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El consumidor está cada vez más interesado en su estado de salud y bienestar, por lo que ha incrementado la demanda de alimentos funcionales. La impregnación de compuestos bioactivos en productos hortofrutícolas es una tecnología reciente que abre una puerta de oportunidad a un mercado más exigente, por lo cual una revisión bibliográfica de las últimas investigaciones provee un panorama para futuros trabajos en el tema. La impregnación de compuestos bioactivos en la fracción porosa de frutas y hortalizas se logra mediante deshidratación osmótica (DO). En este sentido, conocer los factores de la DO que determinan la impregnación de compuestos bioactivos en tejidos vegetales, su estabilidad fisicoquímica durante almacenamiento y las últimas tendencias en productos hortofrutícolas osmodeshidratados que podrían ser considerados alimentos funcionales es muy importante. Por lo que en esta revisión se consideró información científica de diferentes bases de datos y fue organizada en tres secciones que se discuten: fundamentos de la DO, productos hortofrutícolas enriquecidos con compuestos bioactivos y la estabilidad fisicoquímica de estos productos durante almacenamiento.
alimentos deshidratados, alimentos funcionales, estabilidad de alimentos, impregnación.
Las frutas y hortalizas constituyen una parte esencial de la dieta humana ya que son una fuente de compuestos bioactivos como vitaminas, minerales, fitoesteroles, fibra dietaría, entre otros. Generalmente, las frutas y hortalizas se comercializan en fresco, sin embargo, su vida de anaquel es limitada debido a su alta actividad metabólica, susceptibles al daño mecánico y ataque de microorganismos, que aceleran su senescencia y muerte (Al-Tayyar et al., 2020).
Las pérdidas postcosecha de frutas y hortalizas representan entre el 40 y 50% del total de las pérdidas de alimentos (Ferreira dos Santos et al., 2020). En este sentido la deshidratación es una de las técnicas de conservación más comunes, ya que reduce la actividad de agua (aw) por debajo de 0.7. Los métodos de deshidratación incluyen secado al sol, secado con aire caliente, secado al vacío y secado por congelación (Qiu et al., 2019).
En los últimos años estos tratamientos han sido complementados con deshidratación osmótica (DO), un pretratamiento y proceso en el cual los tejidos vegetales se sumergen en una solución hipertónica a una temperatura y tiempo determinados, alterando de manera controlada las características microestructurales de la matriz vegetal, en la cual es posible impregnar compuestos bioactivos (minerales, vitaminas, antioxidantes, probióticos, fibras, etc.) en su fracción porosa, lo cual genera un beneficio adicional para el consumidor.
La DO reduce los efectos adversos del calor de procesos subsecuentes, mejorando el color, textura y sabor del producto, y minimiza los costos de producción al maximizar la eficiencia energética (Ahmed et al., 2016). Se ha reportado la impregnación de calcio y vitaminas C y E en papa (Solanum tuberosum var. Diacol Capiro) (Duarte-Correa et al., 2020), la adición de antioxidantes de jugo de betabel en manzana (Malus domestica L. cv. Granny Smith) (Aguirre-García et al., 2020), probióticos como Lactobacillus plantarum en manzana var. Royal Gala (Emser et al., 2017) y Lactobacillus rhamnosus en banano (Musa paradisiaca var. Tabasco) (Huerta-Vera et al., 2017), entre otros.
Por lo anterior, en esta revisión se analizan los factores de la deshidratación osmótica que determinan la incorporación de compuestos bioactivos en matrices vegetales; así como, las tendencias recientes en productos hortofrutícolas osmodeshidratados que podrían incursionar como alimentos funcionales y su estabilidad fisicoquímica durante almacenamiento.
La DO es una técnica de procesamiento que involucra la inmersión de matrices alimentarias en una solución hipertónica que induce tres flujos; i) la transferencia de agua del producto hacia la solución hipertónica; ii) la migración de soluto osmótico hacia el interior del producto; y iii) la lixiviación de componentes celulares del producto (azúcares, ácidos, minerales, vitaminas) a la solución hipertónica (Figura 1) (Ahmed et al., 2016; González-Pérez et al., 2019).
Los factores que determinan las propiedades globales del transporte de masa durante el proceso osmótico son.
El incremento de la temperatura durante la DO promueve la transferencia de masa al disminuir la viscosidad del medio osmótico y aumentar la permeabilidad de membranas. Cuando la temperatura del proceso excede la sensibilidad del producto se presenta ablandamiento excesivo, oscurecimiento enzimático y pérdida de sabor y aroma (Xiao et al., 2018).
Se compone de solutos de alto peso molecular (sacarosa) en alta concentración, lo cual optimiza la pérdida de agua (WL) del producto al inicio del proceso. Cuando se aplican solutos de bajo peso molecular (glucosa, fructosa, sorbitol, etc.) y baja concentración, se favorece la ganancia de sólidos (SG) por encima de la WL (Xiao et al., 2018).
La geometría y tamaño del producto afectan la superficie específica (relación superficie/volumen), una elevada superficie específica favorece la ganancia de sólidos (SG) en el producto, mientras que, para generar mayor WL y SG es necesario tener mayor superficie y menor volumen del producto (González-Pérez et al., 2019). Asimismo, el manejo de relaciones elevadas de solución hipertónica: alimento (≥ 20:1), previene la dilución del medio osmótico y la disminución del gradiente de concentración durante el proceso.
Por otro lado, el uso de agitación durante el proceso asegura el contacto continuo del producto con la solución hipertónica renovada, que favorece la SG y la WL; sin embargo, los sólidos podrían formar una capa delgada sobre el tejido y actuar como una barrera que dificulte la WL posterior del producto (Ahmed et al., 2016).
La especie, variedad y estado de madurez definen la compleja y heterogénea estructura celular de los materiales biológicos, con diversas propiedades fisicoquímicas (orientación de fibras, tamaño de espacios intercelulares, interconectividad celular, espacio poroso, sólidos solubles, agua, etc.) que pueden facilitar o dificultar el flujo de masa durante el proceso osmótico.
El espacio poroso o porosidad efectiva (ɛe), es la fracción de volumen total de la matriz vegetal ocupada por gas. Lech et al. (2018), analizaron el efecto de la ɛe sobre la transferencia de masa durante la DO de diferentes especies hortofrutícolas, mostrando que productos con elevada ɛe, como manzana (var. Champion), perejil (Petroselinum crispum var. Eagle) y rábano negro (Raphanus sativus var. Sativus var. Kulata Cerna) presentan valores de 26.75, 22.64 y 20.62%, respectivamente, que les permite una mayor transferencia de masa durante el proceso osmótico.
Por el contrario, productos como remolacha (Beta vulgaris var. Alto) y zanahoria (Daucus carota var. Nerac.) con una menor ɛe de 4.16 y 3.45%, respectivamente, presentaron menor transferencia de masa durante la DO.
En este sentido, Sulistyawati et al. (2018) reportan el efecto del estado de madurez del fruto sobre la ɛe durante la DO en cubos de mango (Mangifera indica var. Kent.) tratados con solución de sacarosa (60 °Brix), pectin metil estereasa (PME) y calcio, reportando una mayor SG en mango inmaduro debido a que presenta mayor espacio poroso comparado con el maduro. Por tanto, es importante considerar que el proceso de maduración no es uniforme en el producto, pues existen distintos dominios o clústeres celulares que contribuyen a la heterogeneidad y anisotropía del tejido, que van a afectar el proceso de DO.
Los productos hortofrutícolas presentan una composición compleja distribuida en cuatro fases: matriz sólida (pared celular, plasmalema, tonoplasto y orgánulos celulares en el citoplasma), fase líquida extracelular, fase líquida intracelular y gas. Una matriz vegetal contiene hasta un 80% de células parenquimatosas empalmadas e interconectadas, con pared celular (PC) porosa y delgada, un citoplasma delimitado por una membrana y una vacuola central grande que puede ocupar hasta 90% de una célula madura donde se almacenan agua y nutrientes.
La PC está compuesta por microfibrillas de celulosa, hemicelulosa y pectina que forman espacios intercelulares que les confieren ciertas propiedades mecánicas a las células individuales, como la rigidez. De manera particular, la pectina presenta funciones específicas como la adhesión célula-célula y la regulación de la porosidad de la PC (Winisdorffer et al., 2015).
Se han descrito tres diferentes rutas para el flujo másico a través de tejidos celulares durante la DO; i) el transporte apoplástico que se lleva a cabo dentro de la continuidad de las paredes celulares; ii) el transporte simplástico entre células adyacentes vía plasmodesmos; y iii) el transporte transmembrana; donde la difusión de agua esta mediada específicamente por acuaporinas (proteínas especializadas en el transporte de agua) (Mauro et al., 2016).
Durante la DO de matrices vegetales, las células parenquimatosas del mesocarpio atraviesan por tres etapas, derivadas de los cambios de volumen (Vt/Vo) y contenido de humedad (Xt/Xo) del producto (Figura 2) (Seguí et al., 2012). En la etapa 1, cuando la matriz vegetal fresca (Figura 2a) es sumergida en una solución hipertónica, el gradiente de potencial químico genera la WL del protoplasto, que se contrae y se deforma junto con la PC hasta que las fuerzas de estiramiento dan lugar a la plasmólisis incipiente, punto crítico donde la membrana plasmática comienzan a desprenderse de la PC, consecuentemente se da un encogimiento celular (Figura 2b).
Durante la etapa 2, el flujo másico a través de la membrana plasmática incrementa las fuerzas impulsoras de estiramiento entre la membrana y la PC, hasta que la membrana se desprende y se contrae elásticamente, generando nuevos espacios intracelulares que serán ocupados por la solución hipertónica, promoviendo así la WL, lo cual resultó en una disminución de humedad y volumen en el producto (Figura 2c).
Finalmente, en la etapa 3, la estructura celular comenzó a colapsar derivado de la separación completa entre la membrana plasmática y la PC, lo que permitió que el protoplasto pueda encogerse libremente. No obstante, la PC y las hebras hechtianas (finos hilos citoplasmáticos) continúan actuando como barreras físicas ante el flujo másico. En esta etapa, se presentó una ligera reducción del volumen; sin embargo, la entrada de solución hipertónica a las células provocó que continúe la disminución en el contenido de humedad (Figura 2d).
Las modificaciones que ocurren en la arquitectura celular de la matriz vegetal derivados de la WL y SG durante la DO se reflejan macroscópicamente en las propiedades fisicoquímicas del producto. La Figura 3 presentan tres productos hortofrutícolas osmodeshidratados en solución de sacarosa (50 °Brix a 35 °C hasta por 240 min), donde se apreció que la eliminación de agua además de disminuir el contenido de humedad y la aw del producto, también reduce el tamaño y volumen de este en función del tiempo de procesamiento.
Dependiendo de la composición de la solución hipertónica, la SG modificará el color, sabor y las propiedades nutricionales y funcionales del producto. Por otra parte, la WL concentra los pigmentos que proporcionan color a la matriz vegetal, lo que se puede apreciar como un incremento en la pureza e intensidad en el color del producto osmodeshidratado con respecto al producto fresco.
En el caso de melón se presenta una transparencia derivada de la desgasificación total o parcial del aire presente en su tejido, que es sustituido por la solución hipertónica; por el contrario, en manzana y chayote no se presentan esta transparencia, lo que puede deberse a la formación progresiva de una corteza de sacarosa en su superficie.
En conjunto, la WL y SG disminuyen la elasticidad y porosidad del producto, que determinan las características de textura de este, resultando en un exterior firme e interior suave (Barragán-Iglesias et al., 2018).
Los alimentos funcionales son productos modificados por retirar alguno de sus componentes o integrar algún compuesto bioactivo (fibra dietaría, oligosacáridos, polioles, péptidos y proteínas, isoprenoides y vitaminas, bacterias acido lácticas, minerales, ácidos grasos insaturados, fitoquímicos y antioxidantes) que haya demostrado científicamente que produce un beneficio para el consumidor (Fuentes-Berrio et al., 2015).
La DO permite alterar de manera controlada las características microestructurales de matrices vegetales al conferir la introducción de agentes conservantes, saborizantes, mejoradores de textura o compuestos bioactivos en su fracción porosa mediante el uso de soluciones hipertónicas multicomponentes. Derivado de esto, la DO ha sido utilizada para el desarrollo de nuevos productos hortofrutícolas.
La deshidrataron rodajas de mango criollo y las impregnaron con emulsiones de oleorresina de chile piquín (Capsicum annuum L. var. Aviculare), las cuales presentaron efecto antiproliferativo en líneas celulares de cáncer de mama MDA-MB-231, atribuido a la sinergia de la capsaicina del chile piquín y los componentes bioactivos de la pulpa de mango (Jiménez-Hernández et al., 2017).
De igual forma, Shukla et al. (2019) deshidrataron rodajas de mango cv. Fazli impregnadas con emulsiones de oleorresina de jengibre (Zingiber officinale) para brindarle sabor picante y propiedades antioxidantes y antiinflamarorias, al comparar el producto con uno comercial de características similares concluyeron que el pretratamiento osmótico mejoró la retención de vitamina C, fenoles totales y β-caroteno en 60.2, 76.8 y 85.6%, respectivamente; además, redujeron el tiempo total de procesamiento hasta en 376.7%.
Autores como Aguirre-García et al. (2020) impregnaron compuestos antioxidantes de jugo de betabel en rodajas de manzana cv. Granny Smith, logrando un incremento hasta de 46 y 115% en el contenido de fenoles totales y capacidad antioxidante, respectivamente, en comparación con el producto fresco. Mientras, Barragán-Iglesias et al. (2018) deshidrataron cubos de papaya (Carica papaya L. cv. Maradol) impregnados con hidróxido de calcio (Ca(OH)2), resultando en un producto con exterior firme e interior suave y contracción y deformación reducidas, además disminuyeron el tiempo de secado hasta en 37%.
Lovera et al. (2018) estudiaron el efecto de la impregnación de lactato de calcio (C6H10CaO6) y gluconato de calcio (C12H22CaO14) en cilindros de papaya sobre el tiempo de congelación del producto, sus resultados muestran que la DO permitió reducir el tiempo y los costos de producción, ya que el tiempo de congelación de la fruta fresca, impregnada con calcio y osmodeshidratada fue de 23, 17 y 5 min en túnel y 118, 83 y 60 min en un congelador doméstico, respectivamente.
Dado que la DO es muy versátil, ha sido frecuentemente combinada con otras técnicas de procesamiento con la finalidad de incrementar la tasa de transferencia de masa. En este sentido, la aplicación de alta presión hidrostática (HP) genera una compresión y descompresión del producto y da lugar a la desintegración celular que aumenta el índice de permeabilización celular (Zp) y el flujo másico durante el proceso osmótico.
Investigaciones realizadas por George et al. (2016), observaron osmodeshidrataron rodajas de manzana cv. Fuji con soluciones de sacarosa y extracto de kokum (Garcinia indica), sus resultados mostraron un incremento significativo en la impregnación de antioxidantes de kokum en manzana tratada en combinación de HP y DO, con respecto al producto que solo fue procesado mediante DO.
La DO también ha sido acoplada con ultrasonido (US), un proceso que se caracteriza por una vibración de aire en un rango de frecuencia (20-100 MHz), y que presentan dos mecanismos alternados: cavitación-comprensión y expansión, los cuales provocan la erosión y descomposición de partículas superficiales del producto, y dan lugar a la formación de canales microscópicos.
El uso de US previo a la DO ha sido estudiado por Maleki et al. (2020), quienes deshidrataron rodajas de zanahoria impregnadas con compuestos fenólicos de flor de jamaica (Hibiscus sabdariffa), sus resultados muestran que la máxima impregnación de compuestos fenólicos en el producto fue sin US, esto se atribuyó a que tiempos prolongados de US dañaron los microcanales del tejido vegetal y disminuyeron el flujo másico durante la DO. También se han utilizado presiones subatmosféricas durante un tiempo corto (5 a 20 min), técnica que se conoce como impregnación al vacío (IV) y que en combinación con DO es llamada deshidratación osmótica con pulsos de vacío (DOPV).
En la Figura 4, se observó como en la DOPV se eliminó el gas ocluido en los poros del tejido vegetal hasta lograr el equilibrio mecánico, donde una vez que es restaurada la presión atmosférica, los poros son llenados con la solución externa lo que genera un aumento de la superficie de contacto producto-solución hipertónica dentro de los espacios intercelulares del tejido vegetal, y ocasiona modificaciones estructurales de la DO (Figura 4B), a un número mayor de células internas (Figura 4C) principalmente en las células externas del producto.
A través de IV y DOPV se han formulado diversos productos hortofrutícolas impregnados con compuestos bioactivos (Cuadro 1). La DOPV ha sido ampliamente utilizado para enriquecer matrices vegetales con compuestos bioactivos solubles en agua (antioxidantes, vitaminas hidrosolubles, minerales, etc).
| Ingrediente funcional | Matriz vegetal | Referencia |
|---|---|---|
| Minerales | Triángulos de piña enriquecidos mediante IV con hasta 24 487. 3 µg g-1 (b.s.) de cloruro de calcio dihidratado. | Mateus de Lima et al. (2016) |
| Vitaminas | Rodajas de papa Diacol Capiro enriquecidas mediante IV con hasta 72 y 53% de vitamina E y C, respectivamente. | Duarte-Correa et al. (2020) |
| Antioxidantes | Rodajas de mango Tommy Atkins impregnadas con hasta 3. 34 mg EAG g-1 ms de polifenoles de extracto de uva mediante DOPV. Mitades de fresa Alba enriquecidas mediante IV con hasta 22% de polifenoles de jugo de arándano. | Batista de Medeiros et al. (2019) Tylewicz et al. (2019) |
| Probióticos | Cubos de manzana Royal Gala impregnados mediante DO con hasta 7 a 8 log10 (UFC g-¹ bs.) de Lactobacillus plantarum. Rodajas de banano Tabasco impregnadas mediante DO y DOPV con hasta 6 a 7 log10 (UFC g-¹ bs.) con Lactobacillus rhamnosus. Aros de manzana ‘Granny Smith’ impregnadas mediante IV con hasta 7 a 8 log10 (UFC g-¹ bs.) con Lactobacillus salivarius spp. Salivarius. | Emser et al. (2017) Huerta-Vera et al. (2017) Burca-Busaga et al. (2020) |
| Enzimas | Cubos de mango ‘Kent’ impregnados mediante DOPV con pectin-metil-esterasa (PME), la cual mejoró la firmeza del producto. | Sulistyawati et al. (2018) |
Por otra parte, se ha logrado impregnar con bacterias probióticas viables como Lactobacillus (L. plantarum, L. rhamnosus, L. salivarius, L. casei, entre otros) con y sin tecnologías de barrera contra los efectos del jugo gástrico y ácido biliar del estómago. Incluso, se han utilizado emulsiones (micro y nanoemulsiones) como una estrategia que permita la incorporación de compuestos bioactivos de naturaleza lipofílica (vitaminas liposolubles, aceites esenciales, oleorresinas) con aplicación limitada a productos ricos en grasas y aceites en alimentos ricos en agua como frutas y hortalizas.
La aplicación de DOPV ha sido estudiada en diversas matrices vegetales y se ha observado que un factor importante en la impregnación de solutos en el tejido vegetal es su ɛe.
Algunos estudios han evaluado la estabilidad fisicoquímica durante almacenamiento de productos hortofrutícolas osmodeshidratados e impregnados con ingredientes funcionales. Los enriquecimientos de matrices vegetales con compuestos con capacidad antioxidante previenen el estrés oxidativo y el daño de estructuras celulares (ADN, proteínas y lípidos de membrana) que están relacionados con enfermedades neurodegenerativas.
La osmodeshidrataron cilindros de manzana cv. Braeburn en soluciones de sacarosa y jugo concentrado de bayas de aronia (Aronia melanocarpa) (120 min a 40 y 60 °C) y posteriormente las secaron mediante liofilización o por aire convectivo, y finalmente envasaron al vacío en bolsas de polietileno para ser almacenados (25, 35 y 45 °C) durante 7 y 12 meses (Cichowska y Kowalska, 2018). Los resultados indicaron que el producto mostró estabilidad microbiológica durante y después del almacenamiento sin importar el método de secado, además, el pretratamiento osmótico indujo un efecto termoprotector sobre el color del producto durante almacenamiento.
La osmodeshidrataron rodajas de pepino (Cucumis sativus) con soluciones hipertónicas de glicerol en combinación con 20 diferentes infusiones herbales (manzanilla (Matricaria chamomilla L.), orégano (Origanum vulgare), menta (Mentha pulegium L.), flores de jazmín (Jasminum officinale), cúrcuma (Curcuma longa)) ricas en compuestos fenólicos y evaluaron su calidad durante almacenamiento (37 °C), resultando que el producto osmotratado tuvo un color, textura y evaluación microbiológica superior dos a casi cuatro veces en respecto al producto no tratado (Giannakourou et al., 2019).
Por otra parte, se ha evaluado el enriquecimiento de matrices vegetales con probióticos, los cuales son microorganismos vivos que cuando se consumen en cantidades adecuadas, inhiben la proliferación de bacterias patógenas, mejoran el proceso digestivo y la respuesta inmune adquirida (Rascón et al., 2018).
La osmodeshidrataron cubos de manzana var. Royal Gala con soluciones de sacarosa o sorbitol (40 y 60 °Brix) conteniendo L. plantarum, los cubos de manzana fueron almacenados (4 °C por 6 días) y evaluadas mediante simulación digestiva, sus resultados exhiben una viabilidad probiótica de 7 a 8 log10 (UFC g-¹) durante el almacenamiento con una supervivencia de 7 log10 (UFC g-¹) durante simulación digestiva (Emser et al., 2017).
La liofilizaron rodajas de banano var. Tabasco enriquecidas con L. rhamnosus utilizando una solución de sacarosa (50 °Brix) y evaluaron el efecto de la aw (0.115 a 0.846) sobre la estabilidad probiótica del producto durante almacenamiento (25 °C por 42 días), sus resultados muestran una viabilidad bacteriana de 6 a 7 log10 (UFC g-¹ bs) a bajas actividades de agua (0.115 a 0.329) por un periodo máximo de 28 días (Rascón et al., 2018).
Además de compuestos bioactivos, la DO también ha sido útil en la incorporación de agentes antimicrobianos y aditivos de sabor en matrices vegetales. Akharume et al. (2018) secaron por aire convectivo rodajas de manzana var. Golden Delicious previamente osmodeshidratadas con solución de sacarosa (42 °Brix) y humo liquido refinado y evaluaron su color, textura y carga microbiana durante almacenamiento (150 días) en bolsas de polietileno con y sin vacío, sus resultados muestran que las manzanas con pretratamiento osmótico con humo liquido refinado presentaron una coloración marrón característica, mejores propiedades de textura y una reducción microbiana significativa durante almacenamiento en comparación con rodajas de manzanas secadas por convección sin pretratamiento osmótico.
Los estudios demuestran que a través de DO con o sin la implementación de otras técnicas de conservación es posible obtener productos hortofrutícolas mínimamente procesados y enriquecidos con compuestos bioactivos, con estabilidad fisicoquímica aceptable y suficiente para ejercer un efecto benéfico al consumidor.
Sin embargo, los productos hortofrutícolas enriquecidos con componentes bioactivos mediante DO todavía enfrentan desafíos tecnológicos y oportunidades de investigación que incluyen: demostrar su estabilidad fisicoquímica durante el almacenamiento y los mecanismos de absorción y metabolización del ingrediente activo en los modelos biológicos. Además, es necesario el desarrollar políticas globales que regulen y supervisen la producción y venta de alimentos funcionales a fin de proteger a los consumidores de comprar productos con supuestas atribuciones o propiedades benéficas para su salud.
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