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Nota Técnica

Modificación enzimática de la fibra dietaria del pergamino de café (Coffea arabica L.)

Enzymatic modification of dietary fiber on coffee hulls (Coffea arabica L.)

María Paulina Torres Castro*, Galo Mauricio Vargas Aguilar

Universidad Técnica Particular de Loja, Centro de Transferencia de Tecnología e Investigación Agroindustrial (CETTIA).

San Cayetano Alto, Calle Marcelino Champagnat, s/n, Loja, Ecuador.

*Autora para correspondencia: mptorres@utpl.edu.ec

Aceptado 17-Enero-2011

Resumen

En el presente trabajo se buscó modificar el balance Fibra Dietaria Insoluble/Fibra Dietaria Soluble (32,7:1) del pergamino de café mediante tratamiento enzimático. Se trabajó con tres enzimas: Cellulase, Hemicellulase y complejo enzimático Viscozyme® L con volúmenes: 200, 400, 600, 800 y 1000 µL. El protocolo analítico para el tratamiento enzimático, fue una modificación de la metodología empleada por Mälkki y Myllymäki (1998). En las muestras tratadas enzimáticamente se determinó el contenido de fibra dietaria soluble e insoluble según el método enzimático–gravimétrico basado en la normativa AOAC 991,43 y AACC 32-07. Mediante el análisis estadístico se estableció el tratamiento óptimo en 800 µL del complejo de enzimas Viscozyme® L con un costo de ensayo de 1,59 US$/g de fibra y 94,40 % de rendimiento, obteniéndose un balance Fibra Dietaria Insoluble/Fibra Dietaria Soluble de 2,39:1.

Palabras claves: pergamino de café, modificación enzimática, FDI/FDS.

Abstract

In this work was found how to modify the Insoluble Dietary Fiber/Soluble Dietary Fiber balance (32.7:1) in coffee hulls through enzymatic treatment. Three enzymes were used: Cellulase, Hemicellulase and enzymatic complex Viscozyme® L using the following volumes: 200, 400, 600, 800 and 1000 µL. The analytical protocol for the enzymatic treatment was a modification of the techniques used by Mälkki and Myllymäki (1998). In the enzymatic treated samples the amount of insoluble and soluble dietary fiber was determined according to the enzymatic-gravimetric methods based in AOAC 991.43 and AACC 32-07 techniques. Through statistical analysis the optimus treatment was established in 800 µL from the enzymatic complex Viscozyme® L with a cost of treatment of 1.59 US$/g of fiber and 94.40 % of yield, obtaining a Insoluble Dietary Fiber/Soluble Dietary Fiber balance in the order of 2.39:1.

Key words: coffee hulls, enzymatic modification, IDF/SDF.

INTRODUCCIÓN

La fibra dietaria desde el punto de vista biológico se clasifica en soluble e insoluble; en función de su dispersión en el agua. Cada fracción presenta diferentes propiedades físicoquímicas que dependen de su estructura química (Grigelmo-Miguel et al., 1999; Redondo-Márquez, 2002; Guzmán, 2006).

Los recursos más usados como fuente de fibra dietaria en tecnología de alimentos son los cereales (Perez-Hidalgo et al., 1997; Grigelmo-Miguel et al., 1999; Gartzia et al., 2008). Las fibras procedentes de legumbres y de frutas aunque menos estudiadas son consideradas en general como de mejor calidad nutricional y tecnológica. Actualmente existe la tendencia en estudiar materias primas no utilizadas en la alimentación tipo residuos y/o subproductos agroalimentarios como nuevas fuentes para la obtención de fibra dietaria (Perez-Hidalgo et al., 1997; Sáenz et al., 2007; Gartzia et al., 2008).

El beneficiado de las cerezas del café (Coffea arabica L.) da origen a dos subproductos recuperables, la pulpa y el pergamino (Bressani et al., 1971). El pergamino de café o cascarilla es la parte anatómica que envuelve el grano, y constituye alrededor del 12 % del peso del grano en base seca (Rodríguez-Valencia, 1999) y entre el 20 y 25 % del peso del grano seco despulpado (Bressani et al., 1971). Posee un balance Fibra Dietaria Insoluble/Fibra Dietaria Soluble (FDI/FDS) de ≈ 32:1, constituyendo una buena fuente de fibra dietaria insoluble (Abarca et al., 2010). El balance entre las fracciones de un recurso de fibra es muy importante ya que de este dependen los efectos nutricionales y funcionales en el organismo (Figuerola et al., 2005; Guzmán, 2006). Por lo tanto, no solo se debe considerar la cantidad sino también el tipo de fibra que se consume (Femenia et al., 1997; Guzmán, 2006). En términos de beneficios para la salud, la ingesta diaria debería proveer una relación de FDI/FDS igual a 3:1 (Redondo-Márquez, 2002; Guzmán, 2006). El balance entre las fracciones de fibra de un recurso puede calificarse como bueno cuando es de 2,3:1 o excelente cuando éste es 1:1 (Grigelmo-Miguelet al., 1999; Sánchez-Guzmán, 2005).

La aplicación de enzimas en condiciones específicas de tiempo, temperatura y pH, en función de la naturaleza de la fibra y enzima, produce la degradación y remoción de compuestos digeribles como: proteínas, almidones y azúcares simples, cambiando así el contenido, composición (Dreher, 2001) y propiedades funcionales de la fibra dietaria (Meyer et al., 2009). También se producen cambios en el contenido de grasa (liberación de ésteres de los enlaces solubilizados), extracto libre de nitrógeno y fibra cruda (depósito de azúcares simples) (Johnson y Southgate, 1994; Mälkki y Myllymäki, 1998; Guzmán, 2006). Aplicando éste principio, Oh y Grundleger (1990), consiguieron incrementar el contenido de la fracción soluble de la fibra de trigo de 15,8 a 30,1 %.

El objetivo de este trabajó fue producir la degradación parcial de los componentes celulosa y hemicelulosa de la fibra dietaria insoluble en el pergamino de café, modificando así su balance FDI/FDS.

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia Prima

Como materia prima se usó el pergamino resultante del beneficio húmedo del café procedente de la región de Zumba, Provincia de Zamora Chinchipe, Ecuador; situada a 1500 msnm.

Muestreo

El muestreo se realizó en el centro de acopio de la Federación Regional de Asociaciones de Pequeños Cafetaleros Ecológicos del Sur (FAPECAFES), en Loja, Ecuador; siguiendo la Norma Técnica Obligatoria Nicaragüense NTON 17002-02 (CTPPN, 2003) tomándose tres muestras de 5 kg cada una, provenientes de un lote de producción superior a 500 kg.

Enzimas utilizadas

Se utilizaron tres enzimas: Cellulase (actividad ≥ 3 U/mg), Hemicellulase (actividad 0,3-3,0 U/mg), ambas derivadas de Aspergillus niger y comercializadas por Sigma-Aldrich (Estados Unidos); y Viscozyme® L, un complejo multienzimático que contiene carbohidrasas que incluyen arabinasa, celulasa, β-glucanasa, hemicelulasa y xilanasa; de actividad β-glucanasa expresada como 100 FBG/g (Fungal Beta Glucanase), de la casa comercial Novozymes A/S, Dinamarca (1 FBG es la cantidad de enzimas las cuales bajo condiciones estándar liberan glucosa con un poder de reducción correspondiente a 1 μmol de glucosa por minuto).

Se determinó la actividad enzimática de cada enzima frente al sustrato estándar carboximetilcelulosa (CMC), mediante la estimación de azúcares reductores por el método del ácido dinitrosalicílico (DNS) (Ghose, 1987). La actividad enzimática de las enzimas comerciales expresada en unidades internacionales de actividad enzimática (U) por mililitro de solución fue de 1503, 621 y 943 U/mL para Celulasa, Hemicelulasa y Viscozyme® L, respectivamente.

Métodos analíticos

A una muestra representativa tomada luego de mezclar todas las muestras de residuos deshidratados provenientes del lote de producción, se les determinó mediante normativa AOAC (1990; 2005), los contenidos de humedad (AOAC 934.06), proteína (AOAC 920.152), grasa (AOAC 954.02) y cenizas (AOAC 942.05).

Fibra dietaria total, soluble e insoluble

Los contenidos de fibra dietaria total (FDT), soluble e insoluble se determinaron mediante normativa de la AOAC (1995) – AACC (1995) en sus métodos 991.43 y 32-07, respectivamente.

La fibra fue medida por triplicado en muestras previamente deshidratadas y con contenido de grasa menor a 10 %. Para fibra dietaria total, las muestras se sometieron a digestión (98 ºC) con α-amilasa en baño maría marca Memmert (modelo WB22), para producir la gelatinización, hidrólisis y despolimerización del almidón. En el baño maría antes mencionado, también se incubaron las muestras con proteasa y amiloglucosidasa a 60 ºC para producir la solubilización y despolimerización de las proteínas y para hidrolizar los fragmentos de almidón a glucosa. Posteriormente, las muestras fueron tratadas con 4 volúmenes de etanol para facilitar la precipitación de la fibra dietaria soluble y la remoción de la proteína y glucosa despolimerizada proveniente del almidón. Usando un embudo de porcelana y una bomba de vacío marca GAST (modelo DOA-P104-AA), el residuo fue filtrado (papel filtro) y lavado con etanol (78 y 95 %) y acetona. La muestra se secó en estufa (marca Memmert, modelo SNB400) a 103 ºC y luego se pesó en balanza analítica (marca Ohaus, modelo AP2500).

Para la determinación de la FDI, luego de la acción enzimática (α-amilasa, proteasa y amiloglucosidasa), se filtró la solución; el residuo fue lavado con 2 alícuotas de 10 mL de agua caliente, etanol (95 %) y acetona. El residuo se secó en estufa (103 ºC) durante toda la noche y se enfrío.

En el procedimiento para la determinación de FDS, la solución que contiene una mezcla de las enzimas empleadas para los procesos anteriormente descritos, fue filtrada; al líquido resultante de la filtración se le agregó etanol al 95 % a temperatura de 60 ºC, para ayudar a la precipitación de la fibra dietaria soluble, esta solución se filtró y lavó con etanol (78 y 95 %) y acetona. Finalmente el residuo se secó, enfrió y pesó.

En los tres procedimientos anteriores un triplicado se analizó para proteína y el otro fue incinerado a 525 ºC en una mufla marca Thermolyne (modelo F48015) para la determinación de cenizas. El valor numérico de la fibra dietaria (total, soluble e insoluble), correspondió al resultado de la diferencia entre el peso del residuo filtrado seco y los porcentajes de la proteína y cenizas determinados independientemente aplicando las técnicas habituales.

El cálculo para determinar el contenido de fibra dietaria total, soluble e insoluble se realizó aplicando la siguiente fórmula:

Tratamiento Enzimático

Se siguió una modificación del protocolo de Mälkki y Myllymäki (1998) (Fig. 1). Los tratamientos enzimáticos consistieron en aplicar al pergamino de café seco (< 10 % de humedad) y molido (200–500 µm) un volumen de enzima, de manera independiente, sin mezcla enzimática, bajo condiciones establecidas de pH, temperatura (T) y tiempo (t) de acuerdo a las recomendaciones técnicas para cada enzima, las cuales respectivamente fueron las siguientes: Cellulase (4,5; 37 ºC; 2h), Hemicellulase (4,5; 40 ºC; 2h) y Viscozyme® L (5,0; 45 ºC; 4h) (Sigma-Aldrich, 2007; Foulk et al., 2008). Se utilizaron reactivos de grado alimenticio.

Análisis estadísticos

Se utilizó un diseño factorial 3x5x3. Como variable respuesta se evaluó el balance FDI/FDS que se obtuvo de cada tratamiento. Los factores de estudio fueron: tipo de enzima (Cellulase, Hemicellulase y Viscozyme® L) y volumen de enzima (200, 400, 600, 800 y 1000 µL) (Dreher, 2001; Mejía-Giraldo et al., 2007), con tres repeticiones cada ensayo. El análisis de resultados se llevó a cabo usando el paquete estadístico Minitab® Statistical Software, versión 15 (Minitab Inc., State College, PA, USA).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Composición química del pergamino de café

En el Cuadro 1 se presenta la composición química del pergamino de café. El contenido de humedad fue mayor al valor publicado por Bressani et al. (1972) de 7,60 % y menor a los de Souza et al. (2005) de 13,9 % y Faria et al. (2010) de 18,8 %. El valor de proteína obtenido fue ligeramente inferior a los contenidos en base seca indicados por Souza al. (2005) y Faria et al. (2010) de 8,40 y 8,16 %, respectivamente. En relación al porcentaje de grasa, este fue claramente inferior a los valores de 0,6; 0,97 y 1,0 % señalados por Bressani et al. (1972), Faria et al. (2010) y Souza et al. (2005), respectivamente. Solo el contenido de cenizas fue superior a los valores presentados por Bressani et al. (1972) de 0,5 % y Faria et al. (2010) de 5,78 %.

En relación al contenido de FDT este fue de 24,95 % y presentó una relación FDI/FDS de 32,7:1. El pergamino de café tiene alto contenido de hexosas, pentosas y lignina (Murillo et al., 1977).

Los datos obtenidos indican que el pergamino de café es fuente potencial de proteína y carbohidratos y por ser un subproducto recuperable del beneficiado del café, reviste interés un mayor aprovechamiento.

Balance FDI/FDS

Las tres enzimas (Cellulase, Hemicellulase y complejo enzimático Viscozyme® L) lograron modificar el balance FDI/FDS del pergamino de café (Fig. 2).

El mejor resultado se obtuvo con un volumen de enzima de 800 µL del complejo Viscozyme® L, lográndose una disminución del balance de 32,7:1 a 2,39:1 (Cuadro 2) con un rendimiento de recuperación de 94,40 % (Cuadro 3). Oh y Grundleger (1990) en fibra de trigo publicaron disminución del balance FDI/FDS de 5:1 a 2:1. La actividad específica de las diferentes enzimas fibrolíticas sobre los componentes de la fracción insoluble de la fibra dietaria (celulosa y algunas hemicelulosas) del pergamino de café, fue la razón de la diferencia entre los tratamientos.

El desempeño del complejo multienzimático Viscozyme® L (Fig. 2), en comparación con las otras dos preparaciones comerciales utilizadas en el estudio (Cellulase y Hemicellulase), resultó ser más efectivo por tratarse de una mezcla con mayor diversidad de enzimas (arabinasa, celulasa, β-glucanasa, hemicelulasa y xilanasa) que hace que la ruptura de enlaces durante la hidrólisis sea mayor (β-1-4-D-glucosídicos, cadenas laterales de arabinosa α-1-5 y 1-4 β-D-xilanos, entre otros), degradando así mas componentes (Dunhill, 1978; Kornberg, 1992). Es conocido que Viscozyme® causa la ruptura de las paredes celulares favoreciendo la extracción de compuestos útiles de los tejidos vegetales, aumentando su digestibilidad y absorción (Dueñas et al., 2007); asimismo ha sido observado que incrementa el contenido de fibra soluble, mejorando la relación fibra insoluble/fibra soluble (Antezana et al., 2003).

Los tratamientos con el complejo enzimático Viscozyme® L a volúmenes de 800 y 1000 µL no presentaron diferencia, entre ellos (2,39:1 y 2,39:1, respectivamente) (Cuadro 2) y fueron valores similares al criterio de 2,3:1 que se emplea para calificar un recurso de fibra como bueno para ser usado como ingrediente en alimentos procesados (Grigelmo-Miguel et al., 1999; Guzmán, 2006) y en términos de beneficios para la salud, valores cercanos a la relación FDI/FDS de 3:1 requerida como ingesta diaria.

Al no existir gran diferencia entre los tratamientos con 800 y 1000 µL del complejo enzimático Viscozyme® L, se consideró como tratamiento óptimo el de 800 µL, con el cual se obtuvo un balance FDI/FDS de 2,39:1; 94,40 % de rendimiento y mediante el análisis de costos (Cuadro 3) un monto a nivel de laboratorio de US$ 1,59 por gramo de fibra modificada.

CONCLUSIONES

• El pergamino de café presentó contenidos de humedad 9,53 %; proteína 7,82 %; grasa 0,10 %; cenizas 22,70 %; FDT 24,95 %; FDI 24,21 % y FDS 0,74 %.

• Las tres enzimas usadas en el presente estudio modificaron el balance FDI/FDS del pergamino de café y el tratamiento óptimo fue el realizado con 800 µL del complejo enzimático Viscozyme® L con el cual se obtuvo un balance de 2,39:1; 94, 40 % de rendimiento y un costo de análisis por gramos de fibra modificada de US$ 1,59.

RECOMENDACIONES

Para comprobar el beneficio del balance FDI/FDS obtenido en el pergamino de café, se recomienda realizar estudios posteriores como: fermentación in vitro, fraccionamiento de la parte insoluble de la fibra dietaria y determinar algunas propiedades funcionales de fibra dietaria, entre otros.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Federación Regional de Asociaciones de Pequeños Cafetaleros Ecológicos del Sur (FAPECAFES) por su apoyo para la obtención de las muestras del presente trabajo.

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