Obtención de extractos secos de yerba mate con alto

349 Pages·2016·4.81 MB·Spanish

by  Hartwig, Vanessa Graciela

Tesis Doctoral
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Hartwig, Vanessa Graciela
2015-09-23
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Hartwig, Vanessa Graciela. (2015-09-23). Obtención de extractos secos de yerba mate con alto
contenido de polifenoles y alta capacidad antioxidante. Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales. Universidad de Buenos Aires.
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Hartwig, Vanessa Graciela. "Obtención de extractos secos de yerba mate con alto contenido de
polifenoles y alta capacidad antioxidante". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Universidad de Buenos Aires. 2015-09-23.
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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Industrias

Obtención de extractos secos de yerba mate con alto contenido de polifenoles y alta
capacidad antioxidante

Tesis presentada para optar por el título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires
en el área Química Industrial

Vanessa Graciela Hartwig

Directores de tesis: Dra. Stella Maris Alzamora
Dr. Miguel Eduardo Schmalko

Consejero de estudios: Dra. Stella Maris Alzamora

Lugar de trabajo: Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales de la Universidad
Nacional de Misiones.

Buenos Aires, 2015
Obtención de extractos secos de yerba mate con alto contenido de polifenoles y alta
capacidad antioxidante

El objetivo de la tesis fue obtener un producto en polvo para consumo con elevada
capacidad antioxidante a partir de yerba mate. Para ello se abordaron una serie de objetivos
particulares: seleccionar y adaptar técnicas de evaluación del contenido de polifenoles y de
la capacidad antioxidante de los extractos; evaluar la influencia de la materia prima
mediante la comparación de diferentes fracciones y procedencias geográficas; y optimizar la
obtención de los extractos y su posterior secado.
El contenido de polifenoles y la capacidad antioxidante se determinaron mediante los
métodos de Folin-Ciocalteu y del radical DPPH, usando principalmente ácido clorogénico y
Trolox como estándares.
El uso de la fracción de hojas del material cosechado durante el inicio del periodo de
cosecha permitió obtener extractos con alto contenido de polifenoles y alta capacidad
antioxidante, ya que la fracción hojas posee mayor concentración de polifenoles totales que
la fracción palos.
En cuanto a las soluciones extractivas, tanto el agua como soluciones acuosas binarias de
metanol y de etanol mostraron ser eficaces en la extracción de dichos compuestos fenólicos,
lográndose extracciones cercanas al 55 % del valor máximo posible.
La pérdida de polifenoles durante el secado spray usando maltodextrinas como agentes de
secado fue despreciable, sugiriéndose que los compuestos que contribuyen al valor del
contenido de polifenoles del producto en polvo son muy estables a las temperaturas
ensayadas, o sus posibles productos de hidrólisis durante el proceso de secado mantienen su
capacidad antioxidante.
Los resultados confirman la potencialidad del mate soluble como un alimento funcional.

Palabras Claves: yerba mate; antioxidantes; extracción; mate soluble; Illex paraguariensis
Production of dried yerba mate extracts with high polyphenol content and
antioxidant capacity

This thesis was aimed to obtain a powder for human consumption with high
antioxidant capacity from yerba mate. Specific objectives included the selection and
adaptation of techniques to measure phenol content and antioxidant capacity of the
extracts; choosing the more adequate raw material by comparing different fractions
and geographical origins; and finally optimizing the extraction and drying conditions.
Total polyphenol content and antioxidant capacity were measured by Folin-Ciocalteu
method and DPPH assay respectively, using mainly chlorogenic acid and Trolox as
standards.
The use of leaf fraction harvested during the early harvest was found to be the most
convenient for obtaining yerba mate extracts rich in polyphenols with high antioxidant
capacity, due to the higher polyphenol content of this fraction compared with the stick
one.
Water and aqueous binary solutions of methanol and ethanol were found to be suitable
for extraction of total polyphenols, reaching around 55% of the maximum value
possible to achieve.
Loss of polyphenolic compounds during spray-drying was negligible, suggesting that
polyphenols compounds present in maté extracts were stable during spray drying or
their hydrolysis products were still reactive to the Folin–Ciocalteu reagent.
These results confirmed the potentiality of the soluble mate as a functional food.

Keywords: yerba mate; antioxidants; extraction, soluble mate; Illexparaguariensis
Agradecimientos

A mis directores de tesis Stella Alzamora y Miguel Schmalko y al doctor Luis
Brumovsky por la oportunidad brindada, por su dedicación y conocimiento, por su
constante apoyo, colaboración y comprensión; sin los cuales no hubiese sido posible el
trabajo.
Al Instituto Nacional de la Yerba Mate por la financiación parcial de este trabajo de
investigación, a la fundación DINCYT y al Laboratorio de Yerba Mate de la Universidad
Nacional de Misiones por el uso de sus equipos e instalaciones.
A los integrantes del laboratorio: Paola, Raquel, Gustavo, Hernán y Nicolás. por su
colaboración en los análisis de laboratorio.
Y a mi familia por su incesante apoyo, tolerancia y contención.

Vanessa
INDICE
SECCION I .......................................................................................................................................... 7
OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 7
CAPITULO 1 ....................................................................................................................................... 8
1.1. Objetivo general ........................................................................................................................ 9
1.2. Objetivos específicos ................................................................................................................. 9
1.3. Organización de la tesis ............................................................................................................. 9
SECCION II....................................................................................................................................... 11
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 11
CAPITULO 2 ..................................................................................................................................... 12
2.1. Descripción de la planta .......................................................................................................... 13
2.2. Cosecha y procesamiento ........................................................................................................ 13
2.2.1. Cosecha ........................................................................................................................... 13
2.2.2. Procesamiento ................................................................................................................. 14
2.2.3. Escaldado o “zapecado” ................................................................................................. 14
2.2.4. Secado ............................................................................................................................. 16
2.2.5. Canchado ......................................................................................................................... 16
2.2.6. Estacionamiento .............................................................................................................. 16
2.2.7. Molienda .......................................................................................................................... 17
2.2.8. Envasado ......................................................................................................................... 17
2.3. Tipos de producto y normativa vigente ................................................................................... 17
2.4. Formas de consumo ................................................................................................................. 20
2.4.1. Principales formas de consumo ....................................................................................... 20
2.4.2. Otros usos ........................................................................................................................ 21
2.5. Composición nutricional de la yerba mate .............................................................................. 22
CAPITULO 3 ..................................................................................................................................... 25
3.1. Definición de términos generales ............................................................................................ 26
3.2. Antioxidantes y salud ............................................................................................................. 26
3.2.1. Antioxidantes y patologías asociadas .............................................................................. 26
3.2.2. Mecanismos internos contra la acción de los radicales libres ......................................... 28
3.2.3. Principal sistema enzimático de defensa antioxidante .................................................... 30
3.2.3.1. Antioxidantes no enzimáticos .................................................................................... 32
3.3. Antioxidantes y reacciones de oxidación en alimentos ........................................................... 32
3.3.1. Tipos de deterioro en lípidos ........................................................................................... 33
3.3.2. Oxidación lipídica por lipoxidasas .................................................................................. 36
3.3.3. Oxidación lipídica fotosensibilizada ............................................................................... 37
1
3.3.4. Pro-oxidantes en sistemas lipídicos ................................................................................. 38
3.3.5. Efectos de la oxidación de lípidos en el alimento ........................................................... 38
3.3.5.1. Sabores oxidados ........................................................................................................ 38
3.3.5.2. Pérdidas de vitaminas liposolubles y pigmentos ........................................................ 39
3.3.5.3. Efecto sobre las proteínas ........................................................................................... 39
3.3.6. Estrategias de control y retardo de la oxidación .............................................................. 40
3.3.6.1. Concentración de oxígeno y oxidación de lípidos ...................................................... 41
3.3.6.2. Actividad acuosa y oxidación de lípidos .................................................................... 42
3.3.6.3. Temperatura y oxidación de lípidos ........................................................................... 43
3.3.6.4. Aditivos antioxidantes y oxidación de lípidos ............................................................ 43
3.3.7. Clasificación de antioxidantes alimenticios .................................................................... 44
3.3.8. Sinergismo entre antioxidantes ....................................................................................... 45
3.3.9. Sustancias potenciadoras de antioxidantes/agentes quelantes ......................................... 47
3.3.10. Antioxidantes sintéticos .................................................................................................. 48
3.3.11. Antioxidantes naturales ................................................................................................... 49
3.4. Breve descripción de algunos antioxidantes naturales ............................................................ 50
3.4.1. Tocoferoles (vitamina E) ................................................................................................. 50
3.4.2. Carotenoides .................................................................................................................... 53
3.4.3. Ascorbato ........................................................................................................................ 56
3.4.4. Antioxidantes fenólicos ................................................................................................... 57
3.4.4.1. Clasificación general de compuestos fenólicos ........................................................... 58
3.5. Polifenoles en yerba mate........................................................................................................ 65
SECCION III ..................................................................................................................................... 67
DESARROLLO ................................................................................................................................. 67
CAPITULO 4 ..................................................................................................................................... 68
4.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 69
4.1.1. Complejidad en la estandarización de una metodología universal .................................. 69
4.1.2. Mecanismos de reacción de los antioxidantes ................................................................. 69
4.1.3. Pruebas químicas in vitro de medida de la actividad antioxidante en sistemas
alimenticios ..................................................................................................................................... 71
4.1.3.1. Métodos basados en mecanismos de transferencia de átomos de hidrógeno ............. 72
4.1.3.2. Métodos basados en mecanismos de transferencia de electrones ............................... 76
4.1.3.3. Métodos basados en mecanismos HAT y SET ........................................................... 78
4.1.4. Objetivos ......................................................................................................................... 82
4.2. MATERIALES Y METODOS .............................................................................................. 83
4.2.1. Adaptación del método de Folin-Ciocalteu (FC) ............................................................ 83
4.2.1.1. Materia prima ............................................................................................................. 83
2
4.2.1.2. Reactivos .................................................................................................................... 83
4.2.1.3. Equipos ....................................................................................................................... 83
4.2.1.4. Determinación de humedad ........................................................................................ 83
4.2.1.5. Preparación del material de vidrio .............................................................................. 83
4.2.1.6. Preparación de soluciones y patrones ......................................................................... 84
4.2.1.7. Obtención de los extractos y diluciones ..................................................................... 84
4.2.1.8. Determinación de polifenoles totales ......................................................................... 85
4.2.1.9. Estabilidad del acido clorogénico como patrón estándar ........................................... 85
4.2.2. Adaptación del método de DPPH .................................................................................... 86
4.2.2.1. Materia prima ............................................................................................................. 86
4.2.2.2. Reactivos .................................................................................................................... 86
4.2.2.3. Equipos ....................................................................................................................... 86
4.2.2.4. Determinación de humedad ........................................................................................ 86
4.2.2.5. Preparación del material de vidrio .............................................................................. 86
4.2.2.6. Preparación de soluciones y patrones ......................................................................... 86
4.2.2.7. Obtención de los extractos y diluciones ..................................................................... 87
4.2.2.8. Determinación de polifenoles totales ......................................................................... 87
4.2.2.9. Elección de la longitud de onda para el ensayo .......................................................... 87
4.2.2.10. Determinación del perfil de absorbancia .................................................................... 88
4.2.2.11. Determinación de la capacidad antioxidante .............................................................. 88
4.2.2.12. Efecto de la temperatura de incubación en la reacción del DPPH ............................. 88
4.2.2.13. Evaluación de repetibilidad y reproducibilidad .......................................................... 89
4.2.2.14. Análisis estadístico ..................................................................................................... 89
4.3. RESULTADOS Y DISCUSION ............................................................................................. 89
4.3.1. Adaptación del método de Folin Ciocalteu ..................................................................... 89
4.3.2. Adaptación del ensayo de reducción del radical DPPH .................................................. 91
4.4. CONCLUSIONES DEL CAPITULO ..................................................................................... 98
CAPITULO 5 ................................................................................................................................... 100
5.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 101
5.1.1. Estudios sobre composición fisicoquímica y manejo agronómico de yerba mate ........ 101
5.1.2. Cosecha y procesamiento de yerba mate ....................................................................... 102
5.1.3. Estudios sobre composición fisicoquímica y procesamiento ....................................... 105
5.1.4. Objetivos y justificación ................................................................................................ 108
5.2. MATERIALES Y METODOS ............................................................................................. 108
5.2.1. Selección de las zonas productoras y de los establecimientos yerbateros ..................... 108
3
5.2.2. Materia prima ................................................................................................................ 109
5.2.3. Reactivos ....................................................................................................................... 110
5.2.4. Equipos .......................................................................................................................... 110
5.2.5. Determinación de humedad ........................................................................................... 110
5.2.6. Preparación del material de vidrio ................................................................................. 111
5.2.7. Preparación de soluciones y patrones ............................................................................ 111
5.2.8. Obtención de los extractos y diluciones ........................................................................ 111
5.2.9. Determinación de polifenoles totales ............................................................................ 111
5.2.10. Determinación de la capacidad antioxidante ................................................................. 111
5.2.11. Análisis estadístico ........................................................................................................ 112
5.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 112
5.4. CONCLUSIONES DEL CAPITULO ................................................................................... 118
CAPITULO 6 ................................................................................................................................... 119
6.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 120
6.1.1. Extracción de compuestos fenólicos ............................................................................. 120
6.1.2. Extracción de polifenoles a partir de yerba mate .......................................................... 121
6.1.3. Objetivos y justificación ................................................................................................ 122
6.2. MATERIALES Y METODOS ............................................................................................. 123
6.2.1. Materia prima ................................................................................................................ 123
6.2.2. Reactivos ....................................................................................................................... 123
6.2.3. Equipos .......................................................................................................................... 124
6.2.4. Determinación de humedad ........................................................................................... 124
6.2.5. Preparación del material de vidrio ................................................................................. 124
6.2.6. Preparación de soluciones y patrones ............................................................................ 124
6.2.7. Planeamiento factorial y análisis de datos ..................................................................... 124
6.2.8. Extracciones adicionales ............................................................................................... 126
6.2.9. Obtención de los extractos y diluciones ........................................................................ 126
6.2.10. Modelado de la extracción acuosa ................................................................................. 128
6.2.11. Determinación del contenido de polifenoles totales ..................................................... 129
6.2.12. Determinación de la capacidad antioxidante ................................................................. 129
6.2.13. Determinación del contenido de cafeína ....................................................................... 129
6.2.14. Análisis estadístico ........................................................................................................ 130
6.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 130
6.3.1. Experiencias preliminares y modelado de la extracción acuosa .................................... 130
6.3.2. Análisis de correlación .................................................................................................. 133
6.3.3. Análisis de superficies de respuesta .............................................................................. 134
6.3.4. Extracciones adicionales ............................................................................................... 142
6.4. CONCLUSIONES DEL CAPITULO ................................................................................... 144
4
CAPITULO 7 ................................................................................................................................... 145
7.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 146
7.1.1. Alimentos funcionales ................................................................................................... 146
7.1.2. Extractos en polvo ......................................................................................................... 150
7.1.3. Secado spray .................................................................................................................. 151
7.1.4. Actividad acuosa, isotermas de adsorción, y temperatura de transición vítrea - Conceptos
y aplicaciones. ............................................................................................................................... 152
7.1.5. Objetivos ....................................................................................................................... 154
7.2. MATERIALES Y METODOS ............................................................................................. 155
7.2.1. Materia prima ................................................................................................................ 155
7.2.2. Reactivos ....................................................................................................................... 155
7.2.3. Equipos .......................................................................................................................... 155
7.2.4. Preparación del material de vidrio ................................................................................. 156
7.2.5. Preparación de soluciones y patrones ............................................................................ 156
7.2.6. Preparación de las muestras y condiciones de secado ................................................... 156
7.2.7. Planeamiento factorial y análisis de datos ..................................................................... 156
7.2.8. Diluciones ...................................................................................................................... 157
7.2.9. Determinación de polifenoles totales ............................................................................ 158
7.2.10. Determinación de la capacidad antioxidante ................................................................. 158
7.2.11. Determinaciones analíticas del jarabe ........................................................................... 159
7.2.11.1. Sólidos solubles ........................................................................................................ 159
7.2.12. Determinaciones analíticas de los polvos ...................................................................... 159
7.2.12.1. Determinación de humedad ...................................................................................... 159
7.2.12.2. Densidad ................................................................................................................... 159
7.2.12.3. Solubilidad en agua .................................................................................................. 159
7.2.12.4. Actividad acuosa ...................................................................................................... 160
7.2.12.5. Color ......................................................................................................................... 160
7.2.12.6. Cinética de adsorción e higroscopicidad .................................................................. 160
7.2.12.7. Isotermas de adsorción ............................................................................................. 161
7.2.12.8. Temperatura de transición vítrea .............................................................................. 162
7.2.13. Análisis estadístico ........................................................................................................ 163
7.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 163
7.3.1. Propiedades antioxidantes y solubilidad ....................................................................... 163
7.3.2. Contenido de humedad .................................................................................................. 170
7.3.3. Densidad ........................................................................................................................ 171
7.3.4. Color .............................................................................................................................. 172
7.3.5. Cinética de adsorción e higroscopicidad ....................................................................... 176
5