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Ing. Pedro Cerezal Mezquita Ph D
Universidad de Antofagasta
1
Objetivo General
Mostrar una panorámica actual en relación
a los Alimentos e Ingredientes funcionales (AeIF)
a partir de microalgas en la Industria Alimentaria
dando a conocer los principales compuestos de
alto
valor
(colorantes,
ácidos
grasos
poliinsaturados omega-3, proteínas, entre otros)
con énfasis en los desafíos y las tendencias
actuales.
2
¿Qué son los
Alimentos Funcionales?
No existe una definición universal para los Alimentos
Funcionales (AF), se trata más de un CONCEPTO que de
un grupo de alimentos
Nació en Japón en los años 80. Las autoridades sanitarias
para controlar los gastos, generados por la mayor
esperanza de vida de la población anciana, había que
garantizar una mejor calidad de vida.
En 1990 se aprobaron los “Alimentos de Uso Específico
para la Salud” (Foods for Specific Health Use, FOSHU),
Este concepto se desarrolló después en Europa dentro del
Proyecto “Functional Food Science in Europe” (FUFOSE)
financiado por la Comisión Europea (EC) y coordinado por
International Life Sciences Institute (ILSI).
3
Hasta la Fecha el Concepto de AF de mayor aceptación es el emitido
por ILSI Europe en el año 1999 en el documeno de consenso
Functional Food Science in Europe (FUFOSE).
Aparición de
Alimentos Funcionales
4
5
6
Puede ser un alimento natural, al que
se añade o se le elimina un
componente, mediante medios
tecnológicos o biológicos
Puede tratarse de un alimento en el
que se ha modificado la naturaleza o la
biodisponibilidad de uno o más de sus
componentes
Combinación de las dos posibilidades
anteriores
Puede ir dirigido a toda la población o a
grupos concretos como los referidos a
la edad, constitución genética o
situación fisiológica o combinación de
estas posibilidades
7
Los AF pueden proporcionar efectos
beneficiosos en las siguientes afecciones
Sindrome
metabólico
Osteoporosis
Diabetes
Enfermedades
coronarias
Anemía
AF
Depresión
Colesterol
Menopausia
Enfermedades
gastrointestinales
Obesidad
Hipertensión
Ciertos tipos de
cáncer
8
9
Ampliar el concepto de una alimentación saludable y quitar los
actuales prejuicios existentes.
Un 43% de la población cree que comer
saludable es comer sólo ensaladas,
4 de cada 10 chilenos prefiere la comida
sabrosa por sobre la comida sana; y
21% de los chilenos considera que los
alimentos saludables son desabridos y
aburridos.
10
Las microalgas, nuevos caminos hacia AeIF
La forma presente de entender la nutrición en los países
desarrollados considera que los alimentos no deben sólo suministrar
los requerimientos básicos del organismo en:
•
•
•
•
Proteínas,
Grasas,
Hidratos de carbono y
Minerales,
• Además
deben proporcionar
Salud
Los AF constituyen la respuesta a este reto,
“Mejorar la salud y reducir el riesgo a contraer
enfermedades”.
Para ello se suelen enriquecer en CBA, que mejoran las funciones
gastrointestinales, el aporte de sistemas redox y antioxidantes, y el
metabolismo de macronutrientes o micronutrientes.
11
RAZONES PARA DESAROLLAR LA PRODUCCIÓN DE LAS MICROALGAS
• Actividad complementaria con los sectores tradicionales porque:
• No demanda suelo fértil
• Bajo consumo de agua dulce
• Bajo impacto ambiental
• CHILE en varias de sus regiones es un lugar ideal para su desarrollo
• Alta productividad / alto valor añadido. Gran potencial de generación
de valor
• Es una actividad en plena expansión (aumenta la demanda). Número
de competidores limitado.
• Componentes más importantes de las Microalgas
– Altos contenidos de ácidos grasos poliinsaturados
– Altos contenidos proteicos con excelentes perfiles aminoacidicos
:
– Otras biomoléculas (pigmentos, antioxidantes, factores de
crecimiento)
12
CHILE TIENE OPORTUNIDADES SUMAMENTE INTERESANTES
PARA POTENCIAR EL DESARROLLO DE ALIMENTOS
SALUDABLES
Y PARA TRANSFORMARSE EN POLO DE INNOVACIÓN A NIVEL MUNDIAL.
Impacto Socio-económico
1) El cultivo masivo industrial es atractivo para zonas áridas y
semiáridas .
2) Además de la producción de aceite que podría utilizarse para la
obtención de biodiesel y/o como grado alimenticio, se puede
obtener cantidades considerables de proteína como complemento
alimenticio para el hombre.
3) Extracción de ácidos grasos esenciales (EPA y DHA) para su
utilización como complemento alimenticio o incorporarlas en
diferentes alimentos.
4) Extracción de pigmentos (carotenos, astaxantina, ficocianina y
ficoeritrina) para utilizarlos en la industria alimenticia como
colorantes naturales así como complemento alimenticio por su
capacidad antioxidante.
13
VENTAJAS DE LAS MICROALGAS COMO ALIMENTOS FUNCIONALES
Potenciales IF encontrados en diferentes Microalgas
14
COMPOSICIONES QUÍMICAS DE ESPECIES DE MICROALGAS
Y OTRAS FUENTES PARA ALIMENTACIÓN HUMANA.
15
FAO/OMS recomienda ≤ 500 mg/día
de EPA + DHA en los adultos y ≥ 300
mg/día de DHA para las madres.
Para lactantes y escolares = 150
mg/día de DHA
16
List of carotenoids that are possible to obtain by selected microalgae
17
Ingredientes funcionales potenciales a partir de las microalgas
from microalgae y sus principales efectos en la salud humana..
18
Global distribution of Private Companies producing commercial food and feed
products derived from microalgae (2014)
19
MERCADO Y NORMATIVA DE ALIMENTOS QUE CONTIENEN MICROALGAS
En Chile
Año 2012
Un mercado que se
estima moviliza más de
US $5 millones al año
Mercado de las
Microalgas en la
Industria Alimentaria
Reducido
Las importaciones y
exportaciones de biomasa de
microalgas fueron: 6,11 y 18,5 t,
respectivamente, siendo
Estados Unidos, Europa y
Japón los principales destinos
El cultivo de microalgas se ha destinado
principalmente a producir biomasa para la
elaboración de productos nutritivos para
acuicultura y consumo humano, basándose
en la capacidad de generar: ácidos grasos
omega 3 y 6, antioxidantes, vitaminas y
sales minerales, entre otros.
20
MERCADO Y NORMATIVA DE ALIMENTOS QUE CONTIENEN MICROALGAS
En EE.UU la FDA ha notificado la aceptación del uso de
ingredientes derivados de microalgas como: la spirulina,
regulando su utilización en bebidas y bases para bebidas, cereales y
jugos de frutas, productos lácteos, congelados y mezclas, productos
de granos y pastas, frutas procesadas y verduras.
En Chile, Falta de claridad para las Empresas Chilenas respecto de:
• cuáles son los organismos fiscalizadores
• cuáles son las normativas que aplican para cada caso y
• cuáles serían las regulaciones aplicables a los procesos de producción y
elaboración de alimentos.
• También es una dificultad escalar la producción de microalgas a nivel
comercial, dado que es considerado como algo riesgoso, desconocido y
muy costoso”
21
22
Existe la necesidad de combinar los procedimientos de extracción
adecuados, selectivos, rentables y respetuosos con el medio
ambiente, así como con los requisitos legales en cuanto a la
utilización de disolventes y procesos de calidad alimentaria.
Técnicas de Extracción Tradicionales (TET)
Extracción Soxhlet (ES)
Extracción Sólido-Líquido (ESL)
Extracción Líquido-Líquido (ELL)
Estas técnicas están
caracterizadas por la utilización
de altos volúmenes de
solventes y tiempos largos
de extracción.
Estas técnicas producen
frecuentemente bajos rendimientos de
extracción de los CBA y presentan una
baja selectividad
23
Las TET son por lo general procedimientos no automatizados y su
reproducibilidad por tanto, puede verse comprometida.
Se han desarrollado Nuevas Técnicas de Extracción (NTE) que se
están aplicando en los procesos de obtención de CBA, en microalgas,
con resultados muy alentadores desde el punto de vista del
rendimiento y calidad, así como ser amigables con el medio ambiente:
Nuevas Técnicas de Extracción de CBA
con fluido supercritico (EFS)
con líquidos presurizados (ELP)
acelerada con solvente (EAS)
enzimática (EE)
con agua caliente presurizada (EACP)
asistida con ultrasonido (EAU)
asistida con microondas (EAM)
con altas presiones de homogenización (EAPH)
Proporcionan una
alternativa eficaz a los
problemas encontrados
con el uso de los
procedimientros de las
extracciones
tradicionales
24
Breve descripción de los principales ingredientes potenciales de AF que
pueden ser aisladas a partir de diferentes fuentes de microalgas:
•
•
•
•
Antioxidantes
Lipidos
Hidratos de carbono
Péptidos y Proteínas
Extracción con fluido supercritico (EFS)
•
•
•
•
•
•
Dunaliella salina
Haematococcus pluvialis
Spirulina platensis
Chlorella vulgaris
Botrycoccus braunii
Scenedesmus and Nostoc
25
Extracción con líquidos presurizados (ELP)
•
•
•
•
•
•
Dunaliella salina
Haematococcus pluvialis
Spirulina platensis
Chlorella vulgaris
Botrycoccus braunii
Scenedesmus and Nostoc
La extracción con líquidos presurizados es también conocida como extracción
de fluido a presión (EFP), extracción mejorada con disolventes (EMD),
extracción con disolvente a alta presión (EDAP), o extracción acelerada con
disolvente (EAD).
En comparación con la EFS, la ELP es más versátil en términos de los disolventes
de extracción que pueden ser utilizados y, por lo tanto, es más flexible en términos
de CBA a ser extraídos. En la ELP se seleccionará el disolvente dependiendo de
la polaridad del compuesto objetivo. Sin embargo, esta técnica es considerada por
mucho, menos selectiva que el EFS.
26
Extracción con agua caliente presurizada (EACP)
También conocida como la extracción de
agua subcrítica (EAS), extracción de agua
presurizada de baja polaridad (EAPBP), o
extracción de agua sobrecalentada (EASC)
es un uso particular de (ELP) con agua
como disolvente de extracción.
Las principales ventajas de los sistemas a baja escala, en comparación con
configuraciones comerciales, son la posibilidad de realizar ambas
extracciones, dinámicas y estáticas, con menos restricciones operativas, el
intervalo de temperatura de trabajo y la posibilidad de llevar a cabo diferentes
procesos (de reacción, de secado, y de extracción) mediante la modificación
de la configuración básica.
27
Extracción enzimática y mediante Shock osmótico
• Es una reducción repentina
de la presión osmótica,
• Las paredes de las células de las
microalgas se degradan por el
uso de enzimas.
• Es un método relativamente
fácil de utilizar
• Las enzimas también pueden ser
utilizadas para transformar los
ácidos grasos presentes en las
microalgas
28
Extracción asistida con ultrasonido (EAU) con microondas (EAM)
y con altas presiones de homogenización (EAPH)
Resultados
satisfactorios en las
especies Cl. Vulgaris;
Scenedesmus sp.; y
en Botriococcus sp.
Combinación
EAU + EAM
EAU
EAPH
La EAU utiliza la cavitación acústica para causar la ruptura de las paredes
celulares, la reducción de tamaño de las partículas y el aumento de contacto
entre el disolvente y el CBA de interés. La EAM utiliza radiación de microondas
que causa el movimiento de moléculas polares y la rotación de dipolos para
calentar los disolventes y promover la transferencia de compuestos de interés de
la matriz de la muestra en el disolvente. La EAPH utiliza muy altas presiones (>
150 MPa) contribuyendo a la disrupción celular y la liberación de sustancias de
interés intracelulares.
29
La incorporación de las microalgas como ingrediente ("funcional") en la formulación de
nuevos productos en todo el mundo ha experimentado un crecimiento exponencial,
alcanzando un peak de lanzamientos en 2013
30
PRODUCTOS CON ADICIÓN DE MICROALGAS
PRESENTES EN EL MERCADO
31
32
OTROS PRODUCTOS COMERCIALES CON
ADICIÓN DE MICROALGAS
Jugo de saúco +
manzana + alga con
4% de Chlorella
Helados Funcionales
Galletas con harina
de microalgas
33
PRODUCTOS CON ADICIÓN DE MICROALGAS.
DESARROLLADOS EN INVESTIGACIÓN
34
The enrichment of raw control fresh
pastas with Ig and Dv biomass led
also to a significant increase of
eicosapentaenoic acid (20:5ω3, EPA)
and docosahexaenoic acid (22:6ω3,
DHA) that were absent in raw control
pastas
Preparation of a fresh pasta enriched with
Isochrysis galbana (Ig) microalga biomass (a).
Effect of microalgal biomass concentration
(Diacronema vlkianum) (Dv) on the appearance
of fresh pasta (b).
Pastas containing different levels of Spirulina
maxima (1) and Chlorella vulgaris green (2) and
orange (3) biomass.
35
Oil-in-water (o/w) pea protein-stabilized emulsions, a) without pigment addition
(control), b) with 0.50% (w/w) lutein, c) with 0.50% (w/w) phycocyanin, d) with both
pigments in equal proportion 50L:50P (0.50% total piment).
Oil-in-water food emulsions coloured with different concentrations of a) Haematococcus
pluvialis, b) Chlorella vulgaris green and c) Chlorella vulgaris orange biomass
36
Biscuits with Chlorella vulgaris biomass, a) at various concentration levels (0.0-3.0%), b) and
in comparison with Haematococcus pluvialis (pink) and Chlorella vulgaris (orange)
carotenogenic biomass addition.
Biscuits with different incorporation
levels (0.0%, 1.0%, 3.0%) of
Isochrysis galbana biomass.
Gelled vegetable desserts with incorporation of
microalgae biomass (a) and commercial pigments (b).
37
Yogur , Leches y
Helados
Salsas aderezos
(Mayonesas y cocktail)
Postres de Gelatinas
Haematococcus pluvialis
(Astaxantina)
Bebidas energizantes
Rellenos de bombones
Estudio reológico de la
oleorresina
Estudio de estabilidad
de la oleorresina
Pigmentos
Naturales
A partir de biomasa
de Microalgas
Murriellopsis sp
(Luteína)
Yogur y
Leches
Mayonesas
Productos lácteos
Porfiridium Cruentum
(Β-Ficoeritrina)
Chlrolella vulgaris
Salsas aderezos
(Mayonesas)
Rellenos de
bombones
Mayonesa
Spirulina
Tabletones dulces
38
Degradación de la astaxantina en el yogur
natural para un tiempo de 28 días.
Degradación de la astaxantina en el yogur
diet para un tiempo de 28 días.
39
40
Etapas para la obtención del microencapsulado
de aceite de microalgas y su aplicación.
Aceite de Microalgas (DHA > 35 %)
Selección de materiales
Formulación
Polisacáridos
- Maltodextrina
- Goma arábiga
Proteínas
- Caseinato de sodio
- Gelatina
Emulsificante
- Lecitina de Soya
Preparación de la
emulsión
Microencapsulado
Homogeneización de la
emulsión
Secado por aspersión
Materiales pared seleccionados para la
microencapsulación.
Recuperación de
microencapsulado
Empacado al vacío
Formulación para la emulsión
Componentes
generales
Porcentaje
(%)
Componentes
específicos
Participación en
la Fórmula (%)
Materiales Pared
46.5
Maltodextrina
27.9
Almacenamiento
Goma arábiga
Caseinato de sodio
18.6
46.5
Gelatina
Aceite de microalga
(DSM life´s)
46.5
7.0
Lecitina de Soya
7.0
Caracterización del
microencapsulado
Aceite de
Aplicación en matriz
alimentaria
microalga
Emulsificante
41
Microencapsulados con diferentes
cantidades de materiales pared
Secador por Aspersión B-290 (Büchi); (a) Vista frontal; (b) Esquema
representativo indicando partes y accesorios
Perfil de Ácidos Grasos del Aceite de Microalga rico en Omega-3
DMS life´s DHS
Nombre (Ácidos
Grasos)
C18:1n9t
C18:1n9c
C18:2n6t
C20:0
C18:3n6
C18:3n3
C20:2
C20:3n6
C20:3n3
(C22:1n9 + C20:4n6)
C23:0
C22:2
EPA (C20:5n3)
C24:0
C24:1
DHA (C22:6n3)
Tiempo de
retención (min)
16.465
16.811
17.267
18.550
19.453
19.613
20.966
22.488
22.602
23.112
23.532
24.028
24.577
25.421
26.131
28.171
Área
70378
14925
1101024
162011
20504
9265
28489
27286
9575
47994
6369
99827
111260
26829
1349396
3221848
Área
(%)
0.895
0.190
13.996
2.059
0.261
0.118
0.362
0.347
0.122
0.610
0.081
1.269
1.414
0.341
17.153
40.954
Composición de Ácidos Grasos del Aceite de
Microalga rico en Omega-3 DMS life´s DHS
42
Diferentes sabores de yogur con 50 g cada uno, y 0,5 g de
microencapsulados (500 mg de aceite de microalgas ≈ 200 mg de
DHA) y leches con 0,4 g microencapsulados (160 mg DHA)
Microencapsulado obtenido
con la mejor formulación
43
Elaboración de Emulsión de la oleorresina de astaxantina
Agitación mecánica –
Ultraturrax (UT)
Mezcla de fases
y calentamiento
Fase líquida
Agitación mecánica –
Ultraturrax (UT)
Adición de oleorresina
de astaxantina
Emulsión gruesa
Ultrasonido (US)
Emulsión fina
Fase sólida
Dilución de una gota
de emulsión en 100,
500 y 1000 µL
Observación y
medición de micelas
44
Pigmentación de Bebidas isotónicas con la
emulsión de astaxantina simulando las
coloraciones del mercado
Selección de Bebidas isotónicas
del mercado (“Controles”)
A
Amarillo
crepúsculo
, tartrazina
Amarillo
crepúsculo
Sin
colorantes
Rojo
allura AC
B
C
D
E
Rojo allura
AC
Coordenadas cromáticas
BIC
Naranja
Incolora
Roja
L*
a*
b*
(A)
47,43 ± 3,16a
24,00 ± 0,86a
78,21 ± 2,21a
(B)
46,57 ± 0,34a
22,58 ± 0,17b
75,41 ± 0,67a
(C)
61,72 ± 0,56
- 0,98 ± 0,13
1,74 ± 0,17
(D)
35,74 ± 1,32a
41,96 ± 0,34a
29,69 ± 2,17a
(E)
33,34 ± 0,17b
45,09 ± 0,06b
44,40 ± 0,45b
45
Características cromáticas de las Bebidas isotónicas
pigmentadas con la emulsión de astaxantina.
p
Coordenadas cromáticas
Peso de EOA (ppm)
BIP
L*
a*
b*
530
1
42,36 ± 0,06a
28,59 ± 0,04ª
39,54 ± 0,21a
992
2
35,07 ± 0,03b
35,49 ± 0,04b
48,56 ± 0,20e
1548
3
30,74 ± 0,05c
38,00 ± 0,06c
47,19 ± 0,16d
2076
4
28,17 ± 0,04d
38,80 ± 0,05d
44,31 ± 0,20c
2520
5
25,80 ± 0,03e
39,20 ± 0,06e
41,09 ± 0,17b
46
Pigmentación de mayonesa con oleorresina de astaxantina y cúrcuma.
Oleorresina de
Cúrcuma
*Huevo entero
*Aceite
*Limón
*Sal
Oleorresina de
Astaxantina
Mayonesa
prototipo
PERFIL DE ELUCIÓN DE LA OLEORRESINA EN
MAYONESA FORMULADA A, B Y C
47
Pigmentación de matrices alimentarias con astaxantina
microencapsulada en oleosomas (AMO)
Muestras de Helado pigmentado; M1 (2,4 % AMO) y M2 (4,5 % AMO) (a) (b).
Muestras de Yogurt natural pigmentado. De izquierda a derecha: M1 (Yogurt sin pigmentar) M2
(0,3% AMO); M3 (0,6% AMO); M4 (1,2% AMO); M5 (Yogurt comercial) (a) y (b).
48
Mayonesa casera sin AMO (a). Mayonesa casera pigmentada: De izquierda a derecha: M1
(0,09% AMO) y M2 (0,6% AMO) (b) y (c).
Pigmentación de base de mayonesa casera con AMO (M2), para simular
aderezo tipo Cocktail (M1) (a y b).
49
Pigmentación de Postres de gelatina con emulsión de
oleorresina de astaxantina
Muestra de gelatina pigmentada en la
cubeta de cuarzo del equipo ColorFlex
Gelatina Pigmentada con
emulsión de Astaxantina
50
Pigmentación de relleno de bombón
con oleorresina de astaxantina (OA)
Controlando en Bombón Final:
Oleorresina de
Astaxantina 5%
Elaboración de Bombón
• Derretido: 50±3°C
• Tiempo de fundido: 18±3 min
• Moldeo: 10°C/20min
Estrés lumínico, irradiación de luz blanca
artificial
fluorescente
de
forma
ininterrumpida de 20 W, muestras ubicadas
en zona central, siendo estas expuestas a
4700 Lux.
Se midió la influencia de OA, en la dureza del
relleno del bombón. Mediciones realizadas
con texturometro TA.XT.PLus. Comparando
bombones con/sin adición de OA
51
Pubicaciones Científicas (Base ISI: Corriente Principal)
Nº
AUTORES, AÑO Y TÍTULO
REVISTA
1
Cerezal, P.; Barragán, B.E.; Palma, J.C.; Ortíz, C.P. (2013). “MILKS PIGMENTATION WITH Journal of Food Science and
ASTAXANTHIN AND DETERMINATION OF COLOUR STABILITY DURING SHORT PERIOD Technology – Mysore. 52 (3): 1634
COLD STORAGE”.
- 1641
2
Cerezal, P.; Barragán, B.E.; Palma, J.C.; Ortíz, C.P. (2014). “STABILITY OF ASTAXANTHIN Food Science and Technology. 34
IN YOGURT USED TO SIMULATE APRICOT COLOR, UNDER REFRIGERATION”.
(3): 559 – 565
3
Villalobos, F.; Cerezal, P.; Hernández, M.L.; Barragán, B.E. (2013). “PRODUCTION AND International Journal of Food
STABILITY OF WATER-DISPERSIBLE ASTAXANTHIN OLEORESIN FROM PHAFFIA Science and Technology; 48 (6):
RHODOZYMA”.
1243 - 1256
Pubicaciones Científicas (Base Scielo: Corriente Principal Latinoamérica)
Nº
AUTORES, AÑO Y TÍTULO
REVISTA
Letelier, J.C.; Tejo, M.; Cerezal, P. (2014). “STUDY OF CHEMICAL DEGREE Revista de la Facultad Nacional
1 MODIFICATION OF PROTEIN ISOLATED FROM THE MICROALGAE SPIRULINA (Arthrospira de Agronomía de Medellín. 67 (2)
maxima)”.
Supl. II: 668 - 670.
2
Revista de la Facultad Nacional
Letelier, J.C.; Marqués de Lucena, S. (2014). “CHARACTERIZATION OF THE PROTEIN
de Agronomía de Medellín. 67 (2)
FRACTIONS FROM THE MICROALGAE SPIRULINA (ARTHROSPIRA MAXIMUM)”
Supl. II: 741 - 743
52
Observaciones finales y perspectivas futuras.
Las microalgas son una fuente de un gran número de compuestos
naturales de alto valor: pigmentos, PUFAs, carbohidratos,
proteínas y otros, que tienen una amplia gama de aplicaciones
como IF.
Las microalgas como biorreactores tienen ventajas sobre las
bacterias, levaduras, plantas, y otros sistemas para la producción
de moléculas biológicamente activas, incluyendo: la sostenibilidad,
la seguridad, los métodos de cultivo alternativos y escalabilidad.
Persiste un gran número de “cuellos de botella” que deben
resolverse antes que las microalgas puedan desplazarse de un
nicho de mercado hacia el uso a gran escala como Commodities
de Alimentos.
Para los ingredientes derivados de las microalgas, se necesitan
realizar serios esfuerzos de I + D y una mayor comprensión por
parte de los consumidores, así como campañas de mercado para
promover sus ventajas y su aceptabilidad.
53
54