aplicación de bioprocesos en polen de abejas para el desarrollo de un suplemento nutricional

225 Pages·2010·6.52 MB·Spanish

by  Carlos Fuenmayor

APLICACIÓN DE BIOPROCESOS EN POLEN DE ABEJAS PARA EL DESARROLLO DE UN
SUPLEMENTO NUTRICIONAL PROTEICO

CARLOS ALBERTO FUENMAYOR BOBADILLA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE BOGOTÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
MAESTRÍA EN INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ, D.C.
2009
APLICACIÓN DE BIOPROCESOS EN POLEN DE ABEJAS PARA EL DESARROLLO DE UN
SUPLEMENTO NUTRICIONAL PROTEICO

CARLOS ALBERTO FUENMAYOR BOBADILLA

Tesis para optar al título de M.Sc. en Ingeniería Química
Área de Bioprocesos

Directora
MARTHA CECILIA QUICAZÁN
Ingeniera Química, M.Sc.

Codirector
LUIS ALFONSO CAICEDO
Ingeniero Químico, D.Sc.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE BOGOTÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
MAESTRÍA EN INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ, D.C.
2009
Nota de aceptación 
       ________________ ___________ 
___________________________ 
___________________________ 
___________________________ 
___________________________ 

___________________________ 
                 Ing. M.Sc. Martha C. Quicazán     
                                                    Directora del proyecto 

___________________________ 
                 Ing. D.Sc. Luis Alfonso Caicedo     
                                                      Codirector del proyecto 

___________________________ 
                 Ing. M.Sc. Néstor Algecira 
                                              Jurado del trabajo 

___________________________ 
                 Ing. Ph.D. Juan Carlos Serrato 
                                         Jurado del trabajo 

Bogotá, D.C., diciembre de 2009 

i
AGRADECIMIENTOS 

El autor desea expresar su agradecimiento sincero a:  
La profesora Martha Quicazán, quien no solamente ha dirigido con esmero y entusiasmo este 
proyecto, sino que ha sido, en muchos más aspectos, una guía, un apoyo y, sobre todo, un ejemplo 
a seguir para mí y para todos quienes trabajamos con ella.  
A la profesora Judith Figueroa por haberme dado la oportunidad de trabajar con ella y su equipo, 
por haberme atendido de manera tan generosa todas mis inquietudes y por abrir las puertas de su 
laboratorio a todas las horas posibles. Al profesor Luis Caicedo por haber aportado todo su interés, 
experiencia y conocimiento a lo largo del desarrollo de mi maestría y de este proyecto 
A  la  profesora  Consuelo  Díaz,  por  el  apoyo  incondicional  que  recibí  en  este  trabajo  y 
especialmente por su amistad.  
A todos los compañeros y amigos de la maestría, en especial a Angélica y Paola quienes estuvieron 
siempre allí para brindar su apoyo y su amistad. 
Al profesor Carlos Novoa y a los compañeros y grandes amigos del ICTA, especialmente a Carlos Z., 
a Márgara, a Nathalia, a Moni, a Christian, a Juliana, a Ariel, a Josecito, a Álvaro, a Clara Nidia, a 
Elihú, a Salomón, a Genaro, a Yeimy, a Camilo, a Gregorio, a Jairo, a Martha F., a Javier M., a los 
profes William, Luis Felipe y Martha H. También a Divian, a César a Andrés y a Vivi. Ellos han hecho 
mucho por este proyecto, desde ayudarme a inyectar, pesar, secar, liofilizar, entender, filtrar y 
programar, hasta compartir un tinto y un abrazo en el momento preciso.  
A mis amigas y compañeras de trabajo Adriana y Alejandra, por su invaluable aporte al proyecto y 
por haberme enseñado cosas tan valiosas y memorables. 
Al profesor Saverio Mannino y a Matteo quienes me enseñaron tanto. Al IILA por su invaluable 
apoyo. 
A mis amigos y familiares especialmente a mi madre y a mis tías Charo y Margui, a Merce y Clau, a 
Javier, Adriana, Olguita, Édgar, Yovz, Mauricio y Guillermo. A quienes apoyaron el proyecto de 
forma indirecta como Álvaro Campo, Baudilio Suárez, a Fabiola Belalcázar de Nutrianálisis y Telmo 
Martínez de Los Cítricos. 
Finalmente agradezco a la Universidad Nacional de Colombia, al Instituto de Ciencia y Tecnología 
de  Alimentos  ICTA,  a  la  Facultad  de  Ingeniería  y  el  Departamento  de  Ingeniería  Química  y 
Ambiental, a la División de Investigación de la sede Bogotá DIB, a la Facultad de Medicina 
Veterinaria y de Zootecnia y al Ministerio de Agricultura por la financiación y por posibilitar los 
recursos que fueron necesarios para realizar esta tesis.   

ii
A mi madre, allá en Sincé, y acá tan cerca. 
A mis Tías Charo y Margarita. 

iii
TABLA DE CONTENIDO 
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………...................1 
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA…………………………………………………………………………........................………5 
1.1.   ALIMENTOS FUNCIONALES Y SUPLEMENTOS DIETARIOS…….............................………....…………8 
1.2.   LA PROTEÍNA EN LA ALIMENTACIÓN HUMANA………………...............................……………..………10 
1.3.   EL POLEN. GENERALIDADES……………………………………………………………...............................….....15 
1.3.1. Polen apícola o polen corbicular…………………….....................................................................17 
1.3.2. Composición nutricional y propiedades fisicoquímicas…...............................................…….18 
1.3.3. Propiedades biológicas……………………………………………...............................................………….21 
1.3.4. Valor nutricional de las proteínas del polen…………...........................................……….….…….22 
1.3.5. Calidad microbiológica del polen apícola………………...........................................…….…….…...23 
1.3.5.1.     Microflora espontánea……………………….......................................................……….……………24 
1.3.5.2.     Contaminación microbiológica……......................................................…………….………….....25 
1.3.6. Fermentación láctica del polen apícola y pan de abejas.......................................................26 
1.3.7. Aspectos de la producción, comercialización y consumo de polen apícola en Colombia.....28 
1.4.   FERMENTACIÓN EN FASE SÓLIDA (SSF) Y ENSILAJE…………………………….................................…29 
1.4.1. Ensilaje…………………………………………………………………………..........................................……….…31 
1.4.2. Empleo de enzimas en procesos de ensilaje.........................................................................31 
1.4.3. Procesos de fermentación en fase sólida en la industria de alimentos................................32  
1.5.   FERMENTACIÓN LÁCTICA………………………………………………………………................................….….33 
1.5.1. Bacterias ácido lácticas…………………………………..........................................................…….……34 
1.5.1.1. Género Lactobacillus………………………........................................................................….……36 
1.5.1.2. Género Streptococcus........................................................................................................39  
1.5.1.3. Género Bifidobacterium.....................................................................................................40 
1.5.1.4.    Probióticos.........................................................................................................................40 
1.5.1.5.    Bacterias ácido lácticas en fermentaciones vegetales.......................................................42 
1.6. FERMENTACIÓN INDUCIDA DE POLEN APÍCOLA. ANTECEDENTES.…….................................…43 

2. OBJETIVOS………………………………………………………………………......................…………………….............44 
2.1.   OBJETIVO GENERAL……………………………………………...............................……………….…………………44 
2.2.   OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………………………………................................……………………….44 

3. MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………......................……………………………………….……45 
3.1.   MATERIAS PRIMAS………………………………………................................……………………………………….45 
3.1.1.   Polen corbicular seco…..………………………...........................................…………………………….…...45 
3.1.2.   Polen corbicular húmedo……...........................................…………………………………………….…....45 
3.1.3.   Pan de abejas……………………………............................................…………………………………….…..…46 
3.1.4.   Miel………………………………............................................……………….……………………………….………46 
3.1.5.   Agua mineral………………………….............................................……………………………….…….….……46 

iv
3.1.6.   Cultivos lácticos.....................................................................................................................47 
3.1.7.   Enzimas................................................................................................................................47 
3.2.  MÉTODOS DE EVALUACIÓN FISICOQUÍMICA……................................…………………………………..47 
3.2.1.   Determinación de pH y acidez libre titulable…............................................………………………47 
3.2.2.   Determinación de azúcares mediante HPLC………….............................................……………….48 
3.2.3.   Determinación de ácidos orgánicos mediante HPLC…….............................................………..49 
3.2.4.   Determinación actividad acuosa...........................................................................................49 
3.2.5.   Determinación de humedad.................................................................................................50 
3.2.5.1.    Humedad  en polen y mezclas...........................................................................................50 
3.2.5.2.    Humedad en miel...............................................................................................................50 
3.2.6.   Determinación de grasa........................................................................................................50 
3.2.7.   Determinación de contenido de proteína (N total)...............................................................51 
3.2.8.   Determinación de fibra cruda................................................................................................51 
3.2.9.   Determinación de fibra dietaria.............................................................................................51  
3.2.10. Determinación de cenizas.....................................................................................................51 
3.2.11. Determinación de solubilidad de proteínas..........................................................................51 
3.2.12. Determinación de digestibilidad en pepsina.........................................................................51 
3.2.13. Microscopía electrónica de barrido (SEM)............................................................................52 
3.2.14. Perfil de ácidos grasos por cromatografía de gases (CG)......................................................52 
3.2.15. Determinación de la actividad antioxidante por DPPH.........................................................53 
3.3.  ANÁLISIS MICROBIOLÓGICOS………………………………………...........................................................53 
3.3.1.   Dilución y homogeneización de la muestra…………………………...............................................54 
3.3.2.   Recuento en placa de microorganismos mesófilos aerobios................................................54 
3.3.3.   Recuento en placa de mohos y levaduras.............................................................................54 
3.3.4.   Prueba presencia / ausencia de Salmonella sp.....................................................................54 
3.3.5.   Recuento en placa de Staphylococcus aureus coagulasa +...................................................55 
3.3.6.   NMP de coliformes totales y ausencia / presencia de E.  coli...............................................55 
3.3.7.   Recuento en placa de bacterias ácido lácticas viables (BAL)................................................55  
3.4.  ANÁLISIS PALINOLÓGICO………………………………………................................................................56 
3.5.  MONTAJES...............................................................................................................................56 
3.5.1.   Preparación del inóculo de BAL…………………………................................................................56  
3.5.2.   Preparación de la mezcla de fermentación..........................................................................57  
3.5.3.   Tratamientos térmicos..........................................................................................................58 
3.5.3.1.    Tratamientos con calor seco..............................................................................................58 
3.5.3.2.    Tratamientos en autoclave................................................................................................59 
3.5.4. Incubación............................................................................................................................59 
3.6.  EXPERIMENTACIÓN..................................................................................................................60 
3.6.1. Caracterización del polen seco, polen húmedo, pan de abejas y miel.................................61 
3.6.2.    Ensayos preliminares…………………………................................................................................62  
3.6.2.1.    Ensayos con polen sin tratamiento térmico......................................................................62 
3.6.2.2.    Evaluación de tratamientos térmicos................................................................................62 

v
3.6.2.3.    Evaluación de la cantidad de inóculo.................................................................................63 
3.6.2.4.    Evaluación del uso de distintos cultivos.............................................................................63 
3.6.2.5.    Evaluación del uso de enzimas...........................................................................................63 
3.6.3. Ensayos definitivos con Lactobacillus acidophilus................................................................64 
3.7.   ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS...........................................................................64 

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS...……………………………………………………...........................66 
4.1.   CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA.............................................................................66 
4.1.1.   Caracterización de la miel......................................................................................................66 
4.1.2.   Caracterización del polen......................................................................................................66 
4.2.   ENSAYOS DE FERMENTACIÓN SIN TRATAMIENTO TÉRMICO...................................................73  
4.2.1. Comportamiento de pH y acidez..........................................................................................75 
4.2.2. Comportamiento de la viabilidad del cultivo........................................................................80 
4.2.3. Calidad microbiológica de los productos obtenidos.............................................................82 
4.3.   ESTUDIO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS..........................................................................84 
4.3.1. Efecto de los tratamientos térmicos sobre la calidad microbiológica..................................85 
4.3.2. Efecto de los tratamientos térmicos sobre la capacidad antioxidante.................................87 
4.3.3. Efecto de los tratamientos térmicos sobre el perfil de ácidos grasos...................................89 
4.4.   EFECTO DE LA CANTIDAD DE INÓCULO....................................................................................93 
4.5.   COMPARACIÓN DE DISTINTOS CULTIVOS................................................................................96 
4.6.   EFECTO DE LA ADICIÓN DE ENZIMAS.....................................................................................103 
4.7.   FERMENTACIÓN CON L. acidophilus......................................................................................107 
4.7.1.    Comportamiento del pH y la acidez...................................................................................108 
4.7.2.    Comportamiento de los azúcares...…………………................................................................110  
4.7.3.    Comportamiento de los ácidos orgánicos..........................................................................112 
4.7.4.    Comportamiento de la viabilidad de células......................................................................113 
4.7.5.    Efecto sobre el valor nutricional in vitro de la proteína.....................................................115 
4.7.6.    Efecto sobre el contenido de fibra.....................................................................................116 
4.7.7. Efecto del bioproceso sobe la estructura del polen evaluado con microscopía electrónica    
de barrido...........................................................................................................................117 

5. CONCLUSIONES.........................................................................................................................121 

6. RECOMENDACIONES.................................................................................................................124 

7. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................125 

ANEXOS 

vi
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1.    Esquema de la estructura del grano de polen.................................................................17 
Figura 2.    Montaje para la preparación del inóculo.........................................................................57 
Figura 3.    Preparación de la mezcla de fermentación.....................................................................58 
Figura 4.    Montaje para la realización de ensayos de tratamientos térmicos en estufa.................59 
Figura 5.    Montaje para la realización de ensayos de tratamientos térmicos en autoclave...........59 
Figura 6.    Montaje para inoculación e incubación...........................................................................60 
Figura 7.    Isoterma de adsorción de agua para el polen seco a 35°C..............................................71 
Figura 8. Estructura de polen húmedo, polen seco y pan de abejas por medio de microscopía 
electrónica de barrido.....................................................................................................73 
Figura 9. Efecto del tipo de polen empleado sobre el comportamiento de la acidez y el pH sin 
adición de miel y con adición de miel en ensayos sin tratamiento térmico....................77 
Figura 10. Efecto del tamaño de partícula sobre el comportamiento de la acidez y el pH en polen 
seco con adición de miel y sin adición de miel en ensayos sin tratamiento térmico......78 
Figura 11. Efecto de la adición de miel sobre el comportamiento de la acidez y el pH en polen seco 
con adición de miel y sin adición de miel en ensayos sin tratamiento térmico..............79 
Figura 12. Efecto del tipo de polen empleado sobre la viabilidad de L. acidophilus sin adición de   
miel y con adición de miel en ensayos sin tratamiento térmico.....................................81 
Figura 13. Efecto de los tratamientos térmicos sobre la capacidad antioxidante evaluada como 
concentración media inhibitoria de DPPH IC ................................................................88 
50
Figura 14. Efecto del tratamiento térmico 121°C/15 min sobre la estructura de un grano de polen 
evaluado con microscopía electrónica de barrido...........................................................93 
Figura 15. Efecto de la cantidad de inóculo de L. acidophilus y YOMIX® sobre el comportamiento 
del pH y la acidez producida............................................................................................95 
Figura 16. Efecto del tipo de cultivo sobre la producción de adicez en matrices polen:agua y 
polen:agua:miel...............................................................................................................99 
Figura 17. Efecto de la adición de la mezcla comercial de enzimas Citrozym Ultra® sobre la 
producción de acidez con L. acidophilus.......................................................................105 

vii
Figura  18.  Comportamiento  del  pH  y  la  acidez  producida  en  la  fermentación  de  polen  con 
Lactobacillus acidophilus...............................................................................................109 
Figura 19. Comportamiento de la fructosa, glucosa y sacarosa en la fermentación de polen con L. 
acidophilus.....................................................................................................................111 
Figura 20.  Comportamiento del ácido láctico en la fermentación de polen con L. acidophilus.....113 
Figura 21. Efecto de la fermentación de polen con L. acidophilus sobre la digestibilidad de la 
proteína en pepsina.......................................................................................................115 
Figura 22. Efecto de la fermentación de polen con L. acidophilus sobre la solubilidad de la proteína 
en NaOH........................................................................................................................116 
Figura 23. Efecto de la fermentación de polen con L. acidophilus sobre la concentración de fibra 
cruda..............................................................................................................................117 
Figura  24.  Cambios  estructurales  en  el  polen  por  efecto  del  proceso  evaluado  a  través  de 
microscopía electrónica de barrido...............................................................................119 
Figura  25.  Detalle  de  un  grano  de  polen  con  su  contenido  interno  expuesto,  luego  de  la 
fermentación con L. acidophilus 12 horas.....................................................................120 

. 

viii