Extracción y estabilización de betalaínas de tuna púrpura (opuntia ficus-indica) mediante tecnología de membranas y microencapsulación, como colorante alimentario

Las fuentes naturales de pigmentos rojos son escasas y comúnmente se utiliza la betanina que se obtiene de la betarraga (Beta vulgaris). La tuna púrpura (Opuntia ficus-indica) es una fuente de betalaínas, las cuales podrían utilizarse potencialmente como colorantes en la industria de alimentos. Tradicionalmente, las betalaínas se obtienen por extracción con solventes y son inestables frente a factores ambientales (luz, oxígeno, temperatura y agua) por lo cual pueden degradarse perdiendo su capacidad colorante y antioxidante. En este contexto, la utilización de la tecnología de membranas y la encapsulación se presentan como herramientas para la obtención y protección de estos pigmentos, respectivamente. De acuerdo a estos antecedentes, el objetivo de esta tesis fue estabilizar las betalaínas del extracto obtenido por tecnología de membranas y la pulpa de tuna, utilizando microencapsulación. Para la obtención del extracto de tuna púrpura se aplicó microfiltración (MF) y ultrafiltración (UF), evaluando membrana cerámica y polimérica. La MF permitió clarificar la pulpa de tuna obteniéndose mejores resultados con membrana tipo cerámica. El extracto UF correspondió a una solución clarificada (sin mucílago), con un contenido de betalaínas similar al de la pulpa, pero con un menor contenido de azúcares. Se encapsuló extracto UF y pulpa de tuna púrpura (P) mediante secado por atomización utilizando Capsul (C) y K4484 (K) como agentes encapsulantes de acuerdo a un diseño experimental Composito central más punto axial para cada sistema de micropartículas estudiado (P-C, P-K, UF-C y UF-K). La temperatura del aire de entrada al secador y la relación (P ó UF)/agente encapsulante tuvieron un efecto significativo sobre la eficiencia de encapsulación (EE), la recuperación (R) de betacianinas y betaxantinas y el rendimiento del proceso. La condición óptima de la temperatura de secado estuvo determinada por el tipo de agente encapsulante y la relación (P ó UF)/(C ò K) por el tipo de extracto y agente encapsulante. En los sistemas con pulpa (P-C, P-K) se incorporó menor cantidad de polímero, sugiriendo la participación del mucílago como agente encapsulante. Todos los sistemas de micropartículas obtenidos bajo condiciones óptimas mostraron EE de betacianinas y betaxantinas sobre 98% debido a una fuerte interacción betalaínas-polímero por interacciones electrostáticas y/o formación de puentes de hidrógeno. Las recuperaciones de betacianinas y betaxantinas alcanzaron valores entre 68,5 – 77,8 % y 79,2 - 100%, respectivamente y sobre 62% de rendimiento. Se estudió la cinética de degradación de betacianinas y betaxantinas desde micropartículas obtenidas bajo condiciones óptimas, durante el almacenamiento a 30, 45 y 60°C. La degradación de betalaínas siguió una cinética de pseudo-primer orden a todas las temperaturas y sistemas estudiados. Las constantes de velocidad de degradación de betacianinas y betaxantinas fueron significativamente mayores en el sistema P-C respecto a P-K, UF-C y UF-K. No se observaron diferencias significativas en la energía, entalpía (ΔH≠) y entropía (ΔS≠) de activación entre las micropartículas de los sistemas estudiadas. Se obtuvo una relación lineal en el gráfico (ΔH≠) versus (ΔS≠) (R2=0.995), este efecto de compensación señala que todos los sistemas de micropartículas siguieron un mismo mecanismo de degradación de betalaínas, siendo la hidrólisis el principal. Se formuló una mezcla seca para bebida refrescante con los sistemas de micropartículas obtenidas bajo condiciones óptimas y se evaluó su estabilidad durante el almacenamiento a 30°C. Las micropartículas obtenidas en este estudio podrían ser aplicadas como colorantes con actividad antioxidante en la industria de alimentos para el diseño de productos instantáneos como jugos, sopas entre otros, debido a su alta estabilidad y solubilidad en agua
 Natural sources of red pigments are scarce, and betanin obtained from beetroot (Beta vulgaris) is commonly used in the food industry. Purple cactus pear (Opuntia ficus-indica) is a source of betalains, which could be used as colorant for foods. Usually, the betalains are obtained by solvent extraction and are unstable to environmental factors (light, oxygen, temperature and water) losing its colorant and antioxidant capacity. In this context, membrane and encapsulation technologies appear as tools for obtaining and protecting, respectively, these pigments. Therefore, the aim of this thesis was to stabilize a cactus pear betalains extract obtained by membrane technology, and cactus pear pulp, using microencapsulation techniques. Microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF), was used to obtain the purple cactus pear extract, assessing ceramic and polymeric membrane. The MF allowed clarifying the cactus pear pulp, obtaining better results with the ceramic membrane. UF extract corresponded to a clarified solution (without mucilage) with similar betalains content than cactus pear pulp, but with lower sugar content. UF extract and purple cactus pear pulp were encapsulated by spray drying using Capsul (C) and K4484 (K) as encapsulating agents, according to an experimental design (Central Composite Design (CCD) plus axial point) for each microparticles system studied (P-C, P-K, UF-C and UF-K). The inlet air temperature and the (P or UF)/encapsulating agent ratio showed significant effect on the encapsulation efficiency (EE), the betaxanthins and betacyanins recovery (R) and yield. The optimum condition of the drying temperature was dependent on the encapsulating agent, and the (P or UF)/(C or K) ratio by the extract type and encapsulating agent. Systems with pulp (PC and PK) allowed greater amount of extract incorporation, suggesting the mucilage contribution as encapsulating agent. The betalains (betacyanins and betaxanthins) encapsulation efficiency (EE) reached values about 98% for all the systems studied, without significant differences among the microparticle systems, revealing a high interaction betalain-polymer due to electrostatic interactions and/or hydrogen bond. The recovery (R) of betacyanins and betaxanthins was between 68.5 to 77.8 % and 79.2 to 100%, respectively, and over 62% yield. The betaxanthins and betacyanins degradation kinetics of microparticles obtained under optimum conditions during storage at 30, 45 and 60 °C was studied. Betalains followed pseudo-first order degradation kinetics in all temperatures and systems studied. The degradation rate constants of betaxanthinss and betacyanins were significantly higher in P-C system compared with P-K, UF-C and UF-K. No significant difference in the activation energy, enthalpy (ΔH≠) and entropy (ΔS≠) between the microparticles systems studied was observed. A linear relationship was obtained in the graph gráfico (ΔH≠) versus (ΔS≠) (R2=0.995), this compensation effect showed that there is a similar betalains degradation mechanism in all microparticles systems, being hydrolysis the main pathway. A dry mix for soft drinks was formulated with microparticles obtained under optimum conditions of each system studied, and the storage stability was evaluated at 30 °C. The microparticles obtained in this study could be applied as a colorant with antioxidant activity in the food industry for the formulation of instant products such as juices or soups, among others, due to its high stability and solubility in water