Extracción y caracterización de pectina de mango de azúcar (Mangifera indica L.)
Extraction and characterization of pectin from sugar mango (Mangifera indica L.)
Genisberto E. Barreto1, Amparo L. Púa2*, Dilan D. De Alba3 y María M. Pión3
Recibido para publicación: Enero 18 de 2017 - Aceptado para publicación: Abril 18 de 2017
RESUMEN
La pectina es un producto tecnológicamente funcional por sus propiedades reológicas. En Colombia en el año 2010 se importaron aproximadamente 195 toneladas de pectina y su demanda sigue en aumento. El objetivo del estudio fue extraer y caracterizar la pectina obtenida de la cáscara de mango de azúcar maduro. El aislamiento del material se realizó mediante hidrolisis ácida, con ácido clorhídrico 0,5 N y alcohol etílico al 96% para su precipitación y purificación. Para la extracción se utilizó un arreglo factorial 32, evaluando los factores pH y temperatura, con los niveles 1, 2, 3 y 80, 90, 100 ºC respectivamente, estableciendo como variable fija un tiempo de 60 minutos. Se dispuso de 27 unidades experimentales equivalentes a 550 g de cáscara de mango de azúcar maduro seca y molida. Se evaluaron los resultados y se determinaron las variables óptimas: pH 1 y temperatura 100 ºC, reportando un rendimiento de 15,257 ± 0,04%. La pectina obtenida presentó las siguientes características: humedad 4,510 ± 0,80%, cenizas 1,351 ± 0,07%, alcalinidad de las cenizas 1,711 ± 1,13%, acidez libre 0,859 ± 0,01 mEq de carboxilo libre/g, peso equivalente 2326,420 ± 54,11 mg/ mEq, contenido de metoxilo 11,801 ± 0,03%, grado de esterificación 81,688 ± 024%, contenido de ácido anhidrogalacturónico 82,380 ± 0,17%, el análisis de espectrofotometría infrarrojo, mostró los picos de grupos funcionales, característicos de la pectina obtenida y su similitud frente a una pectina estándar. El material estudiado es fuente potencial de pectina de calidad.
Palabras clave: Ácido anhidrogalacturónico, espectro infrarrojo, esterificación, hidrólisis ácida, metoxilo.
1 Especialista en Química de Alimentos, Docente de Tiempo Completo de La Universidad del Atlántico.
2* M.Sc. Docente de Tiempo Completo de La Universidad del Atlántico.
3 Estudiantes de Ingeniería Agroindustrial, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia. *Km 7 Antigua carretera a Puerto Colombia, celular: 3145023185, genisbertobarreto@mail.uniatlantico.edu.co
ABSTRACT
Pectin is a functional technology product by her rheological characteristics. In 2010 in Colombia, there were imported approximately 195 tons and its demand is increasing. The main goal of this research was to extract and characterize the pectin from ripe sugar mango peel. The isolation of pectin material was accomplished by acid hydrolysis, with hydrochloric acid to 0.5 N and ethyl alcohol to 96 % for precipitation and purification. For the extraction of pectin factorial arrangement 32 was used where the two factors evaluated were: pH and temperature, which took the levels 1, 2, 3 and 80, 90, 100 respectively, in a constant time of 60 minutes. There were 27 experimental units equivalent to 550 g of ripe, dry and ground sugar mango peel. The results were evaluated and it was stated that ideal variables (pH 1 and temperature 100 ºC) allow to extract major quantity of pectin, bringing a performance of 15.257±0.04%. The obtained pectin presented the following characteristics: humidity content (4.510 ± 0.80%), ashes content (1.351± 0.07%), alkalinity of the ashes (1.711±1.13%), free acidity (0.859±0.01 mEq free / g carboxyl), equivalent weight (2326.420±54.11 mg / mEq), methoxyl (11,801 ±0.03%), degree of esterification (81.688±024%), anhydrous acid content (82.380±0.17%) and the analysis by infrared spectrophotometry, showed the peaks of functional groups, typical of the obtained pectin and its similarity opposite to a standard pectin. The material studied is a potential source of quality pectin.
Key words: Acid hydrolysis, anhydrous galacturonic acid, degree of esterification, infrared spectrophotometry, methoxy.
INTRODUCCIÓN
Las pectinas son polisacáridos que se componen principalmente de unidades de ácido galacturónico unidos por enlaces glucosídicos αΎ³ 1-4, son sustancias blandas amorfas que forman en agua una solución viscosa; combinadas en proporciones adecuadas con azúcar y ácido, forman una sustancia gelatinosa utilizada como espesante, Fennema (1993). La pectina es utilizada por la industria alimentaria como gelificante, espesante, estabilizante y emulsificante; igualmente por la industria farmacéutica y el área de biotecnología para la formulación de fármacos y cosméticos, Sriamornsak, (2003); Mamani et al. (2012).
El elevado consumo de fibra dietaria como la pectina, produce efectos favorables en la salud humana por sus propiedades anticancerígenas, hipoglicemiantes e hipocolesterolémicas, Martínez et al. (2011), también disminuye el riesgo de sufrir hipertensión, obesidad y ciertos desórdenes gastrointestinales, Falcon et al. (2011).
Teniendo en cuenta la necesidad de la industria colombiana y que la totalidad de la pectina es importada como materias pécticas, pectinatos y pectatos, según las necesidades de los productos, García y Penagos (2011) se requiere encontrar fuentes potenciales de este material, que puede generarse a partir del aprovechamiento de frutas tropicales. En Colombia y específicamente en la región Caribe existe variedad de frutas, dentro de ellas el mango de azúcar; el mango colombiano tiene una gran demanda en el país y su consumo abarca más del 95 % de la producción nacional, Asohofrucol, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Corpoica (2009).
El mango es rico en agua, azúcares, fibra, minerales, vitaminas especialmente vitaminas C y A, ácidos orgánicos como el málico, palmítico, p-cumárico y mirístico, Dussan et al. (2014). El aprovechamiento industrial del mango se ha basado comúnmente en la obtención de la pulpa, su parte comestible representa de un 33% a un 85% aproximadamente de la fruta fresca, mientras que la cáscara y la semilla de un 7% a 24% y de 9% a 40% respectivamente, Campos y Guerrero (2014); aparte de la obtención de pulpa también se obtienen productos secundarios que suman del 35% al 60% del peso total de la fruta, Berardini et al. (2005). En general son muchos los usos del mango, y se le atribuyen también propiedades laxantes, diuréticas y vigorizantes, al jugo de mango verde asado en cenizas calientes se le atribuyen propiedades refrigerantes, se asegura que contribuye al tratamiento del cólera y la peste; la quema de las hojas verdes ayuda a las inflamaciones de la garganta, Medina (1981); la corteza tiene mangíferina, sustancia astringente, usada para combatir el reumatismo y la difteria, en países como La India; los extractos a base de frutos inmaduros, corteza, tallos y hojas presentan actividad antibiótica; la cocción de las hojas se ha usado para tratar la diarrea, la fiebre, el dolor de pecho, la diabetes, la hipertensión, Morton (1987).
El procesamiento del mango de azúcar (pulpa, néctar, jugo) genera alteraciones ambientales negativas por la gran cantidad de materiales sólidos que se eliminan; actualmente estos desechos son reutilizados para obtención de compostaje, alimento para ganado o generación de energía, Koubala et al. (2008); otra alternativa de aprovechamiento de los residuos sería la obtención de pectinas, lo que conduce a los siguientes beneficios para el mercado nacional: desarrollar una actividad económica que ayudaría a reemplazar un producto importado, contribuyendo al desarrollo económico y tecnológico del país; proporcionarle valor agregado a los cultivos, generando en los agricultores valoración de los recursos propios; ampliar conocimientos relacionados con el mango de azúcar; aprovechar los cultivos frutales con fines tecnológicos, ofreciendo una alternativa diferente al consumo en fresco y a la medicina popular, Montaña (2016). El objetivo del presente estudio fue extraer y caracterizar la pectina de la cáscara del mango de azúcar maduro.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se seleccionó una muestra aleatoria de mango de azúcar maduro proveniente de Sitio Nuevo, Magdalena (Colombia), con las características mínimas exigidas por la Norma Técnica Colombiana 5139, ICONTEC (2002); se determinó la concentración de sólidos soluble, acidez titulable e índice de madurez.
La concentración de sólidos solubles se determinó por el método refractométrico, empleando refractómetro marca Abbe, el resultado se expresó en grados Brix, Gamboa (2009). La acidez titulable se obtuvo a partir del método volumétrico, Gamboa (2009), el resultado se expresó como porcentaje de ácido málico. El índice de madurez se obtuvo de la relación entre los grados Brix obtenidos y la acidez titulable, García et al. (2010).
La fruta fue despulpada, las cáscaras se sometieron a lavados sucesivos con agua potable y destilada, para eliminar impurezas o suciedad presente en la superficie. A este material se le extrajo la mayor cantidad de agua mediante una tela de lona y se trituró en una picadora marca Imusa, para aumentar el área de contacto y así facilitar el proceso de extracción de la pectina.
Para la inactivación enzimática se utilizó aproximadamente 1 kg de materia prima, se sometió a tratamiento térmico con agua a 95-98 °C durante 15 min, la mezcla se dejó decantar y se descartó el agua residual. Para la hidrolisis ácida se establecieron los parámetros óptimos de pH y temperatura mediante un arreglo factorial 32, la pectina obtenida se secó en una estufa de desecación marca Memmert a 50 °C hasta que alcanzo un peso constante, luego la pectina fue molida, para su posterior caracterización.
A las pectinas se le realizaron las siguientes determinaciones por triplicado: humedad, mediante una balanza halógeno marca OHAUS MB35 halogen, Muñoz (2011); cenizas por el método de ignición utilizando la mufla Terrígeno, Arellano y Hernández (2013); alcalinidad de las cenizas, se calculó en termino de carbonato, León y Riveros (2014); para el peso equivalente, acidez libre y grupos metoxilo, se empleó el método descrito por Ferreira (2007); el porcentaje de esterificación por Baltazar et al. (2013); para la determinación de ácido anhidro galaracturónico, se relacionó la masa de la muestra el contenido de acidez libre, la alcalinidad de las cenizas y el contenido de metoxilo, Ferreira (2007); hierro y calcio por Suzanne (2010). Para la cuantificación del hierro y calcio, se llevó una muestra de la solución preparada anteriormente a un espectrofotómetro de absorción atómica marca Spectroquant Nova 600.
Para la determinación de la viscosidad se elaboró una mermelada, cuyas materias primas utilizadas fueron: pulpa de fresa, azúcar de caña, ácido cítrico y pectina de cáscara de mango, el proceso de elaboración finalizó hasta que la mezcla alcanzó los 65 °Brix, medidos con un refractómetro marca Abbe, seguidamente se envasó, enfrió y almacenó, Flórez (2013); luego la muestra de mermelada climatizada se llevó al viscosímetro de Brookfield digital empleando una velocidad de agitaciones de 100 rpm, temperatura de la muestra de 25 °C y tiempo de agitación de un minuto, Suzanne (2010), se realizó la lectura directa en el equipo, en unidades de Centipoise (cps).
Los espectros infrarrojos de las pectinas extraídas, se obtuvieron con el equipo Perkin-Elmer 1600 series FTIR Modelo 1605, Stuart (2005); los resultados del rendimiento obtenidos, se sometieron a un análisis estadístico mediante el programa IBM SPSS Statistics 20, con el objetivo de determinar si las variables eran estadísticamente significativas con un 95% de confianza.
Los resultados de la caracterización fueron promediados y luego se sometieron a una comparación para determinar las diferencias o similitudes frente a la media de tres pectinas estándar.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados promediados del porcentaje de acidez del fruto fueron 0,1389, concentración de sólidos solubles 18 °Brix y el índice de madurez 129,502, lo que infiere que el estado de madurez, produjo disminución de la acidez titulable y aumento de la concentración de sólidos solubles, característico de las frutas climatéricas, Montaña (2016). La tabla 1 corresponde al rendimiento de la pectina obtenido en diferentes condiciones experimentales y en esta se deduce que los pH
bajos y las temperaturas altas, proporcionan mayor rendimiento al proceso de extracción, estos resultados coinciden con los de Addosio et al. (2005), donde también se empleó como agente secuestrante el HCl, lo que se puede relacionar con el estado de madurez del fruto, ya que en estado maduro, la pectina es degradada de forma natural y presenta una proporción pequeña de grupos carboxilos esterificados.
La tabla 2 expresa que el pH y la temperatura son estadísticamente significativos, con un valor p que es menor a 0,05, con un 95% de confiabilidad; es decir, que ambos afectan el rendimiento; por otro lado, el valor r reporta que el pH fue inversamente proporcional al rendimiento, lo cual coincide con los resultados de Zegada (2015).
La tabla 3 compara las características de calidad de la pectina extraída de la cáscara de mango de azúcar maduro frente a una pectina estándar, la humedad de la pectina muestra que la pectina extraída presentó un contenido de humedad por debajo de 10%, el cual es el máximo aceptable por la USP (United States Pharmacopeia 2014) y con respecto a la pectina estándar y a los valores reportados por Orozco y Suárez (2014), se encuentra por debajo; es recomendable un contenido de humedad inferior al 10%, ya que pectinas muy húmedas son difíciles de pulverizar, se adhieren a las superficies, tienen menor estabilidad y tiempo de vida útil, Baltazar et al, (2013). El contenido de cenizas está por debajo de la pectina estándar y del estudio reportado por Cerón y Cardona (2011), lo que se debe probablemente a la composición del suelo
en la que fue cultivado el vegetal, al uso de fertilizantes o a otros factores ambientales que influyen en el contenido de material inorgánico de los vegetales, López et al. (2007).
La alcalinidad de las cenizas obtuvo un valor por debajo de la pectina estándar, pero se relaciona con los resultados obtenidos por Ferreira et al. (1995). La acidez libre se encontró levemente por encima de la pectina estándar, seguramente debido a que la acidez libre aumenta a medida que los pH son bajos, ya que se desesterifican los grupos carboxilos y su naturaleza se modifica disminuyendo su estado como forma de sales o esteres y aumentando su presencia como grupos ácidos, Cabarcas et al. (2012). El peso equivalente está por encima de la pectina estándar, esto debido a que posiblemente se presentaron gran cantidad de reacciones hidrolíticas del poligacturonano (Arellano y Hernández 2013). El contenido de metoxilo obtenido está por encima de la pectina estándar, y cumple a su vez con lo exigido por USP (United States Pharmacopeia 2014), a partir de este valor la pectina se clasificó de alto metoxilo, esto coincide con el estudio realizado por Chacín et al. (2010).
El porcentaje de esterificación es mayor con respecto a la pectina estándar y se clasifica como de alto grado de esterificación, lo que la influye directamente sobre la capacidad de formar geles (Mamani 2012). El ácido anhidro galacturónico se encontró por encima de la pectina estándar y cumple con lo exigido por la Farmacopea de los Estados Unidos (70%), USP (2014), por otro lado se ha establecido que el contenido mínimo de ácido galacturónico para que una pectina sea relevante para la industria alimentaria es del 65%, USP (2010). El contenido de hierro y de calcio encontrado representa una cantidad superior a la pectina estándar, a su vez se relaciona con los resultados obtenidos por Ferreira et al. 1995, donde prevalece el contenido de calcio, seguido del magnesio y en menor cantidad el hierro.
La mermelada obtenida utilizando la pectina de cáscara de mango de azúcar, tuvo una viscosidad de 9,33 centipoise (cps), un pH de 2.9 y 65 °Brix, valores que cumplen con lo exigido por la NTC 285 de 2007, ICONTEC (2007), se asemejan a lo reportado por Arellano y Hernández (2013) y con Chaparro et al. (2015), lo que indica que la pectina extraída es adecuada para su utilización en productos que requieren alta gelificación.
Al comparar el espectro de la pectina obtenida de la cáscara del mango de azúcar maduro, con respecto al espectro estándar, se evidencian los grupos funcionales característicos de su estructura, los cuales varían levemente con respecto a la pectina estándar.
Se observó que en la banda entre los 3200 y 3600 cm-1 se encuentran los grupos hidroxilo (–OH) demostrando que la pectina es un polisacárido, entre las bandas 2900 y 3000 cm-1 se encuentran vibraciones del grupo alquilo (CH), por otra parte en la banda entre 2000 y 2200 cm se evidencian unos picos no característicos, indicando que la pectina tenia impurezas, con respecto a la banda entre 1600 y 1800 cm se encuentran los grupos carbonilos (C=O) del éster y del ácido, indicando que la pectina es de alto metoxilo, y por último al grupo C-O se encuentran en la banda entre los 1000 y 1100 cm.
CONCLUSIONES
Las condiciones óptimas de extracción de la pectina fueron: pH 1, temperatura 100 ºC, tiempo 60 minutos y se obtuvo un rendimiento promedio del 15,257 ± 0,045% a partir de la cáscara seca.
La composición química de la pectina estudiada determinó valores de peso equivalente de 2326,420 ± 54,117 g mEq-1, acidez libre de 0,859 ± 0,018 g/mEq, metoxilo de 11,801 ± 0,036%, esterificación de 81,688 ± 0,248% y contenido de ácido anhidrogalacturónico de 82,380 ± 0,174%, lo cual la define como una pectina de alto metoxilo, grado de esterificación y de pureza.
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