Nueva bebida funcional, con bajo contenido en azúcar y alto contenido en fitoquímicos bioactivos, optimizando su calidad, procesado y seguridad alimentaria mediante análisis multi-criterio

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Actualmente, existe, en la sociedad, una gran concienciación en cuanto a una dieta saludable que integre, entre otros, productos derivados de frutas y hortalizas, dada su relevancia nutricional y sus posibles beneficios para la salud, ya que pueden reforzar el sistema inmunológico y ayudar a prevenir enfermedades crónicas. Por otra parte, existe una gran cantidad de estudios epidemiológicos que demuestran la relación existente entre el consumo de bebidas azucaradas y un mayor riesgo de padecer enfermedades como obesidad, diabetes mellitus o cardiovasculares, entre otras. Así, existe la necesidad creciente en reducir la ingesta excesiva de azúcares, a través de bebidas, lo que ha llevado al desarrollo de unas nuevas alternativas, con una base de frutas, como fuentes de compuestos bioactivos, que sean fáciles de consumir, preserven los nutrientes y reduzcan el contenido glicémico de las comerciales azucaradas. En este contexto, tanto los cítricos como las bayas, han demostrado poseer potencial para prevenir y reducir la incidencia, prevalencia y gravedad de enfermedades crónicodegenerativas. Una estrategia para reducir el contenido en azúcares en las bebidas a base de frutas, es la obtención del dulzor mediante el uso de ingredientes alternativos a los azúcares de rápida absorción, tanto de tipo natural (estevia) como artificial (sucralosa). En este sentido, la sustitución del azúcar por edulcorantes supone una modificación importante de parámetros relacionados con la estabilidad y seguridad microbiológica, por lo que el desarrollo de estas nuevas formulaciones debe ser evaluado minuciosamente. Una vez observadas en una tesis previa, diferencias en la bioaccesibilidad y biodisponibilidad de compuestos bioactivos, tras la ingesta de una bebida de cítricos y maqui (rica en flavonoides como flavanonas y antocianos), procesada mediante pasteurización, según el endulzante empleado, nos planteamos la posibilidad de mejorar la conservación mediante modificaciones del procesado y de las condiciones de almacenamiento de dicha bebida. En este sentido, actualmente, no se han descrito comparaciones sistemáticas de diferentes tratamientos tecnológicos para la elaboración y conservación de las bebidas. El tratamiento térmico convencional (pasteurización) sigue siendo la tecnología más empleada, si bien presenta algunas desventajas, como la degradación de la calidad general de las bebidas, que afecta al perfil fitoquímico, sensorial y físico-químico, repercutiendo en la funcionalidad de las mismas. Debido a lo anterior, en la actualidad se están implantando nuevas tecnologías tanto no térmicas, (p.ej., altas presiones hidrostáticas, con gran éxito a nivel mundial), como térmicas (destacando la tecnología de microondas). No obstante, para un uso correcto en el desarrollo de nuevos productos, hay que evaluar el impacto de dichos tratamientos en el grado de inactivación microbiológico, de forma que garanticen la seguridad y estabilidad durante la vida útil, además de minimizar la alteración de los perfiles físico-químico, sensorial y fitoquímico, durante el procesado y el almacenamiento. Por ello, el objetivo general planteado en esta tesis ha sido optimizar diferentes parámetros para elaborar una bebida con propiedades saludables (rica en compuestos bioactivos), atractiva sensorialmente y segura. Para su consecución se han estudiado posibles alternativas a los carbohidratos de rápida absorción, con el fin de disminuir el consumo de estos azúcares en la población. La bebida, previamente diseñada a base de zumos cítricos, enriquecida con maqui y endulzada con sacarosa, estevia o sucralosa, se sometió a diferentes tipos de procesado alternativos a la pasteurización (altas presiones y microondas) para garantizar su conservación. De forma preliminar se quiso profundizar en las reacciones químicas que tienen lugar durante el procesado y el almacenamiento. Para conseguir este objetivo, se procedió a estudiar las interacciones entre los compuestos fitoquímicos (antocianos, flavanonas y vitamina C) y los diferentes endulzantes añadidos (estevia, sucralosa y sacarosa) en un sistema modelo (artículo I). Los resultados de esta investigación confirmaron las interacciones entre compuestos fitoquímicos (p.ej., antocianos y vitamina C, presentes de forma natural en las bebidas de frutas), descritos previamente. En relación con los endulzantes, se observó que la sacarosa presenta un efecto protector sobre la degradación de los flavonoides, mientras la sucralosa producía el efecto contrario, sobre todo en relación con las flavanonas, observándose una degradación intermedia con la adición de estevia. Por tanto, no se recomienda la adición de sucralosa en bebidas cítricas, lo que descartó su inclusión en los estudios posteriores realizados en el marco de esta tesis doctoral. Este resultado podría extrapolarse a otras bebidas derivadas de frutos rojos o cítricos. En resumen, es importante llegar a un consenso dependiendo del tipo de matriz de las bebidas y de los compuestos funcionales que se quieran conservar. Una vez establecidas las reacciones químicas y la influencia del endulzante, para alcanzar el objetivo principal de la tesis, se abordó la relación procesado/endulzante con respecto a la estabilidad microbiológica y la conservación de los parámetros fisicoquímicos y fitoquímicos en las bebidas. Así, en primer lugar, se evaluó la influencia de la adición de un edulcorante natural no calórico (estevia) a las bebidas de cítricos/maqui, previamente optimizadas y procesadas mediante pasteurización convencional (TP), en comparación con la bebida control (con sacarosa), conservadas a temperatura de refrigeración o ambiente, con distintas condiciones de iluminación (luz y oscuridad) (artículo II). Con ello se pretendía estudiar el valor de la estevia como una alternativa no calórica natural a la sacarosa, determinando la posible influencia sobre los compuestos bioactivos de los endulzantes, tras el procesado térmico y el almacenamiento. Los resultados indicaron perfiles físico-químico y fitoquímico coincidentes, independientemente del endulzante utilizado, manteniendo un alto contenido en moléculas bioactivas. Por tanto, se concluyó que la estevia es una alternativa adecuada al azúcar para este tipo de bebidas, sometidas a los procesados considerados. Sin embargo, la temperatura de almacenamiento fue identificado como un factor crítico, en la degradación de la calidad general, por lo que el almacenamiento recomendado es en refrigeración, no siendo determinantes las condiciones de iluminación. En base a estos resultados, se procedió a buscar alternativas no térmicas empleadas por la industria, concretamente el procesado por altas presiones hidrostáticas (HHP). Para ello se desarrolló un estudio comparativo de las dos condiciones industriales de HHP usadas preferentemente, con la pasteurización convencional (TP) (artículo III). Dado que los resultados habían sido similares entre bebidas con sacarosa y estevia independientemente de las condiciones lumínicas, este estudio se centró en bebidas endulzadas con sacarosa, almacenadas en las mismas condiciones de temperatura, considerando el mismo periodo de almacenamiento que en el estudio anterior. Los resultados indicaron que el uso de la tecnología HHP puede ser una alternativa a la pasteurización convencional, pues garantiza la seguridad alimentaria, logrando reducir la carga microbiana inicial y manteniendo la estabilidad microbiológica durante todo el periodo de vida útil. Además, las bebidas procesadas con HHP mostraron una menor degradación de las flavanonas y los antocianos durante el almacenamiento a baja temperatura y una mejor conservación de la intensidad del color. El perfil cuantitativo fitoquímico tras el almacenamiento no varió dependiendo del sistema de procesado, ya que inmediatamente después de la pasteurización, se produce un aumento de estos compuestos fitoquímicos. Por tanto, la tecnología HHP puede ser una alternativa a la TP para la elaboración de este tipo de bebidas. Finalmente, en el último trabajo, se profundizó en el efecto de nuevas tecnologías térmicas, alternativas a la TP, eligiendo, en este caso, el tratamiento por microondas (MW), a diferentes intensidades (artículo IV). Las bebidas endulzadas con sacarosa o estevia se almacenaron a temperatura ambiente, durante 60 días. El estudio indicó que no existían diferencias entre MW y TP, pues todos los tratamientos aseguraban la seguridad microbiológica de las bebidas, durante todo el periodo de almacenamiento. Por otro lado, el tratamiento con MW, a diferentes intensidades, logró incrementar la concentración de los flavonoides inmediatamente después del procesado, aunque en menor proporción que la TP. Durante el estudio de la vida útil, todas las bebidas presentaron tasas de degradación similares para estos compuestos. Con respecto a los edulcorantes, cabe destacar que, tras el procesado, las bebidas elaboradas con sacarosa tuvieron una degradación mayor de vitamina C que las edulcoradas con estevia. Sin embargo, los antocianos permanecieron más estables en aquellas que contenían sacarosa, confiriendo a las bebidas un tono rojizo final más atractivo para el consumidor. Por tanto, teniendo en cuenta estos resultados, el tratamiento de MW se presenta como alternativa viable y eficaz a los tratamientos térmicos convencionales (TP), para la obtención de bebidas con un alto contenido en compuestos beneficiosos para la salud, aun cuando el efecto final dependerá del tipo de fitoquímico que contenga la bebida que se quiera formular.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Nowadays, in our society, there is growing awareness regarding the importance of integrating fruit and vegetable-derived products into diets, given their nutritional relevance and potential health benefits, as they can bolster the immune system and prevent chronic diseases. On the other hand, there is much literature, related to epidemiological studies, demonstrating a relationship between the consumption of sugary drinks and a higher risk of disorders such as obesity, diabetes mellitus, or cardiovascular diseases. Thus, there is a growing need to reduce excessive sugar intake through sugar-sweetened beverages while increasing the intake of fruits and vegetables. This has led to the development of new beverages based on fruits as sources of bioactive compounds that are easy to consume, preserve nutrients, and reduce the glycemic content of commercial sugar-sweetened beverages. In this context, both citrus fruits and berries have shown the potential to prevent and reduce the incidence, prevalence, and severity of chronic-degenerative diseases. One strategy to reduce the sugar content in fruit-based beverages is to obtain sweetness by using alternative ingredients to rapidly absorb sugars, from both natural (stevia) or artificial (sucralose). In this sense, replacing sugar with other sweeteners modifies stability and microbiological safety. However, these new formulations must be carefully evaluated. In this sense, having observed in a previous thesis that there are differences, after ingestion of a citrus-maqui beverage (rich in anthocyanins and flavanones), in the bioaccessibility and bioavailability of bioactive compounds, with differences depending on the sweetener used, the possibility of improving preservation during processing together with storage conditions, should be taken into consideration. Besides, different technological treatments have not been systematically compared concerning their contribution to the production and preservation of beverages. In this sense, conventional thermal treatment (pasteurization) is the most used technology. However, this processing alternative has some disadvantages, such as degradation of the overall quality of beverages, affecting the phytochemical composition, sensory, and physicochemical profiles, and, thus, altering the general quality. Therefore, new processing technologies, non-thermal (such as HHP) or thermal treatments, which allow more efficient heat application (highlighting MW technology), are being implemented in the last few years. Nevertheless, for their correct use in the processing of new products, their impact on microbiological inactivation levels must be evaluated, ensuring safety and stability during shelf life, and minimising alterations on physicochemical or sensory parameters, and bioactive phytochemical compounds, during processing and storage. Therefore, the general objective of this Thesis has been to assay different parameters, to optimise the previously developed healthy beverage (rich in bioactive compounds), sensorially attractive and safe. To achieve this goal, possible alternatives to rapidly absorbed carbohydrates have been studied, to reduce the consumption of these sugars in the population. For this purpose, the beverage, previously designed based on citric juices enriched with maqui and sweetened with sucrose, stevia or sucralose, was subjected to different processing alternatives to TP (HHP and MW). Previously to studying the influence of processing factors, the study in depth regarding the chemical reactions that take place during processing and storage was approached. For that, a model system study was carried out. This shed light on the interactions between phytochemical compounds (anthocyanins, flavanones, and vitamin C), and the different added sweeteners (stevia, sucralose, and sucrose) (article I). The main results retrieved confirmed the interactions between phytochemical compounds (naturally present in fruit drinks, such as anthocyanins and vitamin C), previously described. About the sweeteners, it was observed that sucrose had protective effects on the flavonoid degradation, while sucralose had the opposite effect, especially on flavanones, being intermediate the degradation when stevia was added. Therefore, the addition of sucralose to citrus beverages would not be recommended. This sweetener was not considered for further studies in the frame of the present thesis. This could be extrapolated to additional soft drinks derived from red or citrus fruits. In summary, it is important to reach a consensus depending on the type of beverage matrix and which functional compounds are to be preserved. Once the chemical reactions and the influence of the sweetener were established, to achieve the main objective of the thesis, the relationship between processing and sweetener concerning microbiological stability and the preservation of physicochemical and phytochemical parameters in beverages was evaluated. Thus, first, the influence of adding a non-caloric natural sweetener (stevia) to citrus/maqui beverages, previously optimised and processed through conventional pasteurization (TP), was evaluated in comparison to the control beverage (with sucrose), stored at refrigeration or room temperature, under different lighting conditions (light and darkness) (article II). The aim was to investigate whether stevia could be a natural non-caloric alternative to sucrose, determining its possible influence on the bioactive compounds of the sweeteners, after thermal processing and storage. The results indicated that the physicochemical and phytochemical profiles were identical regardless of the sweetener, maintaining a high content of bioactive molecules. Therefore, stevia is a suitable alternative to sugar with this type of processing and beverage. However, storage temperature was confirmed to be a critical factor concerning the degradation of overall quality, hence, recommended storage is under refrigeration, with lighting conditions not being a determining factor. Based on these results, in a third work, related to the processing technique, a nonthermal alternative, commonly used by the industry, was assayed: HHP (article III). To achieve this objective TP was compared with two preferably industrial conditions. Since previous results were similar between sucrose and stevia drinks, under different light conditions, this study was only focused on sucrose-sweetened beverages stored under the same temperature and time conditions as in the previous studies. In this case, results indicated that using the HHP technology can be an alternative to TP concerning food safety, reduction of the initial microbial load, and maintaining microbiological stability throughout the shelf life. In addition, beverages processed with HHP showed less degradation of flavanones and anthocyanins during the storage period at low temperatures, with better preservation of colour intensity. However, the concentration after storage was not significantly different between processing alternatives since immediately after TP, the phytochemical burden increased. Therefore, HHP technology can be an alternative to TP for producing this type of beverage. Finally, in the last work, the effect of new thermal technologies, alternatives to TP, was studied in depth, choosing, in this case, MW treatment, at two different intensities (article IV). Beverages sweetened with sucrose or stevia were stored at room temperature for 60 days. The study indicated that there were no significant differences between MW and TP, as all treatments ensured the microbiological safety of the beverages throughout the storage period. On the other hand, MW, at different intensities, was also able to augment the flavonoid concentration immediately after processing, although to a lesser extent than TP. However, during shelf life, all beverages showed similar degradation rates in these compounds. With regard to sweeteners, it is noteworthy that, after processing, beverages with sucrose had a slightly higher degradation of vitamin C than those sweetened with stevia. However, anthocyanins remained more stable in beverages containing sucrose, giving them a final reddish hue that was more attractive to consumers. Taking these results into account, MW treatment is presented as a viable and effective alternative to conventional heat treatments for obtaining beverages with a high content of health-promoting compounds. Nevertheless, the bioactive compound present in the food matrix must be considered.

Author

• Salar Giménez, Francisco José

• Ciencias de la vida
• Tecnología de los alimentos
• Conservación de los alimentos
• Edulcorantes
• Compuestos fenólicos
• Tecnologías emergentes
• Cítricos
• Maqui berry

Identifier

hdl:10317/17462

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/17462