Desarrollo tecnológico de una harina de plátano adicionada con probióticos y prebióticos utilizando el secado por ventana de refractancia

Abstract

El plátano es un alimento primordial en países tropicales, produciendo un impacto sobre la seguridad alimentaria. La generación de valor en la agrocadena a partir de la aplicación de nuevas tecnologías o tecnologías mejoradas contribuye a mejorar su competitividad, al desarrollar ingredientes alimentarios con múltiples aplicaciones y alimentos con potencial funcional y ente ellos alimentos funcionales probióticos (AFP). Estos han ganado popularidad en los últimos años debido a sus beneficios sobre la salud, sobre todo en las esferas digestiva, cardiovascular, inmunitaria y mental de los consumidores. El vehículo tradicional de los alimentos probióticos han sido las matrices lácteas, sin embargo, la intolerancia a la lactosa, cada vez más frecuente, limita su consumo. Esto ha impulsado la exploración de matrices no lácteas para la producción de AFP. La presente investigación fue desarrollada por los grupos de investigación en Bacterias Ácido Lácticas y sus Aplicaciones Biotecnológicas e Industriales (GIBALABI) y en Alimentos Funcionales (GAF), adscritos a la Universidad Nacional de Colombia, y en alianza con la Universidad de Caldas y Tecnoparque SENA seccional Caldas, en el marco del proyecto de investigación “Evaluación de los cambios físicos, estructurales y funcionales ocurridos en el almidón durante la aplicación de tratamientos tecnológicos en el proceso de obtención de un alimento funcional probiótico a base de harina de plátano”. El objetivo de la presente investigación fue desarrollar una harina de plátano adicionada con prebióticos y probióticos, usando la tecnología de ventana de secado, una tecnología de secado no convencional, que busca conservar las características fisicoquímicas, tecno-funcionales, microbiológicas y funcionales de los alimentos. Para lograr este objetivo, se plantea la realización de una revisión de literatura acerca de las matrices no lácteas empleadas para producir AFP en el capítulo 1, seguido de una etapa experimental para desarrollar la harina de plátano adicionada con prebióticos y probióticos en el capítulo 2. En el capítulo 1 se realizó una revisión bibliográfica reciente (últimos 10 años) acerca de las matrices alimenticias no lácteas que se han explorado para producir AFP. La revisión examina el estado del arte en términos de matrices no lácteas y su impacto sobre la viabilidad celular, además de abordar parámetros de selección y uso de probióticos en alimentos. También se mencionan aspectos generales acerca de los beneficios que otorgan los AFP sobre la salud y plantea perspectivas futuras que justifican la necesidad de seguir investigando en este campo del conocimiento, como es el caso del reciente descubrimiento de los paraprobióticos (probióticos no viables o sus fracciones y componentes celulares libres) y su efecto sobre las características fisiológicas mejoradas, constituyendo el inicio de la ruptura del paradigma de requerir garantizar alta viabilidad celular de los probióticos para la manifestación de beneficios fisiológicos en los consumidores. Estos hallazgos plantean nuevas perspectivas en el desarrollo de AFP en general, abriendo un campo de investigación poco explorado hasta el momento. En el capítulo 2 se llevó a cabo la investigación experimental de producción de harina de plátano adicionada con prebióticos y probióticos, desarrollada en tres fases a escala laboratorio. En la primera fase, se evaluó la estabilidad fisicoquímica de tres suspensiones de plátano verde sin probióticos (SPSP) formuladas con distintas fracciones másicas de sólidos totales aportados por el plátano (XTS) (0.18 – 0.24), y adicionada con encapsulantes (maltodextrina) (MD) (1,58 %p/p), prebiótico (inulina) (INU) (1,58 %p/p) y acidulante (ácido cítrico) (AC) (0,32 %p/p), utilizando un diseño unifactorial completamente aleatorizado, considerando las variables dependientes: humedad (Xw), sólidos totales (TS), sólidos solubles (SS), viscosidad (μ) y potencial Z (ζ). Los resultados de Xw, μ y ζ señalaron una mayor estabilidad fisicoquímica en las SPSP con XTS = 0.24 en comparación con 0.18 y 0.21, obteniendo una suspensión con los siguientes atributos fisicoquímicos: Xw = 75,3 ± 0,8%, TS = 24,7± 0,82%, SS = 4.6± 0.0°Bx, μ = 844,7 ± 25,3 cP y ζ = -25,2 ± 0,8 mV. Sin embargo, el ANOVA no mostró diferencias significativas (p<0.05) de ninguna variable dependiente con respecto a XTS, mientras que la prueba de Diferencia Mínima Significativa (LSD) mostró diferencias significativas (p<0.05) entre los valores de Xw y TS obtenidos a una XTS de 0.21 y 0.24. Esto indicó que las tres formulaciones se comportaron estadísticamente como un solo grupo homogéneo, por lo que XTS fue considerada como variable independiente en el diseño experimental del proceso de secado de la fase 2; En la segunda fase se desarrolló una harina de plátano adicionada con prebióticos y probióticos, utilizando la tecnología de secado por ventana de refractancia (RWD). Se evaluó el proceso de RWD de las SPSP, utilizando la metodología de superficie de respuesta con un diseño experimental central compuesto cara centrada (α=1) (20 experimentos), considerando las variables independientes: fracción másica de sólidos totales aportados por el plátano (XTS) (0.18 – 0.24), temperatura del agua de calentamiento (T) (50 – 70°C) y tiempo de secado (t) (2 – 3 h), y las variables dependientes: humedad (Xw), actividad de agua (aw), solubilidad (S), higroscopicidad (Hy), humectabilidad (We), tamaño de partícula (D[3,2]) y ángulo de reposo (α). El ANOVA demostró diferencias significativas (p<0.05) de la Xw, aw y Hy con respecto a XTS, T y t y a sus interacciones lineales, ya que altas T favorece la difusión del agua en el producto y, al mismo tiempo, bajos t produce una menor fuerza motriz a la transferencia de calor que deriva en la evaporación efectiva del agua, mientras la monocapa del producto queda saturada por falta de afinidad del almidón y otros carbohidratos de plátano hacia el agua, evitando beneficiar su capacidad de adsorción. Las condiciones óptimas de proceso de RWD fueron XTS=0.24, T=68°C, t=2 h, con las que se obtiene una harina de plátano sin probióticos (HPSP) con los siguientes atributos de calidad: Xw = 5,1%, aw = 0,163, S = 17,4%, Hy = 14,5%, We = 38,0 s, D[3,2] = 79,3 μm, α = 14,9°. Una vez obtenida la formulación con mejores características tecno-funcionales y las condiciones óptimas de proceso, se incorporó la biomasa probiótica (Bacillus coagulans ATCC 7050) al 2, 4, 6 y 8%p/p a la SPSP. La suspensión de plátano verde con probióticos (SPCP) fue secada a las condiciones óptimas del proceso de RWD para producir una harina de plátano verde con probióticos (HPCP) con una concentración celular probiótica (N) de 10,4 ± 0,6 Log UFC/g, y viabilidad celular máximas del 91,12% con un 8%p/p de biomasa adicionada; el mayor rendimiento de encapsulación (RE) (16.97%) fue obtenido al agregar un 2% p/p de biomasa a la HPSP; En la tercera fase se evaluó el almacenamiento de la HPCP obtenida con la mayor viabilidad, utilizando un diseño factorial completamente aleatorizado en función de las variables independientes: t (0, 1, 2, 3, 4, 5 y 6 meses) y temperatura de almacenamiento (T) (15, 25 y 35 °C), y de las variables dependientes: Xw, aw, S, Hy, We, α y N. La optimización del secado por ventana de refractancia de SPCP garantizó la conservación de los atributos fisicoquímicos, tecno-funcionales y funcionales probióticos de la HPCP durante todo el almacenamiento, mostrando las siguientes características a los 6 meses: Xw = 7,2 ± 0,08%, aw = 0,331 ± 0,002, S = 16,2 ± 0,91%, Hy = 5,91 ± 0,03, We = 100,35 ± 6,64 s y α = 16,02 ± 1,67°. N solo pudo ser evaluada hasta el quinto mes de almacenamiento, en el que arrojó un valor de 8.02 ± 0,73 Log UFC/g a 15°C. Este estudio representa una herramienta científica para el desarrollo de una harina de plátano fortificada con prebióticos y probióticos, en el que se incursionó en una metodología no convencional de procesamiento, se describió el efecto de las interacciones de los componentes del sistema y su relación con las características del polvo y se estimó la vida útil de la harina. Como conclusión general, la aplicación del secado por ventana de refractancia para la producción de una harina de plátano fortificada con prebióticos y probióticos generó un producto fisicoquímicamente estable en el tiempo, y logró desarrollar propiedades tecno-funcionales que le confieren versatilidad como insumo para diversos sectores de la industria agroalimentaria. (Tomado de la fuente)

Plantains are a dietary mainstay in tropical countries, exerting a profound influence on food security. The generation of value in the agri-chain from the application of new or improved technologies contributes to an improvement in competitiveness by developing food ingredients with multiple applications and foods with functional potential, including probiotic functional foods (PFA). Such products have gained popularity in recent years due to their purported health benefits, particularly in digestive, cardiovascular, immune, and mental health. The conventional medium for probiotic foods has been dairy matrices. However, the rising prevalence of lactose intolerance has constrained their consumption. This has prompted the exploration of non-dairy matrices to produce probiotic foods. This research was conducted by the research groups in “Bacterias Ácido Lácticas y sus Aplicaciones Biotecnológicas e Industriales” (GIBALABI) and in “Alimentos Funcionales” (GAF), which are attached to the Universidad Nacional de Colombia, and in collaboration with the University de Caldas. As part of the research project "Evaluation of the physical, structural, and functional changes occurring in starch during the application of technological treatments in the production of a probiotic functional food based on banana flour," the Tecnoparque SENA Caldas section has conducted an analysis. The objective of this research was to develop a plantain flour fortified with prebiotics and probiotics, using the refractance window drying technology, a non-conventional drying technology, seeking to preserve the physicochemical, techno-functional, microbiological, and functional characteristics of foods. To achieve the proposed objective, a comprehensive literature review of non-dairy matrices utilized in the production of PFA will be conducted in Chapter 1. This will be followed by an experimental stage in Chapter 2, during which banana flour will be developed with the addition of prebiotics and probiotics. In Chapter 1, a comprehensive literature review was conducted on the recent (within the past ten years) exploration of non-dairy food matrices to produce PFA. The review examines the current state of the art in terms of non-dairy matrices and their impact on cell viability, as well as addressing the parameters of selection and use of probiotics in foods. Furthermore, the text mentions general aspects of the health benefits of PFAs and raises future perspectives that justify the need for further research in this field of knowledge. For example, the recent discovery of paraprobiotics (non-viable probiotics or their fractions and free cellular components) and their effect on improved physiological characteristics represents a significant departure from the traditional paradigm of requiring high cell viability of probiotics for the manifestation of physiological benefits in consumers. These findings introduce new avenues for the development of PFAs in general and provide a foundation for further research in this relatively unexplored field. In Chapter 2, the experimental research on producing banana flour with prebiotics and probiotics was carried out in three phases at a laboratory scale. In the initial phase, the physicochemical stability of three green plantain suspensions without probiotics (SPSP) formulated with varying mass fractions of total solids contributed by plantain (XTS) (0.18-0.24) and supplemented with an encapsulant (maltodextrin) (MD) (1.58% w/w), a prebiotic (inulin) (INU) (1.58 % w/w) and acidulant (citric acid) (AC) (0.32 % w/w). The experiment was conducted using a completely randomized one-factorial design. The dependent variables were moisture (Xw), total solids (TS), soluble solids (SS), viscosity (μ), and Z potential (ζ). The results of Xw, TS, and ζ measurements indicated a higher degree of physicochemical stability in the SPSPs with XTS = 0.24 compared to those with 0.18 and 0.21. The resulting suspensions exhibited the following physicochemical attributes: Xw = 75.3 ± 0.8%, TS = 24.7 ± 0.82%, SS = 4.6 ± 0.0°Bx, μ = 844.7 ± 25.3 cP and ζ = -25.2 ± 0.8 mV. Nevertheless, the ANOVA results indicated no statistically significant differences (p < 0.05) in any of the dependent variables concerning XTS. Conversely, the LSD test revealed that there were statistically significant differences (p < 0.05) between the Xw and TS values obtained at an XTS of 0.21 and 0.24. This indicated that the three formulations behaved statistically as a single homogeneous group. Consequently, XTS was considered an independent variable in the experimental design of the Phase 2 drying process. In the second phase of the study, an unripe plantain flour fortified with prebiotics and probiotics was developed using refractance window drying (RWD) technology. The suitability of the RWD process to produce SPSPs was evaluated using response surface methodology with a face-centered (α=1) central composite experimental design (20 experiments), considering the independent variables: mass fraction of total solids contributed by banana (XTS) (0. 18 - 0.24), water temperature (T) (50 - 70°C) and time (t) (2 - 3 h), and the dependent variables: moisture (Xw), water activity (aw), solubility (S), hygroscopicity (Hy), wettability (We), particle size (D[3,2]) and angle of repose (α). The ANOVA demonstrated statistically significant differences (p<0.05) in Xw, aw, and Hy concerning XTS, T, and t, as well as their linear interactions. High T facilitates the diffusion of water in the product, while simultaneously, low t results in a reduced driving force for heat transfer, leading to the effective evaporation of water. However, the monolayer of the product remains saturated due to the lack of affinity of starch and other plantain carbohydrates for water, which hinders the adsorption capacity. The optimal RWD process conditions were XTS=0.24, T=68°C, t=2 h, resulting in the production of a plantain flour without probiotics (HPSP) with the following quality attributes: Xw = 5,1%, aw = 0,163, S = 17,4%, Hy = 14,5%, We = 38,0 s, D[3,2] = 79,3 μm, α = 14,9°. Once the formulation with the optimal techno-functional characteristics and process conditions had been established, the probiotic biomass (Bacillus coagulans ATCC 7050) was incorporated at 2, 4, 6, and 8% w/w into the SPSP. The green plantain suspension with probiotics (SPCP) was subjected to an RWD process to produce a green plantain flour with probiotics (HPCP) with a probiotic cell concentration (N) of 10.4 ± 0.6 Log CFU/g and a maximum cell viability of 91.12% with 8% w/w of biomass added. The highest encapsulation yield (RE) (16.97%) was obtained by adding 2% w/w of biomass to the HPSP; In the third phase, the storage of HPCP obtained with the highest viability was evaluated using a completely randomized factorial design as a function of the independent variables, namely t (0, 1, 2, 2, 3, 4, 5, and 6 months) and storage temperature (T) (15, 25 and 35 °C), and the dependent variables: Xw, aw, S, Hy, We, α and N. The optimization of SPCP refractance window drying ensured the preservation of the probiotic's physicochemical, techno-functional, and functional attributes throughout the storage period. At six months, the following characteristics were observed: Xw = 7,2 ± 0,08%, aw = 0,331 ± 0,002, S = 16,2 ± 0,91%, Hy = 5,91 ± 0,03, We = 100,35 ± 6,64 s y α = 16,02 ± 1,67°. The evaluation of N was only possible until the fifth month of storage, at which point it yielded a value of 8.02 ± 0.73 Log CFU/g at 15°C. This study represents a scientific tool for the development of a banana flour fortified with prebiotics and probiotics, in which a non-conventional processing methodology was ventured, the effect of the interactions of the system components and their relationship with the characteristics of the powder was described, and the shelf life of the flour was estimated. As a general conclusion, the application of refractory window drying to produce a banana flour fortified with prebiotics and probiotics generated a product that is physicochemically stable over time and managed to develop techno-functional properties that confer versatility as an input for various sectors of the agri-food industry.