La difusión del conocimiento a través de la publicación de artículos de revisión es una labor loable porque la búsqueda, selección y análisis de información oportuna implica un desafío, especialmente si se desea lograr un documento de calidad científica. En este sentido, la revista TSIA: Temas Selectos de Ingeniería de Alimentos contribuye con la publicación de artículos de revisión generados por los estudiantes del Doctorado en Ciencia de Alimentos de la Universidad de las Américas Puebla. Esta tarea se ha realizado y mantenido gracias a la participación del cuerpo editorial y el equipo de edición que, en conjunto, año tras año, hacen posible la publicación de la revista.
El continuo esfuerzo de un equipo que trabaja en colaboración ha dado paso a la publicación del número 12 de nuestra revista TSIA, la cual me complace presentar. En este número, el lector podrá profundizar en temas relacionados con la aplicación de aceites esenciales para la conservación de alimentos frescos, la aplicación de agentes antimicrobianos en productos cárnicos listos para el consumo y los beneficios a la salud que brinda el consumo de carotenoides de alimentos. Estas contribuciones aportan datos y abordan casos que permitirán al lector reflexionar en torno a las nuevas tendencias en la ciencia y tecnología de los alimentos.
Por último, agradezco los esfuerzos que hace la Universidad de las Américas Puebla, a través de la planta de profesores científicos del Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, y el cuerpo editorial, para mantener canales de difusión como la revista TSIA. Estoy seguro de que esta labor promueve en nuestros estudiantes la inquietud por la escritura y la divulgación del conocimiento que generarán con su labor científica
Jocksan I. Morales-Camacho
Profesor
Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental Universidad de las Américas Puebla
TSIA
Temas Selectos de Ingeniería de Alimentos
Universidad de las Américas Puebla
EDITORA RESPONSABLE
María Eugenia Bárcenas Pozos
CONSEJO EDITORIAL
Emma Mani López
María Teresa Jiménez Munguía
Fidel Tomás Vergara Balderas
TSIA, Año 12, volumen 12 (2018), es una publicación anual de la Universidad de las Américas Puebla, realizada y distribuida por el Departamento de Ingeniería Química y Alimentos. Ex hacienda Sta. Catarina Mártir s/n, San Andrés Cholula, Puebla, C. P. 72810. Teléfono: (222) 229 21 26, www.udlap.mx, maria. barcenas@udlap.mx. Editora responsable: María Eugenia Bárcenas Pozos. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo número 04-2018-070912093100-102, ISSN: en trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización de este número: María Teresa Jiménez Munguía. Servicios Web y Administración de Contenidos. Ex hacienda Santa Catarina Mártir s/n, San Andrés Cholula, Puebla, C. P. 72810. Fecha de la última modificación: 11 de marzo de 2019.
Contenido
Volumen 12
Editorial
Artículos de Revisión
5 20 30
Combinación de tecnologías de envasado con la aplicación de aceites esenciales en la conservación de alimentos frescos
M. J. Paris y A. López-Malo
Antimicrobianos en productos de carne de ave listos para el consumo
L. Lastra-Vargas, A. López-Malo y E. Palou-García
Los beneficios del consumo de carotenoides
M. A. González-Peña, J. D. Lozada-Ramírez, L. Toxqui-Abascal y A. E. Ortega-Regules
Combinación de tecnologías de envasado con la aplicación de aceites esenciales en la conservación de alimentos frescos
M. J. Paris* y A. López-Malo
Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Universidad de las Américas
Puebla. Ex hacienda Santa Catarina Mártir, C.P. 72810, San Andrés Cholula, Puebla, México.
Resumen
La combinación de aceites esenciales con sistemas de envasado activo o en atmósfera modificada está siendo investigada como una alternativa para el control del deterioro microbiano en alimentos frescos. Por eso, el propósito de este trabajo fue revisar el estado del arte de dicho tema, además de proveer información relevante y reciente sobre aspectos relacionados con la actividad antimicrobiana de aceites esenciales y con los sistemas de envasado mencionados. Los aceites esenciales, destacando los de tomillo, romero y clavo, presentan una notoria efectividad antimicrobiana contra mohos, levaduras y bacterias. Además, la utilización de aceites esenciales (incorporados en polímeros tales como almidón o polietileno) en sistemas de envasado activo resulta en la reducción o completa inhibición del crecimiento microbiano. Al combinar aceites esenciales con diferentes condiciones de atmósfera modificada, se reduce el deterioro por microorganismos en alimentos frescos, extendiéndose su vida de anaquel.
The combination of essential oils with active packaging or modified atmosphere is being investigated as an alternative for the control of microbial spoilage in fresh food. Therefore, the purpose of this review was to examine the state of the art of this topic, in addition to providing relevant and recent information on related aspects about essential oils, antimicrobial activity, and active and modified packaging. After the review, it is emphasized that essential oils from thyme, rosemary and clove essential oils, present remarkable antimicrobial activity against molds, yeasts and bacteria. Furthermore, their application (impregnated in polymers such as starch or polyethylene) in active packages, results in microbial growth reduction or complete inhibition. On the other hand, the combination of essential oils with different modified atmosphere conditions reduces microbial spoilage in fresh food, extending their shelf life.
La disponibilidad de alimentos frescos, incluyendo los listos para consumir, ha aumentado en los últimos años, debido a la creciente demanda por productos no procesados y al estilo de vida acelerado de la sociedad actual. Sin embargo, los alimentos frescos presentan una vida de anaquel bastante reducida, en parte debido a la acción microbiana. Los aceites esenciales, como antimicrobianos naturales, son una alternativa a los antimicrobianos sintéticos y su potencial antimicrobiano es, actualmente, objeto de amplio estudio. Por otro lado, la selección cuidadosa de sistemas de envasado adecuados para cada tipo de alimento fresco es fundamental para garantizar las condiciones óptimas de almacenamiento del alimento. El envasado activo y el envasado en atmósfera modificada son dos sistemas que han demostrado ser efectivos en el control antimicrobiano. Asimismo, se ha investigado la posibilidad de combinar el potencial de los aceites esenciales con los sistemas de envasado activo o en atmósfera modificada, para la preservación de alimentos. Motivándose en lo descrito anteriormente, la revisión de aspectos relacionados con la actividad antimicrobiana de aceites esenciales y su combinación con sistemas de envasado activo o en atmósfera modificada será el enfoque principal de esta revisión.
Revisión bibliográfica
1. Aceites esenciales: actividad antimicrobiana
Los aceites esenciales son metabolitos secundarios de plantas y se encuentran constituidos por un conjunto de compuestos volátiles, generalmente de bajo peso molecular, responsables de su bioactividad (Reyes-Jurado, Franco-Vega, Ramírez-Corona, Palou y López-Malo, 2015; Ribeiro-Santos, Andrade, de Melo y Sanches-Silva, 2017a). Pueden ser encontrados en pequeñas cantidades en diversos órganos de la planta, tales como flores, brotes, frutos, tallos, raíces, semillas y hojas. Juegan un papel importante en la protección de la planta, actuando como antibacterianos, antifúngicos, antivirales, insecticidas, o bien, protegiéndolas de los herbívoros. Así, cuando son aplicados en alimentos, desarrollan un papel semejante, actuando como agentes antimicrobianos, además de poseer otras propiedades. Su composición, influida por factores genéticos, fisiológicos y ambientales, y por el método de extracción, va a repercutir en su actividad antimicrobiana (Quesada, Sendra, Navarro y Sayas-Barberá, 2016). Normalmente, el compuesto mayoritario del aceite esencial es el responsable de su
actividad antimicrobiana, aunque compuestos minoritarios también puedan actuar de forma sinérgica en la potencialización de dicha actividad (Ribeiro-Santos et al., 2017a). Los aceites esenciales constituidos mayoritariamente por compuestos fenólicos (por ejemplo, carvacrol, timol y eugenol), aldehídos y alcoholes son, normalmente, más efectivos en el control microbiano (Turgis, Han, Borsa y Lacroix, 2008; Gómez-Heincke, Martínez, Partal, Guerrero y Gallegos, 2016). Por el contrario, los aceites esenciales ricos en linalool presentan, regularmente, menor poder antimicrobiano (Turgis et al., 2008). Los aceites de tomillo (Thymus vulgaris) y romero (Rosmarinus officinalis), por ejemplo, presentan un contenido de fenoles elevado, con efecto antimicrobiano comprobado contra bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. El timol y el p-cimeno son los principales componentes del aceite esencial de tomillo (45.90 y 26.59%, respectivamente); mientras que α -pineno, camfor y eucaliptol (23.98, 22.62 y 18.76%, respectivamente) son los compuestos mayoritarios del aceite esencial de romero (Giarratana et al., 2016). El aceite esencial de albahaca, eficaz contra determinadas bacterias, es también rico en eugenol, con aproximadamente 35% de la composición del aceite (Arfat, Benjakul, Vongkamjan, Sumpavapol y Yarnpakdee, 2015; Siriwardana, Abeywickrama, Kannangara, Jayawardena y Attanayake, 2017).
La lipofilicidad del aceite esencial es un aspecto importante que considerar cuando se aborda el tópico de su actividad antimicrobiana, ya que la facilidad del aceite para traspasar la membrana celular del microorganismo es tanto mayor cuanto mayor sea dicha propiedad. Cuando el aceite esencial cruza la membrana, la desestabiliza, pudiendo ocurrir pérdidas moleculares a través de ésta; además, puede interferir con las actividades enzimáticas de la célula. En el caso de las bacterias, puede ocurrir un colapso de la bomba de protones o coagulación del citoplasma, y verse afectado el material genético (Han, Patel, Kim y Min, 2014; Reyes-Jurado et al., 2015).
Varios aceites han sido probados, exitosamente, en el control antimicrobiano, tanto en sistemas in vitro, como en alimentos. La tabla I muestra un conjunto de trabajos recientes desarrollados con el objetivo de evaluar la actividad antifúngica de aceites esenciales. Se puede observar que los aceites esenciales de tomillo, romero, clavo, mostaza y canela son de los más utilizados para la inhibición del crecimiento de mohos. Varios trabajos han analizado la actividad antimicrobiana de los aceites esenciales en fase vapor, un enfoque que ha demostrado ser bastante efectivo en el control microbiano. Por otro lado, la combinación sinérgica de diferentes aceites presenta muchas veces una disminución de la concentración mínima inhibitoria,
Tabla I. Concentración mínima inhibitoria (cmi) de diferentes aceites esenciales evaluados en alimentos o en sistemas modelo, por adición directa o en fase vapor
Tabla I. Continuación. Concentración mínima inhibitoria (cmi) de diferentes aceites esenciales evaluados en alimentos o en sistemas modelo, por adición directa o en fase vapor
Aceite esencial
Alcaravea negra (Bunium persicum)
Tomillo
Tomillo
Romero
1: Agar papa dextrosa
Macrophomina phaseolina
Macrophomina phaseolina
Brochothrix thermosphacta
PDA¹
PDA¹
TSB²
Brochothrix thermosphacta TSB²
2: Caldo triptona de soya
lo que representa una ventaja económica por el uso de menor cantidad de aceite esencial para lograr el mismo efecto (Aguilar-González, Palou y López-Malo, 2015)
2. Tecnologías de envasado para alimentos frescos
2.1 Aspectos generales del envasado de alimentos frescos
La selección del sistema de envasado ideal para un determinado alimento fresco depende de la estabilidad y grado de procesamiento que presenta el alimento, de su contenido de conservadores y de las condiciones de almacenamiento a las que se encuentra expuesto (Gazalli et al., 2013).
En el caso particular de las frutas y verduras frescas, una vez cosechadas están sujetas a cambios de calidad, principalmente si son sometidas a procedimientos tales como pelado, corte y/o rebanado. Éstos aceleran la velocidad de respiración y la producción de etileno, afectando la calidad de las frutas y verduras. Por otro lado, el almacenamiento en presencia de aire acelera el deterioro de la fruta o verdura, porque ésta tiende a perder o ganar humedad, y se promueven reacciones de oxidación y el crecimiento de microorganismos aerobios (Soltani, Mobli, Alimardani y Mohtasebi, 2015). Por esto, es conveniente almacenar las frutas y verduras en atmósferas modificadas (Hodges y Toivonen, 2008) o en envases activos (por ejemplo, con removedores de etileno o de oxígeno) (Biji,Ravishankar, Mohan y Srinivasa Gopal, 2015; Wyrwa y Barska, 2017). Por otro lado, la temperatura también afecta su calidad, por lo que normalmente se almacenan a bajas temperaturas para minimizar los daños poscosecha (Hodges y Toivonen, 2008). El material de envase utilizado en el almacenamiento de frutas y verduras frescas varía desde cartón
Directo 950 ppm Khaledi et al. (2015)
Directo 1150 ppm Khaledi et al. (2015)
Directo 0.05% Nowak et al. (2012)
Directo 0.5% Nowak et al. (2012)
o papel, hasta plásticos tales como el polietileno de baja densidad (ldpe), polietileno de alta densidad (hdpe), polipropileno (pp), etilvinilacetato (eva), etilen-vinil-alcohol (evoh), cloruro de polivinilo (pvc) y poliestireno (ps) (Scetar, Kurek y Galic, 2010).
En el caso de las carnes frescas, han sido ampliamente conservadas en atmósfera modificada y a temperaturas de refrigeración (4 °C) (Schmid, Saengerlaub y Mueller, 2016). Entre los materiales de envase usados para la carne fresca, se encuentran el polietileno de baja densidad (ldpe), etilvinilacetato (eva), etilen-vinil-alcohol (evoh), cloruro de polivinilo (pvc) y poliestireno (ps) (Gazalli et al., 2013).
2.2 Envasado activo
Por envase activo se entiende aquel que complementa las funciones de un envase tradicional por presentar funciones adicionales, además de ser un simple contenedor/protector. En este tipo de sistema, el envase, el alimento y el ambiente interactúan entre sí combatiendo condiciones adversas causantes de deterioro. Como resultado se logra una mayor seguridad antimicrobiana y/o que las propiedades sensoriales se mantengan adecuadas por más tiempo, aumentando la vida de anaquel del producto (Sen, Mishra y Srivastav, 2012; Wyrwa y Barska, 2017). El sistema activo puede ser parte integral del envase (cuando, por ejemplo, se incorporan elementos activos en el material del envase), o constituir un elemento adicional introducido en el envase (por ejemplo, cuando se añade un sachet adsorbente o emisor en el interior del envase) (Sen et al., 2012).
En lo que se refiere al mecanismo de acción, los envases activos pueden contener elementos adsorbentes o absorbedo-
res de compuestos indeseables en el interior del envase, o elementos para la liberación controlada de compuestos deseados (Wyrwa y Barska, 2017).
Aunque en esta sección se abordarán la adsorción, absorción y emisión de diferentes componentes separadamente, en muchos casos es importante el control simultáneo de varios parámetros implicados en el deterioro, ya que éste puede resultar de la combinación de diferentes causas.
2.2.1 Sistemas de adsorción o de absorción
Los sistemas de adsorción o de absorción permiten la remoción, del ambiente del envase, de compuestos indeseables e involucrados en el deterioro de alimentos. Estos compuestos pueden ser oxígeno, agua, dióxido de carbono, etileno, compuestos responsables de impartir aroma y sabor u otros.
2.2.1.1 Oxígeno
La remoción de oxígeno utilizando sistemas de envasado activo de adsorción es de las prácticas más utilizadas en este ámbito. Sistemas removedores de oxígeno involucran la oxidación de compuestos de hierro (el más común), de ácido ascórbico, de colorante fotosensible, de enzimas o de ácidos grasos saturados (Charles, Sanchez y Gontard, 2006; Biji et al., 2015). Éstos son incluidos dentro de sachets permeables al oxígeno, colocados dentro del envase (Wyrwa y Barska, 2017).
2.2.1.2 Humedad
En cuanto a los controladores de humedad, pueden ser absorbentes poliméricos higroscópicos (inserto u hoja) conteniendo dos o más capas que sean eficaces en la absorción de líquidos. Por otro lado, los controladores de humedad pueden ser reguladores de humedad relativa (sachets o etiquetas) conteniendo agentes deshidratantes. Los adsorbentes de humedad más sencillos son los de gel de sílice, zeolita, fibra de celulosa o cloruro de sodio, capaces de mantener un nivel de humedad tal en el envase, que no permite el desarrollo de mohos (Wyrwa y Barska, 2017).
2.2.1.3 Dióxido de carbono
Por lo que toca al dióxido de carbono, su presencia puede ser deseable o indeseable. En los casos en que su presencia no es apreciada, por ejemplo, debido a reacciones de deterioro y respiración, se procede a su remoción. Esto es normalmente llevado a cabo por óxido o hidróxido de calcio, impregnado en gel de sílice, dispuesto en un sachet poroso (Charles et al., 2006; Wyrwa y Barska, 2017). Wang, An, Rhim y Lee (2017) probaron exitosamente una combinación de polímero súper
absorbente de poliacrilato con sachet de carbonato de sodio, para la remoción simultánea de humedad y de dióxido de carbono del ambiente del envase.
2.2.1.4
Etileno
Por su parte, el etileno, considerado una foto-hormona de frutas y vegetales, acelera el grado de respiración y, consecuentemente, la maduración y ablandamiento de éstas. El óxido de aluminio, el permanganato de potasio incrustado en gel de sílice, el paladio incorporado a carbón activado y la arcilla de zeolita, son utilizados, inmovilizados en sachets, para la mitigación del deterioro por el etileno (Sen et al., 2012; Biji et al., 2015; Wyrwa y Barska, 2017).
2.2.1.5 Otros
Componentes volátiles tales como aldehídos, aminas y sulfitos, responsables por olores de degradación dentro de envases, pueden ser selectivamente removidos, usando sachets conteniendo níquel y carbón activado (Biji et al., 2015). El polvo de dióxido de silicio es útil en la adsorción de etanol (normalmente producido cuando frutas o verduras son empacadas en ambiente con bajo contenido de oxígeno) (Mahajan, Caleb, Singh, Watkins y Geyer, 2014; Otoni, Espitia, Avena-Bustillos y McHugh, 2016).
2.2.2 Sistemas de emisión
Un grupo importante de los envases activos son los que contienen emisores activos, a través de compuestos capaces de inhibir reacciones adversas dentro del envase. En este caso, la migración de compuestos con propiedades activas es intencionalmente promovida (Ribeiro-Santos et al., 2017b). Éstos son importantes, por ejemplo, para el control del crecimiento microbiano, a través de la emisión de dióxido de azufre, dióxido de carbono, etanol u otros antimicrobianos. Los emisores también pueden difundir olores o sabores, con el objetivo de enmascarar olores indeseables o de intensificar los deseados (Wyrwa y Barska, 2017).
2.2.2.1 Dióxido de carbono
La incorporación del dióxido de carbono a envases activos tiene el objetivo de detener o suprimir el crecimiento microbiano o de reducir la tasa de respiración de alimentos frescos. Se ha estimado que una concentración de dióxido de carbono de 10 a 80% (v/v) dentro del envase, es ideal para que se observen los efectos de conservación deseados. Su emisión es posible por medio del uso de sachets porosos conteniendo ascorbato o bicarbonato de sodio. Los emisores de dióxido de carbono normalmente
se usan en combinación con los de adsorción de oxígeno, para un mejor control del deterioro microbiano (Trindade, Villanueva y Antunes, 2013; Biji et al., 2015).
2.2.2.2 Antimicrobianos
Los envases activos antimicrobianos tienen como finalidad extender la fase lag e inhibir el crecimiento de los microorganismos. El efecto inhibitorio resulta de la migración de compuestos con capacidad antimicrobiana, del sistema de envasado al alimento. El antimicrobiano puede ser incorporado en el propio material del envase o dispuesto dentro de él. Los sistemas de envase antimicrobiano más comunes están basados en compuestos de plata. Sin embargo, una tendencia reciente es la incorporación de antimicrobianos naturales, y éstos incluyen desde aceites esenciales (por ejemplo, clavo, romero, tomillo, entre otros) o extractos de plantas (por ejemplo, extracto de granada y de semillas de uva), hasta agentes de origen microbiano tales como nisina, natamicina y pediocina (Duran et al., 2016; Gómez-Heincke et al., 2016). Los envases activos antimicrobianos compuestos por aceites esenciales serán abordados con más detalle en otra sección de este artículo.
Los envases activos antimicrobianos surgen como una alternativa a la adición directa del antimicrobiano en la superficie del alimento. Esta última presenta el inconveniente de que el potencial del componente activo podría neutralizarse rápidamente en contacto con el alimento, o que la difusión del antimicrobiano al alimento podría ser muy rápida (Biji et al., 2015; Wyrwa y Barska, 2017). Por otro lado, al ser añadidos directamente al alimento, algunos antimicrobianos podrían aportar sabores que resulten desagradables al consumidor. Es importante resaltar que, si el envase es un revestimiento o recubrimiento, el antimicrobiano se encuentra prácticamente en contacto directo con el alimento.
Los sistemas de envasado activo antimicrobianos corresponden al grupo más vasto de emisores y su éxito depende de la porosidad o permeabilidad del material que contiene el antimicrobiano y de la volatilidad de éste (Otoni et al., 2016). En este sentido, pruebas de migración, realizadas bajo condiciones que imitan las del almacenamiento del producto, proporcionan datos sobre el potencial migratorio de un compuesto activo. Si por un lado es importante que el material transportador del antimicrobiano sea permeable, por otro, el material de envase debe tener buenas propiedades de barrera, para evitar la pérdida de compuestos volátiles por permeación a través de las paredes del envase (Biji et al., 2015).
2.3 Atmósfera modificada
Una atmósfera modificada es aquella cuya composición difiere de la normal del aire (20.9% de oxígeno, 78.1% de nitrógeno y cantidades traza de otros gases) (Turgis et al., 2008; Sen et al., 2012). Es utilizada con la finalidad de limitar la ocurrencia de procesos fisicoquímicos asociados con el deterioro de alimentos frescos o mínimamente procesados, aumentando así su vida de anaquel (Gammariello, Incoronato, Conte y Nobile, 2015). La composición de la atmósfera modificada depende del producto y de su tasa de respiración, de la permeabilidad del material de envase, así como de la temperatura de almacenamiento (Sen et al., 2012; Cortellino, Gobbi, Bianchi y Rizzolo, 2015).
2.3.1 Materiales de envase
Los materiales más usados para el envasado de alimentos frescos en atmósfera modificada son polietileno de baja (ldpe) y alta densidad (hdpe), etilvinilacetato (eva), etilen-vinil-alcohol (evoh), cloruro de polivinilo (pvc), poliestireno (ps), polipropileno (pp), polietilen-tereftalato (pet) y poliamida laminada (Gazalli et al., 2013; Maneesin, Chinnasri, Vongsawasdi y Wangchanachai, 2014; Kahraman, Issa, Bingol, Kahraman y Dumen, 2015; Soltani et al., 2015; Giarratana et al., 2016). El más utilizado en el envasado de frutas y verduras es el polietileno, aunque muchas veces se pueden combinar diversos materiales por laminado o por co-extrusión (Scetar et al., 2010). En el envasado de carne en atmósfera modificada, se utiliza normalmente una charola de polipropileno con una hoja absorbente de líquido y se cubre con una tapa transparente (Schmid et al., 2016).
2.3.2 Gases utilizados
Los gases más comúnmente usados en atmósfera modificada son el oxígeno, el dióxido de carbono y el nitrógeno, aunque se ha sugerido el uso de otros gases tales como el argón y el óxido nitroso (Oliveira et al., 2015). La atmósfera puede ser creada por descarga directa de los gases (activa) o por la respiración de los alimentos contenidos en el envase (pasiva), lo que lleva a la disminución de la concentración de oxígeno y al aumento de las concentraciones de dióxido de carbono y de vapor de agua dentro del envase (Sen et al., 2012).
La atmósfera modificada, normalmente, contiene concentraciones menores de oxígeno y mayores de dióxido de carbono que las del aire, lo que permite mantener las condiciones gaseosas óptimas para la conservación de alimentos frescos (Cortellino et al., 2015). El oxígeno es mantenido entre 1 y 10% y el dióxido de carbono entre 1 y 20%, aunque esta práctica no es obligatoria (Soltani et al., 2015). El oxígeno facilita los procesos de deterioro por microrganismos aerobios, acelera el deterioro
oxidativo de alimentos, y genera cambios de olor, color y sabor en los alimentos; mientras que el dióxido de carbono inhibe el crecimiento de determinados microorganismos, particularmente de bacterias Gram-negativas y aerobias. El nitrógeno, aunque poco reactivo, retarda indirectamente el deterioro por ser muchas veces usado para desplazar al oxígeno (Soltani et al., 2015).
Así, la combinación de concentraciones bajas de oxígeno y de concentraciones elevadas de dióxido de carbono, resulta en la inhibición del crecimiento de determinados microorganismos aerobios. Por otro lado, reduce la velocidad de respiración y la producción de etileno en frutas y verduras frescas, lo que resulta en el retraso de la degradación de clorofila y de los procesos de maduración y ablandamiento. La ocurrencia de reacciones de obscurecimiento también es limitada a bajas concentraciones de oxígeno, aunque éstas puedan llevar al desarrollo de fermentaciones indeseadas (Cortellino et al., 2015; Mele, Islam, Baek y Kang, 2017). Es importante mencionar que la concentración de dióxido de carbono tampoco puede ser muy elevada. Se ha sugerido, por ejemplo, que una concentración de dióxido de carbono mayor que 6% en la conservación de plátano puede llevar a su ablandamiento, mientras que la cáscara sigue verde, resultando en texturas y aromas indeseables. El oxígeno, por otro lado, debe ser mantenido en concentraciones no menores que 1.5%, para evitar el obscurecimiento de la cáscara de plátano, fallas en la maduración de la fruta, o bien generación de sabores indeseables (Siriwardana et al., 2017).
El envasado de carne en atmósfera modificada permite que su vida de anaquel aumente de aproximadamente tres a ocho días, considerando que la carne se debe almacenar a temperatura de refrigeración (4 °C). Se debe tener cuidado de mantener una concentración de oxígeno suficientemente elevada (entre 40 y 70%, v/v), para garantizar que la carne se mantenga de color rojo y no adquiera una coloración grisácea. Sin embargo, la concentración de oxígeno no debe ser tan elevada al punto de promover la oxidación de lípidos en carnes con contenidos de grasa relativamente altos, o el crecimiento de bacterias aerobias (Schmid et al., 2016).
La atmósfera modificada ha sido utilizada de forma individual o combinada con películas antimicrobianas, aceites esenciales o irradiación con rayos gamma, para el control de la calidad de alimentos frescos (Kahraman et al., 2015; Severino et al. 2015; Giarratana et al., 2016; Gomes et al., 2017).
3. Aplicación de aceites esenciales a sistemas de envasado para alimentos frescos
3.1 En sistemas de envasado activo
La combinación de sistemas de envasado activo con el potencial antimicrobiano de los aceites esenciales constituye una oportunidad de investigación apuntando a un mejor control del deterioro y, consecuentemente, de la calidad de los productos frescos. Estudios realizados en este ámbito, se basan en la incorporación del aceite esencial en un material transportador incluyendo láminas antimicrobianas, etiquetas o sachets (Tabla II). Con respeto a los sachets es importante mencionar que son la forma más común de incorporación de antimicrobianos (Trindade et al., 2013; Han et al., 2014), aunque para el caso particular de los aceites esenciales sea escasa su utilización. En la tabla II se presentan algunas de las investigaciones que se han realizado sobre este tema. Los sachets no deben ser gruesos y deben ser porosos o semipermeables, ya que el grado de permeabilidad controla el grado de liberación del compuesto activo. Normalmente son hechos de material no textil poroso, de papel o bien de películas de algún polímero y pueden transportar el antimicrobiano o contener un sistema generador del mismo (Otoni et al., 2016). Cuando son utilizados como transportadores del antimicrobiano, éste puede encontrarse incorporado en las paredes del sachet o en esferas porosas de un polímero con considerable poder de emisión, contenidas dentro del sachet. Dichas esferas deben presentar tamaño y permeabilidad adecuados para la liberación del aceite esencial (Espitia et al., 2012; Han et al., 2014; Atares y Chiralt, 2016; Maisanaba et al., 2017). El alginato, el quitosano, el almidón y la gelatina son ejemplos de polímeros usados en la encapsulación de aceites esenciales (Garcia-Ceja y López-Malo, 2012; Han et al., 2014; Wu et al., 2014; Jovanovic, Klaus y Niksic, 2016; Quesada et al., 2016). Es necesario sellar el sachet, lo que normalmente es hecho por aplicación de calor, o en frío, si el material del sachet es sensible al calor. También se pueden utilizar capas de adhesivos o cinta de aluminio para el sellado de sachets (Otoni et al., 2016).
Por otro lado, el antimicrobiano puede ser inmovilizado en la estructura o superficie del material polimérico constituyente del envase o en revestimientos comestibles, por enlaces covalentes o iónicos (Assefa y Admassu, 2013; Manohar, Prabhawathi, Sivakumar y Doble, 2015; Quesada et al., 2016). La liberación del antimicrobiano dependerá del tipo de polímero
Tabla II. Estudios sobre el efecto antimicrobiano de la combinación de aceites esenciales con sistemas de envasado activo tipo sachet
Aceite esencial Material del sachet
Romero y tomillo
Papel filtro Whatman núm. 4
Orégano Polipropileno
Canela, orégano o zacate limón (20% p/p)
Orégano o zacate limón (20% p/p)
Material no textil
Polímero transportador del aceite esencial
Esferas de espuma micro-celular de almidón de chícharo
Efecto antimicrobiano
Redujo las unidades formadoras de colonias de Listeria monocytogenes. Afectó el crecimiento de bacterias ácido lácticas y de bacterias aerobias totales
Referencias
Han et al. (2014)
Resina polimérica altamente adsorbente
Resina polimérica altamente adsorbente
Material no textil
Orégano Papel
Resina polimérica altamente adsorbente
Efectivo en el control in vitro de Escherichia coli, Salmonella Enteritidis y Penicillium spp.
Los sachets (principalmente con aceite esencial de canela) demostraron una reducción en el crecimiento de mesófilos aerobios en papaya
Los sachets con aceites esenciales de orégano y zacate limón redujeron el conteo de mesófilos aerobios, mohos filamentosos y levaduras presentes en mango, en aproximadamente dos ciclos log
Passarinho et al. (2014)
Espitia et al. (2012)
Micro-cápsulas de alcohol polivinílico (PVA)
y del número de capas o poros del mismo (Otoni et al., 2016). Los polímeros utilizados pueden ser de origen fósil y apolares, tales como polietileno de baja densidad y polipropileno (Solano y Gante, 2012; Almela, Ortolá, Tarrazó y Castelló, 2014); o bien de materiales renovables o biodegradables, tales como alginato, quitosano, ĸ-carragenina, almidones de diferentes orígenes, celulosa, gluten, proteína de suero de leche, proteína de soya, gelatina de piel de pescado, ácido poliláctico y poli (butileno adipato co-tereftalato), tal como se resume en la tabla III (Gómez-Heincke et al., 2016; Quesada et al., 2016; Ribeiro-Santos et al., 2017a; Ribeiro-Santos et al., 2017b; Riquelme, Herrera y Matiacevi, 2017; Takahashi et al., 2017).
Los primeros son normalmente preparados por extrusión, ya sea que el aceite esencial haya sido añadido antes de la extrusión al polímero licuado, o posterior a la extrusión en la superficie de la película (Solano y Gante, 2012). Los segundos son, normalmente, obtenidos por el método de vaciado (casting),
Inhibición del crecimiento de Dickeya chrysanthemi, mohos, levaduras y bacterias mesófilas aerobias en lechuga iceberg
Medeiros et al. (2011)
Chang et al. (2017)
ya que la mayoría son polímeros hidrofílicos. La concentración y las propiedades del aceite esencial afectan las propiedades físicas de la película y su permeabilidad al vapor de agua, oxígeno y dióxido de carbono, por lo que es importante la evaluación de las propiedades mecánicas y de barrera de las películas y recubrimientos activos (Ribeiro-Santos et al., 2017a). Asimismo, el método utilizado en la elaboración de la película afecta su actividad antimicrobiana (Solano y Gante, 2012). Los aceites esenciales de tomillo, romero y canela han sido ampliamente aplicados en películas para el envasado de alimentos (tabla III).
Es importante mencionar que el uso de aceites esenciales combinado con sistemas de envasado activo es de especial interés para alimentos altamente porosos, dado que sus compuestos antimicrobianos volátiles son capaces de penetrar a profundidades que los antimicrobianos no volátiles no podrían (Han et al., 2014).
Tabla III. Estudios sobre la combinación de aceites esenciales compuestos activos con sistemas de envasado activo tipo película y su efecto en la carga microbiana
Aceites esenciales Polímeros transportadores del aceite esencial
Tomillo Polietileno de baja densidad
Tomillo Quitosano
Orégano (1 a 2%)
Canela (Cinnamomum cassia 51% y Cinnamomum zeylanicum 34%) y romero (15%)
Albahaca (Ocimum basilicum) (100% p/p)
Almidón de mandioca (58%), polibutileno adipato co-tereftalato (40%) y nanoarcilla (1 a 2%)
Proteína de suero de leche
Aislado de proteína de pescado combinado con gelatina de piel de pescado y nanopartículas de óxido de zinc
Zacate limón (0.5%) Quitosano (1%)
Menta o tomillo Quitosano y gelatina
Orégano Gelatina de carpa plateada y quitosano
Orégano o canela Quitosano
Orégano (4%) o canela (2%) Amaranto
Carvacrol (6.5%) EVOH
Linalol, carvacrol y timol Almidón
3.2 En sistemas de atmósfera modificada
La combinación de atmósferas modificadas con el potencial antimicrobiano de los aceites esenciales es un tema de considerable estudio en el ámbito del control de la calidad de diversos alimentos. De esta combinación resulta un efecto antimicrobiano sinérgico, por lo que se observa una mayor efectividad antimicrobiana comparativamente al uso de at-
Observaciones
La adición del aceite esencial durante la extrusión fue efectiva contra el crecimiento microbiano
Eficaz contra levaduras, pero no contra mohos o bacterias
Referencias
Solano y Gante (2012)
Quesada et al (2016)
No se evaluó el efecto antimicrobiano Takahashi et al. (2017)
2.7 % de la mezcla de aceite esencial en la película fue suficiente para inhibir el crecimiento de Penicillium spp.
Rebanadas de lubina envueltas en la película presentaron menor crecimiento de bacterias psicrófilas, bacterias ácido lácticas, Pseudomonas o enterobacterias (comparativamente a la ausencia de aceite esencial y óxido de zinc)
La adición del aceite esencial empeoró la antracnosis en pimiento-morrón
Los aceites esenciales mejoraron la efectividad antimicrobiana de la película
Aumentó la vida de anaquel de pescado. Actividad antimicrobiana contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Bacillus spp.
Inhibición de Aspergillus niger con 0.25% de aceite esencial y Penicillium digitatum con 0.5%
Inhibición de A. niger y P. digitatum
Migración rápida del carvacrol al salmón (en cubos o rebanadas)
Reducción de la población de A. niger en queso cheddar
Ribeiro-Santos et al. (2017b)
Arfat et al. (2015)
Ali et al. (2015)
Jovanovic et al. (2016)
Wu et al. (2014)
Avila-Sosa et al. (2012)
Avila-Sosa et al. (2012)
Cerisuelo et al. (2013)
Kuorwel et al. (2014)
mósferas modificadas de forma aislada (Turgis et al., 2008; Giarratana et al., 2016).
Tanto frutas y verduras, como carnes, han sido conservadas en atmósferas modificadas en presencia de aceites esenciales. En la tabla IV se presenta un conjunto de estudios recientes, relacionados con este tema.
Se puede observar que los aceites esenciales de tomillo, romero, mostaza, orégano y albahaca, combinados con atmósfera modificada, han sido extensamente utilizados en el control de mohos y bacterias en alimentos frescos (Karabagias, Ba-
deka y Kontominas, 2011; Nowak, Kalemba, Krala, Piotrowska y Czyzowska, 2012; Mpho, Sivakumar, Sellamuthu y Bautista-Baños, 2013; Giarratana et al., 2016; Siriwardana et al., 2017).
Tabla IV. Estudios sobre la combinación de aceites esenciales o compuestos activos de aceites esenciales con sistemas de envasado en atmósfera modificada
Albahaca (0.4%) 3.1 - 3.7% O2 y 4.24.7% CO2, 12 – 14 °C
Carne molida
Filetes de aves
Mortadela italiana rebanada
Plátano
Orégano (0.25%, p/v) 30% CO2 y 70% NO2, 4 °C
Tomillo, limón, semillas de toronja (Citrus x paradisi) (110, 120, 100 ppm)
Ajo (Allium sativum) (15 mg/mL)
Cidro (Citrum medica) /citral (125/125 mg/L) o Cidro/citral (200/50 mg/L)
Romero
Filetes de pechugas de pollo
50% O2 y 50% CO2, 4 °C Hamburguesas de pescado azul
60% CO 2 y 40% N2, 8 °C Camarón blanco del pacífico
7% O2 y 0% CO2, 6 °C Manzana (Golden delicious spp.)
50% O2, 30% CO2 y 20% N2, 4 °C
Bistec
Tomillo (0.1%) 80% CO 2 y 20% N2, 4 °C Carne de borrego
Observaciones
Se redujo la incidencia de antracnosis (causada por Colletotrichum gloeosporioides), pulpa gris y pardeamiento vascular
Se redujo la incidencia de antracnosis, pulpa gris y pardeamiento vascular
Se redujo el crecimiento de bacterias mesófilas aerobias (combinado con radiaciones gamma)
Se redujo la población de Salmonella Typhimurium y Listeria monocytogenes en siete días
Efectivo bacteriostático contra un coctel de tres cepas de L. monocytogenes, durante 30 días
Eficaz en el control de mohos responsables por la podredumbre de corona, durante 14 días (combinado con sulfato de aluminio)
Referencias
Mpho et al. (2013)
Sellamuthu et al. (2013)
Turgis et al. (2008)
Kahraman et al. (2015)
Giarratana et al. (2016)
Siriwardana et al. (2017)
Aumentó la vida de anaquel de los filetes a 6 días Petrou et al. (2012)
Garantizó la aceptabilidad microbiana durante 28 días
Aumentó la vida de anaquel de 6 a 18 días
Nobile et al. (2009)
Maneesin et al. (2014)
No se observaron mohos en 35 días Siroli et al. (2014)
Vida de anaquel de 14 o 15 días
Sirocchi et al. (2017)
La vida de anaquel fue extendida entre 14 y 15 días Karabagias et al. (2011)
Tabla IV. Continuación. Estudios sobre la combinación de aceites esenciales o compuestos activos de aceites esenciales con sistemas de envasado en atmósfera modificada
Aceite
Tomillo (0.9%) 30%O2, 50%CO2 y 20% N2, 3 °C
Tomillo, orégano o zacate limón 100% CO2, 4 °C
Orégano (5%) (en película de PP/EVOH) 4% O2 y 12% CO2
1: Unidad formadora de colonia
Carne de cerdo
Col y brotes de rábano
Ensalada mínimamente procesada
La combinación de aceites esenciales con atmósferas modificadas puede inactivar parte de la carga microbiana inicial en carnes, lo que está relacionado con el aumento observado de su vida de anaquel, cuando se conservan bajo dicha combinación (Turgis et al ., 2008; Karabagias et al ., 2011; Petrou, Tsiraki, Giatrakou y Savvaidis, 2012; Maneesin et al., 2014; Sirocchi et al., 2017). Asimismo, esta combinación reduce la carga microbiana en frutas y verduras y, consecuentemente, la incidencia de enfermedades tales como la antracnosis (Muriel-Galet et al., 2012; Mpho et al., 2013; Sellamuthu et al., 2013). En este sentido, Mpho et al. (2013) observaron un retardo en la maduración de aguacate al combinar el aceite esencial de romero con atmósfera modificada, lo que atribuyeron al control de la antracnosis en la fruta conservada bajo tales condiciones.
La composición de la atmósfera utilizada varía con el tipo de alimento a envasar, pero también con el aceite esencial utilizado. Se observa que las atmósferas son en la mayoría escasas en oxígeno. Sin embargo, hay estudios donde se usan concentraciones del orden de 60 %. El dióxido de carbono, por otro lado, puede tanto no estar presente como constituir la totalidad de la atmósfera.
Además de contribuir con el control del deterioro microbiano, la combinación de atmósfera modificada con aceites esenciales ha permitido controlar o disminuir procesos que afectan la calidad de alimentos frescos, tales como la deshidratación de frutas (Mpho et al., 2013), y el desarrollo de rancidez en carnes (Kahraman et al., 2015).
El conteo de Salmonella se redujo de 6.16 log UFC1/g (día 0) a 2.11 UFC1/g (día 15)
Se disminuyeron, significativamente, los microorganismos mesófilos totales (nivel de reducción: 1.55 log10 UFC1/g en la col y 2.26 log10 UFC1/g en los brotes de rábano)
Se redujo la actividad de microorganismos patógenos y causantes de deterioro, principalmente de bacterias Gramnegativas
Referencias
Boskovic et al. (2017)
Hyun et al. (2015)
Muriel-Galet et al. (2012)
Conclusiones y comentarios finales
La presente revisión reúne información que demuestra una notoria efectividad antimicrobiana de aceites esenciales contra mohos y bacterias. La mayoría de los estudios de efectividad antimicrobiana de aceites esenciales son, sin embargo, realizados in vitro y no en alimentos. Los resultados obtenidos in vitro son indiscutiblemente importantes, lo que no invalida la necesidad de pruebas en alimentos, para que se obtenga una mejor representación de las condiciones reales de acción, de los aceites esenciales sobre los microorganismos.
La aplicación de aceites esenciales a sistemas de envasado activo ha resultado exitosa en el control microbiano y se han observado notorios avances en la incorporación de aceites esenciales en películas. Sin embargo, en el caso de la incorporación de aceites esenciales en sachets, son necesarios estudios adicionales, ya que la información sobre este tópico es escasa. De aquí que constituya una oportunidad de investigación en ciencia de alimentos.
Al revisar el estado del conocimiento acerca de la combinación de aceites esenciales con el envasado en atmósfera modificada, se encuentran estudios tanto sobre la conservación de frutas y verduras como de carnes frescas. En dichas investigaciones, diferentes aceites esenciales y condiciones de atmósfera modificada han sido aplicados exitosamente en el control microbiano de este tipo de alimentos.
En conclusión, tanto la combinación de aceites esenciales con sistemas de envasado activo como con sistemas de envasado en atmósfera modificada representan soluciones potenciales para la mitigación del deterioro microbiano de alimentos frescos.
Agradecimientos
La autora M. J. Paris agradece a la Universidad de las Américas Puebla (udlap) y a la Secretaría de Relaciones Exteriores (sre) de México, por financiar sus estudios de doctorado en Ciencia de Alimentos.
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Antimicrobianos en productos de carne de ave listos para el consumo
L. Lastra-Vargas*, A. López-Malo y E. Palou-García
Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Universidad de las Américas
Puebla. Ex hacienda Santa Catarina Mártir, C.P. 72810, San Andrés Cholula, Puebla, México. Programa de Doctorado en Ciencia de Alimentos
Resumen
Los productos cárnicos de origen avícola listos para el consumo, como las carnes frías, se han relacionado con riesgos asociados a enfermedades transmitidas por el consumo de alimentos, especialmente cuando son rebanados en el punto de venta. Este riesgo ha disminuido al utilizar compuestos antimicrobianos como ingredientes en la formulación de los diferentes productos. Sin embargo, la demanda de los consumidores por productos tanto nutritivos como sanos, de origen «natural», con ingredientes conocidos y que cumplan con las exigencias de una «etiqueta limpia» ha llevado a la búsqueda y validación de compuestos que cumplan con estas exigencias, y que, además, sean capaces de limitar y/o evitar el crecimiento de bacterias patógenas. En este artículo se describen tanto los antimicrobianos comúnmente utilizados en productos cárnicos listos para el consumo de origen avícola, como aquellos que se han sugerido como sustitutos de los anteriores.
Ready-to-eat poultry products like turkey ham or chicken or turkey deli style products have been implicated in the risk of foodborne diseases especially when sliced at retail points. This risk has been diminished by the addition of antimicrobial compounds as ingredients in the product formulation. However, consumer demand for healthy, nutritive, «natural» products with familiar ingredients that meet the «clean label» criteria, has led to the search and validation of alternative compounds that, at the same time, can limit or avoid the growth of pathogenic bacteria as effectively as the synthetic additives commonly used by the industry. This review is about the commonly used antimicrobials, as well as those proposed as alternatives to be used in ready-to-eat poultry meat products.
Desde tiempos prehistóricos han existido diferentes maneras de preservar los alimentos para que puedan ser consumidos en un tiempo futuro, es decir, para prolongar su vida de anaquel. Entre estos, los métodos principales han sido: secado, enfriamiento, calentamiento y fermentación. Otro método importante ha sido el uso de preservativos químicos como la sal, los nitritos y sulfitos. Actualmente se espera que los alimentos se encuentren disponibles a lo largo del año, libres de patógenos y con una vida de anaquel razonablemente larga, por lo que el uso de preservativos químicos ha aumentado. Los antimicrobianos son preservativos químicos que juegan un papel importante en el cumplimiento de los requisitos anteriores ya que su función tradicional ha sido el prolongar la vida de anaquel y conservar la calidad de los alimentos al inhibir el crecimiento de microorganismos causantes del deterioro. Además, su utilización como intervención principal para la inhibición o inactivación de microorganismos patógenos ha ido en aumento (Davidson y Branen, 2005). Los agentes antimicrobianos pueden ser tanto de origen sintético como natural. Estos últimos se encuentran presentes en las plantas y animales, o son producidos por microorganismos. Aquellos que poseen nombres fácilmente reconocibles por la población en general, como los extractos de tomillo y romero, el orégano y el ajo, pueden ser utilizados en productos etiquetados como «naturales» de acuerdo con los estándares de etiquetado de la fsis (21 cfr 101.22) (McDonnell et al., 2013; Grant y Parveen, 2017). Los productos cárnicos listos para el consumo, como las carnes frías de origen porcino, bovino o avícola, son una clase importante de alimentos producidos y consumidos alrededor del mundo debido a su conveniencia (Horita et al., 2018). Dentro del contexto de estos productos, la utilización de compuestos antimicrobianos es de gran importancia. A pesar de que se han hecho esfuerzos en el mejoramiento de la higiene y técnicas de producción en todas las etapas de su procesamiento, aún existen en todo el mundo, y durante todo el año, brotes de enfermedades causadas por patógenos transmitidos por el consumo de carnes frías (Bošković et al., 2013). Las bacterias Listeria monocytogenes y Salmonella enterica serovar Typhimurium han sido particularmente asociadas a algunos de estos brotes (Casco, Taylor y Alvarado, 2015). En un estudio de evaluación de riesgo supervisado por el Servicio de Inspección y Seguridad Alimentaria de Estados Unidos, fsis, se predice que, de los casos de enfermedad y muerte por la ingesta de la bacteria L. monocytogenes, alrededor del 70% serían causados por la ingesta de ésta en carnes frías que no contengan antimicrobianos y que sean rebanadas en el punto de venta (Quesenberry et al., 2010).
Por otro lado, de las carnes frías, son las de origen avícola unas de las más consumidas en los Estados Unidos (Statista, 2017) y México, siendo que, en este último país, la tendencia de consumo va en aumento (Consejo Mexicano de la Carne, 2012).
Por todo lo anterior, la presente revisión tratará de los antimicrobianos utilizados como ingredientes en la formulación de carnes frías de origen avícola. Se abordarán tanto los comúnmente utilizados como aquellos que se proponen por ser reconocidos como «naturales» para satisfacer las demandas actuales de los consumidores por productos de «etiqueta limpia»
Revisión bibliográfica
1. Productos cárnicos avícolas listos para el consumo: generalidades
Los productos cárnicos avícolas listos para el consumo son aquellos preparados a partir de carne de ave, como el pollo o pavo, ejemplos son el jamón y salchicha, y otros productos de estilo deli. Su particularidad es que se procesan de tal manera que pueden ser consumidos sin ninguna preparación adicional que garantice su seguridad, como la cocción o el lavado. De esta manera, deben mantenerse en refrigeración para limitar el crecimiento de bacterias causantes del deterioro y/o patógenas. Estos productos se conocen como carnes frías, las cuales se pueden encontrar empacadas en paquetes de rebanadas individuales o como piezas grandes que se rebanan en el punto de venta justo antes de ser entregados al consumidor (Jiang y Youling, 2015). Al estar listos para el consumo no es necesario que porten una etiqueta con instrucciones para un manejo seguro como es el caso de las carnes congeladas (fsis, 2012).
En México, el volumen de producción del jamón y salchicha de pavo tuvo una tendencia general al aumento entre los años 2005 y 2016, habiendo en 2005 un volumen de producción de 290 000 toneladas totales, de las cuales 117 corresponden a jamón y 173 a salchicha, mientras que en 2016 el volumen de producción fue de 500 000 toneladas de las cuales 202 fueron de jamón y 298 de salchicha. Para el 2016, los embutidos (jamón y salchicha) y otros productos procesados de carnes de ave representaron el 48% del total de la producción de productos cárnicos procesados siendo que el 33% lo representaron otras carnes frías y embutidos, y el 21%, los jamones de carnes rojas. Los productos procesados de ave (chorizo, jamón, nuggets, salchicha, mortadela, etcétera) tienen la mayor participación del gasto del total de la carne procesada, siendo ésta de un 22%, seguida de chorizo y longaniza con un 19% y el
jamón de carne de puerco en tercer lugar con un 15%; los principales lugares de preferencia de compra son las tiendas de abarrotes (33%), los supermercados (29%), las carnicerías y loncherías (19%) y el mercado (11%) (Consejo Mexicano de la Carne, 2012).
Zhang, Moosekian, Todd y Ryser (2012) realizaron una investigación con productos procesados de pavo listos para el consumo que contenían o no inhibidores del crecimiento bacteriano y que son rebanados en el punto de venta. Estos fueron inoculados con un coctel de ocho cepas de L. monocytogenes y sometidos a diferentes temperaturas de almacenamiento. Al cuantificar el crecimiento bacteriano, tanto de L. monocytogenes como de bacterias ácido-lácticas y de bacterias aerobias mesófilas, los autores proponen que la fecha de caducidad para las carnes frías preparadas sin inhibidores del crecimiento bacteriano deber ser de no más de cinco días después de su venta al consumidor, manteniendo las condiciones adecuadas de refrigeración.
2. Antimicrobianos comúnmente utilizados en carnes frías de origen avícola
La carne y sus productos, independientemente de la especie, contienen las cantidades adecuadas de agua, proteínas y nutrientes esenciales, así como un pH favorable para el crecimiento microbiano. Las principales bacterias patógenas asociadas a la carne y sus productos son Salmonella spp., Campylobacter jejuni termofílica, Escherichia coli entero-hemorrágica O157:H7, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, L. monocytogenes, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus y Yersinia enterocolitica (Woraprayote et al., 2016). En el contexto de los productos listos para el consumo tanto cárnicos como avícolas, de acuerdo con la fsis, un agente antimicrobiano es una sustancia que se encuentra en, o es adicionada a un producto listo para el consumo de carne o ave que tiene el efecto de reducir o eliminar microorganismos, así como de suprimir o limitar su crecimiento a lo largo de la vida de anaquel del producto (fsis, 2012). Éstos han sido ampliamente utilizados para la inactivación de microorganismos, principalmente patógenos, ya que tienen efectos tanto durante, como después del procesamiento, incrementando de esta manera la vida de anaquel y seguridad de los productos (Woraprayote et al., 2016).
2.1 Ácidos orgánicos y sus sales
De los antimicrobianos considerados como sintéticos, las sales de lactato son de las más utilizadas en productos cárnicos listos para el consumo. Esto se debe a que, además de restringir el crecimiento microbiano, especialmente de la contamina-
ción cruzada por L. monocytogenes durante el almacenamiento, y prolongar de esta manera la vida de anaquel de los productos cuando son adicionados a las concentraciones adecuadas, la calidad de la carne y sus atributos sensoriales no se ven afectados o el efecto es mínimo. Se ha observado un efecto sinérgico en combinación con sales de diacetato (Zhu, Du, Cordray y Uk Ahn, 2005) y en presencia de nitrito (McDonnell, Glass y Sindelar, 2013). Los niveles máximos permitidos para uso como inhibidores del crecimiento en la formulación de productos cárnicos y avícolas listos para el consumo son 4.8 % (p/p) para el lactato de potasio y lactato de sodio, y 0.25% (p/p) para el diacetato de sodio (9 cfr 424.21) (fsis, 2016; Zhang, et al., 2012). Tanto el lactato de sodio como el lactato de potasio y el diacetato de sodio son capaces de disminuir la actividad de agua y el pH del producto e interferir con el metabolismo bacteriano presuntamente por medio de la acidificación del interior de la célula y algún efecto específico de la forma no disociada del ácido sobre la actividad metabólica (Lloyd et al., 2009).
Los investigadores Zhang et al. (2012) estudiaron el crecimiento de L. monocytogenes en productos listos para el consumo de carne de pavo, tanto curados como no curados y en presencia o ausencia de lactato y/o diacetato, simulando el almacenamiento en casa del producto que es rebanado en el punto de venta. De esta manera, se determinaron los niveles de exposición del patógeno a los que pueden estar expuestos los consumidores. Se encontró que, en concordancia con reportes anteriores para otro tipo de productos cárnicos listos para el consumo, la presencia de lactato y/o diacetato retrasa de manera efectiva el crecimiento de L. monocytogenes Estos productos, en la ausencia de inhibidores del crecimiento bacteriano, pueden ser potencialmente peligrosos a los 5-7 días de almacenamiento a 4°C y a los 2-4 días de almacenamiento a 7-10°C; ya que hasta estos tiempos es posible alcanzar una concentración bacteriana de 100 UFC/g.
Se ha encontrado que, para el caso del lactato de potasio, concentraciones mayores al 2% generan sabores desagradables (Casco et al., 2015). Por otro lado, la eficacia tanto del lactato como el diacetato, y en general de cualquier antimicrobiano, depende del tipo de carne con el que se elabore el producto, de las características de éste (pH, actividad de agua, presencia de nitritos, etcétera), de la temperatura de almacenamiento, y de la concentración y combinación del/los antimicrobianos utilizados (McDonnell et al., 2013; Porto-Fett et al., 2015). Además, se ha observado que estas sales de ácidos orgánicos son menos efectivas en productos no curados que en productos formulados con nitritos (Glass, McDonnell, Rasel
y Zierke, 2007; Porto-Fett et al., 2015) y su incorporación a los productos cárnicos listos para el consumo puede incrementar la ingesta diaria de sodio, particularmente en el caso del lactato de sodio (Glass, McDonnell, VonTayson, Wanless y Badvela, 2013; Porto-Fett et al., 2015). En este sentido, se han hecho estudios para validar la utilización de otros compuestos capaces de sustituir a los ya mencionados.
Porto-Fett et al. (2015) evaluaron la efectividad del levulinato de potasio, por sí mismo o en una mezcla con propionato de potasio y diacetato de potasio, utilizados como ingredientes, para el control de la contaminación posproceso por L. monocytogenes en pechuga de pavo no curada, como alternativa a la mezcla de lactato de potasio y diacetato de sodio, el estándar actual de la industria. Los autores reportan que el levulinato de potasio (1%) logró, al igual que la mezcla de lactato de potasio y diacetato de sodio, suprimir el crecimiento, durante 63 días de almacenamiento a 4°C, de un coctel de L. monocytogenes (3.5 log UFC/rebanada) inoculado en el producto terminado. Además, se encontró que, a diferencia de la mezcla de lactato de potasio (1.8%) y diacetato de sodio (0.125%), la mezcla de propionato de potasio (0.1%) y diacetato de potasio (0.1%) fue significativamente menos efectiva (p≥0.01); sin embargo, se observó un efecto sinérgico cuando fue utilizada en combinación con levulinato de potasio (1.0, 1.5 o 2.0%). Esta última mezcla fue tan efectiva como la utilización de lactato de potasio y diacetato de sodio. En los productos formulados sin antimicrobianos, los niveles de L. monocytogenes incrementaron a 10 log UFC/g a los 75 días de almacenamiento a 4°C. Se menciona que los resultados reportados estuvieron en concordancia con los de otros autores en donde el levulinato de sodio (1.0 y 2%) logró evitar el crecimiento del patógeno por 84 días en rollos de pechuga de pavo almacenados a 4°C. En 2007, Glass, et al. demostraron la eficacia de los agentes antimicrobianos, sorbato, benzoato y propionato para la prevención del crecimiento de L. monocytogenes al ser incorporados a productos de pechuga de pavo estilo deli y almacenados a 4 y 7°C de 0 a 12 semanas. Cuando los productos fueron suplementados con propionato ≥0.2%, mezcla de propionato ≥0.1% más sorbato 0.1% o mezcla de lactato 3.2% más diacetato 0.2%, el crecimiento de L. monocytogenes se vio inhibido durante el almacenamiento por doce semanas a 4°C. Cuando los productos fueron almacenados a temperaturas de abuso, 7 y 10°C, la inhibición fue menos pronunciada o nula, respectivamente. Con tratamientos de sorbato 0.15% más propionato 0.15%, propionato 0.2%, propionato 0.3% y lactato 1.6% más diacetato 0.1%, se logró inhibir el crecimiento bacteriano por 4 semanas a 7°C. Para el 2013, los mismos investigadores, Glass et al.
probaron la eficacia de los agentes antimicóticos mencionados, pero a diferencia del trabajo anterior, los agentes se encontraban como parte de mezclas patentadas y fueron incorporados a productos curados. En esta ocasión, todas las concentraciones probadas (0.3, 0.4, o 0.5% de propionato de sodio pH 4.8-5.2 y 0.4% de mezcla de propionato de sodio más benzoato de sodio pH 4.8-5.2) resultaron en la restricción del crecimiento de L. monocytogenes a menos de un ciclo logarítmico a lo largo de nueve semanas de almacenamiento a 4°C. En contraste, el producto sin antimicrobianos permitió el rápido crecimiento de la bacteria a más de dos ciclos logarítmicos a las cuatro semanas de almacenamiento a la misma temperatura. A una temperatura de almacenamiento de 7°C, la inhibición fue menos pronunciada, pero se observó la misma tendencia.
2.2 Nitrito de sodio en productos curados
El proceso de curado de la carne era utilizado para extender la vida de anaquel de piezas enteras de carne aprovechando los efectos preservativos de altas concentraciones de sal común (NaCl) y en menor medida del nitrito de sodio (NaNO2), ahora, con tecnologías de preservación como la refrigeración y congelación, este proceso se aplica principalmente para dar el color y sabor característicos de los productos curados (Heinz y Hautzinger, 2007).
Mulvey, Everis, Leeks, Hughes y Wood (2010) hacen una recopilación de varios estudios en los que se demostró que los nitritos son capaces de inhibir el crecimiento de las bacterias patógenas; C. botulinum, C. perfringens, L. monocytogenes, Salmonella, E. coli O157, S. aureus, B. cereus y Shigella flexneri en diferentes productos cárnicos curados, y se observa que su efecto depende tanto de la concentración inicial de nitritos adicionados al producto, como de su contenido residual (ya que la concentración de nitritos disminuye durante el proceso y almacenamiento) y es fuertemente influenciado por el contenido de sal, las condiciones de pH y la temperatura de almacenamiento del producto. En esta recopilación, Mulvey et al. (2010) hacen mención únicamente de un estudio en carne de ave realizado por los investigadores Sofos, Busta y Allen (1980). El producto modelo fue una emulsión de carne de pollo almacenado a una temperatura de abuso de 27°C y se encontró que el tiempo de producción de toxina por el microorganismo C. botulinum se duplicó con respecto al control cuando se adicionaron 156 mg/kg de nitrito. Los autores Myers, Montoya, Cannon, Dickson y Sebranek (2013) reportaron, en concordancia con otros autores, que, en productos tipo jamón de pechuga de pavo, la utilización de nitrito disminuye el crecimiento de L. monocytogenes, pero no lo detiene por completo. Se observó un menor
crecimiento de la bacteria en las muestras de producto curado con nitrito de sodio, en comparación con aquellas no curadas, a partir del día cinco de la evaluación hasta el día 28, siendo que el nitrito de sodio fue adicionado a una concentración de 200 ppm, y al día cero el contenido residual del mismo fue de 74 ppm y al día 28, de 52 ppm.
2.3 Antimicrobianos de origen natural y/o de etiqueta limpia
Debido a que las condiciones ácidas del estómago permiten la formación de compuestos carcinógenos a partir de iones de nitrito, desde la década de los sesenta se ha buscado reducir la cantidad utilizada de nitrito de sodio en productos cárnicos (Mulvey et al., 2010). Por otro lado, en los últimos años también se ha buscado reducir la ingesta diaria de sodio por su riesgo asociado a enfermedades cardiovasculares, para lo cual, los esfuerzos se centran en la reducción de los niveles de sal (NaCl), utilizada en gran medida por sus propiedades de conservación de alimentos, en productos procesados (Bošković et al., 2013). Aunado a esto, la percepción negativa por parte de los consumidores hacia los «agentes químicos» ha aumentado en conjunto con una demanda por productos «naturales», «orgánicos» y de «etiqueta limpia» (McDonnell et al., 2013; Woraprayote et al., 2016). De acuerdo con los estándares de etiquetado de la fsis (21 cfr 101.22), para que un producto cárnico, ya sea de res, puerco o ave, se pueda etiquetar como «natural», éste no debe contener ningún saborizante artificial, ingrediente colorante ni ningún conservador químico, bajo esta definición, los nitritos son considerados como preservativos químicos. Por otro lado, estos mismos, junto con otros antimicrobianos sintéticos aprobados, comúnmente usados y efectivos en la inhibición del crecimiento de L. monocytogenes, se encuentran específicamente prohibidos en los productos etiquetados como «orgánicos» de acuerdo con el Acta de Producción de Alimentos Orgánicos del año 1990. Finalmente, un producto considerado como de «etiqueta limpia» debe contener ingredientes simples que sean fácilmente reconocidos por los consumidores y que se perciban como originarios de una fuente «no química», por ejemplo, el vinagre, metabolitos provenientes de la fermentación de azúcares e ingredientes provenientes de lácteos o de materiales vegetales (McDonnell et al., 2013; Grant y Parveen, 2017). Los productores deben encontrar la manera de generar productos saludables y nutritivos, de etiqueta limpia y que cumplan con un periodo de vida de anaquel razonable (Grant y Parveen, 2017). Todo lo anterior ha promovido la investigación de compuestos antimicrobianos alternativos que cumplan tanto con los requisitos de produc-
tos orgánicos, naturales y/o de etiqueta limpia, así como de seguridad alimentaria (McDonnell et al., 2013; Woraprayote et al., 2016). En las secciones siguientes se exponen los resultados de algunas de estas investigaciones.
2.3.1 Aplicación de fuentes naturales de nitritos en carnes frías de origen avícola
Para cumplir con los requisitos de «etiqueta limpia» se ha buscado sustituir el comúnmente utilizado nitrito de sodio (NaNO2) por fuentes naturales de nitrito como el derivado de la fermentación de jugos de vegetales, en especial de apio. La eficacia de este último se ha probado contra las bacterias L. monocytogenes (Golden, McDonnell, Sheehan, Sindelar y Glass, 2014) y C. perfringens (King, Glass, Milkowski y Sindelar, 2015a) en productos de pechuga de pavo estilo deli. En ambos casos, se concluye que la eficacia de los nitritos adicionados es independiente de la fuente, ya sea natural (polvo de jugo de apio fermentado) o sintética (NaNO2 purificado) y en cambio, dependiente de la concentración añadida. Además, en el estudio de Golden et al. (2014), cuando el nitrito, fuera de polvo de jugo de apio fermentado o NaNO 2 purificado, se utilizó en combinación con otro antimicrobiano, tanto convencional (mezcla de lactato de potasio y diacetato de sodio) como de etiqueta limpia (mezcla de azúcar fermentada y vinagre), el efecto de inhibición del crecimiento bacteriano se vio mejorado. El mismo efecto fue reportado por King et al. (2015a) cuando se adicionó ascorbato, tanto purificado como de origen natural (extracto de cereza en polvo), además de nitritos, ambos a las concentraciones adecuadas. Para los productos inoculados con L. monoytogenes y almacenados a 4°C, se observó un crecimiento de 1.3 log a las cuatro semanas cuando se les adicionó nitrito a una concentración de 80 mg/kg, y 1.5 log a las seis semanas al ser adicionados con una concentración de nitrito de 120 mg/ kg, independientemente de la fuente. Cuando se adicionaron tanto una mezcla de lactato-diacetato 3.8% como la mezcla de azúcar fermentado-vinagre 1%, al tratamiento de nitrito (80 mg/kg de producto), se logró suprimir el crecimiento de la bacteria hasta por doce semanas (Golden et al., 2014). El crecimiento de C. perfringens fue monitoreado a lo largo de un periodo de enfriamiento de 54.4 a 26.6°C por 5 horas y de 26.6 a 7.2°C por diez horas. Se observó un incremento de menos de un ciclo logarítmico en los tratamientos con 50 ppm de nitrito y 500 ppm de ascorbato o mayor o igual a 75 ppm de nitrito y mayor o igual a 250 ppm de ascorbato, independientemente de la fuente.
2.3.2 Sustitutos naturales de las sales de ácidos orgánicos
Diferentes investigadores han validado la efectividad de antimicrobianos de «etiqueta limpia», como el ajo (Sallam, Ishioroshi y Samejima, 2004), humo líquido (Morey, Bratcher, Singh y McKee, 2012), té verde, extracto de semilla de uva (Perumalla et al., 2013), mezcla de vinagre-limón-extracto de cereza en polvo, vinagre tamponado (McDonnell et al., 2013), mezcla de azúcar fermentado-vinagre (McDonnell et al., 2013; King, Glass, Milkowski y Sindelar, 2015b; Weyker, Glas, Milkowski, Seman y Sindelar, 2016), extracto de fruta tropical, vinagre seco (King et al., 2015b) y aceites esenciales (Casco et al., 2015) utilizados como ingredientes en diferentes productos de carne de ave listos para el consumo con el propósito de incrementar la seguridad y vida de anaquel de los mismos.
El jugo de limón y el vinagre, fuentes naturales de ácido cítrico y ácido acético, han demostrado ser capaces de inhibir el crecimiento de C. perfringens en productos de pavo no curados (Valenzuela-Martinez et al., 2010) y de carne asada (roast beef) (Li et al., 2012). A partir de estos y otros estudios, King et al. (2015b) probaron fuentes naturales de ácido cítrico y ácido acético, que pudieran tener un efecto sinérgico a la inhibición de C. perfringens con polvo de jugo de apio fermentado, como sustituto de nitritos, estandarizado a 50 ppm de nitrito. Los tratamientos fueron; extracto de fruta tropical (1.0%), vinagre seco (0.7%), mezcla de azúcar fermentado y vinagre (1.0%) y mezcla de limón y vinagre (2.0%). Estos fueron probados en pechuga de pavo estilo deli formulada tanto en presencia como en ausencia del polvo de jugo de apio como sustituto de nitritos e inoculada con una mezcla de tres cepas de C. perfringens a una concentración de 2.5 log UFC/mL. En los tratamientos control, ausencia y presencia de nitritos, se observó un crecimiento de 4.6 y 4.2 log, respectivamente, a las quince horas de enfriamiento (de 54.4 a 26.6°C en cinco horas y de 26.6 a 7.2°C en diez horas). El extracto de fruta tropical 1.0% y la mezcla de azúcar fermentado y vinagre 1.0%, tanto en presencia como ausencia de nitritos, lograron controlar el crecimiento de la bacteria a los niveles iniciales o menos, mientras que el vinagre seco 0.7% y una mezcla de limón y vinagre 2.0% permitieron un incremento de 2.0 y 2.5 ciclos logarítmicos, respectivamente; y 1.5 ciclos logarítmicos cuando fueron añadidos en combinación con nitritos. De acuerdo con King et al. (2015b), los resultados sugieren que estos antimicrobianos, que son permitidos en productos de «etiqueta limpia», pueden contribuir a un proceso de refrigeración seguro.
Sallam et al. (2004) probaron que la adición de ajo fresco a una concentración de 30 g/kg o de polvo de ajo a una concentración de 9 g/kg en salchichas de pollo crudas, lograron reducir de
manera significativa (p<0.05) la cuenta en placa de microorganismos aerobios en comparación con un control sin antimicrobianos, extendiendo de esta manera la vida de anaquel del producto por 21 días a una temperatura de almacenamiento de 3°C. El humo de madera tiene el potencial de presentar actividad bacteriostática o bactericida contra L. monocytogenes gracias a los fenoles y compuestos carbonilos solubles en agua que se encuentran presentes de manera natural en la madera. El humo Zesti (Kerry Ingredients and Flavors, TN, EE. UU.) utilizado como ingrediente en la formulación de salchichas tipo frankfurter de pollo (51%) con puerco (49%) a concentraciones de 5 y 10% ha demostrado reducir significativamente (p<0.05) la población de L. monocytogenes, por doce semanas de almacenamiento a 4°C, sin afectar las propiedades sensoriales del producto, en comparación con un producto formulado sin antimicrobianos. Sin embargo, en comparación con el lactato y diacetato de sodio, la efectividad antimicrobiana del humo (Humo Zesti) es muy baja y se sugiere que podría mejorarse si se reduce el pH del producto con la adición de ácidos orgánicos (Morey et al., 2012). Otras alternativas naturales ricas en compuestos fenólicos que pudieran reemplazar parcialmente a los conservadores sintéticos son el té verde y el extracto de semilla de uva, debido a sus propiedades antimicrobianas contra patógenos como L. monocytogenes tanto en pruebas in vitro, como en sistemas modelo de carne. Los investigadores Perumalla et al. (2013) probaron la efectividad del té verde y del extracto de semilla de uva como reemplazos parciales del lactato de potasio y el diacetato de sodio contra L. monocytogenes (103 UFC/g) en salchichas de pollo y pavo, de bajo (5%) y alto (20%) contenido de grasa, ya sea con o sin tratamiento térmico (65°C por 104 s), almacenados a 4°C por 28 días. De esta manera se comparó el tratamiento con lactato de potasio (1.5%), diacetato de sodio (0.11%) extracto de té verde (0.35%) y extracto de semilla de uva (0.22%) contra los tratamientos control; productos sin antimicrobianos y productos con lactato de potasio (2%) y diacetato de sodio (0.15%). Los resultados demostraron que la combinación de los extractos y las sales de ácidos orgánicos fue más efectiva en el control del crecimiento de L. monocytogenes que sólo la utilización de sales de ácidos orgánicos, lo cual, además de proveer seguridad alimenticia, puede ser una alternativa atractiva para los consumidores.
McDonnell et al. (2013) probaron en sistemas modelo de pasta de carne de pavo bajo diferentes concentraciones y fuentes de nitritos, catorce ingredientes (tabla I) que se pueden denominar naturales de acuerdo con los estándares de etiquetado de la fsis (21 cfr 101.22) y que presentaron potencial antimicrobiano contra L. monocytogenes.
De los ingredientes naturales presentados en la tabla I, tres de ellos (mezcla de vinagre, limón y extracto de cereza en polvo, vinagre tamponado y mezcla de azúcar fermentado y vinagre) fueron elegidos para ser probados en productos reales no curados de pechuga de pavo estilo deli. Los productos fueron inoculados con 3 log ufc/g de la bacteria y almacenados a 4 o 7°C hasta por doce semanas. Tanto la mezcla de vinagre, limón
y extracto de cereza en polvo (1.5%) como el vinagre tamponado (2.5%) lograron retrasar el crecimiento de la bacteria por dos semanas más que el control de producto sin antimicrobiano, mientras que la mezcla de azúcar fermentado y vinagre (3.0%) retrasó el crecimiento por cuatro semanas adicionales. Como era esperado, la población de L. monocytogenes aumentó mucho más rápido a 7 que a 4°C (McDonnell et al., 2013).
Tabla I. Ingredientes “naturales” con potencial antimicrobiano probados en sistemas modelo de pasta de carne de pavo contra L. monocytogenes
Ingrediente
Mezcla de azúcar fermentado y vinagre*
Mezcla de vinagre y jugo de limón
Mezcla de romero y tocoferol
Extracto de té verde
Emulsión herbal activa
Concentrado de arándano
Aceite de árbol de té
Extracto de romero más nisina
Extracto de cereza en polvo
Mezcla de vinagre, limón y extracto de cereza en polvo*
Extracto de semilla de uva
*Ingredientes elegidos para ser probados en pechuga de pavo estilo deli no curada. Adaptada de McDonnell et al. (2013)
Por su parte, Weyker et al. (2016) probaron la efectividad de diferentes concentraciones de la mezcla de azúcar fermentado y vinagre, en un producto de pechuga de pavo no curado almacenado a 4°C por 16 semanas contra L. monocytogenes y Leuconostoc mesenteroides (una bacteria ácido-láctica que produce baba y malos olores, lo que disminuye la vida de anaquel de los productos). A partir de diferentes valores de humedad (60% a 80%), pH (5.8 a 6.4) y concentración de la mezcla de azúcar fermentado y vinagre (0.0% a 5.0%), se generaron 36 tratamientos. En 27 de los tratamientos, la mezcla de azúcar fermentado y vinagre inhibió de manera efectiva el crecimiento de L. monocytogenes. Se encontró que es probable que se requieran altas concentraciones de la mezcla para inhibir el crecimiento en productos no curados de pechuga de pavo de alto contenido de humedad y alto pH. La mezcla fue menos
efectiva contra L. mesenteroides, únicamente se logró inhibir el crecimiento en cuatro de los veinte tratamientos, lo que sugiere que su potencial para alargar la vida de anaquel del producto es limitado.
Por otra parte, los aceites esenciales son metabolitos secundarios producidos por las plantas, son mezclas complejas de compuestos volátiles que le confieren a las mismas su olor característico (Bakry et al., 2016). Algunos de estos compuestos, en especial los compuestos fenólicos, han demostrado poseer propiedades antimicrobianas ya que el grupo hidroxilo (-OH) del anillo fenólico rompe la membrana celular bacteriana (Grant y Parveen, 2017). La utilización de estos aceites en el procesamiento de alimentos es limitada gracias a su naturaleza aceitosa y volátil. Estos problemas se pueden contrarrestar encapsulando los aceites, en este sentido, Casco et al. (2015) encapsularon una
mezcla patentada de aceites esenciales y probaron su efectividad antimicrobiana contra un coctel de L. monocytogenes y contra un coctel de S. enterica, en productos de pollo tipo deli, almacenados a 4°C por 42 días. Las mezclas que se probaron contenían aceites esenciales de cítricos, cebolla y ajo en una base de tripolifosfato de sodio y lactato de potasio. Se probaron tanto la mezcla encapsulada (0.60%) como la mezcla sin encapsular (0.45%), y su efectividad se comparó contra la del lactato de potasio (2%), teniendo como control, productos sin antimicrobiano añadido. Se encontró que la mezcla, tanto encapsulada como sin encapsular, fueron significativamente diferentes al control (p<0.05), e iguales significativamente al lactato de potasio (p>0.05), logrando extender por siete días la fase de adaptación o fase lag del coctel de L. monocytogenes; sin embargo, no fue capaz de limitar el crecimiento durante el resto del almacenamiento. Ningún agente antimicrobiano logró limitar el crecimiento del coctel de L. monocytogenes a menos de dos ciclos logarítmicos después de 49 días de almacenamiento estándar establecido por la fsis (9 CRF 430.4) para validar compuestos antimicrobianos contra L. monocytogenes en productos listos para el consumo estilo deli. Por otro lado, todos los tratamientos lograron inhibir el crecimiento del coctel de Salmonella a menos de dos ciclos logarítmicos a los 35 días de almacenamiento, teniendo un efecto significativo y mayor el tratamiento en donde la mezcla de aceites esenciales fue encapsulada. Los autores concluyen que la mezcla patentada de aceites esenciales a una concentración del 0.60% puede reemplazar al lactato de potasio para limitar el crecimiento de Salmonella en productos de pollo listos para el consumo estilo deli. Sin embargo, se necesita evaluar el impacto a las características organolépticas del producto y, por lo tanto, la aceptabilidad por parte del consumidor.
Conclusiones y comentarios finales
A pesar de que, como se expone en la presente revisión, se ha demostrado la efectividad de los antimicrobianos lactato de potasio, lactato de sodio y diacetato de sodio, y el agente de curado nitrito de sodio, comúnmente utilizados en productos cárnicos listos para el consumo, así como de otros agentes antimicrobianos sintéticos (propionato, sorbato, benzoato), en la actualidad existe una creciente demanda por productos «naturales» que sean fácilmente reconocibles por los consumidores. Es de gran importancia entonces encontrar agentes antimicrobianos que cumplan con estos requisitos y que sean capaces de sustituir a los anteriores en cuanto a su eficacia antimicrobiana. Es
necesario recordar que para las nuevas propuestas se tendrá que establecer un modo de uso adecuado para cada producto en particular ya que, como se ha mencionado anteriormente, su efecto va a depender de diferentes aspectos, tanto de la naturaleza del producto como de los compuestos mismos. Los estudios recientes realizados que intentan cumplir con el propósito anterior se han enfocado en evaluar la efectividad de compuestos de nombres comunes como jugo de apio fermentado, vinagre, limón, extracto de cereza, ajo, té verde, extracto de semilla de uva, azúcar fermentado y aceites esenciales de diferentes especias, los cuales cumplen con los requisitos de ser «naturales». Su efectividad se ha evaluado principalmente contra las bacterias patógenas L. monocytogenes y C. perfringens en productos cárnicos de ave, mayormente de pavo.
Agradecimientos
La alumna Lastra-Vargas agradece a la Universidad de las Américas Puebla (udlap) por el apoyo del financiamiento otorgado para sus estudios de doctorado.
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Los beneficios del consumo de carotenoides
Marco Antonio González Peña*, José Daniel Lozada Ramírez**, Laura Toxqui Abascal*** y Ana Eugenia Ortega Regules****
Departamento de Ingeniería Química, Alimentos y Ambiental, Universidad de las Américas Puebla
**Decanatura de Ciencias, Universidad de las Américas Puebla
***Departamento de Ciencias de la Salud, Universidad de las Américas Puebla
Ex hacienda Sta. Catarina Mártir, C.P. 72810, San Andrés Cholula, Puebla, México.
Resumen
Los carotenoides son un grupo de pigmentos de origen vegetal que poseen propiedades antioxidantes y actividad fisiológica, y algunos son precursores de la vitamina A. Por ello, su ingesta se ha asociado con la prevención de cáncer, enfermedades cardiovasculares y visuales, entre otras. No obstante, la función de los carotenoides depende de su naturaleza química, contenido, biodisponibilidad y mecanismo de acción. El objetivo del presente artículo es recopilar información acerca de los carotenoides, sus fuentes naturales, su biodisponibilidad, sus propiedades benéficas y su uso en la prevención de enfermedades para el consumidor. Palabras clave: carotenoides · biodisponibilidad · actividad antioxidante · provitamina a · prevención de enfermedades
Abstract
Carotenoids are a group of pigments of vegetable origin, with antioxidant properties and physiological activity, and some are precursors of vitamin A. Therefore, its intake has been associated with the prevention of cancer, cardiovascular and visual diseases, among others. However, the function of carotenoids depends on their chemical nature, content, bioavailability and mechanism of action. The objective of this article is to gather information about carotenoids, their natural sources, their bioavailability, their beneficial properties and their use in the prevention of diseases for the consumer.
Keywords: carotenoids · bioavailability · antioxidant activity · provitamin a · prevention of diseases
Los carotenoides son un grupo de pigmentos encontrados, principalmente, en tomate, zanahoria, piña, frutos cítricos, mamey, papaya, flor de cempasúchil, flor de girasol, achiote, azafrán y hojas verdes (Perera y Yen, 2007), responsables de los colores amarillo, naranja y rojo en muchas plantas, y son compuestos utilizados comercialmente como colorantes naturales e ingredientes de suplementos nutricionales (Li, Tsao y Deng, 2012).
El estudio de estos pigmentos en años recientes ha sido de gran importancia, debido a que además de su conocida actividad como provitamina A, se han denominado compuestos bioactivos y se les atribuyen propiedades antioxidantes. Los compuestos bioactivos se definen como constituyentes propios de alimentos de origen vegetal, sin valor nutricional que, al ser ingeridos, ejercen efectos benéficos para la salud, promoción de la salud y/o efectos tóxicos (Sanches-Silva et al., 2013).
Además, estudios recientes señalan el papel de los carotenoides en la prevención de enfermedades crónico-degenerativas, cardiovasculares, cáncer, degeneración macular y formación de cataratas (Lemmens et al., 2014), debido a que participan en la modulación del sistema inmune y la comunicación celular; favorecen el desarrollo embrionario, la hematopoyesis y la apoptosis, y poseen actividad antioxidante, antiinflamatoria, antiangiogénica y antiproliferativa (Yahia, Gutiérrez-Orozco y Arvizu-de Leon, 2011; Saini, Nile y Park, 2015).
Debido a la importancia de los carotenoides y sus propiedades benéficas, previamente mencionadas, ha surgido el interés por conocer no sólo la cantidad de carotenoides ingeridos a través de la dieta, sino también su ruta de absorción y utilización en el organismo, es decir, su biodisponibilidad.
Por ello, el objetivo de este artículo es hacer una revisión acerca de los carotenoides, sus fuentes naturales, su mecanismo de absorción, los factores que influyen en su biodisponibilidad y sus propiedades benéficas en la salud, así como el uso de éstos en el tratamiento y/o prevención de enfermedades
Revisión bibliográfica
1. Estructura, clasificación y biosíntesis de los carotenoides
Los carotenoides son un grupo de pigmentos de origen vegetal (en su mayoría), responsables de los colores amarillos, anaranjados y rojos en frutas y hortalizas, con actividad antioxidante y algunos son precursores de la vitamina A. Además, los carotenoides participan en la regulación de la comunicación intercelular, la activación del sistema inmune y la prevención
de enfermedades (Salter-Venzon et al., 2017; Saini et al., 2015); siendo considerados sustancias que promueven la salud humana.
Los carotenoides están formados por ocho unidades repetitivas del isopreno (Fig. 1), con estructuras cíclicas o lineales, dando lugar a múltiples isómeros cis y trans, siendo más abundantes en la naturaleza los segundos (Guerrero-Legarreta, López-Hernández, Armenta-López y García-Barrientos, 2013; Schawartz, Cooperstone, Cichon, von Elbe y Giusti, 2017).
Estos pigmentos se clasifican en carotenos y xantofilas.
Figura 1. Estructura química del isopreno, unidad básica de los carotenoides.
Los carotenos se caracterizan por ser muy solubles en disolventes orgánicos e insolubles en disolventes polares, como ejemplos de éstos incluyen α, β y γ-caroteno y licopeno (Guerrero-Legarreta et al., 2013). Por otro lado, las xantofilas son solubles en disolventes polares como alcoholes y disolventes orgánicos como éter; se consideran derivados oxigenados de los carotenos, encontrándose como alcoholes, aldehídos, cetonas y/o ácidos , algunos ejemplos incluyen fucoxantina, luteína y violaxantina (Guerrero-Legarreta et al., 2013; Schawartz et al., 2017).
Los dobles enlaces conjugados de los carotenoides absorben la luz y son responsables de los colores brillantes en frutas y hortalizas, variando entre amarillo y naranja hasta rojo. Además, la presencia de dobles enlaces es responsable de la protección de las células frente a la oxidación y el daño celular (Sanches-Silva et al., 2013; Schawartz et al., 2017).
En la tabla I se observa la clasificación de los carotenoides, la estructura de carotenos y xantofilas, así como ejemplos de alimentos en los que se encuentran estos pigmentos.
Los carotenoides se almacenan en los tejidos de plantas (plástidos) como los cromoplastos, amiloplastos (almacén de almidón), oleoplastos (almacén de lípidos), leucoplastos y etioplastos. En frutas, flores y tubérculos, los carotenos se localizan y acumulan principalmente en los cromoplastos, mientras que en granos y semillas oleosas se localizan en amiloplastos y oleoplastos, respectivamente (Howitt y Pogson, 2006). Por otro lado, las xantofilas se encuentran libremente en los tejidos de plantas verdes, mientras que en frutas y flores se hallan esterificados con varios ácidos grasos, lo que permite la sobreproducción y acumulación de estos pigmentos (Perera y Yen, 2007).
Tabla I. Estructura y clasificación de carotenoides
β-criptoxantina HO Naranja-amarillo Flavedo de cítricos, melón, guayaba, manzana
Luteína HO Amarillo Maíz, brócoli, flor de cempasúchil, leguminosas
Zeaxantina HO
Amarillo Maíz, pimiento
Violaxantina Amarillo Pimiento
Neoxantina
Xantofilas
Fucoxantina
Astaxantina
Capsantina
Bixina O
Crocina O
(adaptado de Guerrero-Legarreta et al., 2013 y Schawartz et al., 2017)
Amarillo Hojas verdes
Rojo Algas
Rosa-rojo Salmón, langosta, camarón
Rojo Chile
Rojo marrón Achiote
Amarillo-naranja Azafrán
La biosíntesis de los carotenoides (Fig. 2) se lleva a cabo en los cloroplastos, partiendo de una molécula de isopentenil pirofosfato hasta la formación de fitoeno, catalizada por las enzimas farnesil pirofosfato sintasa y geranil geranil pirofosfato sintasa. Posteriormente, ocurre la desaturación de fitoeno, convirtiendo a éste en licopeno por acción de la enzima fitoeno desaturasa.
Figura 2. Vía de biosíntesis de carotenoides en plantas (Butnariu, 2016; Kang et al., 2017).
El siguiente paso en la biosíntesis de carotenoides es la ciclación del licopeno, para la formación de α-caroteno (vía α) y β-caroteno (vía β), catalizado por la enzima licopeno β-ciclasa. A partir de la vía α es posible formar luteína por acción de la enzima anillo-ε hidroxilasa, mientras que en la vía β el β-caroteno es convertido a β-criptoxantina, catalizado por la enzima β-caroteno hidroxilasa, la que a su vez también cataliza la conversión de éste a zeaxantina. Por su parte, la zeaxantina puede ser transformada en violaxantina, reacción que es mediada por la enzima zeaxantina epoxidasa y viceversa por la enzima violaxantina de-epoxidasa. Por último, la violaxantina puede ser convertida en neoxantina por medio de la enzima neoxantina sintasa (Butnariu, 2016; Kang et al., 2017).
2. Fuentes naturales de carotenoides
El consumo de carotenoides en la dieta humana proviene principalmente de alimentos de origen vegetal (frutas y hortalizas).
La composición y contenido de carotenoides en los alimentos se ven afectados por múltiples factores entre los que destacan los intrínsecos del vegetal (variedad, genotipo, estado de maduración), extrínsecos del vegetal (temporada de cosecha, condiciones de crecimiento) y climatológicos (localización, clima, humedad), entre otros (Saini et al., 2015). Adicionalmente, el contenido de carotenoides y su estabilidad son modificados por condiciones de almacenamiento y tratamiento de los alimentos (Olmedilla-Alonso, 2017).
Britton y Khachik (2009) propusieron una clasificación de frutas y hortalizas de acuerdo con sus niveles de carotenoides, agrupando a los alimentos en las siguientes categorías: nivel bajo (0-1 µg/g), nivel moderado (1-5 µg/g), nivel alto (5-20 µg/g) y nivel muy alto (> 20 µg/g). En la tabla II se enumeran algunas de las frutas y hortalizas consumidas comúnmente en México y su contenido de carotenoides.
Los carotenoides más abundantes en la dieta humana occidental son β-caroteno y α-caroteno, provenientes de zanahoria, calabaza, chabacano, chile, cilantro y espinaca (Yoon et al., 2012; Gul et al., 2015; Saini et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017); luteína a partir de brócoli, calabaza, espinaca, maíz, mango y papaya (Saini et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017), y licopeno proveniente de tomate, guayaba, sandía y grosella (Chandrika, Fernando y Ranaweera, 2009; Bagetti et al., 2011; Yoon et al., 2012; Gul et al., 2015; Saini et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017).
Tabla II. Contenido de carotenoides en frutas y
hortalizas consumidas en México
Alimento Nombre científico Contenido
Arúgula Eruca sativa Muy alto
Calabaza Curcibita maxima Muy alto
Calabaza Curcubita pepo Muy alto
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Saini et al., 2015 Camote Ipomoea batatas
Cebolla cambray Allium fistulosum Muy alto
Chabacano Prunus armeniaca Muy alto
Olmedilla-Alonso, 2017; Vimala et al., 2011
Yoon et al., 2012
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015 Chile Capsicum
Ciruela Prunus domestica Moderado
Coles de Bruselas Brassica oleracea
gemmiera
Coliflor Brassica oleracea var. botrytis Bajo
Durazno Prunus persica Alto
Espinaca Spinacia oleracea Muy alto
Grosella Eugenia uniflora Muy alto 2.90
Guayaba Psidium guajava Muy alto 2.00
Hojas de cilantro Coriandrum sativum Muy alto
Lechuga Lactuca sativa Alto 14.90 -
Maíz Zea mays Alto
Mamey Pouteria sapota Muy alto 37.64
Gul et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017; Yoon et al., 2012
Yoon et al., 2012
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Bagetti et al., 2011; Olmedilla-Alonso, 2017
Chandrika et al., 2009; Olmedilla-Alonso, 2017
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
- Saini et al., 2015
Yahia et al., 2011
Tabla II. Continuación. Contenido de carotenoides en frutas y hortalizas consumidas en México
Alimento Nombre científico Contenido
Mango Mangifera indica Muy alto
Manzana golden Malus domestica
Manzana roja Malus domestica Bajo
Naranja Citrus x sinensis
Naranja (jugo) Citrus x sinensis
Papaya Carica papaya Muy alto
Piña Ananas comusus Alto
Plátano Musa paradisiaca Bajo
Plátano rojo Musa acuminate
Sandía Citrullus lanatus Alto
Tomate Lycopersicum sculentum Muy alto
Zanahoria Daucus carota Muy alto
3. Absorción y biodisponibilidad de los carotenoides
La biodisponibilidad se puede definir como la fracción de carotenoides liberados del alimento que son absorbidos a nivel intestinal y están disponibles para su uso en procesos fisiológicos o almacenamiento en el cuerpo (Olmedilla-Alonso, 2017).
El tipo de matriz alimentaria en la que se localizan los carotenoides afecta significativamente su biodisponibilidad. Debido a su naturaleza hidrofóbica y su localización en los tejidos de plantas (plástidos), la biodisponibilidad de los carotenoides es, por lo general, baja en frutas y hortalizas crudas. Por lo tanto, los carotenoides deben de ser liberados de la matriz celular e incorporados en la fracción lipídica (micelas) durante la digestión, para su posterior absorción (Lemmens et al., 2014).
La liberación de los carotenoides del alimento se logra mecánicamente durante la masticación y químicamente por acción de las enzimas digestivas (amilasas, lipasas, pepsina)
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Aschoff et al., 2015
Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Saini et al., 2015
Chandrika et al., 2009; Olmedilla-Alonso, 2017
Gul et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017; Yoon et al., 2012
Olmedilla-Alonso, 2017; Saini et al., 2015
y el ácido clorhídrico en el estómago (Fig. 3, 1-2) (Cervantes-Paz, Victoria-Campos y Ornelas-Paz, 2016). Estos procesos ayudan a reducir el tamaño de partícula, lo que aumenta la superficie de contacto que interacciona con las lipasas pancreáticas, sales biliares y otras enzimas (amilasas pancreáticas, nucleosidasas, tripsinógeno, quimitripsinógeno, carboxipeptidasa, elastasas, fosfolipasas y éster carboxil lipasa), mejorando la liberación de los carotenoides y su incorporación a las micelas (Fig. 3, 3) (Saini et al., 2015; Bohn et al., 2017). Las sales biliares actúan como emulgentes contribuyendo a la formación y estabilización de las micelas, mientras que las lipasas degradan los lípidos en ácidos grasos y monoglicéridos, favoreciendo la emulsificación (Fig. 3, 4) (Bohn et al., 2017). Las micelas son absorbidas por los enterocitos a través de difusión pasiva o anclaje a proteínas receptoras en la membrana apical de las células, para facilitar su difusión (Fig. 3, 5) (Lemmens et al., 2014).
Después de la absorción, los carotenoides son encapsulados en quilomicrones y transportados al torrente sanguíneo, vía linfática (Fig. 3, 6) (Gul et al., 2015; Salter-Venzon et al., 2017). Una vez incorporados en el torrente sanguíneo (figura 3, 7), los carotenoides son transportados al hígado donde, dependiendo de las necesidades del organismo, se almacenan o se metabolizan en vitamina A (carotenoides provitamina A), por acción de las enzimas CCO (oxigenasas de unión a carotenoides, por sus siglas en inglés), BCO1 y BCO2 (oxigenasas de unión a β-caroteno, por sus siglas en inglés). Los carotenoides remanentes son secretados nuevamente a la circulación e incorporados a las lipoproteínas de muy baja densidad (vldl), de baja densidad (ldl) y de alta densidad (hdl), para su distribución a otros tejidos como el tejido adiposo (almacenamiento de vitamina A), la piel y el tejido subcutáneo (reservorio de carotenos y xantofilas), la mácula lútea en la retina ocular (luteína, zeaxantina y mesozeaxantina), el páncreas y el endotelio vascular, entre otros (Bohn et al., 2017).
Figura 3. Proceso de absorción de los carotenoides. 1,2) liberación de los carotenoides de la matriz alimentaria; 3) liberación de sales biliares del conducto biliar; 4) emulsificación de los carotenoides y formación de micelas; 5) absorción de los carotenoides en los enterocitos; 6) liberación de carotenoides al sistema linfático, y 7) transporte de carotenoides en torrente sanguíneo (Saini et al., 2015).
La biodisponibilidad de los carotenoides está influenciada por factores dietéticos (el contenido y la naturaleza química de los carotenoides, el contenido de grasa en la dieta, la interacción entre los carotenoides y los otros componentes de la dieta) y fisiológicos (la tasa de absorción de los carotenoides, el estado nutricional, los factores genéticos y el metabolismo de los consumidores) (Lemmens et al., 2014; Gul et al., 2015;). Por ejemplo, la fibra dietética, principalmente la fibra soluble, es un factor que limita la disponibilidad de los carotenoides, ya que afecta la viscosidad del contenido gastrointestinal, el tamaño de gotas lipídicas, la disponibilidad de las sales biliares y la lipólisis enzimática de los triacilglicéridos (Cervantes-Paz et al., 2016). A su vez, Gul et al. (2015) y Saini et al. (2015) afirman que la biodisponibilidad del β-caroteno en plantas es generalmente baja, debido a la unión de los carotenoides a complejos proteicos, fibras y pared celular, tornándolos resistentes a la digestión y degradación, limitando su liberación. Por otro lado, varios investigadores demostraron el efecto de los minerales en la biodisponibilidad de los carotenoides. En este sentido, Borel et al. (2016) encontraron que la biodisponibilidad del licopeno, proveniente de pasta de tomate, se ve limitada cuando se ingiere en combinación con 500 mg de calcio, aunque el mecanismo no está del todo definido, siendo probable que el factor limitante sea la formación de micelas. Por su parte, Corte-Real et al. (2017) encontraron que la biodisponibilidad de los carotenoides, provenientes de espinaca, no se ve limitada cuando se emplean dosis de 500 y 1000 mg de calcio.
La adición de grasa al alimento mejora la biodisponibilidad de los carotenoides, ya que los lípidos favorecen la formación de las micelas al estimular la liberación de sales biliares (Lemmens et al., 2014). En este sentido, Marriage et al. (2017) demostraron que las concentraciones plasmáticas de licopeno y zeaxantina son mayores cuando los carotenoides son ingeridos en combinación con mono y diacilglicéridos (provenientes de aceite de cártamo), en comparación a cuando no se ingiere el aceite. Similarmente, White et al. (2017) estudiaron el efecto de un aderezo para ensaladas, elaborado a partir de aceite de soya, en la absorción y biodisponibilidad de los carotenoides provenientes de ensalada de espinaca, lechuga, zanahoria y tomate. Las concentraciones plasmáticas de α-caroteno, β-caroteno, luteína y licopeno, se elevaron conforme se incrementó la concentración de aceite de soya en el aderezo.
El tratamiento térmico altera la pared celular de las plantas y el contenido de carotenoides, lo que a su vez se refleja en su biodisponibilidad. En este sentido, Aschoff et al. (2015) demostraron que la biodisponibilidad de β-criptoxantina en jugo de naranja pasteurizado es mayor que en naranja fresca. Además, los
investigadores obtuvieron resultados similares para otros carotenoides (zeaxantina, luteína y zeainoxantina). Por su parte, Vimala, Nambisan y Hariprakash (2011) evaluaron el contenido de carotenoides en camote, sometido a diferentes tratamientos (cocción, freído, secado en horno y secado al sol). Los resultados indican que el secado en horno a 50-60°C, retiene alrededor del 90% de los carotenoides y β-caroteno de camote, en comparación con el producto fresco; mientras que el resto de los tratamientos disminuyen entre un 15 y 30% el contenido de carotenoides. Por otro lado, Odriozola-Serrano, Soliva-Fortuny, Hernández-Jover y Martín-Belloso (2009) investigaron el efecto de dos métodos de tratamiento, pasteurización y pulsos eléctricos, sobre el contenido de carotenoides en jugo de tomate. Los investigadores observaron que los jugos tratados con pulsos eléctricos presentaron el mayor contenido de carotenoides, llegando a la conclusión que el tratamiento con pulsos eléctricos es la técnica más adecuada para mantener el contenido de carotenoides y aumentar su biodisponibilidad, en comparación al tratamiento térmico tradicional. En los casos previamente mencionados, se observa una reducción en el contenido total de carotenoides; no obstante, la biodisponibilidad de los mismos mejora como consecuencia de la disminución del contenido de fibra dietética, liberación del contenido celular, ablandamiento de la materia vegetal y/o disminución de las interacciones entre los carotenoides y otros componentes del alimento; facilitando tanto la liberación de carotenoides como la formación de micelas para la absorción de los mismos.
4. Propiedades benéficas de los carotenoides
4.1 Provitamina A
El valor nutricional de los carotenoides está basado principalmente en su actividad como provitamina A, es decir, su habilidad de conversión a vitamina A (Olmedilla-Alonso, 2017). El mayor aporte de carotenoides provitamina A (β-caroteno, α-caroteno y β-criptoxantina) en la dieta humana proviene de zanahoria, tomate, espinaca y naranja. No obstante, como ya se mencionó previamente, la concentración de carotenoides en los alimentos no es el único factor que determina la mejor fuente nutrimental, sino que también se debe tomar en cuenta su biodisponibilidad y su capacidad de conversión a retinol (Beltrán-de Miguel, Estévez-Santiago y Olmedilla-Alonso, 2015; Olmedilla-Alonso, 2017). Además de los carotenoides ya mencionados, sapotexantina y criptocapsina son otros carotenoides con potencial provitamina A (Chacón-Ordóñez et al., 2017).
Los carotenoides provitamina A cuentan con un anillo β-ionona, el cual es responsable de su actividad como precursores
de retinol, y no se encuentra presente en otros carotenoides como licopeno, luteína y zeaxantina, que no poseen actividad provitamina A (Fig. 4. ) (Cruz-Bojórquez, González-Gallego y Sánchez-Collado, 2013).
Figura 4. Anillo β-ionona, componente estructural fundamental de carotenoides provitamina A
La vitamina A existe en tres formas: retinal, retinol y ácido retinoico. La vitamina A, obtenida a través de la dieta, proviene de alimentos de origen vegetal (carotenoides provitamina A) o fuentes animales (ésteres de retinol). Los ésteres de retinol son destinados al almacenamiento en tejidos, hígado principalmente, o convertidos en trans-retinaldehído y ácido trans-ácido retinoico, por acción de las enzimas alcohol y aldehído deshidrogenasas, respectivamente (Cañete, Cano, Muñoz-Chápuli y Carmona, 2017).
La principal fuente de vitamina A (Fig. 5) es el β-caroteno, debido a que es capaz de convertirse en dos moléculas de retinol en presencia de oxígeno, por acción de la enzima β-caroteno 15,15´-monooxigenasa (Gul et al., 2015); a diferencia de α-caroteno y β-criptoxantina, los cuales contribuyen únicamente con una molécula de retinol. Esta enzima rompe al β-caroteno en dos moléculas de trans-retinal, las cuales se oxidan en ácido retinoico por efecto de la enzima retinal deshidrogenasa o se reducen en retinol catalizado por la enzima retinal reductasa (Álvarez, Meléndez-Martínez, Vicario y Alcalde, 2015).
Figura 5. Estructura química del retinol (vitamina A).
La vitamina A tiene múltiples funciones en el organismo, siendo esencial para el desarrollo y mantenimiento de la visión, la expresión génica, el desarrollo embrionario, el mantenimiento de la visión y del sistema inmune, el desarrollo y la diferenciación celular, la reproducción, el control de procesos metabólicos y el funcionamiento del tracto gastrointestinal, entre otros (Álvarez et al., 2015; Gul et al., 2015; Olmedilla-Alonso, 2017). En este sentido, Perera y Yen (2007) resumieron que la presencia de vitamina A y carotenoides provitamina A (β-caroteno y α-caroteno), se han asociado con la disminución del riesgo de cáncer de mama en mujeres post-menopaúsicas.
El ácido retinoico actúa como molécula de señalización en el desarrollo vascular y la hematopoyesis durante la etapa embrionaria. Además, participa en la regulación y homeostasis del sistema inmune, la diferenciación de los linfocitos T, la migración de los linfocitos T hacia los tejidos, el desarrollo de las células T dependientes de anticuerpos, la proliferación y diferenciación de los linfocitos B, la protección de los linfocitos B ante la apoptosis (en conjunto con el receptor 9 tipo Toll, TLR-9), la modulación del linaje de granulocitos y la diferenciación de neutrófilos (Cañete et al., 2017). Dichas propiedades han sido aprovechadas en el tratamiento de cáncer. En este sentido, Cañete et al. (2017) señalan que el tratamiento con ácido trans-retinoico, combinado con trióxido arsénico, ha mejorado el pronóstico de vida de pacientes con leucemia promielocítica aguda. Así mismo, el ácido trans-retinoico combinado con interferón-α, altera el metabolismo de las células malignas CD38, haciéndolas susceptibles al tratamiento con anticuerpos anti-CD38 en leucemia de células T.
De acuerdo con Rubin, Ross, Stephensen, Bohn y Tanumihardio (2017), se han descrito múltiples estudios que establecen una relación entre los bajos niveles plasmáticos de retinol y proteína de unión a retinol (rbp, por sus siglas en inglés) y procesos inflamatorios como infecciones agudas, enfermedades crónico-degenerativas y traumatismo. En este contexto, Cser et al (2004) encontraron que los niveles de β-caroteno, α-caroteno, β-criptoxantina y retinol son inferiores en niños con infecciones agudas en comparación a los niveles en niños sanos. Las alteraciones anteriormente mencionadas se caracterizan por niveles elevados de interleucina-6, la cual induce la expresión de genes que codifican para proteínas de fase aguda, que a su vez causan disminución en la concentración y síntesis de rbp, dando como resultado un decremento en la absorción de carotenoides y del contenido y almacenamiento de vitamina A (Rubin et al., 2017).
4.2 Actividad antioxidante
Investigaciones recientes señalan el potencial antioxidante de los carotenoides asociándose con la protección frente a enfermedades crónicas como la formación de cataratas, enfermedades coronarias, algunos tipos de cáncer, obesidad (Salter-Venzon et al., 2017) y asma (Bohn et al., 2017), entre otras; sin embargo, estos compuestos no son los únicos únicos implicados en la prevención de dichas enfermedades. Los carotenoides implicados juegan un papel fundamental como agentes acarreadores de electrones y protección de órganos, tejidos y células, frente al daño inducido por especies reactivas de oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés), especies reactivas de nitrógeno (RNS, por sus siglas en inglés) y lípidos peróxidos (Nagayama et al., 2014; Saini et al., 2015). Los mecanismos de eliminación de radicales libres, por parte de los carotenoides, son transferencia de electrones, formación de aductos y transferencia de un átomo de hidrógeno (Cervantes-Paz et al., 2016).
Los carotenoides β-caroteno, α-caroteno, zeaxantina, β-criptoxantina, luteína y licopeno poseen gran actividad antioxidante, favoreciendo la eliminación del singulete de oxígeno (1O2) por su estructura isoprenoide (dobles enlaces conjugados) (Gul et al., 2015; Cervantes-Paz et al., 2016; Xavier y Pérez-Gálvez, 2016). No obstante, el licopeno y el β-caroteno son más eficaces en la eliminación del singulete de oxígeno en comparación a luteína y otras xantofilas (Perera y Yen, 2007).
Múltiples autores han señalado las propiedades antioxidantes de los carotenoides tanto en condiciones in vitro como in vivo y su papel a nivel celular. En este sentido, Pons et al. (2014) demostraron que el β-caroteno proveniente de naranjas, aumenta la resistencia del nematodo Caenorhabditis elegans frente al estrés oxidativo inducido por peróxido de hidrógeno. De manera similar, Yazaki, Yoshikoshi, Oshiro y Yanese (2011) demostraron la capacidad antioxidante del carotenoide astaxantina, al incrementar el tiempo de vida media del nematodo C. elegans, así como también potenciar la expresión de los genes de las enzimas catalasa y súper óxido dismutasa (sod), las cuales forman parte del mecanismo de defensa antioxidante ante el daño oxidativo en los organismos; y disminuir la producción mitocondrial de ros Por su parte, You, Jeon, Byun, Koo y Choi (2015) demostraron que el β-caroteno y los carotenoides sintéticos bas y bts son capaces de reducir los niveles de ros en el nematodo C. elegans, observándose que el carotenoide bts posee la mayor actividad antioxidante de los tres compuestos.
La combinación de antioxidantes es más efectiva para prevenir el estrés oxidativo en comparación al uso de los compuestos individualmente. Los carotenoides son parte del sistema
antioxidante del cuerpo humano, interactuando de manera sinérgica con otros antioxidantes (Perera y Yen, 2007; Van Rooyen, Esterhuyse, Engelbrecht y du Toit, 2008;). En este sentido, Milde, Eistner y Grabmann (2007) demostraron que el uso de rutina (flavonoide) en combinación con luteína o licopeno previene mejor la oxidación de ldl, en comparación con cada uno de estos antioxidantes usados por separado. Asimismo, Varakumar, Kumar y Sarathi-Reddy (2011) demostraron la capacidad antioxidante de los vinos elaborados a partir de siete variedades diferentes de mango. De las variedades estudiadas, Alphonso presentó el mayor contenido de carotenoides y compuestos fenólicos totales, lo que se asoció a la mayor inhibición de la oxidación de ldl en ratas. En ambos estudios se observó una relación directa entre la presencia de carotenoides y compuestos fenólicos y su potencial antioxidante, demostrando el efecto sinérgico y benéfico que existe entre ambas clases de compuestos. La oxidación de ldl y el desarrollo de ateroesclerosis se ha asociado al estrés oxidativo (Milde et al., 2007). Como se mencionó previamente, los carotenoides pueden bloquear la formación de radicales peróxidos generados durante la oxidación lipídica, lo que protege las membranas celulares y lipoproteínas del daño oxidativo (Cervantes-Paz et al., 2016). En este sentido, la ingesta de licopeno, β-caroteno (Perera y Yen, 2007) y astaxantina (Li et al., 2012), ha demostrado la prevención de la oxidación de ldl, un factor clave para el desarrollo de ateroesclerosis y enfermedad coronaria. Así mismo, Shegokar y Mitri (2012), concluyeron que el consumo de luteína conlleva a un ligero adelgazamiento de las arterias carótidas en comparación con las de aquellos individuos que no consumieron carotenoides, reduciendo el riesgo de ateroesclerosis.
La degeneración macular relacionada con la edad es una enfermedad ocular asociada con el envejecimiento, que lleva a la pérdida de la visión y ceguera. Existe evidencia que señala que sujetos con una dieta baja en carotenoides y concentración baja de xantofilas en la retina, son más propensos a desarrollar degeneración macular (Shegokar y Mitri, 2012; Yoon et al., 2012). La luteína y la zeaxantina poseen actividad antioxidante, protegiendo a las células maculares en la retina, del estrés oxidativo, e inhiben la formación de drusas (depósitos de grasa en la retina), previniendo el daño macular (Li et al., 2012; Shegokar y Mitri, 2012).
Dai et al. (2014) describen el papel de los carotenoides en la reducción del riesgo de fractura de cadera en hombres con osteoporosis, debido a la capacidad de estos compuestos de contrarrestar los efectos del estrés oxidativo, lo que a su vez juega un papel importante en la regulación de la actividad de los osteoblastos y osteoclastos.
Sin embargo, no se debe olvidar que, a pesar de las propiedades antioxidantes que se les atribuyen, investigaciones recientes han demostrado que el consumo de carotenoides en dosis elevadas puede generar productos de descomposición pro-oxidativa, causando efectos adversos en la salud (Cervantes-Paz et al., 2016). Relacionado con esto, Cruz-Bojórquez et al. (2013) señalan que animales suplementados con 30 mg β-caroteno/día y expuestos al humo de cigarro durante seis meses, presentan una reducción en ácido retinoico, lo que conlleva a la aparición de células precancerosas, fenómeno que no se observa cuando se utilizan dosis menores (6 mg β-caroteno/día).
4.3 Otras
funciones
Además del potencial como provitamina A y actividad antioxidante de los carotenoides, existen evidencias de que estos compuestos desarrollan un papel importante en procesos celulares y moleculares asociados con la prevención de enfermedades crónicas (Olmedilla-Alonso, 2017). En este sentido, los carotenoides participan en la regulación de la proliferación, señalización y comunicación celular, lo que genera cambios en la transcripción de genes y expresión de proteínas, las cuales a su vez también participan en los procesos previamente mencionados. Estos cambios transcripcionales se han asociado con la interacción entre los carotenoides o sus derivados (apocarotenoides y/o retinoides), y los factores de transcripción, o por modificación indirecta de la actividad de transcripción (Perera y Yen, 2007; Álvarez et al., 2015).
Los carotenoides han sido empleados en la prevención y disminución de cáncer, debido a que éstos regulan cambios en la expresión de proteínas, como se mencionó previamente, que forman parte de la proliferación y diferenciación celular, apoptosis, angiogénesis, reparación del adn, eliminación de carcinógenos e inmunovigilancia (Perera y Yen, 2007; Addis et al., 2009). En este sentido, el β-caroteno es capaz de iniciar la cascada de caspasas a través de la interacción con complejos de señalización en la membrana celular, que desencadenan la apoptosis o muerte celular programada. Por otro lado, el β-caroteno también puede inducir la liberación del citocromo c de la mitocondria y alterar el potencial de la membrana mitocondrial, lo que lleva a la apoptosis (Perera y Yen, 2007). Por su parte, Xavier y Pérez-Gálvez (2016) reportan que la ingesta de 50 mg de β-caroteno durante 10-12 años, ha demostrado incrementar la actividad de células nk (natural killer), las cuales reducen la incidencia de tumores. De igual forma, la regulación de la biosíntesis de prostaglandina E2, que actúa como inmunosupresor, está mediada por la acción del β-caroteno, mejorando el sistema inmune. Por otro lado, se ha demostrado que
el licopeno es capaz de inhibir el crecimiento de células de cáncer de pulmón (Perera y Yen, 2007). De manera similar, el licopeno la zeaxantina y la luteína inhiben la proliferación de células de cáncer de próstata y mama (Perera y Yen, 2007; Li et al., 2012); la capsantina y otros carotenoides aislados de Capsicum annuum L., han demostrado poseer actividad antitumoral (Perera y Yen, 2007).Por su parte, Yamaguchi y Uchiyama (2004) señalan que la β-criptoxantina estimula la formación de hueso e inhibe su resorción. Así mismo, Sugiura et al. (2011) indican que una dieta rica en β-criptoxantina y vitamina C es inversamente proporcional a una baja densidad mineral ósea en mujeres, disminuyendo el riesgo de osteoporosis.
Finalmente, cabe mencionar que una dieta rica en carotenoides se asocia con la reducción del desarrollo de cáncer, enfermedades cardiovasculares, diabetes mellitus tipo 2, degeneración macular relacionada con la edad, formación de cataratas, osteoporosis, artritis, asma bronquial e infecciones del tracto urinario, entre otras (Sharma, Karki, Thakur y Attri, 2012; Estévez-Santiago, Olmedilla-Alonso y Fernández-Jalao, 2016; Olmedilla-Alonso, 2017). En contraste, la deficiencia de carotenoides puede llevar a problemas de visión y una baja inmunidad innata y adaptativa (Saini et al., 2015).
Conclusiones y comentarios finales
Las frutas y hortalizas son fuente natural de carotenoides, los cuales destacan por sus propiedades antioxidantes y provitamina A, gracias a lo cual han sido empleados en el tratamiento y/o prevención de ciertas enfermedades. Sin embargo, debido a su naturaleza hidrofóbica, factores dietéticos y fisiológicos, su absorción y actividad fisiológica se han visto limitadas. Es por ello, que es importante continuar con las investigaciones acerca de la biodisponibilidad y las propiedades benéficas de los carotenoides, y su papel en la prevención y/o tratamiento de enfermedades crónicas, así como también elucidar los mecanismos a través de los cuales ejercen estos beneficios en la salud de los organismos. Por último, no hay que olvidar que los carotenoides no son los únicos compuestos responsables de la prevención de enfermedades, sino que participan en conjunto con otros compuestos y/o factores, los cuales contribuyen a mejorar la salud del individuo.
Agradecimientos
El autor Marco Antonio González Peña agradece a la Universidad de las Américas Puebla (udlaP) por el apoyo del financiamiento otorgado para sus estudios de doctorado.
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