medio numérico, verbal o gráfico, con el cual un
evaluador registra una respuesta cuantitativa.
Escala de medición: Relación formal (por ejemplo, ordinal, un intervalo o
una razón) entre un atributo y los números usados para representar valores
de ese atributo123. En la siguiente tabla se ejemplifican estas diferencias.
Tabla 6. Ejemplo de escalas utilizadas en pruebas sensoriales
Escala respuesta Escala de medición 1 Escala de medición 2
Me disgusta mucho -2 1
Me disgusta ligeramente -1 2
Me es imparcial 0 3
Me gusta ligeramente +1 4
Me gusta mucho +2 5
Fuente: Autoría propia
1.5.3. Atributos generalmente evaluados en alimentos
1.5.3.1. Sabor
Esta propiedad de los alimentos es muy compleja, ya que combina tres
propiedades: olor, aroma, y gusto; por lo tanto su medición y apreciación son más
complejas que las de cada propiedad por separado. El sabor es una propiedad
química, ya que involucra la detección de estímulos disueltos en agua aceite o
123 ICONTEC. NTC 5328 Análisis sensorial directrices para el uso de escalas de respuestas cuantitativas. Bogotá D.C. 2004. 15p.
66
saliva por las papilas gustativas, localizadas en la superficie de la lengua, así
como en la mucosa del paladar y el área de la garganta. Estas papilas se dividen
en 4 grupos, cada uno sensible a los cuatro sabores o gustos:
Papilasiformes: localizadas en la punta de la lengua sensible al sabor
dulce.
Fungiformes: localizada en los laterales inferiores de la lengua, detectan
el sabor salado.
Coraliformes: localizadas en los laterales posteriores de la lengua,
sensible al sabor ácido.
Caliciformes: localizadas en la parte posterior de la cavidad bucal
detectan sabor amargo.
Por ello es importante en la evaluación de sabor que la lengua del juez esté en
buenas condiciones, además que no tenga problemas con su nariz y garganta.
Los jueces no deben ponerse perfume antes de participar en las degustaciones,
ya que el olor del perfume puede inferir con el sabor de las muestras124.
1.5.3.2. Textura
Es la propiedad de los alimentos apreciada por los sentidos del tacto, la vista y el
oído; se manifiesta cuando el alimento sufre una deformación. La textura no
puede ser percibida si el alimento no ha sido deformado; es decir, por medio del
tacto se puede decir, por ejemplo si el alimento está duro o blando al hacer
presión sobre él. Al morderse un alimento, más atributos de textura empezarán a
manifestarse como el crujido, detectado por el oído y al masticarse, el contacto de
124 ANZALDUA, M. Antonio. La Evaluación Sensorial de los Alimentos en la Teoría y la Práctica. Editorial Acribia S.A. Zaragoza-España, 1994. 220p.
67
la parte interna con las mejillas, así como con la lengua, las encías y el paladar, se
puede concluir del alimento si presenta fibrosidad, granulosidad, etc125.
1.5.3.3. Color
El color que percibe el ojo humano depende de la composición espectral de la
fuente luminosa, de las características físicas y químicas del objeto, la naturaleza
de la iluminación base y la sensibilidad espectral del ojo. Todos estos factores
determinan el color que se aprecia: longitud de onda, intensidad de la luz y grado
de pureza. La visión es de importancia fundamental para la evaluación de aspecto
y color. El color adquiere importancia como índice de madurez y/o deterioro, por lo
que constituye un parámetro de calidad. El consumidor espera un color
determinado para cada alimento, cualquier desviación de este color puede
producir disminución en la demanda, además es importante para la sensación
gustativa y olfativa; también es conocido que el ojo enseña a la mano, para la
sensación táctil126.
1.5.3.4. Apariencia
La "apariencia" o "aspecto visual" de un alimento es el conjunto de las
propiedades visibles del mismo comprendiendo el color, brillo, forma geométrica,
125 Ibid. 220 p. 125 WITTIG DE PENNA Emma. Evaluación Sensorial Una metodología actual para tecnología de alimentos. Edición Digital reproducida con autorización del autor. Chile 2001
68
características de la superficie, rugosidad, defectos y la uniformidad de cuerpos
sólidos y la turbiedad en cuerpos líquidos127.
1.5.4. Tipos de jueces sensoriales
Son cuatro los tipos de jueces que puede tener una prueba sensorial en alimentos:
Juez experto: Trabaja solo y se dedica a un solo producto a tiempo
preferente o total.
Juez entrenado: Miembro de un equipo o panel de catadores con
habilidades desarrollas, incluso para pruebas descriptivas (7-15 jueces por
panel).
Juez semientrenado: Persona con entendimiento y habilidades similares a
las del juez entrenado, que sin formar parte de un equipo o panel estable,
actúa en pruebas discriminatorias con cierta frecuencia (10-20, máximo 25
jueces por panel).
Juez no entrenado: Se define como una persona sin habilidad especial para
la cata, que se toma al azar o con criterio para realizar pruebas de
aceptación. Se requieren paneles de 30-40 jueces como mínimo.
127
TRINCHERO Jorge. Evolución sensorial de los alimentos. En: actualidad papera No 16. Agosto de 2006.
69
1.5.5. Recomendaciones para realizar pruebas sensoriales
Es recomendable fijar horarios para las pruebas, preferiblemente, en las últimas
horas de la mañana (entre las 11 a 12 am) y el comienzo o mitad de la tarde (4 a 5
p.m.) para la realización de las pruebas, en un sitio diferente del área de comida.
Las muestras que se presentan al panelista deben ser típicas del producto,
idénticas hasta donde sea posible, excepto en la características por la que se
juzga, o sea, que tenga igual forma (redonda o picada o en puré o molida), en
recipientes de igual forma, tamaño, color y tener presente que el material donde se
sirve la muestra no transmita olores.
A veces se utilizan algunos acarreadores de muestras como galletas para las
mermeladas y salchichas para la salsa de tomate; generalmente, estos vehículos
son una fuente de error experimental. Las muestras deben servirse a la
temperatura a la cual se consumen generalmente (frutas y galletas a temperatura
ambiente, carnes a una temperatura interna de 80º C, bebidas entre 4 y 10ºC,
etc.).
En algunas pruebas, las cantidades en las muestras pueden duplicarse. Hay
casos en donde la cantidad puede ser mayor, según sea el caso. Una
manifestación de la naturaleza del individuo se da cuando éste integra la
información de su medio circundante para así apreciar su realidad. Por lo mismo,
para que el individuo no desvíe su atención del punto que se quiere sea su objeto
de observación, es necesario controlar todo tipo de variables que puedan, en un
momento dado, influir, modelar, sesgar o afectar la sensibilidad del evaluador.
El área de preparación de las muestras, debe estar independiente del área de
evaluación. En ambas áreas debe haber silencio, para conseguir tranquilidad en el
catador. En el momento de la evaluación, el ruido y las voces emanadas del área
70
de preparación deben reducirse al mínimo, para evitar la distracción. La
temperatura y humedad relativa deben resultar agradables y ser constantes,
además es indispensable que exista comodidad en el área: asientos confortables,
altura y espacio de la mesa apropiados. Las paredes y superficies para efectuar la
prueba deben tener coloración neutra. También la limpieza en el área influye en la
motivación y disposiciones del juez.
71
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Mejorar del proceso de obtención de celulosa bacteriana conseguida del
aprovechamiento de residuos agroindustriales y aplicarla como fuente de fibra
dietaria en alimentos.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar el potencial que tienen los residuos de frutas procesadas como
fuente de carbono para la obtención de celulosa bacteriana.
Producir celulosa bacteriana a partir del residuo agroindustrial que presente
el más alto rendimiento.
Caracterizar la celulosa bacteriana obtenida y evaluar algunas variables
que intervienen en la producción.
Diseñar un biorreactor para mejorar la producción de celulosa bacteriana
mediante un cultivo fijo.
Evaluar la producción de celulosa bacteriana en el biorreactor con el
residuo que presentó mayores rendimientos.
72
Desarrollar un alimento enriquecido con celulosa bacteriana, teniendo en
cuenta requerimientos técnicos y normativos.
Determinar el contenido de fibra dietaria del alimento enriquecido con
celulosa bacteriana y una muestra patrón.
Evaluar el grado de aceptación del alimento enriquecido con celulosa
bacteriana mediante una prueba de análisis sensorial.
73
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. FASE 1: Obtención de CB a partir de residuos agroindustriales
En la Figura 6 se presenta el proceso para obtener CB, desde la selección de los
residuos hasta la caracterización y la aplicación.
Figura 6. Procedimiento general para la obtención de celulosa bacteriana
Fuente: Autoría propia
Seleccionar los residuos
•Los residuos agroindustriales sólidos se licuaron con agua
destilada.
Filtrar y obtener el medio
•Se filtraron los residuos licuados; la parte solida se desecha y el jugo se utiliza
como medio de cultivo
Determinar grados brix y azucares
•Se determinó la cantidad de glucosa, fructosa y sacarosa
Diluir y adecuar pH
•El liquido filtrado es diluyó hasta la concentración ideal. El pH se adecuó entre 3.5 -
3.6
Esterilizar
•El medio de cultivo se llevó a 123 - 127ºC durante 20
minutos
Enfriar e inocular
•Las diferentes muestras se inocularon con 20% del
cultivo madre . Se dejó ahí 10 dias.
Retirar y Lavar
•Se retiró la CB; luego se lavó con agua, despues con KOH y
nuevamente con agua
Secar y Pesar
•La CB lavada se dejó secar en un horno de convección forzada a 40°C por 48 h y
luego se pesó.
Caracterizar y usar
•A la CB se le realizaron diferentes pruebas de
caracterización y luego se empleó
74
3.1.1. Selección de los residuos
Para la elaboración del medio de cultivo del Gluconacetobacter se utilizaron
residuos de frutas, los cuales presentan un alto contenido de azúcares. Los
residuos con los que se trabajó en la investigación fueron cedidos gratuitamente
por la empresa Alimentos Alan Ltda, que es una productora de refrescos y pulpas
de frutas que centra sus mercados en la alimentación industrial y de restaurantes
a nivel nacional e internacional. Los residuos se seleccionaron basados en las
pulpas que más se utilizan en la empresa, estos fueron: piña, uva, mora,
mandarina, fresa, guanábana, mango y tomate de árbol. En la tabla 7 se muestra
la variedad y la procedencia de las frutas seleccionadas.
Tabla 7. Variedad y procedencia de las frutas seleccionadas en
Alimentos Alan Ltda128
Fruta Variedad Procedencia
Piña Manzana Dagua (Valle), Yalí (Antioquia)
Uva Isabella Ginebra (Valle)
Mora Castilla Guarne, Marinilla (Ant.)
Mandarina Onneca Tarso (Ant.)
Fresa Chandler Guarne, La Unión (Ant.)
Guanábana Annona Muricata Montería (Córdoba)
Mango Criollo Costa Caribe, Antioquia,
Tolima, Cundinamarca
Tomate de árbol Castilla Santa Rosa (Ant.)
128 ENTREVISTA CON Gladys García. Jefe de Producción Alimentos Alan Ltda. Variedad y procedencia de las frutas empleadas en Alimentos Alan Ltda. Medellín, 20 de Octubre de 2010.
75
En la Empresa se emplean dos procesos de despulpado: manual y mecánico. A
excepción de la mandarina, la cual fue despulpada manualmente mediante un
exprimidor, el resto de las frutas fueron procesadas por un equipo diseñado por el
dueño de la Empresa. Se recibieron los residuos de las frutas en estado sólido,
con cáscaras, semillas y demás componentes sobrantes de la fruta en el proceso
de despulpado.
3.1.2. Preparación del medio de cultivo
Debido a que los ocho residuos entregados por la compañía eran sólidos, fue
necesario preparar una solución a partir de éstos. Se emplearon 200 g de cada
residuo y se mezclaron con 100 ml de agua destilada. Se procesaron en una
licuadora marca Oster y posteriormente se filtraron. Para el proceso de filtración se
emplearon coladores de tela, que permitían la retención de la mayoría de los
componentes sólidos del zumo. Esta tarea se realizó de forma manual, retorciendo
y presionando la tela del colador y recolectando la solución filtrada en un beaker
de vidrio con el fin de obtener el zumo de cada residuo que sirvió de medio de
cultivo.
3.1.3. Determinación de grados Brix y del contenido de azúcares
Con el fin de determinar los sólidos disueltos que contenía cada uno de los zumos,
se midieron los grados Brix a las diferentes soluciones antes y después de
filtradas. Para esto se empleó un equipo marca Atago, referencia Abbe DR-A1 (ver
Figura 7). La determinación de los grados Brix permitió tener una primera idea de
cuál de residuos podría servir como sustrato para la obtención de CB, pero fue
76
necesario realizar un proceso de Cromatografía Liquida de Alta Eficiencia (HPLC)
para saber exactamente la cantidad de azúcares de cada muestra.
Figura 7. Refractómetro empleado en la medición de grados Brix
Fuente: Autoría propia
Para realizar el análisis por HPLC, cada zumo de fruta fue filtrado y
posteriormente pasado por un filtro marca Schleicher & Schuell, que permiten el
paso de componentes con tamaños menores a 0.45µm. Para esto, se empleó una
bomba de vacío marca Vacoubrand, con una capacidad de 2.1 m3/h. La
determinación del contenido de los azúcares: sacarosa, fructosa y glucosa, se
realizó por HPLC coN método de exclusión de iones; para esto, se inyectaron
10µL de cada muestra en el equipo, estando todas a temperatura ambiente.
A partir de los resultados obtenidos de la concentración de azúcares y de los
grados Brix se seleccionaros los tres residuos con mayores cantidades de
azúcares totales (la suma de sacarosa, glucosa y fructosa).
77
3.1.4. Proceso de dilución y adecuación del pH
A partir de los residuos seleccionados, se procedió a preparar medios de cultivo
con diferentes diluciones con el fin de determinar la concentración ideal para la
producción de celulosa bacterial. Se realizaron las siguientes diluciones para cada
uno de los jugos:
Dilución 1: 1000gr de residuo de fruta / 500ml de agua destilada (~ 70/30
w/v)
Dilución 2: 350 ml dilución 1 / 150ml de agua destilada (~ 60/40 w/v)
Dilución 3: 300 ml dilución 1 / 300ml de agua destilada (~ 50/50 w/v)
De acuerdo a estudios preliminares realizados por el Grupo de Investigación sobre
Nuevos Materiales (GINUMA) y el Grupo de Investigaciones Agroindustriales
(GRAIN), donde se evalúo el pH óptimo para la producción de CB con el desarrollo
del Gluconacetobacter, a cada una de las diluciones se les ajustó el pH en un
rango entre 3.50 – 3.60, mediante la adición de ácido acético glacial (marca
Merck). Para la medición del pH se empleó un pH-metro de la empresa alemana
Schott Instrument.
Con el fin de saber el contenido de azúcares de las muestras y su relación con la
producción de CB, las muestras sin esterilizar fueron microfiltradas y analizadas
por HPLC como se describió previamente en 3.1.3.
78
3.1.5. Proceso de esterilización
Antes de la esterilización, 28 ml de cada una de las muestras de las diferentes
diluciones fueron depositados por triplicado en envases de vidrio con una
capacidad de aproximadamente 100 ml, los cuales fueron posteriormente tapados
con papel kraft y cinta adhesiva con el fin de evitar pérdidas del líquido por
evaporación durante la esterilización y evitar contaminaciones posteriores por
mala manipulación (ver figura 8). Teniendo en cuenta que se trabajó con tres
residuos diferentes, tres diluciones para cada uno, y que las muestras se
realizaron por triplicado, se prepararon un total de 27 muestras.
Figura 8. Algunos medios de cultivo e instrumentos antes de esterilizar
Fuente: Autoría propia
Con el fin de eliminar los diferentes microorganismos que pudieran contener las 27
muestras, éstas fueron sometidas al proceso de esterilización. Para esto, se
empleó una autoclave de la empresa Allamerican UL – Wisconsin Aluminium
Froundy co. Inc. (ver Figura 8), y se trabajó a una temperatura entre 123 – 127ºC y
presiones entre 17 – 20 PSI, por 20 min.
79
Figura 9. Equipo empleado para el proceso de esterilización
Fuente: Autoría propia
Adicionalmente, fueron esterilizados instrumentos como pipetas gravimétricas de
vidrio y beakers, con el fin de evitar contaminaciones posteriores durante la
inoculación de los medios de cultivo. En el caso de las pipetas gravimétricas, se
empleó papel kraft para recubrirlas y poderlas manipular luego de ser
esterilizadas. Los beakers y demás recipientes que también se emplearon fueron
esterilizados bajo las mismas condiciones, sin necesidad de recubrirlos.
3.1.6. Inoculación del cultivo
Después de esterilizar las muestras, estas se dejaron a temperatura ambiente
hasta enfriar. Para hacer la inoculación de los medios se utilizó un cultivo madre
80
preparado con 300 ml de agua destilada y 40 g de panela molida de la marca
Éxito, 5 días antes de la siembra. La bacteria utilizada fue el Gluconacetobacter sp
aislado en investigaciones preliminares a este trabajo.
Las 27 muestras de las tres diferentes frutas fueron inoculadas con un 20% (v/v)
de preinóculo, esto quiere decir que a los 28ml que contenía cada muestra, se le
agregaron 7ml de cultivo madre. Los diferentes medios de cultivo fueron
recubiertos en la parte superior con unas telas permeables al oxígeno y sujetadas
con cauchos, con el fin de permitir el paso del aire al interior del recipiente y
minimizar la contaminación proveniente del exterior. Las muestras se dejaron a
temperatura ambiente (22ºC) durante 10 días.
3.1.7. Proceso de lavado de la CB
Luego del tiempo de fermentación, se retiró la capa de CB que se formó en la
parte superior del medio de cultivo de los diferentes tratamientos. Posteriormente
la CB fue sometida a dos diferentes procesos de lavado:
Lavado con hidróxido de potasio (KOH): la celulosa se lavó con una solución
de KOH al 5% (w/v) por 24 horas a temperatura ambiente, con el fin de eliminar
los componentes diferentes a la celulosa y que provienen del medio de cultivo,
tales como bacterias y nutrientes. El procedimiento es como se describe a
continuación:
o Se pesa la CB húmeda
o El peso de la CB húmeda se multiplica por 10 y da como resultado el
peso de la solución total con la que se realizará el lavado
o A este peso de la solución total se le calcula el 5% que corresponde al
peso de KOH
81
o Luego se ajusta con agua destilada hasta alcanzar el peso total de la
solución
o Se deja la CB en esta solución por 24 horas, luego se lava con
abundante agua hasta que se llegue a pH neutro.
Este tipo de lavado se emplea cuando se va medir el rendimiento de la CB en
diferentes experimentos, pero no para la que se va a aplicar en alimentos.
Lavado sin KOH: Este lavado es empleado para aquella CB que tiene como fin
ser utilizada en alimentos. Este proceso consiste en dejar la CB en un
recipiente con abundante agua e ir cambiando la misma frecuentemente, hasta
que esta no se vuelva turbia con la CB. Luego toda la CB se somete a
esterilización de acuerdo al procedimiento descrito en el numeral 3.1.5.
3.1.8. Proceso de secado y pesado
Para determinar el rendimiento de la CB con cada unos de los residuos, las
muestras obtenidas se secaron para determinar su peso seco por ml de medio.
Para esto, la CB se colocó sobre láminas (hojas) de teflón, que es un material
antiadherente que permite que la celulosa no se adhiera a la superficie cuando
ésta se ha secado. Estás láminas a su vez se ubican dentro de una caja de papel
aluminio elaborada manualmente con el fin de que la CB no se mueva por efecto
del aire de circulación del horno (ver Figura 10).
82
Figura 10. Recipientes utilizados para secar la CB
Fuente: Autoría propia
Para el proceso de secado se empleó un horno de convección forzada con
lámparas UV y temporizador marca Centricol (Ver Figura 11). La CB se secó por
48 horas a una temperatura de 40ºC. Finalizado el tiempo de secado, las muestras
se dejaron en un desecador hasta alcanzar temperatura ambiente y
posteriormente se pesaron en una balanza marca OHAUS Corp, que tiene una
precisión de 4 dígitos. A partir del peso de la CB de los diferentes tratamientos se
pudo determinar el rendimiento de la CB producida.
Figura 11. Horno de convección forzada utilizado en el proceso de secado
Fuente: Autoría propia
83
3.2. FASE 2: Caracterización de la CB obtenida y evaluación de algunas
variables
3.2.1. Resultados bromatológicos, microbiológicos y contenido de
fibra dietaria de la CB
La CB obtenida fue analizada mediante análisis bromatológicos, microbiológicos y
contenido de fibra dietaria. Mediante las pruebas microbiológicas se estableció el
grado de inocuidad de la muestra, la presencia de hongos, levaduras o de
bacterias extrañas. Con el análisis bromatológico se determinó el contenido de
cenizas, humedad, carbohidratos, proteína, lípidos, y el aporte de calorías y de
fibra dietaría, utilizando el método de determinación propuesto por AOAC 1997.
Los análisis fueron realizados por la empresa Tecnimicro, ubicada en la ciudad de
Medellín en la Carrera 42 # 10 -37, El Poblado.
3.2.2. Evaluación de algunas variables
3.2.2.1. Variación de la cantidad de inóculo
Con este ensayo se pretende evaluar la influencia de la cantidad de inóculo en la
producción de CB, para esto se realizaron 5 diferentes tratamientos por duplicado
y se les varió el porcentaje de inóculo en 10, 15, 20, 25 y 30 %. Se empleó panela
molida como sustrato (40 g de panela por cada 300 ml agua destilada) y se ajustó
en pH entre 3.5 - 3.6. Los diferentes ensayos se dejaron en crecimiento a
84
temperatura ambiente durante 10 días. En la tabla 8 se muestra de forma clara la
composición de cada medio.
Tabla 8. Composición de los diferentes tratamientos variando la cantidad
de inóculo
Tratamiento Cantidad de medio (ml)
Inóculo (%)
Cantidad de inóculo (ml)
Volumen total del medio (ml)
1 31,5 10 3,5 35
2 29,8 15 5,3 35
3 28,0 20 7,0 35
4 26,3 25 8,8 35
5 24,5 30 10,5 35
3.2.2.2. Variación de la cantidad de medio
El objetivo con este experimento fue evaluar como influía la cantidad de medio en
la producción de CB. Al igual que en la prueba anterior en este análisis se empleó
panela molida como sustrato y se preparó el medio de cultivo con la misma
dilución y el mismo rango de pH. Se realizaron 5 tratamientos por duplicado,
variando el volumen total del medio en 20, 30, 40, 50 y 60 ml, y se mantuvo
constante el porcentaje de inóculo en 20%. Los diferentes ensayos se dejaron en
crecimiento a temperatura ambiente durante 10 días. En la Tabla 9 se muestra la
composición de cada ensayo.
85
Tabla 9. Composición de los diferentes tratamientos variando la cantidad
de medio
Tratamiento Cantidad de Medio (ml)
Inóculo (%)
Cantidad de Inóculo (ml)
Volumen total del medio (ml)
1 16,0 20 4,0 20
2 24,0 20 6,0 30
3 32,0 20 8,0 40
4 40,0 20 10,0 50
5 48,0 20 12,0 60
3.2.2.3. Cantidad de agua utilizada en el lavado con KOH de la CB
Con este ensayo se determinó la cantidad de agua que se necesitaba para llevar a
pH neutro dos muestras de CB que habían sido lavadas con KOH. En esta prueba
se emplearon muestras de CB húmeda obtenida con los dos residuos que
mostraron mayores rendimientos. Cada muestra de celulosa fue enjuagada con
agua potable, pesada y posteriormente introducida en una solución de KOH al 5%
siguiendo la metodología descrita en el numeral 3.1.7. Terminado el tiempo de
tratamiento se depositó la celulosa en un recipiente de vidrio, se le agregó agua
potable en una cantidad conocida y se dejó allí durante 24 horas. Luego de este
tiempo, se midió el pH del agua, se eliminó y se reemplazó por una cantidad
conocida de agua y se dejó allí otras 24 horas. Este procedimiento se repitió
hasta que el pH del agua llegó a neutro (pH: 7).
Luego de esto, se contabilizó la cantidad de agua que se empleó para lavar cada
una de las muestras de CB y se halló la cantidad de gramos lavados por cada litro
de agua empleada, empleando la siguiente fórmula:
(
)
Ecuación 1
86
3.2.2.4. Determinación del porcentaje de humedad de la CB
El propósito de este experimento fue evaluar diferentes muestras de CB para
determinar el porcentaje de humedad de las mismas, al igual que la desviación
estándar para calcular la medida de dispersión de los datos obtenidos. Para la
realización de esta prueba se obtuvieron 10 muestras de CB a partir de 4
diferentes residuos agroindustriales. Cada ensayo se realizó empleando 35 ml de
medio con un 20% de inóculo. Las diferentes muestras fueron pesadas en estado
húmedo y luego fueron sometidas a un proceso de secado a 40ºC durante 48
horas. Posteriormente, se pesó cada muestra de CB y se realizaron los cálculos
de porcentaje de humedad y desviación estándar de acuerdo a las siguientes
ecuaciones:
(
) Ecuación 2
√∑ –
Ecuación 3
Donde:
X = Porcentaje de humedad de cada muestra
Xprom = Porcentaje promedio de humedad promedio
n = Tamaño de la muestra
87
3.2.2.5. Variación de la temperatura y tiempo de secado de la CB
Con esta prueba se quiso determinar la influencia que tenían la temperatura y el
tiempo de secado en la textura y apariencia final de la CB. Para esto se evaluaron
muestras de CB obtenidas a partir del residuo que tuvo mejor rendimiento.
Posteriormente, estas muestras se secaron a diferentes temperaturas y tiempos,
como se muestra en la Tabla 10.
Tabla 10. Temperaturas y tiempos de secado de los diferentes
tratamientos
Tratamiento Temperatura
(ºC) Tiempo de secado (h)
1 40 36
2 105 2
3 105 2
36 13
4 105 13
5 90 3
Para el tratamiento 1 se utilizó el horno de convección forzada que se menciona
en el numeral 3.1.8, mientras que para los tratamientos restantes se empleó un
horno de convección natural de la marca Blinder (ver Figura 12).
Figura 12. Horno de convección natural utilizado en el proceso de secado
Fuente: GRAIN (En Línea). Colombia, 2011. <Disponible en:
https://sites.google.com/site/laboratorioingagroindustrial/ >
88
3.3. FASE 3: Diseño de un biorreactor para aumentar la producción de la
CB
3.3.1. Diseño y elaboración del biorreactor
Para el desarrollo del biorreactor se hizo una revisión bibliográfica relacionada con
los diferentes sistemas empleados para aumentar la producción de CB en cultivos
estáticos. Se recopiló información acerca de sistemas estáticos desarrollados que
mejoraran el rendimiento de la CB y se estudiaron variables que influían en la
producción como son el área superficial y la disponibilidad de oxígeno,
posteriormente se procedió con el diseño del biorreactor.
El diseño del prototipo se realizó empleando el software Solid Edge ST de la
empresa Siemens. Con este programa se obtuvieron los dibujos técnicos que
sirvieron de base para la fabricación del biorreactor, como se puede ver en el
Anexo C. El prototipo fue diseñado para contener 1.2 L de medio de cultivo. Los
planos de éste equipo fueron cedidos a la empresa LWCRIL, que se encargó de
fabricarlo empleando acrílico de 3 mm de espesor.
Para las paredes laterales del biorreactor, se fabricaron membranas de silicona
elásticas y permeables al oxígeno pero no permiten la fuga de líquidos. Para la
elaboración de cada membrana se utilizó una placa de acero cuadrada que tenía
en cada lado láminas de madera de balso de 10 mm (0.1 cm) de espesor por 3
mm de alto, con el fin de evitar escapes de la silicona. Se determinó el área de la
placa al inferior del balso y se multiplicó por 1 mm, que fue el espesor deseado
para las membranas. Con estos datos fue posible conocer el volumen de silicona
necesario para cada membrana (Ver Figura 13). Luego de saber el volumen del
89
espacio a cubrir y conociendo la densidad de la silicona líquida, se determinó la
cantidad en gramos que se necesitaban de ésta.
Se empleó silicona líquida de la marca Pegaucho mezclada con un 5% (w/w) de
catalizador de la misma empresa. Luego de tener una mezcla homogénea esta fue
vertida sobre la placa de acero y se dejó secando a temperatura ambiente durante
48 horas.
Figura 13. Ejemplo de la placa empleada para elaborar las membranas de
silicona
Fuente: Autoría propia
Teniendo secas las membranas de silicona se procedió con el montaje del equipo.
Las diferentes partes de éste se unieron con tuercas y tonillos. Como las
membranas de silicona impedían la fuga de líquidos, no fue necesario emplear
empaques en las paredes. Con el fin de evitar la expansión de las membranas de
silicona cuando fuera agregado el medio de cultivo, debido a que éstas son
bastante flexibles, se utilizaron mallas de acero en la parte externa de las paredes
del bioreactor como se muestra en la Figura 14.
90
Figura 14. Mallas de acero de las paredes del bioreactor
Fuente: Autoría propia
3.3.2. Evaluación de la producción de CB en el biorreactor utilizando
panela como sustrato
Con este ensayo se pretendió comprobar si el biorreactor de cultivo estático al
brindar una mayor área superficial podría generar un mayor rendimiento en la
producción de CB en comparación con un recipiente de vidrio, utilizando las
mismas condiciones de cultivo.
Antes de realizar el experimento se lavó el biorreactor y el recipiente que sirvió de
prueba comparativa, con una solución de hipoclorito al 5%. En este ensayo se
empleó como sustrato panela molida de la marca Éxito. El medio de cultivo fue
preparado con 106 g de panela y 800 ml de agua destilada, conservando la
91
relación descrita en el numeral 3.1.4. Se reguló el pH entre 3.5 – 3,6 y se siguió
con el proceso de esterilización descrito en el numeral 3.1.5.
Luego de esto, se procedió con el montaje de ambas pruebas, 800 ml de medio de
cultivo se depositaron en el biorreactor e igual cantidad en el recipiente de vidrio
que sirvió de prueba comparativa. Posteriormente, se inocularon ambos ensayos
con 200 ml de un cultivo madre que tenía 5 días de crecimiento. Las áreas
superficiales del biorreactor y del recipiente de vidrio son 372.5 cm2 y 158.36 cm2,
respectivamente.
Los dos ensayos se dejaron en crecimiento durante 12 días a temperatura
ambiente. Luego de este tiempo, se retiró la CB que se obtuvo en cada muestra y
se lavó con una solución de KOH al 5%, como se describe en el capitulo 3.1.7. Se
procedió con el secado y pesado de ambas muestras, con el fin de comprobar el
rendimiento en la producción de CB con ambos sistemas.
3.3.3. Experimento en el biorreactor con el residuo que tuvo mejor
rendimiento
Igual que en el experimento anterior, se empleó el biorreactor y un recipiente de
vidrio que sirvió de prueba comparativa. Se siguieron los mismos procedimientos,
con la diferencia de que en este ensayo se utilizó 1 L de medio de cultivo obtenido
a partir del residuo que mejor rendimiento tuvo en la producción de CB.
92
3.4. FASE 4: Diseño y desarrollo de productos enriquecidos con CB
3.4.1. Producción de CB con el residuo de mayor rendimiento
La CB seca para incluir en los alimentos, se obtuvo siguiendo el procedimiento
descrito en el numeral 3.1.1 y empleando como sustrato el residuo de mayor
rendimiento. Solo se hizo variaciones en la operación de licuado del residuo ya
que se empleó un cutter marca Sammic (Ver figura 15); esto con el fin de procesar
y reducir el tamaño a una mayor cantidad de residuos en un mismo tiempo y así
obtener más medio de cultivo. El resto del procedimiento no tuvo ningún cambio;
aunque se debe resaltar que se le midió el porcentaje de humedad a la CB seca
que se obtuvo.
Figura 15. Cutter empleado en la producción de medios de cultivo
Fuente: Autoría propia
93
3.4.2. Reducción de tamaño de la CB
Luego de obtener la CB seca a partir del residuo que mejor rendimiento tuvo, se
siguió con el proceso de reducción de tamaño de la misma, empleando un
procesador marca Black&Decker (Ver Figura 16) y posteriormente un molino de
cuchillas de baja capacidad y con mallas de 2 y 4 mm hecho por la empresa
Indutorno (ver Figura 17).
Figura 16. Procesador empleado para reducir el tamaño de la CB
Fuente: Autoría propia
Figura 17. Molino de cuchillas empleado
Fuente: Autoría propia
94
3.4.3. Formulación y elaboración del alimento con inclusión de CB
Se seleccionó una matriz alimentaria de acuerdo a la normatividad de Codex
Alimentarius para la celulosa vegetal en polvo (Anexo B), ya que la CB no tiene
una normatividad establecida. La selección del alimento estuvo orientada desde la
legislación por lo que se escogió un alimento en el que la adición de celulosa en
polvo como aditivo estuviera permitido, como la carne de hamburguesa que está
dentro de la categoría de “Productos Cárnicos” del numeral 8.2 del anexo
mencionado anteriormente.
Una vez seleccionado el producto, se eligió una formulación base teórica
desarrollada siguiendo los procedimientos estimados y se dejó como producto
patrón, es decir, no se le adicionó CB. La adición de la CB en el alimento se
realizó siguiendo los lineamientos de la FAO, OMS y FDA para el consumo de FD.
Se tomó como referente la clasificación de la FDA descrita en el numeral 1.2.5 del
marco teórico, al establecer dos concentraciones para la adición de la CB en 2 y
2.5 g por cada 100 g del producto. Luego se realizó la evaluación de diferentes
variables en las carnes de hamburguesas (ver numeral 3.4.4) y se seleccionó la
concentración que mejores resultados obtuvo. Para la elaboración de las carnes
de hamburguesas, se empleó la formulación que se presenta en la Tabla 11.
95
Tabla 11. Formulación base para la carne de hamburguesa de res
Ingrediente Fórmula
Carne de res 70,0%
Grasa 7,0%
Hielo 15,0%
Cebolla 1,0%
Condimento hamburguesa 1,0%
Sal 0,5%
Harina 2,0%
Polvo de bizcocho 3,5%
TOTAL 100,0%
A continuación se describe del procedimiento que se siguió para la elaboración de
las hamburguesas:
1. Se realizó el pesaje de los diferentes ingredientes, en una balanza marca
OHAUS Corp, cuya precisión es de 4 dígitos.
2. Luego se procedió con el mezclado de los componentes. El orden en que
se incorporaron los ingredientes fue el siguiente: carne de res, hielo (30%
del calculado), fosfato, condimentos, hielo, grasa, hielo, harina de trigo.
3. La mezcla cárnica se dividió en porciones de 100 g.
4. Cada porción se moldeó manualmente en forma circular, con diámetro 9.5
cm y espesor 1.3 cm, aproximadamente.
5. Las hamburguesas se llevaron a congelación, separadas una de otras por
papel encerado.
Para la elaboración de las carnes de hamburguesa con inclusión de CB, se siguió
de igual forma el procedimiento descrito anteriormente, con la inclusión de la CB
después de la harina de trigo.
96
3.4.4. Evaluación de propiedades físicas del alimento
Se realizó una evaluación general de los productos terminados, para ello se
estudió si la inclusión de la CB afectó diferentes características físicas de los
productos en cuestión. Se seleccionaron tres muestras con inclusión de CB para
cada concentración establecida (2.0% y 2.5%) e igual cantidad de ensayos sin CB
que sirvieron de patrón, tanto para muestras asadas en fresco como para las que
se almacenaron en congelación durante 12 días. A las muestras se les evaluaron
de manera preliminar los atributos de gomosidad (adherencia a las superficies),
facilidad al corte (firmeza e integralidad), color, textura, dimensiones en el
producto crudo y peso. Luego de asar las carnes tanto en fresco como después
del periodo de congelación se evalúan esas mismas características al producto y
se comparan con la muestra sin inclusión de CB; el asado de las muestras se
realizo en un equipo marca Oster a una temperatura de 250 ºC por 15 min.
3.4.5. Evaluación del contenido de FD de los alimentos
Se seleccionó una muestra de cada uno de los alimentos elaborados, tanto de los
que tenían inclusión de CB como de las muestras patrón; todas estas, se enviaron
a laboratorio certificado Tecnimicro, con el fin de determinar el contenido de FD y
así evaluar la influencia que tuvo la inclusión de CB en los alimentos, respecto a
este parámetro. Para la medición del contenido de FD se siguió el método de
AOAC 985.29 edición 16 que mide la FD total y el método AOAC 993.19 edición
16 que mide la FD soluble.
97
3.4.6. Análisis sensorial del alimento con inclusión de CB
El grado de aceptabilidad o análisis sensorial se evaluó mediante una prueba
hedónica destinada a medir cuanto agradan o desagradan los atributos de sabor,
color, textura y apariencia en los productos desarrollados. Se utilizó una escala
categorizada de siete puntos, la cual permitió determinar cuánto gusta el producto
y se podrá conocer algunos referentes importantes de los consumidores como la
edad. Se utilizaron 50 jueces para cada una de las pruebas hedónicas, estos
jueces evaluadores debieron corresponder a personas que habitúan el consumo
de los productos referentes.
Para las evaluaciones no se requirió personal calificado ni con entrenamientos
previos, solo debían entender el procedimiento de la prueba y que fueran
consumidores habituales de carne de hamburguesa (ver tabla 12).
98
Tabla 12. Ficha de la prueba sensorial hedónica
Descripción
Alimento Carne de hamburguesa con inclusión de celulosa bacterial
Fecha de realización
26 de Enero de 2012
Objetivo de la prueba
Determinar el grado de aceptación de una carne de hamburguesa con inclusión de celulosa bacterial al 2%
Condición de la muestra a analizar mediante la prueba sensorial
Las hamburguesas fueron elaboradas de a 100g con un espesor de 0.8 – 1cm. Las hamburguesas se cortaron en cuatro partes. Fueron analizadas el mismo día de la elaboración y se sirvió a cada persona una porción a temperaturas entre 40 y 50°C, recién asadas. El análisis del producto se efectuó en espacios como aulas de clase y laboratorios, a temperatura ambiente, en la mañana y de manera espontanea, sin tener en cuenta elementos distractores, entre otros.
Descripción de la prueba
Prueba hedónica de aceptación
Principio de la prueba
NTC 4489 Análisis sensorial. Metodología, perfil de textura, GTC 165 Análisis sensorial metodología guía general, NTC 3929 Análisis sensorial metodología. Perfil de sabor. NTC 5328 Análisis sensorial directrices para el uso de escalas de respuestas cuantitativas.
Preparación de la muestra
Las hamburguesas se cortaron y a cada persona se le entregaron 25 g. Se repartieron en bandejas para ser tomadas con palillos.
Atributos a evaluar Sabor, color, textura y apariencia general
Evidencia de la información obtenida del panel evaluador
Diligenciamiento del formato de evaluación (Ver anexo H) y fotografías.
Numero de sesiones
1
Número de jueces 50
Tipo de jueces No expertos
Información personal requerida de cada juez
Edad
Recopilación y análisis de los datos obtenidos
Los datos fueron tabulados y analizados con las herramientas estadísticas de Excel.
99
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1. FASE 1: Obtención de la celulosa bacteriana
4.1.1. Rendimiento de las diferentes frutas empleada
Los ocho residuos seleccionados presentan diferentes rendimientos en la
producción de pulpas (ver Figura 18). Esta variación se debe a dos cosas: la
primera es la manera en que se obtiene la pulpa, que puede ser de forma
mecánica o manual; y la segunda, es la forma y constitución del fruto y el
contenido o no de semillas que presente la misma.
Figura 18. Rendimiento de las frutas en la producción de pulpas
85%
80%
87%
30%
87%
45%
65%
77%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Piña
Uva
Mora
Mandarina
Fresa
Guanabana
Mango
Tomate de Arbol
Porcentaje de rendimiento (%)
Fru
ta
100
De acuerdo a la información que se presentó anteriormente, se obtuvo un
rendimiento promedio del 69.5% entre las ocho diferentes frutas evaluadas; es
claro que solo el mango, la guanábana y la mandarina están por debajo de este
promedio. Estos resultados dieron indicios de que estas frutas podrían presentar
un mejor aprovechamiento en el despulpado, ya que al tener menores
rendimientos en éste proceso es mayor la cantidad de pulpa que sale
desperdiciada de cada una.
Se debe aclarar que de todas las frutas que se emplearon, solo a la mandarina se
le extrae la pulpa mediante un exprimidor manual, por esta razón es la que menor
rendimiento presenta. El hecho de que solo el 30% de la mandarina sea utilizado
en el proceso de obtención de pulpa y el porcentaje restante sea desechado,
indicó el alto potencial de aprovechamiento que presenta este residuo debido a la
alta cantidad de fruta que se desperdicia. Esto lo comprueban estudios como el
realizado por David Severiche y Clara Restrepo129, que emplearon los residuos
industriales de frutas cítricas para obtener una harina e incorporarla en alimentos
incrementando la FD de los mismos.
Por su parte, la guanábana es la que menor rendimiento presenta entre las frutas
despulpadas mecánicamente, debido en gran parte a la gran cantidad de pulpa
que queda adherida a las semillas de la misma y posiblemente por el tipo de
máquina de despulpado. Lo mismo ocurre con el mango, que al tener una semilla
tan grande hace que su rendimiento sea menor. De manera general, se puede
obtener la siguiente relación con todas las frutas despulpadas mecánicamente:
mientras más cantidad de semillas presente la fruta, menor será el rendimiento
obtenido en el despulpado.
129 SEVERICHE, D. y RESTREPO, C. Op. Cit. P. 18.
101
4.1.2. Obtención de medios de cultivo
Aunque la cantidad de volumen obtenido, no es determinante para seleccionar con
que residuos trabajar, si puede indicar con cuál de estos se favorece más la
obtención del medio de cultivo; pues no sería conveniente emplear residuos que
por más azúcares que tuvieran, sean difíciles para extraer una solución que sirva
de medio. En la Figura 19, se muestra la cantidad de volumen que se obtuvo con
cada residuo, después de licuar 200 g de cada uno con 100 ml de agua destilada.
Figura 19. Volúmenes de las soluciones filtradas para cada residuo
Lo primero que se puede interpretar en esta gráfica, es el hecho de que algunos
residuos como el de tomate de árbol y el mango, retienen parte del agua que se
les incorpora para realizar la solución que servirá de medio de cultivo; esto se
puede afirmar, por el hecho de que se extrae menor volumen de solución filtrada
que la cantidad de agua que se empleó para realizar el medio.
128
144
140
178
160
130
90
10
0 50 100 150 200
Piña
Uva
Mora
Mandarina
Fresa
Guanabana
Mango
Tomate
Volúmen de la solución filtrada (ml)
102
En el caso del residuo de tomate de árbol, se retuvo cerca del 90% del agua que
se le incorporó, lo que demuestra que este no es un residuo que favorece la
obtención de medios de cultivo para el crecimiento de CB; mientras que los restos
de mandarina, que fueron los que más medio produjeron, permitieron obtener
cerca de 78 ml de zumo a parte de los 100 ml de agua empleados, esto
representa un 39% del total de residuo empleado.
Se podría pensar que por ser la mandarina la que menor rendimiento tiene en el
proceso de despulpado, es la que mayor volumen de solución filtrada presenta;
pero si se sigue este parámetro, se encuentra que no hay una relación exacta
entre el rendimiento de las frutas en el despulpado y la cantidad de medio que se
puede obtener de las mismas; además, el hecho de que el proceso de filtrado sea
en forma manual, influye en gran medida en la cantidad de medio de cultivo que
se puede alcanzar, pues es claro que mientras más presión se ejerza, mayor será
la cantidad de solución filtrada que se pueda obtener.
Al hacer un análisis con todos los residuos de frutas que permitieron obtener más
medio de cultivo que la cantidad de agua incorporada para hacer la solución
filtrada, se encontró que en promedio un 23.3% de los diferentes residuos se pudo
aprovechar para la obtención de medios de cultivo, mientras que el otro 76.7% fue
desechado como restos orgánicos. Las frutas que permitieron obtener más medio
de cultivo a partir de sus residuos fueron la mandarina, la fresa y la uva, con un
39%, 30% y 22% de aprovechamiento, respectivamente.
103
4.1.3. Determinación de grados Brix y contenido de azúcares
Con las soluciones filtradas obtenidas a partir de cada residuo, se determinó el
contenido de azúcares y grados Brix. Aunque esta última prueba mide la cantidad
de sólidos solubles presentes en un líquido, expresado en porcentaje de
sacarosa130, no indica la concentración específica de los diferentes azúcares que
contiene la solución, por lo que con este método no es posible determinar cual
monómero influye más en el crecimiento del microorganismo y por ende en la
obtención de la CB. En la Figura 20 se presentan los grados Brix de los diferentes
jugos de residuos y sus respectivas soluciones diluidas que sirvieron de medios de
cultivo.
Figura 20. Grados Brix de los diferentes jugos de residuos y soluciones
filtradas
130 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Op. Cit., Procesamiento y Conservación de Frutas. Control de Calidad en las frutas. [En Línea] <Disponible en: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/agronomia/2006228/teoria/obpulpfru/p7.htm>. (Consultado el 5 de Octubre, 2010)
5,3
4,5
2,3
7,1
1,5
10,1
4,3
4,5
7,3
7
2,9
9,6
2,3
13,5
6,3
0 2 4 6 8 10 12 14
Piña
Uva
Mora
Mandarina
Fresa
Guanabana
Mango
Tomate
Grados Brix (°Bx)
Fru
ta
ºBrixResiduo
ºBrixSln Diluida
104
Se encontró que la guanábana, era la que mayor cantidad de grados Brix poseía,
superando en más de 3 ºBx a la mandarina, que la precedió. Se puede decir
entonces, que no existe una relación concreta entre el rendimiento de las frutas en
el despulpado y el contenido de grados Brix en los residuos de las mismas; esta
última medida es algo intrínseco de cada fruta y no depende de la cantidad de
ésta, sino de factores como la edad fisiológica o madurez fisiológica.
Es claro que la solución filtrada que se empleó como medio de cultivo, al ser
diluida redujo la concentración de sólidos o azúcares iniciales que presentaba el
residuo. En el caso del tomate de árbol, se tenía un residuo tan espeso que no
permitió evaluar el contenido de grados Brix antes de diluir. En general, se
encontró que los diferentes restos de frutas disminuyeron en promedio un 28.79%
el contenido de grados Brix con la inclusión del agua.
Por otra parte, se determinó el contenido de azúcares de cada una de las
soluciones filtradas de los ocho residuos evaluados (ver Figura 21); la información
completa se encuentra en el Anexo D. Al comparar los resultados expuestos entre
las Figuras 20 y 21, se pudo observar que aunque la guanábana y la mandarina
cumplen con un patrón que hacía pensar que a mayor cantidad de grados Brix,
mayor sería el contenido de azúcares del jugo de residuo; pero no es posible
aplicar esta regla con los otros jugos de residuos, por lo que se determinó que no
existe una relación exacta entre la cantidad de grados Brix y el contenido de
azúcares totales. Incluso, al comparar solo los resultados de la concentración de
sacarosa que en teoría es lo que miden los grados Brix131, tampoco se encontró
una relación directa entre unos datos y otros.
131 MULTILINGUAL. Grados Brix. [En Línea] <Disponible en: http://www.multilingualarchive.com/ ma/enwiki/es/Brix> (Consultado el 11 de Febrero de 2012).
105
Figura 21. Concentraciones de los diferentes azúcares para cada solución
filtrada
Al igual que los grados Brix, se encontró que el contenido de azúcares también es
algo propio de cada uno de los residuos evaluados y no está determinado por la
cantidad de éstos sino por la edad o madurez fisiológica del fruto.
1,75
0,53
21,07
0,12
8,09
16,15
5,48
1,15
9,43
11,62
30,16
1,97
36,94
6,56
6,50
4,14
13,55
0,96
22,28
55,56
16,83
8,33
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
Piña
Uva
Mora
Mandarina
Fresa
Guanabana
Mango
Tomate de Arbol
Concentración del Azucar (g/L)
Fructosa
Glucosa
Sacarosa
106
Se pudo ver que el residuo con mayor contenido de azúcares totales fue la
guanábana, cuya suma de sacarosa, glucosa y fructosa (100.59 g) se tomó como
referente de los otros residuos para poder determinar la diferencia porcentual
entre el contenido de azúcares de ésta y los demás (ver Tabla 13).
Tabla 13. Contenido de azucares totales de cada solución filtrada
Residuo Azúcares totales
(g/L)
Diferencia
porcentual (%)
Guanábana 100,59 0
Mandarina 73,51 26,92
Mango 39,54 60,69
Uva 23,51 76,63
Tomate de árbol 20,31 79,81
Mora 12,58 87,49
Piña 7,04 93,00
Fresa 2,09 97,92
De acuerdo con los experimentos realizados por Klem132 (2001), el medio de
cultivo más propicio para el crecimiento del A. xylinum y la obtención de CB debe
ser rico en azúcares, principalmente en glucosa. Si el experimento se hubiera
basado en esto último, habrían sido la guanábana, la mandarina, la mora y la uva,
los residuos seleccionados para trabajar; pero como el parámetro de selección fue
la mayor cantidad de azucares totales, se determinó que los residuos de frutas con
los que se evaluaría la producción de CB eran guanábana, mandarina y mango.
En la Figura 22 se muestran los residuos seleccionados.
132 KLEMM, Op. Cit., p. 1561–1603.
107
Figura 22. Residuos seleccionados de acuerdo al mayor contenido de
azúcares totales
4.1.4. Proceso de dilución con residuos seleccionados
Luego de seleccionar los residuos con mayor contenido de azúcares totales y que
brindaran buena cantidad de jugo de residuo, se prepararon nuevamente los
medios de cultivo de cada uno y se realizaron las diluciones planteadas en el
numeral 3.1.4, como se muestra en la Figura 23.
Residuos seleccionados
Mango Mandarina Guanábana
108
Figura 23. Diferentes diluciones preparadas con cada residuo
Muestras de cada una de las diluciones anteriores fueron microfiltradas para poder
realizar nuevos análisis de HPLC y así determinar el contenido de azúcares de
cada una, a fin de evaluar la influencia en el crecimiento del Gluconacetobacter
(Ver Figura 24). Los resultados que indican el contenido de sacarosa, glucosa y
fructosa que se obtuvo con las diferentes diluciones de los residuos de mango,
mandarina y guanábana, se presentan en las figuras 25, 26 y 27 respectivamente.
Los resultados completos entregados por el CIBIOT se muestran en el anexo E.
Mango Mandarina
Guanábana
Dilución inicial
1 2 3 1 2 3
1 2 3
1 1 1
109
Figura 24. Muestras microfiltradas de las diferentes diluciones de cada
residuo
Figura 25. Contenido de azúcares para cada dilución del mango
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
Dilución 1 Dilución 2 Dilución 3
29,72
25,35
14,00
0,92 0,85 0,54
24,26
20,53
11,15
Azú
care
s (g
/L)
Mango
Sacarosa
Glucosa
Fructosa
Mango Mandarina Guanábana
3 2 3 2 1 1 3 1 2
110
Figura 26. Contenido de azúcares para cada dilución de la mandarina
Figura 27. Contenido de azúcares para cada dilución de la guanábana
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
Dilución 1 Dilución 2 Dilución 3
15,92
11,88
9,61
11,59
8,78
7,10
12,20
8,95
7,06
Azú
care
s (g
/L)
Mandarina
Sacarosa
Glucosa
Fructosa
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Dilución 1 Dilución 2 Dilución 3
0,06 0,05 0,03
25,49
17,36
14,44
30,58
19,33
15,73
Azú
care
s (g
/L)
Guanábana
Sacarosa
Glucosa
Fructosa
111
Por otra parte, al comparar los resultados de las diluciones 1 de las tres gráficas
anteriores (diluidas al 50%) y los datos presentados en la Figura 21 (no diluidas),
se pudo ver que la guanábana redujo el contenido de azúcares totales de 100.56 a
56.13 g/L, esto se traduce en una reducción del 44.18%. Lo mismo pasó con la
mandarina que presentó una reducción del 45.98%; mientras que el mango, tuvo
un incremento de 38.84% en el mismo parámetro. Con todo lo anterior, se pudo
observar que el contenido de azúcares de los residuos varía sin tener un patrón
definido; esto quiere decir, que por más que se esté empleando la misma variedad
de fruta en el despulpado y por más que se realicen las diluciones en las mismas
concentraciones, no se obtiene el mismo contenido de azúcares en la solución
filtrada. Esto se debe a que el contenido de azúcares aparte de ser algo intrínseco
del residuo, está directamente relacionado con el estado de madurez que tenga la
fruta con la que se obtuvo la pulpa; ya que mientras más madura sea ésta, mayor
será el contenido de azúcares totales de la misma133.
Si se deseara establecer una concentración de azúcares estándar en el medio de
cultivo, sería necesario realizar una prueba de HPLC cada que se trabaje con el
residuo (por lo que se menciona en el párrafo anterior), con el fin de saber si en
necesario diluir o concentrar la solución para llevarla a la cantidad de azúcares
deseada. Es necesario resaltar que por más que se haga este proceso, no es
posible regular todos los diferentes azúcares del residuo a la vez, y si esto fuera
necesario se debería recurrir a la adición de azúcares comerciales.
133 PENAGOS, Lucas. Manejo de poscosecha: Madurez de las frutas, compilador Ángel Daniel Ríos. Medellín: UPB, 2009 (Notas de Clase).
112
4.1.5. Rendimiento de los residuos seleccionados en la producción CB
Luego de evaluar el contenido de azúcares de los jugos de residuos y sus
respectivas diluciones y de realizar la siembra del Gluconacetobacter en cada uno
de los tratamientos, las muestras de CB obtenidas fueron lavadas con KOH y
luego secadas. En la Figura 28 se presentan las muestras de CB obtenidas, en
éstas se puede ver que algunas presentaron pigmentos de colores propios de
cada fruta, que no fueron posibles de retirar en el lavado con KOH; este tipo de
partículas pudieron variar los resultados del rendimiento obtenido, ya que pueden
representar un peso que es tomado como CB sin llegar a serlo.
Figura 28. CB seca obtenida con las diferentes diluciones de cada residuo
Los pesos de las diferentes muestras de CB que se obtuvieron con los tres
residuos y sus respectivas diluciones se presentan a continuación en la Tabla 14.
Mango Mandarina
Guanábana
3 1 2 3 1 2
3 1 2
113
Tabla 14. CB obtenida a partir los residuos seleccionados y sus
respectivas diluciones
Residuo Dilución Nº Peso CB seca (g)
Peso prom. CB (g)
Desviación Estándar (D.E)
Mango
1
1 0,052
0,052 0.005 2 0,057
3 0,047
2
1 0,052
0,048 0.005 2 0,049
3 0,043
3
1 0,041
0,037 0.004 2 0,037
3 0,034
Mandarina
1
1 0,072
0,069 0.020 2 0,087
3 0,048
2
1 0,086
0,078 0.007 2 0,074
3 0,074
3
1 0,058
0,072 0.012 2 0,076
3 0,082
Guanábana
1
1 0,098
0,102 0.006 2 0,099
3 0,109
2
1 0,119
0,123 0.004 2 0,127
3 0,122
3
1 0,096
0,095 0.001 2 0,095
3 0,094
Se encontró que no necesariamente una mayor cantidad de azúcares favorece un
mejor rendimiento en la producción de CB, esto lo demuestran las diluciones 2 de
la guanábana y la mandarina, que produjeron más CB que aquellas soluciones
que presentaban una mayor concentración de azúcares, por ejemplo, el contenido
114
total de azúcares de la dilución 1 de mango, y de las diluciones 2 de mandarina y
guanábana es de 39.54, 29.61 y 36.74 g/L respectivamente, el cual no muestra el
mismo comportamiento que el rendimiento de CB.
La dilución 2 de la guanábana fue la que dio el mejor resultado general, con 0.123
g de CB por cada 35 ml de medio, con una D.E de 0.004 g. Esta dilución tiene un
52.61% de fructosa, un 47.25% de glucosa y un 0.13% de sacarosa, que
equivalían a 36.74 g/L de azucares totales. Es evidente que el contenido de este
último azúcar no tiene una gran influencia en la producción de CB.
En el caso de la mandarina, la dilución 2 produjo 0.078 g de CB en 35 ml de
solución con una D.E de 0.007 g; este medio de cultivo contenía 29.61 g/L de
azúcares totales, representados en un 40.12% sacarosa, 30.22% fructosa y
29.65% glucosa. Comparado con el mejor resultado de la guanábana, se puede
ver que dio un 36.58% menor rendimiento en la producción de CB con la
mandarina.
Por su parte, el residuo de mango dio su mejor resultado con la dilución 1, que
contenía 54.13% sacarosa, 1.67% glucosa y 44.18% fructosa, obteniendo 0.052 g
de CB en 35 ml de medio de cultivo y con una D.E. de 0.005 g. Esta cantidad de
CB obtenida es 57.72% más baja, que el mejor resultado obtenido con la dilución
2 del residuo de guanábana.
Tabla 15. Composición porcentual de cada azúcar en las diluciones que
mejores resultados obtuvieron
Residuo Mejor
dilución Sacarosa
(%) Glucosa
(%) Fructosa
(%) CB (g)
Azúcares totales (g)
Guanábana 2 0,13 47,21 52,61 0,123 36.74
Mandarina 2 40,12 29,65 30,27 0,078 29,61
Mango 1 54,13 1,67 44,18 0,052 39,54
115
De acuerdo con los datos de la tabla anterior, se encontró una relación directa
entre la cantidad de CB obtenida y el porcentaje de glucosa que compone cada
medio de cultivo. En este punto, es necesario resaltar que una mayor cantidad de
de glucosa en el medio no representó una mayor cantidad de CB obtenida,
contradiciendo lo dicho por Klemm134; mientras que un mayor porcentaje de
glucosa en comparación con los otros azúcares que componen el medio, generó
mayores producciones de CB.
También se pudo observarque mientras mayor fue el porcentaje de sacarosa que
contenía el medio, menor fue la cantidad de CB que se produjo; por lo que se dio
una relación inversa entre estos dos variables. Por su parte, la fructosa no
presenta una relación específica con la producción de CB, pero se puede ver que
el contenido de ésta en las diferentes diluciones de los tres residuos es superior al
30%, lo que hace pensar que tenga gran influencia en la producción de CB.
Los anteriores resultados contradicen en parte lo expuesto por Akihiro
Kuriosumi135, quien obtuvo CB empleando G. xylinum a partir de jugos de
diferentes frutas, siendo la naranja la que mejor resultado dio al producir 0.68 g de
CB en 100 ml de medio de cultivo. El estudio afirma que la producción está
determinada por el contenido de sacarosa, fructosa y fuentes de nitrógeno. En
éste caso, se obtuvieron 0.123 g CB en 35 ml de medio a partir de residuos de
guanábana y se encontró que la cantidad de sacarosa no es relevante en la
obtención de CB. El hecho de que los resultados obtenidos sean cerca de un 48%
por debajo (al compararlos en igual volumen), se debe no tanto a la cantidad de
azúcares del medio sino probablemente al contenido de aminoácidos y fuentes de
nitrógeno del mismo; componentes que las frutas poseen y los residuos de las
mismas en una menor medida.
134
KLEMM, Op. Cit., p. 1561–1603. 135 KUROSUMI, A. Op. Cit., p. 333 – 335.
116
4.2. FASE 2: Caracterización de la CB y evaluación de algunas variables
4.2.1. Resultados bromatológicos y microbiológicos de las CB
En la tabla 16 se presentan los resultados bromatológicos de la CB en estado
húmedo; además, los análisis realizados a la CB seca indicaron que el 97% de la
composición de la misma era FD, el 0.4% agua ligada y el resto componentes que
quedan del medio de cultivo (ver Anexo F).
Tabla 16. Análisis bromatológico de CB húmeda
Análisis fisicoquímico Resultado
Humedad (%) 98,70
Cenizas (%) 0,05
Proteína (%) 0,01
Grasa (%) 0,00
Carbohidratos (%) 1,24
Calorías (kcal/100g) 5,05
Fibra dietaria total (%) 1,10
FD soluble (%) 0,71
FD insoluble (%) 0,39
Con los resultados bromatológicos, se pudo corroborar lo dicho por Chavez136
quien aseguró que la CB tenía un gran contenido de FD y tenía una composición
muy pura, ya que está libre de hemicelulosa y cuenta con un porcentaje mínimo de
otros componentes que quedan del medio de cultivo.
136
CHAVEZ, J. Op. Cit., p. 19
117
Por su parte, con los resultados microbiológicos (ver tabla 17) mostraron que la
CB obtenida es inocua y no presenta evidencia de desarrollo de los
microorganismos investigados, lo que facilita su inclusión en alimentos.
Tabla 17. Análisis microbiológico de la CB
Análisis microbiológico Resultado
Recuento de aerobios mesófilos (UFC/g) <10
Recuento de mohos y levaduras (UFC/g) <10
Recuento de coliformes totales (UFC/g) <10
Recuento de Escherichia coli (UFC/g) <10
4.2.2. Evaluación de algunas variables
Para estas pruebas se empleó panela obtenida a partir de la caña de azúcar, con
el fin de proponer para futuros trabajos, algunas condiciones que favorezcan la
producción de CB. La razón por la que se empleó panela en estas pruebas fue por
la facilidad en los ensayos y por qué se sabía que da buenos resultados de
acuerdo a experimentos realizados por investigadores del GRAIN; además,
porque eran parámetros que no necesitaban tener en cuenta la cantidad de
azucares del medio de cultivo.
4.2.2.1. Variación de la cantidad de inóculo
En la Tabla 18 se presentan los resultados obtenidos al variar la concentración del
inóculo, dejando igual la cantidad de medio de cultivo.
118
Tabla 18. Producción de CB variando la concentración de inóculo
Sustrato Cantidad de medio (ml)
Concentración Inóculo (%)
Nº CB
Seca (g) CB prom.
(g) D.E.
Panela 35
10 1,1 0,031
0,031 0.001 1,2 0,032
15 2,1 0,034
0,034 0.001 2,2 0,033
20 3,1 0,033
0,036 0.004 3,2 0,039
25 4,1 0,040
0,038 0.002 4,2 0,037
30 5,1 0,037
0,037 0.000 5,2 0,037
El diámetro interno de los recipientes brindó un área superficial de 8.65 cm2 y el
medio de cultivo en los diferentes ensayos ocupó cerca de una tercera parte del
recipiente. Los resultados no muestran una relación directa entre el porcentaje de
inóculo y la cantidad de CB obtenida, ya que como se observa en la Tabla 19, los
mejores resultados se dieron al agregar entre un 25% de inóculo; y valores
superiores (30%) mostraron una tendencia a disminuir.
Con 25% de inóculo, el cual equivale a 8.75 ml de los 35 ml de medio de cultivo,
se produjo 2.63% y 5.26% más CB que con las concentraciones de inóculo del
30% y 20%, respectivamente. Estos resultados muestran que existe una
concentración máxima de microorganismos por encima de la cual la producción de
celulosa se ve afectada, debido a una inhibición por sustrato o por producto donde
uno de los dos inhibe la actividad enzimática. Debido a que las diferencias
presentadas no son muy significativas, se hace necesario replicar el ensayo para
obtener información más confiable.
119
4.2.2.2. Variación de la cantidad de medio
Los resultados obtenidos al variar el contenido de medio y manteniendo el mismo
porcentaje de inóculo para cada muestra, se presentan en la tabla 19.
Tabla 19. Producción de CB variando la cantidad de medio
Sustrato Concentración
Inoculo (%) Cantidad de medio (ml)
Nº CB
Seca (g) CB prom.
(g) D.E.
Panela 20
20 1,1 0,035
0,032 0.005 1,2 0,028
30 2,1 0,031
0,033 0.003 2,2 0,035
40 3,1 0,049
0,047 0.003 3,2 0,045
50 4,1 0,056
0,053 0.004 4,2 0,050
60 5,1 0,057
0,051 0.008 5,2 0,045
Figura 29. Variación del contenido de medio de cultivo con igual porcentaje
de inóculo
Fuente: Autoría propia
120
Al tener diferentes muestras en iguales recipientes, se encontró que existe una
tendencia que indica que a mayor volumen del medio de cultivo mayor es la
cantidad de CB obtenida, aunque existe un máximo. Se podría determinar una
relación directa entre la altura que ocupa el medio en el recipiente y la producción
de CB; de acuerdo a esto, los resultados permiten afirmar que en cultivos estáticos
con recipientes cilíndricos de vidrio, las mayores producciones se dan cuando el
medio ocupa entre un 35 – 40% de la altura del tarro en el que está. Cuando se
ocupa más del 50% del recipiente con el medio de cultivo, la producción de CB se
ve disminuida, ya que la torre de oxígeno disponible se ve reducida137.
4.2.2.3. Determinación del porcentaje de humedad de la CB
Se evaluaron 10 muestras de cuatro diferentes residuos de frutas; se obtuvo el
peso en húmedo y seco de cada muestra, posteriormente se determinó el
porcentaje de humedad (ver tabla 20).
Tabla 20. Porcentaje de humedad de las diferentes muestras de CB
Residuo Celulosa
Humeda (g) Celulosa Seca (g)
Humedad (%)
Mandarina
13,17 0,21 98,41%
14,26 0,20 98,60%
14,11 0,20 98,58%
Guanábana
10,48 0,19 98,19%
10,81 0,19 98,24%
10,97 0,18 98,36%
Mango 9,62 0,13 98,65%
11,23 0,11 99,02%
137
ENTREVISTA CON Cristina Castro. Ingeniera Química perteneciente al Grupo de Nuevos Materiales, Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, 12 de septiembre de 2011.
121
De acuerdo a los resultados no se encontró una diferencia significativa entre el
sustrato con el que se obtuvo la CB y el porcentaje de humedad que ésta
contenía. Las muestras de CB en estado húmedo tenían un 98.54% de humedad
en promedio, con una desviación estándar de 0.247%; los resultados obtenidos
presentan gran similitud con los de Okiyama138, que indicó que la CB en estado
húmedo está compuesta por fibrillas de celulosa (0,9%), agua ligada (0,3%) y
agua libre (98,8%). En la Figura 30 se observa una muestra de CB obtenida a
partir de residuos de mandarina en estado húmedo y seco.
Figura 30. CB obtenida a partir de residuos de mandarina en estado
húmedo y seco
Fuente: Autoría propia
4.2.2.4. Cantidad de agua empleada en el lavado de CB con KHO
Para este experimento se seleccionaron dos muestras de CB húmeda, una fue
producida a partir de guanábana (43.84 g) y la otra fue obtenida con mandarina
(70.39 g). Ambas muestras se dejaron 24 horas en una solución con KOH al 5%
(ver Figura 31) y posteriormente se lavaron con agua destilada hasta llegar a pH
neutro. Los resultados se presentan en la Tabla 21.
138 OKIYAMA, Op. Cit., p. 479.
CB húmeda CB seca
122
Figura 31. CB lavada con una solución de KOH al 5%
Fuente: Autoría propia
Tabla 21. Cantidad de agua empleada en el lavado con KOH de la CB
Mandarina Guanábana
pH Agua (L) pH Agua (L)
11,97 0,95 11,74 0,95
11,86 0,93 11,55 0,93
11,83 0,93 10,9 0,93
11,11 0,91 10,49 0,92
9,61 0,92 9,47 0,92
8,24 0,92 7,49 0,91
7,59 0,92 7,01 0,92
7,33 0,92
7,03 0,92
Total 8,32 Total 6,48
De acuerdo a los resultados obtenidos es más favorable lavar la CB producida a
partir de mandarina, ya que se pueden lavar 8.47 g CB / L H2O; mientras que para
la CB producida con guanábana, se lavaron 6.75 g CB / L H2O, hasta llegar a pH
neutro. Con lo anterior, se puede ver que lavar la CB de este último residuo
representa un 20.3% más gasto de agua, esto se puede deber a componentes y
123
sustancias propias de la guanábana que favorecen la retención de la solución de
KOH en el interior de la CB húmeda por más tiempo.
4.2.2.5. Variación de la temperaturas y tiempo de secado de la CB
El objetivo de esta prueba era determinar cuáles eran las condiciones de secado
(temperatura y tiempo) que favorecían la obtención de CB que permitiera reducir el
tamaño de una manera más fácil. En la Figura 32 se presentan las diferentes
muestras de CB obtenidas con residuo de guanábana y secadas a diferentes
temperaturas y tiempos.
Figura 32. CB obtenidas a partir de residuos de guanábana secadas a
diferentes temperaturas y tiempos
Fuente: Autoría propia
40ºC – 36 h
105ºC – 2 h 105ºC – 2 h y 40ºC – 13 h
105ºC – 13 h
124
La muestra de CB secada a 40 ºC durante 36 h presentó la estructura más flexible
de todos los tratamientos, ya que se obtuvo una celulosa que no partía fácilmente,
sino que se doblaba antes que resquebrajarse, esto se debió a que en esas
condiciones de secado no se eliminó la totalidad del agua que la componía. Estas
muestras mostraron gran dificultad para ser reducida de tamaño por sistemas de
molienda.
Las muestras que fueron secadas a una temperatura de 105ºC en los diferentes
tiempos de secado, produjeron muestras de CB quemadas. Mientras mayor fue el
tiempo al que se sometieron las muestras a estas condiciones de secado, mayor
fue el agua eliminada de la muestra de CB; por lo que después del proceso de
secado, solo se obtuvieron celulosas tiesas que partían fácilmente, pero con
texturas y colores que no favorecían su aplicación en alimentos.
Posteriormente, se realizaron ensayos en los que se redujo la temperatura de
secado a 90 ºC durante 3 h. Bajo estas condiciones se obtuvieron muestras de CB
que cumplían con las condiciones deseadas para incluir en alimentos, ya que
partían fácilmente, algo importante si se quiere reducir el tamaño; y presentaba un
color propio del residuo empleado, factor que no altera la apariencia del alimento
en el que se incluya.
90ºC – 3 h
125
4.3. FASE 3: Diseño de un biorreactor para optimizar la producción de CB
4.3.1. Diseño y elaboración del biorreactor
El diseño y elaboración del biorreactor tuvo como objetivo incrementar la
producción de CB en 1 L de medio de cultivo, mediante el incremento del área
superficial del recipiente que lo contenga. Los ensayos preliminares con
membranas de silicona permitieron determinar que el grosor de éstas debía estar
en un rango entre 0.9 – 1.1 mm. Cuando se elaboran las películas de silicona con
un grosor menor a este rango, es posible que la membrana no resista la presión
que ejerce el medio de cultivo; mientras que si se superan los 1.1 mm de grosor,
se impide el paso de oxígeno al interior por lo que no crece CB.
En un principio, el biorreactor fue diseñado sin incluir las mallas de acero en la
parte externa de las paredes de membranas de silicona (ver Figura 33); pero luego
de hacer los montajes preliminares incluyendo 1 L de medio de cultivo a partir de
panela, se pudo ver que la CB crecía bien en la parte superior, pero no crecía de
forma consistente en los lados mientras estas paredes de silicona fueran curvas.
Figura 33. Prototipo inicial del biorreactor
126
Para solucionar este problema se pensó en utilizar mallas de nylon en el exterior
de las paredes del biorreactor, pero no daban la firmeza que se requería; por lo
que finalmente se empleó una malla de acero de 1 mm de espesor que mantenía
estable la membrana de silicona que servía de pared en el biorreactor (Ver Figura
34).
Figura 34. Prototipo final del biorreactor
Fuente: Autoría propia
Luego de tener el prototipo final, se realizaron los ensayos previos para verificar si
la CB se producía de forma homogénea y consistente en las diferentes caras del
biorreactor, tanto las que estaban en contacto con las películas de silicona como
A. Vista frontal, lateral y
superior del bioreactor.
B. Vista general
127
en la parte superior del mismo. Se encontró que la malla de acero de 1 mm
permite la completa formación de CB sin afectar la disponibilidad de oxígeno que
necesita el microorganismo dentro del medio de cultivo. Los resultados confirman
lo dicho por Amanda Putra139, quien afirma que la CB crece independiente de la
gravedad; esto se observó en las capas de celulosa que se formaron en las
paredes de silicona que estaban dispuestas en forma vertical.
El equipo desarrollado cuenta con 372.5 cm2 de área superficial, que comparado
con los 158.36 cm2 que ofrece el recipiente de vidrio que sirvió de prueba
comparativa, representó un incremento de 57.48% de área superficial (ver figura
35). Las dimensiones del equipo se adjuntan en el Anexo C.
Figura 35. Áreas superficiales del biorreactor y el recipiente de vidrio
Fuente: Autoría propia
139 PUTRA, A. Op. Cit., p. 1885.
A C B
r
128
4.3.2. Experimento con medio comercial en el biorreactor y la prueba
comparativa
Para evaluar el efecto del área superficial, en el bioreactor y en el recipiente de
vidrio, se empleó un litro de medio de cultivo a base de panela, inoculados al 20%.
Se debe resaltar que en este experimento no se determinó el contenido de
azúcares del medio, pues lo que se quiso hacer fue determinar la influencia que
tenía el área superficial en la producción de CB. Las muestras de CB que se
obtuvieron después de 12 días de incubación se muestran en la figura 36.
Figura 36. CB húmeda obtenida con el bioreactor y el recipiente de vidrio
Fuente: Autoría propia
La CB producida en las diferentes caras del biorreactor forma en conjunto una sola
muestra de celulosa como se aprecia en la Figura 36. Al pesar ambas muestras en
estado húmedo, se obtuvo que la CB del bioreactor pesó 109.25 g, mientras que la
muestra del recipiente de vidrio pesó 64.35 g; esto representa un incremento del
41.11% en la producción de CB en estado húmedo.
Bioreactor Recipiente de vidrio
129
Luego del proceso de lavado con una solución de KOH al 5%, las muestras de CB
fueron secadas (ver Figura 37). La muestra de CB seca del biorreactor pesó
0.54g, mientras que la de la prueba comparativa pesó 0.48 g, representando un
11.36% en la producción total de CB. Al relacionar la cantidad de CB obtenida con
la el área superficial que brindaba el sistema, se pudo comprobar que el
bioreactor tenía 52.14% menor rendimiento en comparación con el recipiente de
vidrio; el primero produjo 0.00145 g/cm2 mientras que el segundo 0.00303 g/cm2.
Estos resultados demostraron que la CB obtenida con el bioreactor retenía una
mayor cantidad de agua que la producida en el recipiente de vidrio; de acuerdo
con Cristina Castro140, esto se debe a que las membranas de silicona reducen la
disponibilidad de oxígeno, haciendo que el microorganismo no produzca
constantemente la CB sino que lo haga por baches de tiempo, cada que dispone
de oxígeno. Esta producción por períodos favorece que se retenga mayor cantidad
de agua dentro de la CB, sin que esto represente una mayor producción de la
misma.
Figura 37. CB seca obtenida con el bioreactor y el recipiente de vidrio
Fuente: Autoría propia
140ENTREVISTA CON Cristina Castro. Ingeniera Química perteneciente al Grupo de Nuevos Materiales, Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, 12 de septiembre de 2011.
Bioreactor Recipiente de vidrio
130
Los resultados obtenidos indican que un aumento en el área superficial del
recipiente que contenga el medio de cultivo aumenta la producción de CB en
estado húmedo; algo que reafirma lo dicho por Masaoka141, quien asegura que la
tasa de producción de celulosa depende proporcionalmente del área
superficial que tenga el medio de cultivo, sin verse afectada por la profundidad y
el volumen del medio.
4.3.3. Experimento con medio a partir de residuos de guanábana en el
biorreactor y el recipiente de vidrio
El medio de cultivo para este experimento se realizó empleando residuos de
guanábana y la dilución 1, descrita en el numeral 3.1.4. Las condiciones del cultivo
en cuanto al porcentaje de inóculo y los días de incubación, fueron iguales a los
del experimento anterior con panela. Las muestras de CB obtenidas se presentan
en la figura 38.
Figura 38. CB húmeda obtenida a partir de residuos de guanábana con el
bioreactor y el recipiente de vidrio
141 MASAOKA, Op. Cit, p. 20
Bioreactor Recipiente de vidrio
131
El peso de la CB del bioreactor en estado húmedo fue de 399.5 g, mientras las
muestra de celulosa de la prueba comparativa pesó 199.7 g, lo que indica que
hubo un incremento del 50.01% en la producción de CB empleando el bioreactor.
Igual que en el anterior experimento, se produjeron membranas de CB con una
gran capacidad de retención de agua en ambos casos; en el caso de las
producidas a partir de residuos de guanábana, no tenían gran resistencia y se
rompían fácilmente en estado húmedo.
Luego de lavarlas y secarlas, la muestra de bioreactor pesó 1.13 g, mientras que
la del recipiente de vidrio pesó 0.99 g, lo que representó un aumento del 12.38%
en la producción total de CB (ver figura 39).
Figura 39. CB seca obtenida a partir de residuos de guanábana con el
bioreactor y el recipiente de vidrio
Fuente: Autoría propia
Bioreactor Recipiente de vidrio
132
4.4. FASE 4: Diseño y desarrollo de producto alimentario enriquecido con
celulosa bacteriana
4.4.1. Evaluación de propiedades físicas del alimento con inclusión de
CB
Se evaluaron diferentes variables de las hamburguesas como dimensiones, peso,
textura, gomosidad, dureza. Para esto se realizaron 18 tratamientos en total, la
mitad se asaron inmediatamente después de elaboradas, los ensayos restantes
fueron asadas luego de estar 10 días en congelación a -18ºC.
Tabla 22. Evaluación del diámetro en las carnes de hamburguesas asadas
Tipo de muestra
CB (g)
Diámetro (cm) Reducción Prom. (cm)
Des. Estándar (cm) Cruda Asada
Previa Fresca
0,0 (Patrón)
9.3 7.4 2.0
0.1 9.5 7.5
10.1 8.0
2,0
9.6 7.6 2.1
0.1 9.2 7.0
9.9 7.8
2,5
9.6 7.7 1.63
0.23 9.1 7.6
9.6 8.1
Previa Congelada
0,0 (Patrón)
9.6 7.7
1.97 0.12 9.4 7.3
9.2 7.3
2,0
9.5 7.5 1.87
0.32 9.7 7.6
8.4 6.9
2,5
10.0 8.2 1.9
0.10 9.7 7.7
9.4 7.5
133
Tabla 23. Evaluación del espesor en las carnes de hamburguesas asadas
Tipo de muestra
CB (g)
Espesor (mm) Incremento Prom. (mm)
Des. Estándar (mm) Cruda Asada
Previa Fresca
0,0 (Patrón)
13.1 22.4 9.13
0.56 12.0 20.5
10.5 20.1
2,0
12.1 22.9 8.46
2.04 12.6 20.2
13.5 20.5
2,5
13.4 22.4 8.8
1.5 11.2 21.4
13.1 20.3
Previa Congelada
0,0 (Patrón)
12.5 21.2 8.4
0.44 12.2 20.1
13.8 22.4
2,0
13.6 20.7 7.37
0.55 13.9 20.9
15.0 23.0
2,5
12.6 20.7 7.87
0.78 14.6 21.6
12.4 20.9
De acuerdo a los resultados expuestos en las tablas 22 y 23, se puede afirmar que
todas las hamburguesas sin importar el tipo de muestra (fresca o congelada) ni la
cantidad de CB que tuvieran incluida, presentaron igual comportamiento en el
proceso de asado ya que redujeron el diámetro pero incrementaron el espesor de
las mismas. Este efecto se debe a la cantidad de grasa que tiene la formulación de
la hamburguesa, pues estos componentes grasos pierden volumen con el calor
volviéndose más fluidos debido al punto de fusión y conforme se va escurriendo la
grasa se va encogiendo la hamburguesa142.
142
ENTREVISTA CON Lina María Vélez. Ingeniera de Alimentos, Mg. En Desarrollo. Docente de la UPB. Medellín, 10 de Diciembre 2011.
134
Además, no se encontró una relación directa entre la cantidad de CB que se
incluyó y la reducción en el diámetro de las carnes de hamburguesas; lo mismo
ocurrió al compararlas con el incremento en el espesor de las mismas. Las carnes
de hamburguesa redujeron su diámetro 1.91 cm en promedio, que representan
cerca del 20% de la media, 9.54 cm; mientras que el espesor de éstas se
incremento en promedio 5.5 mm, que al tener una medida promedio de 21.2 mm
representó un aumento cercano al 26% en ésta medida. En las figuras 40 y 41 se
presentan las diferentes carnes de hamburguesas desarrolladas.
Figura 40. Diferentes tratamientos de carnes de hamburguesas asadas en
fresco
Figura 41. Diferentes tratamientos de carnes de hamburguesas asadas
luego de congelarla
135
Las diferentes muestras presentaron texturas y consistencias agradables, en la
que se permitía el corte fácilmente sin que se desintegrara la carne de
hamburguesas; además, el color y olor de los diferentes tratamientos era el
característico del producto. También se evaluó el peso de las carnes de
hamburguesa, los resultados se presentan a continuación en la tabla 24.
Tabla 24. Evaluación del peso en las carnes de hamburguesas asadas
Tipo de muestra
CB (g)
Peso (g) Reducción Prom. (g)
Des. Estándar (g) Cruda Asada
Previa Fresca
0,0 (Patrón)
100.77 90.62 9.86
0.88 100.89 90.28
100.66 91.76
2,0
102.06 93.75 8.94
0.72 102.09 93.17
102.03 93.25
2,5
102.51 93.75 8.97
0.39 102.53 93.17
102.47 93.89
Previa Congelada
0,0 (Patrón)
100.32 92.81 7.36
0.19 100.30 93.15
100.82 93.41
2,0
102.03 92.84 8.36
1.44 101.94 92.75
86.24 79.54
2,5
102.53 93.52 9.09
0.12 102.68 93.46
88.81 79.78
De igual forma, no se encontró una relación directa entre la pérdida de peso de las
carnes de hamburguesa y la cantidad de CB que ésta tuviera incluida. En
promedio las carnes de hamburguesas redujeron 8.76% del peso tras el proceso
de asado, aunque es necesario resaltar que las hamburguesas que fueron
sometidas a congelación presentaron una menor reducción; este fenómeno pudo
deberse a la formación de cristales por la congelación, lo que hace que se
136
aumenten los puntos de fusión de algunos componentes, permitiendo menos
perdidas de los mismos con el calor.
4.4.2. Contenido de FD de los alimentos con inclusión de CB
Se presentan en la Tabla 25 los resultados fisicoquímicos de dos muestras de
carnes de hamburguesas, una que es la muestra patrón y la otra que es una carne
de hamburguesa con inclusión de 2.5 g de CB; no se analizó la muestra del
alimento con inclusión de 2.0 g de CB, ya que ésta no es una diferencia que
represente cambios significativos en las carnes de hamburguesa.
Tabla 25. Resultados fisicoquímicos de las carnes de hamburguesas con
inclusión de CB y la muestra patrón
Análisis fisicoquímico Resultados hamburguesa
2,5g CB Patrón
Carbohidratos (%) 7,86 7,85
Grasa (%) 10,54 10,34
Proteína (%) 15,35 15,8
Cenizas (%) 1,72 1,72
Humedad (%) 64,53 64,29
Calorías (Kcal/100g) 187,7 187,66
FD Total (%) 4,69 4,07
FDS (%) 0,22 0,4
FDI (%) 4,47 3,67
137
Se confirmó la hipótesis que indicaba que la inclusión de la CB en un alimento
incrementaría el contenido de FD Total, esto se evidencia con la muestra de carne
de hamburguesa de 100g a la que se le adicionaron 2.5g de CB, ya que
incrementó la FD Total en un 13.22%, respecto a la muestra patrón. La carne de
hamburguesa con CB tiene un 17.9% más contenido de FDI, componente que
representa el 95.3% de la FD total.
En general, la mayoría de los componentes que se analizaron no presentan
cambios significativos, a excepción de la cantidad de proteína que se vio
disminuida con la inclusión de la CB. Mientras que la muestra patrón tenía un
15.8% de proteína, la carne de hamburguesa con CB tenía un 15.35% de ésta, lo
que equivale a una disminución cercana al 3%.
4.4.3. Análisis sensorial de los alimentos con inclusión de CB
La prueba de análisis sensorial de las carnes de hamburguesas con inclusión de
2.0 g de CB, se realizó en aulas de clase y la cafetería de la Escuela de
Ingenierías de la Universidad Pontificia Bolivariana, dando a probar las carnes de
hamburguesas a 50 personas que se encargaron de evaluar el alimento (Figura
42). Se debe aclarar que las hamburguesas fueron elaboradas con 2.0 g de CB,
debido a que no se contaba con la cantidad suficiente para realizar los ensayos
planteados; este cambio no fue arbitrario y se justifica con pruebas previas en las
que se dieron muestras de carnes de hamburguesa con 2.0 y 2.5 g de CB a
deferentes personas, quienes no encontraron cambios significativos de sabor,
color, textura y apariencia en las muestras dadas.
138
Figura 42. Jueces evaluadores diligenciando el formato empleado para la
prueba de análisis sensorial
Luego de realizar la prueba, se organizaron los formatos y se tabularon los datos
obtenidos. La información recopilada se presenta a continuación en la figura 43.
Figura 43. Interpretación de los datos obtenidos mediante la prueba de
análisis sensorial
13%
70%
13%
4% Edad
10 - 20 años
20 - 30 años
30 - 40 años
40 años enadelante
139
En general, el producto desarrollado tuvo gran recepción entre las personas que lo
evaluaron, esto lo demuestran los altos porcentajes de agrado entre los diferentes
atributos valorados. El sabor de la carne de hamburguesa con inclusión de CB
tuvo gran aceptación entre los jueces, ya que menos del 10% de los encuestados
tuvo disgusto ante este parámetro de evaluación; esto resultados indican que la
celulosa que se incluye no genera sabores indeseados en el producto final,
demostrando que este componente puede ser empleado como aditivo en
alimentos.
2% 2%
26%
11%
26%
28%
6%
Textura
Me desagrada
Me disgustamuchoMe disguta unpocoNi me gusta, ni medisgustaMe gusta un poco
Me gusta mucho
Me encanta
0% 2% 4% 4% 17%
57%
15%
Sabor Me desagrada
Me disgustamuchoMe disguta unpocoNi me gusta, ni medisgustaMe gusta un poco
Me gusta mucho
Me encanta
0% 2% 6% 30%
51%
11%
Apariencia Me desagrada
Me disgustamuchoMe disguta unpocoNi me gusta, ni medisgustaMe gusta un poco
Me gusta mucho
Me encanta
0% 9%
32%
49%
11%
Color Me desagrada
Me disgustamuchoMe disguta unpocoNi me gusta, ni medisgustaMe gusta un poco
Me gusta mucho
Me encanta
140
Al igual que el sabor, los atributos de color y apariencia tuvieron gran aceptación
entre las personas que evaluaron las carnes de hamburguesas con 2.0 g de CB,
esto lo demuestran los altos porcentajes de agrado que superan el 85% del total
de las valoraciones realizadas.
Fue el atributo de textura el menos aceptado entre las personas, pues cerca del
30% de los evaluadores indicaban la presencia de partículas difíciles de morder,
que se asemejaban a las del papel. Este inconveniente se debió al tamaño de las
partículas de CB que se incluyeron en las carnes de hamburguesas, ya que
presentaban un tamaño mayor al deseado; este hecho evidencia inconvenientes
en el proceso de reducción del tamaño de las partículas, por lo que sería un
procedimiento en el que se deberían evaluar otros métodos en los que se
obtengan partículas más homogéneas.
Finalmente, los jueces respondieron la siguiente pregunta.
Figura 44. ¿Incluiría usted éste producto a sus hábitos cotidianos de
alimentación?
Los resultados evidencian el grado de aceptación que tuvo el producto
desarrollado entre las personas que evaluaron las carnes de hamburguesas. Entre
las diferentes razones que tuvieron las personas que SÍ incluirían el alimento en
66%
34%
Sí
No
141
sus hábitos cotidianos de alimentación estaban las buenas características
organolépticas del mismo (sabor, color, apariencia), el hecho de que pareciera
más saludable que las carnes de hamburguesas en general o por el agrado hacia
las comidas rápidas.
La razón principal que tuvieron las personas que No incluirían las carnes de
hamburguesas en sus hábitos cotidianos de alimentación, fue la textura del
alimento, ya que no se les hacía agradable al morder y sentir las partículas que
éste contenía.
142
5. CONCLUSIONES
Los grados Brix y la cantidad de azucares, no tienen relación directa con el
rendimiento de las frutas en el proceso de despulpado; se puede decir que
estas dos características no dependen de la cantidad de residuo que se tenga
sino del estado de madurez de la fruta a la hora de ser procesada.
Los residuos que se emplearon para la obtención de CB presentaron cambios
en el contenido de azucares por más que se estuviera utilizando la misma
fruta, esto se debe a que éste es un factor que depende no sólo del estado de
madurez de la fruta sino también de la composición de la misma, ya que las
concentraciones de azucares es una propiedad intrínseca.
De los ocho residuos trabajados, se seleccionaron la guanábana, la mandarina
y el mango para evaluar la producción de CB con cada uno de estos.
La dilución 2 de la guanábana fue la que dio el mejor resultado general,
seguido de la dilución 2 de la mandarina, que fue un 36.58% menor y de la
dilución 1 del mango, con un 57.72% menor rendimiento.
Residuo Mejor
dilución
Sacarosa
(%)
Glucosa
(%)
Fructosa
(%)
CB
(g)
Azúcares
totales (g)
Guanábana 2 0,13 47,21 52,61 0,123 36.74
Mandarina 2 40,12 29,65 30,27 0,078 29,61
Mango 1 54,13 1,67 44,18 0,052 39,54
143
Se encontró una relación directa entre la cantidad de CB obtenida y el
porcentaje de glucosa que compone cada medio de cultivo. También se pudo
ver que a mayor porcentaje de sacarosa del medio, menor cantidad de CB
producida.
Se obtuvo una mayor producción de CB en medios de cultivos con el 25% de
inóculo. Se produjo un 2.63% y 5.26% más CB que en medio de cultivo con
concentraciones de inóculo del 30% y 20%, respectivamente.
Las mayores producciones de CB se dan cuando el medio ocupa entre un 35 –
40% de la altura del tarro en el que está. Cuando se ocupa más del 50% del
recipiente con el medio de cultivo, la producción de CB se ve disminuida, ya
que la torre de oxígeno disponible se ve reducida.
Las muestras de CB en estado húmedo presentan un 98.54 % de humedad en
promedio; los resultados obtenidos presentan gran similitud con los de
Okiyama, que indicó que la CB en estado húmedo está compuesta por fibrillas
de celulosa (0,9%), agua ligada (0,3%) y agua libre (98,8%).
Lavar la CB producida con residuos de mandarina representa un 20.3% más
gasto de agua, comparado con la muestra de CB obtenida a partir de residuos
de guanábana.
Las mejores condiciones para el secado de la CB son 90 ºC durante 3 h. Bajo
estas condiciones se obtuvieron muestras de CB que cumplían con las
condiciones deseadas para incluir en alimentos ya que partían fácilmente, algo
importante si se quiere reducir el tamaño.
El biorreactor desarrollado cuenta con 372.5 cm2 de área superficial, que
comparado con los 158.36 cm2 que ofrece el recipiente de vidrio que sirvió de
144
prueba comparativa, representando un incremento de 57.48% de área
superficial. Teniendo como medio de cultivo una solución a base de panela, se
incrementó en un 11.36% la producción total de CB, mientras que empleando
como medio de cultivo la dilución 2 de residuo de guanábana la producción de
CB aumentó en un 12.38%.
Las carnes de hamburguesa con inclusión de CB al ser asadas redujeron en
promedio su diámetro cerca del 20%, mientras que el espesor de éstas tuvo un
aumento cercano al 26%. Además, el peso de estas tuvo una reducción
promedio 8.76%.
Se encontró que en una muestra de carne de hamburguesa de 100g con
inclusión de 2.5g de CB, incrementa el contenido de FD Total en un 13.22%,
respecto a una muestra patrón. La carne de hamburguesa con CB tiene un
17.9% más contenido de FDI, componente que representa el 95.3% de la FD
total.
Los atributos de sabor, color y apariencia de las carnes de hamburguesa con
inclusión de CB tuvieron una aceptación cercana al 85%. La textura fue el
atributo menos aceptado entre las personas, pues indicaban la presencia de
partículas difíciles de morder, que se asemejaban a las del papel. El 66% de
las personas que evaluaron las carnes de hamburguesas dijeron les gustaría
incluir el alimento en sus hábitos cotidianos de alimentación.
145
RECOMENDACIONES
Debido a que sólo fueron 8 los residuos de frutas evaluados, es conveniente
realizar estudios en los que se evalué la obtención de la CB a partir de otros
residuos agroindustriales.
Se recomienda seguir evaluando diferentes variables que tienen gran influencia
en la producción de CB como la disponibilidad de oxigeno, el área superficial,
el sustrato, entre otros; esto con el fin de mejorar el rendimiento del proceso de
obtención de CB.
Es conveniente seguir realizando estudios en los que se desarrollen nuevos
procedimientos y sistemas para mejorar la producción de CB, pues los bajos
rendimientos que ésta presenta son un aliciente para futuras investigaciones.
Debido a que la CB logró incrementar el contenido de FD en el producto
alimenticio desarrollado, se hace necesario realizar estudios interdisciplinarios
que permitan evaluar el impacto del aumento de la ingesta de fibra dietaria en
la salud de los consumidores.
Aunque el alimento con inclusión de CB tuvo gran aceptación al ser evaluado
mediante una prueba de análisis sensorial, es necesario disminuir el tamaño de
las partículas de CB que se incluyan en el alimento, además mejorar el
proceso de reducción que se emplee.
146
BIBLIOGRAFÍA
AACC - American Association of Cereal Chemist. Dietary fibre. [En Línea]
<Disponible en: http://www.aaccnet.org/> (Consultado el 22 de Agosto de 2010).
ALPINA. Productos funcionales. En: Regeneris [En Linea]. Bogotá, 2011.
<Disponible en: http://www.alpina.com.co/productos-funcionales/regeneris/>
(Consultado el 10 de Agosto de 2011).
ALTESOR, Alice. La industria de la celulosa y sus efectos: certezas e
incertidumbres. En: Ecología Austral. Uruguay. Vol. 18. 2008. P. 291-303.
ANGIOLANI, Argeo. Capitulo XI. Las materias primas de las industrias químicas.
En: Introducción a la Química Industrial. Ed. Andrés Bello. Santiago, Chile. 1960.
p, 335.
ANGIOLANI, Argeo. Capitulo XX. Las industrias de las utilizaciones de los
biocombustibles y maderas. En: Introducción a la Química Industrial. Ed. Andrés
Bello. Santiago, Chile. 1960. p. 648.
ANZALDUA, M. Antonio. La Evaluación Sensorial de los Alimentos en la Teoría y
la Práctica. Editorial Acribia S.A. Zaragoza-España, 1994. 220p.
ARIAS-ARANDA, Daniel. Innovation in the functional foods industry in a peripheral
region of the European Union: Andalusia (Spain). En: Food Policy. Granada,
España. Vol. 35, 2010. P. 240–246.
147
BAE, Sangok. Improvement of Bacterial Cellulose Production by Addition of Agar
in a Jar Fermentor. En: Journal of Bioscience and Bioengineering. Japón. Vol. 97,
No. 1, 2004. P. 33–38.
BARRERA, Yenisey. Formulación de un queso crema con fibra dietética
incorporada. Control de calidad. En: Revista Cubana de Alimentación y Nutrición.
Cuba. Vol.19, Nº 2. 2009. P.255-260.
BIOTECONOLOGÍA. Enzimas en zumos y bebidas alcohólicas. En: Blog de
Ciencia y Tecnología de la Fundación Telefónica [En Línea]. Madrid, Mayo de
2010. <Disponible en: http://blogs.creamoselfuturo.com/bio-
tecnologia/2011/05/20/enzimas-en-zumos-y-bebidas-alcoholicas> (Consultado el
17 de Mayo de 2011).
BON APPETIT, S.A. Néctares mejoran el balance y la calidad de vida. En:
deGUATE [En Línea]. El Salvador, 2008. <Disponible en:
http://www.deguate.com/artman/publish/gestion_negocios/nectares-petit-mejoran-
el-balance-y-la-calidad-de-vida.shtml> (Consultado el 18 de Julio de 2011).
BROOKS, Stephen P.J. Dietary fibre in baby foods of major brands sold in
Canada. En: Journal of Food Composition and Analysis. Ottawa, Canada. Vol. 19,
2006. p. 59–66.
BUDHIONO, A. Kinetic aspects of bacterial cellulose formation in nata-de-coco
cultura system. En: Carbohydrate Polymers. Indonesia. Vol. 40, 1999. p. 137–143.
CAMPBELL, L. et al. Formulating oatmeal cookies with calories sparing
ingredients. En: Food Tech.(1994), Vol.48 (5), p 101-105.
148
CARME, María, et al. Effect of air-drying temperature on physico-chemical
properties of dietary fibre and antioxidant capacity of orange (Citrus aurantium v.
anoneta) by-products. En: Food Chemistry, (2007). Vol. 104 , p 1014–1024.
CARME, María. Effect of air-drying temperature on physico-chemical properties of
dietary fiber and antioxidant capacity of orange (Citrus aurantium v. anoneta) by-
products. En: Food Chemistry. España. Vol. 104, 2007. p 1014–1024.
CASTAÑO, Eduardo. El mayor consumo de fibra no significa siempre mejorar la
salud. En: Hacia la promoción de la Salud. [En Línea]. Manizales. Vol. 9, 2004.
p.17-25. <Disponible en:
http://promocionsalud.ucaldas.edu.co/downloads/Revista%209_3.pdf>
(Consultado 21 de Junio de 2010).
CASTRO, Cristina. Structural characterization of bacterial cellulose produced by
Gluconacetobacter swingsii sp. from Colombian agroindustrial wastes En:
Carbohydrate Polymers. Medellin, Colombia. Vol. 84, 2011. p. 96–102.
CHAVEZ, Juan Luis, et al. Celulosa Bacteriana en Gluconacetobacter xylinum:
Biosíntesis y Aplicaciones. En: Revista TIP. México D.F., México. Vol. 7. 2004. p.
18-25.
CODEX ALIMENTARIUS. Celulosa en polvo. [En Línea]. 2010. <Disponible en:
http://www.codexalimentarius.net/gsfaonline/additives/details.html?id=68&lang=es
> (Consultado en Junio de 2011).
COLOMBIA. MINISTERIO DE COMERCIO. Decreto 2106 de 1983 [En Línea].
Bogotá, 1983. <Disponible en:
http://www.mincomercio.gov.co/eContent/documentos/Normatividad/decretos/decr
eto-2106-1983.pdf >. (Consultado en junio de 2011)
149
COLOMBIA. MINISTERIO DE LA PROTECCIÓN SOCIAL. Resolución 333 de
2011 – Regulación de etiquetado en alimentos para consumo humano. Bogotá:
2011. 39 págs.
COMPAÑÍA J. RETTENMAIER & SÖHNE. Vitacel. Aplicaciones. Fibras dietarías.
[En Línea]. Rosenberg, Alemania, 2011. <Disponible en: http://www.jrs.de/cgi-
bin/wPermission.cgi?file=/wSpanisch/anwend/food/anwend_fleisch.shtml&navid=7
5> (Consultado en junio de 2011).
DELWICHE, Jeannine. The impact of perceptual interactions on perceived flavor.
En: Food Quality and Preference. Ohio, USA. Vol. 15, 2004. P. 137–146.
DUARTE, Letizia. Las fibras y su importancia en la dieta diaria. [En Línea]
<Disponible en: http://letiziaduarte.com/?cat=10>. Universidad del Norte,
Paraguay. (Consultado el 11 de Septiembre).
EBSCO. Dietary fiber. En: Columbia Electronic Encyclopedia, 6th Edition. [En
Línea] 2010 <Disponible en: http://web.ebscohost.com/ehost/dietaryfiber>
(Consultado en Junio de 2011).
ENTREVISTA CON Gladys García. Jefe de Producción Alimentos Alan Ltda.
Variedad y procedencia de las frutas empleadas en Alimentos Alan Ltda. Medellín,
20 de Octubre de 2010.
ENTREVISTA CON Lina María Vélez. Ingeniera de Alimentos, Mg. en Desarrollo.
Docente de la UPB. Medellín, 10 de Diciembre 2011.
ESCUDERO, Elena y GONZALEZ, P. La Fibra dietética. En: Nutrición Hospitalaria.
Cercedilla, Madrid. Vol. 21, 2006. p. 61-72.
150
EUFIC - Consejo Europeo de Información sobre la Alimentación. (2006).
Alimentos Funcionales. [En línea] <Disponible en:
http://www.eufic.org/article/es/page/BARCHIVE/expid/basics-alimentos-
funcionales/%20-%2043k%20- > (Consultado en Agosto de 2010)
EVANS, Barbara. Palladium-bacterial cellulose membranes for fuel cells. En:
Biosensors and Bioelectronics. Maryville, USA. Vol. 18, 2003. p. 917 – 923.
FAO. Los carbohidratos en la Nutrición Humana. Análisis de la Fibra Dietética.
[En Línea] <Disponible en: http://www.fao.org/index_es.htm > (Consultado en
Septiembre de 2010)
FDA. Food and Drugs Administration. Nutrition labeling and education act (nlea)
requirements- attachment 4. Dietary fiber. [En Línea]. USA. 2010. <Disponible en:
www.fda.gov/ICECI/Inspections/InspectionGuides/ucm114092.htm>. (Consultado
en Junio de 2011).
GALVIS, J.A, et al. Chapter 5 – Sugars as monomers En: Monomers, Polymers
and Composites from Renewable Resources. Editado por Mohamed Naceur.
Oxford, Inglaterra. 2007. P. 89 – 114.
GANDINI, Alessandro. Chapter 1 – The state of the art. En: Monomers, Polymers
and Composites from Renewable Resources. Oxford, Inglaterra. 2007. P. 1 - 16.
GFSA – Norma General del Codex para los Aditivos y Alimentos. Celulosa en
polvo. [En Línea]. 2010. <Disponible en:
http://www.codexalimentarius.net/gsfaonline/reference/table3.html?ad=68&lang=es
>. (Consultado en Junio de 2011).
151
HEINZE, Thomas. Unconventional methods in cellulose funtionalization. En:
Revista Progress in Polymer Science. Jena, Alemania. Vol.26. 2001. P. 1689-
1762.
HONG, Feng. An alternative carbon source from konjac powder for enhancing
production of bacterial cellulose in static cultures by a model strain A. xylinum. En:
Carbohydrate Polymers. Shanghai, China. Vol. 72, 2008. p. 545–549.
HU, Li. Effect of coupling treatment on mechanical properties of bacterial cellulose
nanofibre-reinforced UPR ecocomposites. En: Materials Letters. Tianjin, China.
Vol. 63. 2009. P. 1952–1954.
ICBF. Instituto Colombiano de Bienestar Familiar. Guías alimentarias para la
población colombiana mayor de 2 años. [En Línea]. Colombia, 1999. <Disponible:
https://www.icbf.gov.co/icbf/directorio/portel/libreria/pdf/BASESTECNICASGUIAALI
MENTARIAPOBLACIONMAYORDE2A%C3%91OS.pdf>. (Consultado el 4 de
agosto de 2011).
ICONTEC. NTC 5328 Análisis sensorial directrices para el uso de escalas de
respuestas cuantitativas. Bogotá D.C. 2004. 15p.
IFST - Institute of Food Science & Technology. Information statement. Dietary
fibre. [En Línea]. Londres, Inglaterra. 2007. <Disponible en:
www.ifst.org/document.aspx?id=117>. (Consultado el 16 Septiembre de 2010).
INVIMA. Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos. Bogotá:
INIVMA, Acta 05/06 de 2006. 9pag.
JECFA. Comité mixto FAO/OMS de expertos en aditivos alimentarios. Aditivos.
Celulosa en polvo. [En Línea] Nueva York, USA. 2011. <Disponible en:
152
http://www.fao.org/ag/agn/jecfa-
additives/details.html;jsessionid=42D1BD3BFC049B866906BA73850BD751?id=34
8> (Consultado en junio de 2011)
JENKINS, David y otros. Dietary fiber, the evolution of the human diet and
coronary heart disease. En: Nutritional Research. Toronto, Canadá. Vol.18, 1998.
p. 633–652.
JIMÉNEZ, F. Productos cárnicos funcionales preparados con nuez. En: Revista
CTC. Madrid, Vol. 22, 2004. P. 1 – 5.
JONAS, Rainer y FARAH, Luiz. Production and application of microbial cellulose.
En: Polymer degradation and Srabiliry. Joinville, Brasil. Vol. 59, 1998. P. 101-106.
KLEMM, Dieter. Bacterial synthetized cellulose - artificial blood vessels for
microsurgery. En: Progress in Polymer Science. Jena, Alemania. Vol. 26. 2001 .P.
1561–1603.
KRÄSSING, Hans. Cellulose: Structure, accessibility and reactivity. En: Polymer
Monographs. Amsterdam, Holanda. Vol.11. 1996. P. 1-314.
KRYSTYNOWICZ, Alina y BIELECKI, Stanislaw. Application of bacterial cellulose
for clarification of fruit juices. En: Progress in Biotechnology. Polonia. Vol. 17.
2000. P. 323-327.
KUROSUMI, Akihiro. Utilization of various fruit juices as carbon source for
production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum NBRC 13693. En:
Carbohydrate Polymers. Tokushima, Japón. Vol. 76. 2009. P.333–335.
153
KWAK, No-Seong. Functional foods. Part 1: the development of a regulatory
concept. En: Food Control. Reino Unido. Vol. 12, 2001. p. 99 – 107.
MALCOLM, A. Moore. Soluble and insoluble fiber influences on cancer
developmen. En: Critical Reviews in Oncology: Hematology. Japón. Vol. 27, 1998.
P. 229 –242.
MARTINS ÁLVARES Semíramis D, ZAPICO T Julián, CARRAZEDO T José
Augusto de Aguiar. Adaptación de la escala hedónica facial para medir
preferencias alimentarias de alumnos de pre-escolar. En: Revista Chilena de
Nutrición. Vol. 35, Nº1, Marzo 2008. p. 38-42.
MARTINS, Ivo. New biocomposites based on thermoplastic starch and bacterial
cellulose. En: Composites Science and Technology. Portugal. Vol. 69, 2009. p.
2163–2168.
MASAOKA, Satochini. Production of cellulose from glucose by Acetobacter
xylinum. En: Journal or Fermentation and Bioingeneering. Osaka, Japón. Vol.71,
1993. P. 18 – 22.
MIRANDA, Álvaro. La fibra dietaria en la nutrición. Celulosa. En: Facultad de
medicina, UAEMEX. [En Línea] México. 2011. <Disponible en:
http://www.uaemex.mx/fmedicina/articulos/fibra.pdf> (Consultado en junio de 2011)
NARANJO, Elizabeth. Tendencias de los alimentos funcionales. En: Día técnico de
Ingeniería Agroindustrial (2010, Medellín). Memorias del día técnico: UPB, 2010.
P. 13.
154
NARITOMI, Takaaki. Effect of Ethanol on Bacterial Cellulose Production in
Continuous Culture from Fructose. En: Journal of Fermentation and
Bioengineeiung. Japón. Vol.85. 1998. P. 598-603.
NARITOMI, Takaaki. Effect of Lactate on Bacterial Cellulose Production from
Fructose in Continuous Culture. En: Journal of Fermentation and Bioengineeiung.
Japón. Vol.85. 1998. P. 89 - 95.
O´NEILL, Peggy, et al. Acetobacter xylinum: an inquiry into cellulose biosynthesis.
En: The American Biology Teacher. Seattle. Vol. 62, No. 6. 2000. p 442 – 445.
OKIYAMA, Atsushi. Bacterial cellulose II. Processing of the gelatinous cellulose for
food materials. En: Food Hydrocolloids. Japón. Vol. 6, Nº5, 1992. P. 479-487.
OKIYAMA, Atsushi. Bacterial cellulose IV. Application to processed foods. En:
Food Hydrocolloids. Japón. Vol. 6, Nº5, 1992. P. 503-511.
PAPELNET. Celulosa: Tipos de celulosa. [En línea]. Chile, 2009. <Disponible en:
http://www.papelnet.cl/celulosa/5.html> (Consulta: 28 Nov. 2010).
PARK, Joong K. Production of bacterial cellulose by Gluconacetobacter hasenii
using a new bioreactor equipped with centrifugal impeller. En: Korean J. Chem.
Eng. Corea del Sur. Vol. 24, 2007. P. 264 – 271.
PECORARO, Edison. Chapter 17 - Bacterial Cellulose from Glucanacetobacter
xylinus: Preparation, Properties and Applications. En: Monomers, Polymers and
Composites from Renewable Resources. Editado por Mohamed Naceur. Oxford,
Inglaterra. 2007. P. 369-383.
155
PEPSI Co. Productos. En: Pepsi Kick. [En Línea]. Buenos Aires, 2011. <Disponible
en: http://ar.pepsimundo.com/productos/kick/> (Consultado el 16 de Agosto de
2011).
PUTRA, Ananda. Tubular bacterial cellulose gel with oriented fibrils on the curved
surface. En: Polymer, Sapporo, Japón. Vol. 49. 2008. P. 1885 – 1891.
ROLAND P. Carpenter; DAVID H. lyon; TERRY A. Hasdell. Análisis sensorial en
el desarrollo y control de la calidad de los alimentos. Zaragoza: Acribia, S.A, 2000.
191 págs.
SALMERON, J. y otros. Dietary fiber, glycemic load, and risk of NIDDM in men.
En: Diabetes Care. USA. Vol. 20, no.4, 1997. p.545- 550.
SÁNCHEZ, C., et al. Use of carbohydrate based fat substitutes and emulsifying
agents in reduced fat shortbread cookies. En: Cereal Chem. (1995). Vol.72 (1), p
25-29.
SANCHO Valls, BOTA PRIETO Enric, DE CASTRO I MARTIN Joan Joseh.
Introducción al análisis sensorial de los alimentos. Barcelona: Estudio general 4.
1999. p. 118.
SENDRA, Esther. Incorporation of citrus fibers in fermented milk containing
probiotic bacteria. En: Food Microbiology. España. Vol. 25, 2008. p. 13-21.
SEVERICHE, David, y RESTREPO, Clara. Evaluación del efecto de la inclusión
de fibra dietaria proveniente de subproductos de musáceas y residuos de la
transformación de cítricos en la elaboración de productos de panadería y de maíz.
2008, 82 p. Trabajo de Grado. Universidad Pontificia Bolivariana, Escuela de
Ingenierías, Facultad de Ing. Agroindustrial.
156
SILVA, Daniel Alejandro. Documentación y estandarización de la técnica para la
determinación de fibra en productos alimenticios para el laboratorio de análisis de
aguas y alimentos de la Universidad Tecnológica de Pereira [En Línea]. Pereira,
2007, 68 p. Trabajo de grado. Universidad Tecnológica de Pereira. Escuela de
Tecnología Química. <Disponible en:
http://biblioteca.utp.edu.co/tesisdigitales/texto/6413S586d.swf.> (Consultado 20 de
Junio de 2011).
SON, Hong-Joo. Increased production of bacterial cellulose by Acetobacter sp. V6
in synthetic media under shaking culture conditions. En: Bioresource Technology.
Corea del Sur. Vol. 86. 2003. P. 215–219.
TIMILSINA, Govinda. How much hope should we have for biofuels?. En: Energy.
Washington, DC, United States. Vol. 36, 2011. P. 2056-2066.
TRINCHERO Jorge. Evolución sensorial de los alimentos. En: actualidad papera
No 16. Agosto de 2006.
UNIPROT. Organitation Universal Protein. Especies: xylinus
Gluconacetobacter ( Acetobacter xylinus ). [En Línea]. <Disponible en:
http://www.uniprot.org/taxonomy/28448> (Consultado el 24 de Agosto de 2011).
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Hongo del Té: fuente de
biopolímeros. [En Línea] <Disponible en:
http://historico.unperiodico.unal.edu.co/Ediciones/108/17.html>. (Consultado el 9
de Septiembre, 2010).
157
VALOR, I. y MOSQUEDA, M. Efecto de la sustitución con harina de maíz cruda y
precocidad en la elaboración y calidad de galletas rotativas y laminadas (tipo
soda). Tesis de grado. Facultad de Ciencias. U.C.V. Caracas. (1989). P. 145.
VANDAMME, Erik. Improved production of bacterial cellulose and its application
potential. En: Polymer Degradation and Stability. Gent, Belgica. Vol. 59.1998. P.
93-99.
VASCONCELLOS, Andrés. Alimentos Funcionales. Conceptos y beneficios para la
salud. En: The World of Food Science [En Línea]. California, USA. <Disponible en:
http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/ateneo/dossier/alimentos_funcionales/
worldfoodscience/alimentosfuncionales.htm> (Consultado 31 de Mayo de 2011).
WAM, Z.Y. Mechanical, moisture absorption, and biodegradation behaviours of
bacterial cellulose fibre-reinforced starch biocomposites. En: Composites Science
and Technology. Tianjin, China. Vol. 69. 2009. P. 1212–1217.
WITTIG DE PENNA Emma. Evaluación Sensorial Una metodología actual para
tecnología de alimentos. Edición Digital reproducida con autorización del autor.
Chile 2001.
WOOK, Jung. Effects of pH and dissolved oxygen on Cellulose Production by
Acetobacter. En: Journal Of Bioscience And Bioengineering. Corea del Sur. Vol.
88, No. 2, 1999. p. 183-188.
WU, Sheng-Chi. Application of bacterial cellulose pellets in enzyme immobilization.
En: Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. Taiwan. Vol. 54, 2008. p. 103–
108.
158
YAN, Zhiyong. Biosynthesis of bacterial cellulose/multi-walled carbon nanotubes in
agitated culture. En: Carbohydrate Polymers. Shangai, China. Vol. 74. 2008.
P.659-665.
YOSHINO, Tomoyuki. Cellulose Production by Acetobacter pasteurianus Silicone
Membrane. En: Journal of Fermentation and Bioengineering. Japón. Vol. 81.1996.
P. 32-36.
159
ANEXOS
160
Anexo A. Norma General del Codex Alimentarius para los Aditivos
Alimentarios – Celulosa en polvo
161
162
Anexo B. Alimentos en los que se puede adicionar celulosa en polvo de
acuerdo al Codex Alimentarius
163
164
Anexo C. Dibujos técnicos del bioreactor diseñado con el programa Solid
Edge ST
165
166
167
168
Anexo D. Resultados cromatográficos de los ocho residuos evaluados
169
170
Anexo E. Resultados cromatográficos de las diferentes diluciones de mango,
mandarina y guanábana
171
172
173
Anexo F. Resultados bromatológicos y microbiológicos de la CB
174
175
176
Anexo G. Análisis fisicoquímico de los alimentos con inclusión de CB
177
178
Anexo H. Formato empleado en el análisis sensorial de los alimentos
GRUPO DE INVESTIGACIONES AGROINDUSTRIALES (GRAIN) FACULTAD DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL, UPB
PRUEBA DE ANÁLISIS SENSORIAL
Fecha: ________________ Hora: _______________ Edad: __________ Muestra: Carne de hamburguesa de res Usted acaba de recibir una muestra del producto. Para nosotros es importante contar con su opinión. Por favor responda las siguientes preguntas para evaluar sus atributos.
Criterio de evaluación Valor
Me desagrada 1
Me disgusta mucho 2
Me disgusta un poco 3
Ni me gusta, ni me disgusta 4
Me gusta un poco 5
Me gusta mucho 6
Me encanta 7
Criterio de evaluación Valor
Me desagrada 1
Me disgusta mucho 2
Me disgusta un poco 3
Ni me gusta, ni me disgusta 4
Me gusta un poco 5
Me gusta mucho 6
Me encanta 7
Observaciones:___________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
¿Incluiría usted éste producto a sus hábitos cotidianos de alimentación?
Si___ No___ ¿Por qué? __________________________________________________________
Criterio de evaluación Valor
Me desagrada 1
Me disgusta mucho 2
Me disgusta un poco 3
Ni me gusta, ni me disgusta 4
Me gusta un poco 5
Me gusta mucho 6
Me encanta 7
Criterio de evaluación Valor
Me desagrada 1
Me disgusta mucho 2
Me disgusta un poco 3
Ni me gusta, ni me disgusta 4
Me gusta un poco 5
Me gusta mucho 6
Me encanta 7
1. En cuanto a la textura, el producto: 2. En cuanto al sabor, el producto:
3. La apariencia general del producto: 4. El color del producto:
