EFECTOS DE LAS CONDICIONES DE EXTRACCIÓN SOBRE LAS PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS DE LA PECTINA OBTENIDA A PARTIR DE MANGO MAYAGÜEZANO (Mangifera indica L.)

Pamela Cadavid Diago

Facultad de Ciencias Agrícolas Programa de Ciencia y Tecnología de AlimentosUniversidad De Puerto Rico – Recinto Universitario Mayagüez

“There is nothing like looking, if you want to find something. You certainly usually find something, if you look, but it is not always quite the something you were after.”

J.R.R. Tolkien“The Lord Of the Rings”

• Introducción• Objetivos• Mango Mayagüezano• Pectina• Materiales y Métodos• Resultados

– Análisis proximal– Rendimiento del proceso de pre tratamiento– Rendimiento del proceso de extracción – Grado de esterificación– Capacidad de gelificacion y características de textura– FTIR– Propiedades Texturales a diferentes concentraciones

• Conclusiones• Recomendaciones

• CONSUMO FRUTAS EXOTICAS• Propiedades nutricionales y terapeúticas (Ayala Zavala et al., 2011)• Desechos poscosecha y subproductos del Uso Industrial

• INDUSTRIA DE ALIMENTOS • Búsqueda constante de nuevas fuentes de materia prima• Aprovechamiento total de los recursos naturales (Nuevas fuentes de

obtención o utilización de subproductos)

• PECTINA• Hidrocoloide naturalmente presente en células vegetales• Agente gelificante, espesante, texturizante, emulsificante y

estabilizante. • Obtenido Industrialmente de cáscara de cítricos y bagazo de manzana

(rendimientos del 15 y 30% respectivamente) (Endress & Mattes, 2009)

• Mango → fruta tropical de alto consumo.

• Mango maduro → β – caroteno, Vitamina C, Vitamina B1 y B2, y Vitamina A, tiamina, niacina, calcio, fósforo, hierro, y es una excelente fuente de potasio. Tiene un alto contenido de fibra(40% DV), es bajo en grasa y sodio. Contenido calórico debido a sus azucares, fuente rápida de energía. (Anon, 1984)

• Según Pronósticos (FAO, 2004), en el 2010 la producción mundial de mango alcanzó los 30.7 millones de toneladas, equivalentes a cerca del 50 por ciento de la producción mundial de frutas tropicales. Alrededor del 77% de la producción mundial de mango se produce en Asia y el Pacífico, 13% en América Latina y el Caribe y un 9% en África.

MANGO

MANGO MAYAGÜEZANO

PECTINA

MANGOMAYAGUEZANO

CÁSCARA:22.45%PULPA: 52.15%

SEMILLA: 25.41%

CARACTERIZACIÓNEXTRACCIÓNÁCIDA

Rendimiento (%)Grado deEsterificaciónGrado deGelificación

TemperaturaTiempo

pHextracción

• Sein (1935): “mango de tamaño mediano (125-250g), de colores llamativos y muy fibroso”

• No procesado industrialmente → consumo local

• Susceptible a Antracnosis (hongo Colletotrichum gloesporioides). Síntomas aparecen luego de madurar.

Arocho (2002)

OBJETIVO:

• Estudiar el efecto que ejercen las condiciones de extracción (pH de la solución extractora, temperatura, tiempo de extracción, y fracción seleccionada – pulpa o cáscara) sobre las características fisicoquímicas de la pectina contenida en la cáscara y la pulpa del mango mayagüezano (Mangifera indica L.)

Rendimiento del proceso de pre-tratamiento y extracción de pectinas a partir de cáscara y pulpa

Características de la pectina obtenida (Grado de Esterificación, grado de gelificación)

Propiedades texturales de las geles de las pectinas obtenidas (Fuerza de Ruptura y Elasticidad)

Detección e identificación de grupos carboxilos libres y esterificados en las pectinas obtenidas mediante Espectroscopía de Infrarrojo con transformadas de Fourier (FTIR)

• Hidrocoloide natural presente en pared celular vegetal

• Fibra dietaria soluble en frutas• Heteropolisacárido de alto peso molecular• Importancia: capacidad de formar geles capaz

de atrapar agua en su estructura a bajo pH o en presencia de cationes divalentes sin disolverse en el agua

PECTINA

Método Comercial

Método Enzimático

• Enzimas celulasas/hemi-celulasas• ‘Green labelled o bio-pectinas’ • Bajo peso molecular (~30.000 Dalton)• Actividad biológica y aplicaciones médicas• Bajo rendimiento• Poca capacidad de gelificación

HIDROLISIS ACIDA• Cáscaras (cítricos) y puré de manzana • pH (1.4-3.6), T (60-100˚C), t (0-360 min)• Acidos minerales (HCl, HNO3)• Pectinas de alto peso molecular • Rendimientos altos (17-20%)• Diferentes tipos de pectinas

PECTINA

Caracterización de la Pectina • RENDIMIENTO (%): Factibilidad del

proceso.

• GRADO DE ESTERIFICACIÓN (GE): porcentaje (%) de grupos carboxilos esterificados por cantidad total de grupos carboxilos de la pectina. Permite determinar la capacidad de gelificación de la pectina y su aplicación.

• GRADO DE GELIFICACION (SAG): capacidad de formar geles. Cantidad de azúcar (g) con la cual un gramo de pectina forma un gel de firmeza estándar, bajo condiciones controladas de acidez y sólidos solubles (pH 3.0 y 65 °Brix).

CARACTERIZACIÓN

PECTINA

GRADO DEESTERIFICACION

RENDIMIENTO

GRADO DEGELIFICACIÓN

Pectina con alto Indice Metóxilo

Pectina con bajo Indice Metóxilo

Pectina Amidadas con bajo Indice Metóxilo

OBIPEKTIN, 2010

• Uso

(Phillips, 2000)

METODOLOGÍA

-Pre-tratamiento (RIA)-Extracción Ácida- Caracterización

PRETRATAMIENTO: RESIDUOS INSOLUBLES EN ALCOHOL (RIA)

EXTRACCIÓN ACIDA

EXTRACCIÓN ACIDA

FACTORES NIVEL MINIMO

NIVEL MÁXIMO

A: Temperatura, °C 80 90B: Tiempo de extracción, min 45 90

C: pH 1.5 3D: Fracción de la Fruta Cáscara Pulpa

LAVADO Y SELECCIÓN

MATERIA PRIMA:MANGO

PULPACASCARA

SECADO(36°C)

RIA(Residuos Insolubles

en Alcohol)

TRATAMIENTO ETANOL 85%(T= 70°C, t= 20 min)

TAMAÑO:MALLA 14-16

( 0.1 cm prom)

SECADO Y MOLIENDA

azúcares simplesy pigmentos

CONCENTRACIÓN(ROTAVAPORACIÓN )

PECTINA

SECADO

PURIFICACIÓN

LAVADO

PRECIPITACIÓN

HIDRÓLISIS ÁCIDA

RIA(Residuos Insolubles en

Alcohol)

CARACTERIZACIÓN

RENDIMIENTO

GRADO DEESTERIFICACIÓN

GRADO DEGELIFICACIÓN

Koubala, 2008

GRADO DE ESTERIFICACIÓN(TITULACIÓN)

Caracterización

RENDIMIENTO

(Bochek et al., 2001)

GRADO DE GELIFICACIÓN (SAG)

- Fuerza: 19.5 a 27.0% sag- pH: 2.2 a 2.4 - Sólidos: 64.5 a 65.5%

(IFT, 1959)

Consistencia

Consistómetro de Bostwick

Fuerza de Ruptura y Elasticidad

Texturómetro TX Analyzer Plus

FTIR

Espectro de Infrarrojo con Transformadas de Fourier (a) Alto grado de esterificación (DE=71.13%), (b) Bajo grado de esterificación (DE=24.27).

(Liu et al., 2010)

ANÁLISIS DE RESULTADOS

- Rendimiento- Grado de Esterificación

- Capacidad de Gelificación- FTIR

Análisis Proximal del Mango Mayagüezano

PULPA CÁSCARA

Humedad, % 77.72±0.06 72.57±0.08

Ceniza, % 2.12±0.01 2.85±0.01

Proteína, % Base seca 1.98±0.11 3.21±0.13

Grasa, % base seca 1.44±0.21 2.42±0.17

Fibra, % Base Seca 4.57±0.01 12.16±0.01

Carbohidratos, por diferencia 12.17±0.24 6.79±0.23

• % proteína, humedad y grasa → similares en cáscara y pulpa,

• % fibra → cáscara > pulpa.

• % proteína en la cáscara equivalente a lo reportado en la literatura, con ligeras diferencias debidas al tipo de variedad utilizada. (Ashifat, Omotubga, Kehinde, Olayinka, & Edugbola, 2012; Ashoush & Gadallah, 2011)

Corrida Temperatura(°C)

Tiempo(min) pH Sección Fruta % Rendimiento,

(g/ g RIA)

1 80 45 1.5 Cáscara 15.0405

2 80 45 3 Pulpa 10.0902

3 80 90 1.5 Pulpa 30.5664

4 80 90 3 Cáscara 7.4569

5 90 45 1.5 Pulpa 32.3457

6 90 45 3 Cáscara 10.6183

7 90 90 1.5 Cáscara 27.9782

8 90 90 3 Pulpa 14.1325

9 80 90 3 Pulpa 18.5732

10 80 45 3 Cáscara 9.2389

11 90 45 3 Pulpa 19.3932

12 90 90 3 Cáscara 13.6650

13 90 45 1.5 Cáscara 25.8260

14 80 45 1.5 Pulpa 22.1667

15 80 90 1.5 Cáscara 18.3581

16 90 90 1.5 Pulpa 30.2090

Proceso de Extracción

•Koubala et al., (2008) obtuvo rendimientos de 10.1% y 15.3% (g pectina/g de material seco), para las variedades Amelioreé y mango, respetivamente, bajo condiciones de extracción (HCl pH 1.5, 85°C, 1 hora).• Kratchanova et al., (1991) : usando HCl a pH 1.5, 85°C y 30 min. Encontró un efecto positivo en el rendimiento y en el grado de esterificación obtenida, tanto de cáscaras como de pulpas de ambas variedades tratadas con etanol, la desactivación de pectinesterasas.

1050-5-10-15

99

95

90

80

70

605040

30

20

10

5

1

Standardized Effect

Perc

ent

A TemperaturaB TiempoC pHD Sección Fruta

Factor Name

Not SignificantSignificant

Effect Type

ABD

ACAB

D

C

B

A

Normal Plot of the Standardized Effects(response is Rendimiento, Alpha = 0.05)

Análisis Estadístico: Rendimiento

9080

27

24

21

18

15

9045

3.01.5

27

24

21

18

15

PulpaCascara

Temperatura

Mean

Tiempo

pH Sección Fruta

Main Effects Plot for RendimientoData Means

• Sudhakar & Maini, (2000): Mango Totapuri - HCL 0.05N (pH 1.3), 1 hora, 100 ºC

-El rendimiento está afectado por el pH de la solución extractora; aumenta con la disminución del pH.

- El rendimiento es directamente proporcional al tiempo de extracción (30 y 60 min), y no aumentó significativamente luego de 1 hora de extracción.

Tratamientos Media

Temperatura90 °C 21.8a

80 °C 16.4b

Tiempo90 min 20.1a

45 min 18.1a

pH1.5 25.3 a

3 12.9b

Sección frutaPulpa 22.2a

Cáscara 16.0b

Prueba Tukey para el Rendimiento

Grado de EsterificaciónCorrida Temperatura

(°C)Tiempo

(min)pH Sección Fruta % Grado de

Esterificación

1 80 45 1.5 cáscara 69.61962 80 45 3 pulpa 94.64203 80 90 1.5 pulpa 75.40654 80 90 3 cáscara 89.70585 90 45 1.5 pulpa 73.02826 90 45 3 cáscara 93.44267 90 90 1.5 cáscara 66.10628 90 90 3 pulpa 94.36559 80 90 3 pulpa 96.6292

10 80 45 3 cáscara 93.053411 90 45 3 pulpa 95.777512 90 90 3 cáscara 90.909113 90 45 1.5 cáscara 65.396214 80 45 1.5 pulpa 77.096515 80 90 1.5 cáscara 63.870916 90 90 1.5 pulpa 71.5232

806040200

99

95

90

80

70

605040

30

20

10

5

1

Standardized Effect

Perc

ent

A TemperaturaB TiempoC pHD Sección Fruta

Factor Name

Not SignificantSignificant

Effect Type

BCD

ABD

ABC

CD

BD

AD

AC

D

C

B

A

Normal Plot of the Standardized Effects(response is GRADO DE ESTERIFICACIÓN, Alpha = 0.05)

Análisis estadístico para el Grado de Esterificación

9080

90

80

70

9045

3.01.5

90

80

70

PulpaCáscara

Temperatura

Me

an

Tiempo

pH Sección Fruta

Main Effects Plot for GRADO DE ESTERIFICACIÓNData Means

-Srirangarajan et al., (1977) reportó grados de esterificación de 61% para cáscara de mango

- Kratchanova (1991) 77.2 % y 76.2 % para la pulpa y cáscara de mango variedad Ceni, 62.3% y 77.9% para la variedad Springfield.

- Koubala et al., (2008): cáscaras de mango variedades Amélioréé y Mango, usando HCl pH1.5 como solución extractora, obteniendo valores de grado de esterificación de 57% para Amélioréé y 52% para Mango, ambas pectinas de alto metóxilo.

Tratamientos Media

Temperatura90 °C 82.5a

80 °C 81.3a

Tiempo90 min 82.8a

45 min 81.1b

pH1.5 93.6 a

3 70.3b

Sección frutaPulpa 84.8a

Cáscara 79.0b

Prueba de Tukey para el Grado de Esterificación

Capacidad de Gelificación • Rigelómetro

Sección de la Fruta Temperatura (ºC) Tiempo de Extracción (min) pH ºSAG

Cáscara

8045

1.5 83.783.0 *

901.5 117.903.0 *

9045

1.5 119.083.0 *

901.5 *3.0 96.07

Pulpa

8045

1.5 77.003.0 98.80

901.5 *3.0 112.01

8045

1.5 *3.0 *

901.5 67.083.0 *

*Condición no pudo ser evaluada porque la muestra estaba muy líquida o no mantenía la estructura.

Sección de la Fruta

Temperatura (ºC)

Tiempo de Extracción (min) pH Desplazamiento

(cm/seg)

Cáscara

8045 1.5 *

3.0 0.2750

90 1.5 *3.0 0.3250

9045 1.5 *

3.0 0.3750

90 1.5 0.45833.0 *

Pulpa

8045 1.5 *

3.0 *

90 1.5 0.73333.0 *

8045 1.5 0.5833

3.0 0.3917

90 1.5 *3.0 0.2750

*Condición no pudo ser evaluada porque la muestra estaba muy sólida.

• Consistómetro

CAPACIDAD DE GELIFICACION Y PROPIEDADES TEXTURALES

La cantidad de pectina extraída y disponible para el estudio, y cantidad de datos, son limitados, y las conclusiones podrían estar viciadas, por ende, los hallazgos se expresarán como posibles tendencias que habría que validar con un estudio más extenso.

- El análisis de los datos arrojó evidencia de relación significativa solo en el caso del consistometro con el pH. Esta relación fue probada con análisis de varianza y se comprobó (P<0.05) que las geles con pH de 3.0 resultaban en valores menores en el consistometro (0.33) que geles de pectinas extraídas a pH 1.5 (0.59).

- Hussain et al., (1991) estudio el efecto de diferentes niveles de pH y tiempo afectan la cantidad y calidad de pectinas obtenidas a partir de cáscara de mango. Con respecto al rendimiento, no hubo diferencia significativa entre los niveles de pH, y con respecto a la calidad medida como grado de gelificación se encontró que a menor pH hubo un mayor grado de gelificación, comparable con la tendencia del consistometro para esta investigación, con una diferencia de alrededor de 5 SAG, como se observa en la Tabla 14.

• Las interacciones Temperatura_pH y Sección de Fruta_pH fueron significativas para los datos del consistométro, pero no para los del Rigelómetro.

• La interacción común a ambos equipos , Sección de Fruta_pH fue evaluada usando varias transformaciones de los datos pero no se consiguió un modelo que pudiese establecer una relación entre ambos equipos. Los resultados sugirieron que el pH es más importante para explicar los datos del consistométro mientras que para los datos del Rigelómetro, la sección de fruta explica mejor la variabilidad.

CAPACIDAD DE GELIFICACION Y PROPIEDADES TEXTURALES

Correlación de Pearson entre el Rigelometro y el Consistometro

Variable Observada Consistométro RigelómetroRigelómetro

(Inverso de los datos normalizados)

Coeficiente (r) Valor P Coeficiente (r) Valor P Coeficiente (r) Valor PRendimiento, % 0.61 0.11 0.25 0.55 0.06 0.82

Grado de Esterificación, % -0.71 0.05 0.03 0.95 -0.28 0.30

Fuerza de Ruptura, g -0.44 0.28 0.43 0.34 0.62 0.01Elasticidad, mm 0.18 0.66 -0.17 0.71 -0.49 0.06

Ninguna de las relaciones es muy fuerte ni es posible identificar alguna variable que pueda atar los resultados del consistométro con los del

Rigelómetro; aun usando transformaciones de los datos.

PROPIEDADES TEXTURALES A DIFERENTES CONCENTRACIONES

b

a

c

Muestra Fuerza de Ruptura (g) Elasticidad (mm)

Gel 0.5% 18.404 2.937

Gel 0.7% 53.884 7.522

Gel 1.0% 55.633 7.522

0.4 0.6 0.8 1 1.20

10

20

30

40

50

60

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Fuerza de Gel (g) Elasticidad (mm)

Concentración de Pectina (%)

Fuer

za d

e Ru

ptur

a (g

)

Elas

ticid

ad (m

m)

FTIR – Pectinas Pulpa

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 20000.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

Pulpa2Pulpa9Pulpa11Pulpa5Pulpa14Pulpa3Pulpa8Pulpa16

Longitud de Onda (cm-1)

Abso

rban

cia

FTIR – Pectinas Cáscara

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 20000.92

0.94

0.96

0.98

1

1.02

Cascara 1Cascara 15Cascara 13Cascara4Cascara6Cascara7Cascara10Cascara12

Longitud de Onda (cm-1)

Abso

rban

cia

• Espectros de Infrarojos con Transformadas de Fourier, FTIR →

SECCIÓN FRUTA CORRIDA GRADO

ESTERIFICACIÓN, % OBSERVACION

PULPA

5 73 Grupos carboxilos libres (1650cm-1) con mayor intensidad con respecto a la banda de grupos carboxilos esterificados

(1750cm-1). Grado de esterificación ≈ 70%. 16 71.5

2 94.6

Grupos carboxilos esterificados predominan. Alto grado de esterificación mediante titulaciones.

3 75.48 94.4

14 77.1

9 96.6 Se observan ambos picos de similar intensidad, pero el valor de su grado de esterificación fue alto.

11 95.8

La banda cercana a 1650 cm-1, es de menor intensidad con respecto a la presente en 1750cm-1, pero su valor de grado

de esterificación es alto, contradiciendo el valor encontrado durante la titulación. Esto pudo ser debido a sobrestimación

durante la titulación por acidez atribuida a otros grupos.

• En las pectinas estudiadas no se reportó la presencia de las bandas en 1540 – 1560 cm-1 (presencia de amida procedente de proteínas), y la banda 1590-1600cm-1 (anillos aromáticos - presencia de lignina). Esto indica la efectividad del proceso de extracción y pre-tratamiento.

SECCIÓN FRUTA CORRIDA GRADO

ESTERIFICACIÓN, % OBSERVACION

Cáscara

1 69.6

Hay predominancia de los grupos carboxilos esterificados (alrededor de 1750 cm-1) con respecto a la

banda de los grupos carboxilos libres (1650cm-1).

4 89.7

6 93.4

7 66.1

10 93.1

13 65.4

15 63.9 La banda intensa a 1610-1650 cm-1 (grupos carboxílicos libres), confirma su bajo grado de esterificación

Conclusiones• Rendimiento → – Temperatura, sección de fruta y tiempo son

directamente proporcionales al rendimiento de la extracción, resultando valores del 4.93 al 18.51% (g pectina/ g material seco) para la cáscara y 3.85 a 12.33% para la pulpa.

– Para el pH: a mayor valor, menor rendimiento.

– Mejores condiciones de extracción: 45min, 90°C, pH 1.5 y la pulpa del mango.

Conclusiones• Grado de esterificación medido por titulación → – Pectinas obtenidas con alto grado de esterificación

(Alto Indice de Metóxilo) – pH es directamente proporcional al grado de

esterificación– sección de la fruta con mayores valores fue la pulpa. – Valores promedio varían de 71.52% al 96.63% para la

pulpa, y 63.87% al 93.44% para la cáscara. Las pectinas obtenidas en esta investigación son mayores de 50%, lo cual las cataloga como pectinas de alto metóxilo.

• Espectroscopía FTIR →

– Presencia de ambas bandas, en 1650 cm-1 (grupos carboxilos libres), y 1750cm-1(grupos carboxilos esterificados ), lo cual explica su alto grado de esterificación.

– No se reportó la presencia de las bandas en 1540-1560cm-1 (presencia de amida procedente de proteínas), y la banda 1590-1600cm-1 (anillos aromáticos que indican presencia de lignina). Esto indica la efectividad del proceso de extracción y pre-tratamiento con respecto a la pureza de las muestras.

Conclusiones

• Capacidad de gelificación (Rigelómetro y consistométro) →

– El análisis gráfico de los datos de ambos equipos contra los factores no arrojó evidencia de relaciones significativas, excepto en el caso del consistométro con el pH. Esta relación fue probada con análisis de varianza y se comprobó (P<0.05) que las geles con pH de 3.0 resultaban en valores menores en el consistométro (0.33) que geles de pectinas extraídas a pH 1.5 (0.59).

– La interacción común a ambos equipos, Sección de Fruta_pH fue evaluada pero no se consiguió un modelo que pudiese establecer una relación entre ambos equipos. Los resultados sugirieron que el pH es más importante para explicar los datos del consistométro mientras que para los datos del Rigelómetro, la sección de fruta explica mejor la variabilidad.

– Análisis de correlación de Pearson: Ninguna de las relaciones es muy fuerte ni es posible identificar alguna variable que pueda atar los resultados del consistométro con los del Rigelómetro; aun usando transformaciones de los datos.

Conclusiones

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