Inactivación de la polifenol-oxidasa de frutas y sus derivados por métodos físicos usados concomitantemente
Beatriz Riverón Bioquímico farmacéutica briveron20@gmail.com Junio 2022
Indice Tratamientos térmicos para la inactivación de PPO …………………. 5 Procesamiento de alta presión para la inactivación de PPO ………… 6 Procesamiento por ultrasonido para la inactivación de PPO ………… 8
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Los inhibidores de la enzima polifenol oxidasa (PPO) han sido objeto de una amplia investigación debido a su papel en el oscurecimiento de frutas y verduras. La propia enzima también se ha aplicado en las áreas de biorremediación, biocatálisis y biodetección. Sin embargo, la naturaleza de la especificidad del sustrato de la PPO ha permanecido esquiva a pesar de los años de estudio. Se han propuesto numerosas teorías para explicar la diferencia en con relación a la actividad de la tirosinasa y la catecol oxidasa.
La polifenoloxidasa cataliza la oxidación de monofenoles y/u o-difenoles a o-quinonas con la reducción concomitante de oxígeno a agua, lo que da como resultado la formación de complejos proteicos y la formación de pigmentos de melanina de color marrón. La función más frecuentemente sugerida para la PPO en plantas ha sido la defensa contra herbívoros y patógenos. Los complejos de o-quinona-proteína, formados como consecuencia del daño celular, pueden reducir el valor nutricional de los tejidos, y por lo tanto, reducir la depredación, pero también pueden participar en la formación de barreras estructurales contra los patógenos invasores en determinadas condiciones ambientales y puede estar involucrada en la respuesta de la planta al estrés abiótico. La PPO cataliza la reacción de pardeamiento durante el procesamiento y almacenamiento de la fruta. Se considera una amenaza para los productos de frutas y derivados procesados. Los cambios no deseados en la apariencia y calidad de las frutas representan un costo para la industria. La alta presión y el ultrasonido, además del tratamiento térmico, son efectivos para reducir la actividad de la PPO y generar productos de alta calidad.
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La PPO de diferentes cultivares de frutas se comporta de manera diferente cuando se somete a diferentes tratamientos. Para la misma temperatura, la inactivación de PPO por ultrasonido combinado con calor es más efectiva que el tratamiento térmico solo ,y el proceso térmico combinado de alta presión. El
oscurecimiento
es
una
ocurrencia
común
durante
la
preparación
y el
almacenamiento de frutas y verduras como manzanas, patatas, plátanos y aguacate. Ocurre cuando los alimentos sufren cortes o injurias. En estas circunstancias, se cree que el pardeamiento enzimático causa más del 50% de pérdida de frutas y verduras antes y después de la cosecha ya que se libera la enzima catalizando la oxidación de las sustratos conteniendo compuestos fenólicos, lo que da como resultado el oscurecimiento de los alimentos. La actividad de las OPP es un problema importante en la producción y comercialización de alimentos, en particular los jugos de frutas. Cuando ocurre el pardeamiento, se altera su apariencia y su calidad. Muchos investigadores han estudiado cómo inhibir el pardeamiento indeseable para aumentar su vida útil. Sin embargo, en ciertos alimentos como el café, los granos de cacao y el té, es necesario el oscurecimiento para producir el color y el sabor deseados. Este es también el caso de las frutas secas como las pasas. En el procesamiento de la mayoría de los alimentos es fundamental utilizar agentes físicos (procesamiento térmico y no térmico) o químicos (como el ácido cítrico o ascórbico) para evitar o ralentizar el pardeamiento enzimático. Se puede usar procesamiento térmico o no térmico para inactivar la polifenol oxidasa. La enzima en las frutas y jugos se inactiva durante el procesamiento térmico a una temperatura de 70 °C a 90 °C. Este tratamiento, por otro lado, puede provocar cambios negativos en los atributos de los alimentos, como la pérdida de color, textura y sabor,
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así como la degradación de muchos de los nutrientes sensibles al calor, incluidas las vitaminas. La industria y los investigadores han desarrollado técnicas de conservación de alimentos no térmicas en respuesta a la demanda de los consumidores de productos seguros y nutritivos. Algunas de las tecnologías incluyen procesamiento a alta presión (HPP), dióxido de carbono a alta presión (HPCD) y ultrasonido. Este último se puede usar solo o en combinación con calor para mejorar la inactivación bacteriana y enzimática. Los efectos adversos del tratamiento térmico en una variedad de frutas se han mitigado utilizando estas estrategias. Los alimentos se verán menos afectados por el calor moderado o sin calor empleando
estos procesos, lo que permite la retención de
propiedades nutricionales, físicas y de sabor idénticas a las de los alimentos frescos. Estos métodos de procesamiento no térmico tienen el potencial de ayudar con el desarrollo de productos para abordar la creciente demanda de alimentos diversos, complejos y de alto valor. El pardeamiento enzimático es un proceso químico que decolora las frutas o productos de frutas (jugo, puré, etc.) en un color marrón. Las enzimas polifenol oxidasa (PPO), 1,2 bencenodiol oxígeno oxidorreductasa, fenolasa, monofenol oxidasa, difenol oxidasa (DPO) y tirosinasa catalizan el pardeamiento. El pardeamiento es causado por la presencia de oxígeno en el aire en contacto con la fruta cortada o machucada (reacción de oxidación). En la figura se indica que el pardeamiento rápido ocurre en presencia de oxígeno debido a la oxidación enzimática de los fenoles a ortoquinonas, que posteriormente se polimerizan en una secuencia de procesos, lo que resulta en el desarrollo de pigmentos marrones o negros (melaninas) en la superficie del alimento.
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Cadena de procesos químicos durante el pardeamiento que acaban originando melanina, de color oscuro
El pardeamiento enzimático puede ocurrir durante el tránsito y almacenamiento de alimentos congelados o fríos. La PPO produce quinonas que forman complejos con las proteínas vegetales, lo que reduce su digestión y su valor nutricional. La enzima PPO está compuesta estructuralmente por dos iones de cobre en su región activa, que está rodeada por seis histidinas y un residuo de cisteína. Los iones de cobre en la enzima son cofactores importantes en el proceso de oxidación-reducción mediante la transición cíclica del sitio activo entre las formas met, oxi y desoxi durante la reacción de catálisis. La PPO tiene dos átomos de cobre en su sitio de actividad, y la enzima cataliza dos procesos distintos en presencia de oxígeno molecular: la hidroxilación de monofenoles (actividad de monofenolasa) y la oxidación de o-difenoles a o-quinonas (actividad de difenolasa).
A esto le sigue la polimerización no enzimática de las
quinonas, que produce el pigmento melanina, lo que da como resultado colores oscuros.
Tratamientos térmicos para la inactivación de PPO En
general,
diferentes
frutas/cultivares
requieren
diferentes
condiciones
de
procesamiento para una inactivación de >80% de PPO. Además, para la misma fruta/cultivar, el tiempo de procesamiento puede variar según la tecnología utilizada para la inactivación de PPO. La combinación de HPP (alta presión) y ultrasonido
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con procesamiento térmico ofrece ventajas en términos de inactivación enzimática para diferentes formas de la misma fruta (p. ej., jugo, puré, o concentrados). El procesamiento térmico es un método tradicional de conservación de alimentos que emplea calor para conservar y procesar productos alimenticios. La inactivación de la PPO por tratamiento térmico es el método más efectivo y estándar para controlar el pardeamiento enzimático. El calor se usa en este tratamiento para destruir microorganismos e inactivar enzimas. Sin embargo, el tratamiento térmico provoca cambios indeseables en las cualidades de los alimentos, como pérdida de color, sabor, textura y nutrientes. El escaldado es un tratamiento térmico común utilizado para inactivar enzimas en frutas y verduras. Esta tecnología requiere mucha agua y se considera antieconómica. Implica el calentamiento rápido de frutas y verduras a una temperatura predeterminada y mantenerla durante un período de tiempo determinado, generalmente de 1 a menos de 10 minutos a temperaturas entre 70 a 100 °C. El efecto de la temperatura sobre la estabilidad de la PPO se investiga comúnmente incubando la enzima a una temperatura más alta. Se observó que los procesos de 70 °C a 80 °C durante 5 a 25 min proporcionaron más del 80 % de la inactivación de la PPO. Sin embargo, estudios realizados sobre PPO de fresas muestran que, a una temperatura más baja de 60 °C, también se puede lograr el 80 % de la inactivación de PPO. Esto demuestra que diferentes frutas pueden reaccionar diferentemente a diferentes temperaturas y tiempos para lograr una inactivación de PPO similar.
Procesamiento de alta presión para la inactivación de PPO El procesamiento de alta presión (HPP) se ha considerado como una tecnología alternativa para conservar los alimentos sin calor ni conservantes químicos . HPP es un proceso no térmico que es muy eficaz para garantizar la seguridad y la calidad de los productos alimenticios procesados. En contraste con el tratamiento térmico, esta tecnología puede inactivar los microorganismos transmitidos por los alimentos y las enzimas mientras mantiene su calidad. Para este procesamiento, el aumento de las
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presiones en el tratamiento generalmente dará como resultado una inactivación microbiana más rápida en tiempos más cortos. Sin embargo, el aumento de la presión puede causar la desnaturalización de las proteínas y otros cambios potencialmente dañinos en la calidad de los alimentos, lo que podría afectar la apariencia y la textura de los alimentos. Para la inactivación de las enzimas, la presión depende en gran medida del tipo de enzimas endógenas: algunas enzimas pueden desactivarse a temperatura ambiente en unos pocos cientos de MPa (unidade de presión Megapacal;
un megapascal
equivale 7500,62 mm de mercurio), mientras que otras pueden soportar 1000 MPa. Como algunas enzimas presentes en os alimentos son muy estables, la presión debe combinarse con otros factores, como la temperatura, para inactivarlas. Durante el proceso, el fluido hidráulico (típicamente agua) se vierte en una cámara y se presuriza con una bomba. Luego, esta presión se transfiere al alimento de manera isostática a través del empaque, donde la presión en todos los lados es de la misma magnitud (principio isostático). Este procedimiento puede aumentar la vida útil del producto sin la adición de conservantes mientras se mantiene la calidad del producto (p. ej., nutrientes). Cuando se utiliza un tratamiento de alta presión para el procesamiento de alimentos, es crucial comprender las interacciones entre los parámetros de procesamiento (presión, tiempo y temperatura) para determinar las mejores condiciones para lograr los niveles deseados de inactivación microbiana mientras se mantiene un alto grado de calidad nutricional: buen sabor y textura. Varios estudios demostraron que al utilizar una presión más alta (600 MPa) y una temperatura moderada, el jugo y el puré de frutas podían lograr una inactivación de la PPO de más del 80%. La aplicación de presión sin tratamiento térmico en puré y jugo de frutas es insuficiente para inactivar totalmente las enzimas oxidativas. La eficiencia de HPP pueden determinarse junto con varios factores, como el tipo de alimento, el tiempo de procesamiento, el pH inicial y la presencia de ciertos aditivos en el alimento.
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Procesamiento por ultrasonido para la inactivación de PPO El ultrasonido se define como una serie de ondas electromecánicas, generalmente longitudinales originadas por la vibración de un cuerpo elástico (cristal piezoeléctrico) y propagadas por un medio material (tejidos u órganos corporales) con una frecuencia que supera la del sonido audible por el humano, superior a 20kHz. La frecuencia de este consiste en el número de ciclos o cambios de presión que ocurren por segundo la cual se cuantifica en ciclos por segundo o hercio. Los productos alimenticios que están libres de aditivos o conservantes se han convertido en una demanda de los consumidores de productos frescos y de alta calidad, especialmente productos de jugo. Esta demanda ha llevado a investigadores o productores a emplear tecnología ultrasónica en la producción de jugo de frutas. El ultrasonido es una tecnología prometedora que se puede utilizar para reemplazar los procesos tradicionales de tratamiento térmico. Tiene el potencial de mejorar la calidad y la seguridad del jugo al convertir la energía eléctrica en energía mecánica a través de materiales piezoeléctricos (son aquellos que tienen la capacidad de generar cargas eléctricas al sufrir una deformación mecánica; también ocurre el efecto contrario, es decir, una polarización eléctrica resulta en una deformación mecánica). Cuando las ondas de sonido pasan a través del fluido, se producirán una compresión y relajación continuas, y luego la presión negativa supera la fuerza de tracción, la transmisión de las ondas de sonido a la posición relajada provocando la formación de burbujas y espacios del tamaño de una micra llevando la desnaturalización enzimática. (milésima pare de 1 mm). La frecuencia de los equipos ultrasónicos suele ser de 20 kHz a 10 MHz. Las aplicaciones de los ultrasonidos en la industria alimentaria incluyen ultrasonidos de baja y alta energía. Las intensidades de baja energía del ultrasonido, menos de 1 W·cm-2, y una frecuencia superior a 100 kHz pueden usarse para monitorear la composición de los alimentos y las propiedades fisicoquímicas de los alimentos durante el procesamiento y almacenamiento, con fines de control de calidad.
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El ultrasonido de alta energía también se denomina ultrasonido de potencia porque la intensidad es superior a 1 W·cm-2 y el rango de frecuencia es de 20 a 100 kHz. El ultrasonido se puede aplicar a un producto utilizando dos métodos: inmersión en un baño ultrasónico o tratamiento directo al producto utilizando un sonicador de sonda. El ultrasonido inactiva la PPO en más del 80 %; combinado con calor, también conocido como termosonicación (TS), es otro método de conservación emergente. El tratamiento con TS en jugo de manzana de diferentes cultivares muestra una inactivación de PPO de más del 80 % a varias temperaturas (entre 60 °C y 70 °C) y tiempo (6 a 20 min). Una comparación del jugo de manzana muestra que los diferentes parámetros utilizados, como la intensidad del sonido, el tiempo y la temperatura, afectarían la inactivación de la PPO en las frutas. Cuanto mayor sea la intensidad (o amplitud) del ultrasonido aplicado, más enzima se inactiva, porque la alta intensidad libera mucha energía. La amplia gama de datos sobre la inactivación de PPO en frutas muestra que la inactivación de enzimas está influenciada por varios parámetros, que incluyen la fuente, el subtipo, el entorno y las condiciones fisicoquímicas, como el pH y la temperatura.
Fuentes McLarin , M. A.; HYPERLINK "https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=Leung+IKH&cauthor_id=32441137"Leung, I. K. H. (2020). Substrate specificity of polyphenol oxidase. Crit Rev Biochem Mol Biol, 55(3):274-308 Zawawi, N. A. F.; HYPERLINK "https://sciprofiles.com/profile/author/KzdOWEN1SzRlUDMwSStjcTUzTGE2Zz09"Haz mi, N. A. M.; HYPERLINK "https://sciprofiles.com/profile/1822034"How, M. S.; HYPERLINK "https://sciprofiles.com/profile/424867"Kantono, K.; Silva, F. V. M.; Sulaiman, A. (2022).
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Thermal, High Pressure, and Ultrasound Inactivation of Various Fruit Cultivars’ Polyphenol Oxidase: Kinetic Inactivation Models and Estimation of Treatment Energy Requirement Appl. Sci, 12(4)1864. Imagen https://webtudo.net/por-que-as-frutas-escurecem-depois-de-cortadas/ Acceso el17/06/2022.
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