Bebida no alcohólica a partirde la cáscara de SANDÍA

Ricardo Durán Barón. Ingeniero químico, Universidad Industrial de Santander; especialista en Ingeniería de Procesos en Alimentos y Biomateriales; y candidato a PhD en Ingeniería, Universidad de Antioquia. Docente, Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ingeniería y Tecnológicas. Líder del Grupo de Investigación Optimización Agroindustrial (GOA) y del Centro de Investigación para el Desarrollo de la Ingeniería (CIDI), Universidad Popular del Cesar.

ricardoduran@unicesar.edu.co

María Eugenia Villegas Gómez. Ingeniera agroindustrial, Universidad Popular del Cesar. Integrante del Grupo de Investigación Optimización Agroindustrial (GOA) y candidata a Joven Investigador 2015.

maria_e_16@hotmail.com

Ibeth Karina Nieves Ortiz. Ingeniera agroindustrial, Universidad Popular del Cesar.

ibethkarinanieves@hotmail.com

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Bebida no alcohólica a partir de la cáscara de sandía

La cáscara de sandía contiene un porcentaje de extracto de citrulina, útil para disminuir la fatiga muscular tras el esfuerzo físico, debido a que actúa en el cuerpo humano como un vasodilatador muscular. El proyecto de investigación que aquí se presenta consistió en elaborar una bebida que permite aprovechar 827,37 toneladas anuales de corteza de sandía que se producen en la ciudad de Valledupar (departamento de Cesar, Colombia).

El proceso empezó con la búsqueda de antecedentes sobre el aminoácido citrulina. Se encontró que existen varias patentes que tratan sobre la obtención de este compuesto a partir de la corteza de sandía, productos patentados en Japón: Citrulline Gume —goma de mascar con citrulina— y Citrulline Water—agua de citrulina—, relacionados con el deporte y utilizados en los Juegos Olímpicos de Beijín; y la bebida funcional Avivate, elaborada en España, indicada para la diminución de la fatiga muscular tras un esfuerzo físico.

En la investigación se desarrollaron cinco objetivos:

Para lograr el primer objetivo, se encontró que en Valledupar se consumen aproximadamente 2610 toneladas anuales de sandía proveniente del departamento del Meta, principalmente, las cuales distribuyen cinco mayoristas. Para la investigación, se obtuvieron cinco sandías por cada mayorista, a las que se les calculó y promedió

1. Conocer la cantidad de sandía consumida en la ciudad de Valledupar, los distribuidores mayoristas, la procedencia de la fruta y la cantidad real de cáscaras generadas tras su consumo.

2. Caracterizar la corteza de sandía con el fin de conocer su calidad.

3. Obtener un extracto del aminoácido con tres métodos de extracción: baño María—con una solución de ácido clorhídrico y etanol como solvente—, soxleht—con etanol como solvente— y centrifugación—con ácido acético como solvente—.

4. Realizar un análisis para determinar la cantidad o contenido del aminoácido citrulina en los extractos.

5. Emplear el extracto obtenido en la elaboración de una bebida no alcohólica, evaluar las características organolépticas y valorar la efectividad en la disminución de la fatiga muscular posentrenamiento.

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Bebida no alcohólica a partir de la cáscara de sandía

el porcentaje correspondiente a cada parte de la fruta (figura 1). Se obtuvo que la pulpa representa 60,4 %, la corteza —parte blanca de la fruta—31,4 %, y 7,3% la piel y el resto de semillas. Con el porcentaje de corteza y conociendo que el consumo de sandía es de 2610 t al año, se pudo calcular que el residuo generado tras el consumo es de 827,37 t de corteza al año. Ver figura 1.

Para el segundo objetivo se analizó la cantidad de proteína, carbohidratos, fibras, humedad, extracto etéreo —grasa— y cenizas de la corteza. Como resultado, se obtuvo que la corteza presenta 10,12% de proteína, 61,34% de carbohidratos, 13,16% de fibra, 0,28% de extracto etéreo, 13,02% de cenizas y 2,02 % de humedad en base secaII.

Para el tercer objetivo se tomaron 80 kg de corteza, los cuales se liofilizaronIII —proceso de eliminación de agua a bajas temperaturas—con el fin de obtener la materia prima para los procesos de extracción. Las muestras liofilizadas de cortezas se sometieron a los tres procesos de extracción:

1. Método de extracción por baño María. Este proceso consiste en tomar una muestra de corteza seca y adicionarle una solución de ácido clorhídrico y etanol (figura 2a) y colocar la muestra en un equipo de baño María (figura 2b) a 100°C durante cuatro horas. Luego, se seca la muestra en una estufa (figura 2c) y se almacena para análisis posteriores.

2. Método de extracción por soxleth. Este proceso consiste en tomar una muestra de corteza seca, colocarla en un cartucho o filtro de papel (figura 3a) y realizar el montaje en el equipo de soxleth (figura 3b) en diferentes temperaturas y tiempo, utilizando etanol como solvente para la recirculación. Luego, se seca la muestra en una estufa (figura 3c) y se almacena para análisis posteriores.

3. Método de extracción por centrifugación. Este proceso consiste en tomar una muestra de corteza seca, colocarla dentro de tubos eppendorfs con una solución de ácido acético, agitarlo durante un minuto (figura 4a) y someterlo a centrifugación durante diferentes tiempos a 5000 rpm (figura 4b). Luego, se seca la muestra en una estufa (figura 4c) y se almacena para análisis posteriores.

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Bebida no alcohólica a partir de la cáscara de sandía

Durante la terminación de esta etapa del proyecto, el director Ricardo Durán se encontraba realizando su pasantía de doctorado de seis meses en la Facultad de Zootecnia e Ingeniería de Alimentos, campus Pirassununga de la Universidad de Sao Paulo. Allí conoció a Alessandra Lopes de Oliveira, directora del Laboratorio Tecnológico de Alta Presión y Productos Naturales —dedicado a obtener bio-compuesto mediante métodos de fluido supercrítico y líquido presurizado—, quien le dio el aval, la disposición y el cupo para realizar una pasantía de dos meses en su laboratorio, durante los cuales se dedicó por completo a la investigación de antecedentes, diseño de metodología y redacción, para la continuación del cuarto y quinto objetivo del proyecto, los cuales estuvieron interrumpidos.

La pasantía consistió en emplear dos equipos para implementar dos novedosos métodos de extracción por fluido supercríticos, y extracción por líquido presurizado en la obtención de un extracto de citrulina. Para llevar a cabo estas dos extracciones, se transportaron las cortezas liofilizadas desde Valledupar hasta la Universidad de Sao Paulo (Brasil),donde se inició la extracción. Para lograrlo, se molieron y tamizaron las muestras liofilizadas. Los dos procesos adicionales de extracción realizados fueron:

1. Método de extracción por fluido supercrítico—SFE—. Este proceso consiste en tomar la corteza de sandía y colocarla en el extractor de lecho fijo (figura 5a)—una celda de acero inoxidable de 300 ml de volumen—, donde se adicionan perlas de vidrio para completar el volumen de la celda. Luego se coloca esta celda en el equipo SFE (figura 5b) a diferentes presiones y temperaturas durante cuatro horas. El extracto obtenido se recoge en un frasco en baño de hielo (figura 5c). Los extractos se almacenan hasta posterior análisis (figura 5d). En este equipo, la muestra entra en contacto con un flujo de dióxido de carbono y etanol en estado supercrítico a bajas presiones, lo que permite la extracción de los compuestos presentes en la corteza.

2. Método de extracción por líquido presurizado—PLE—. Este proceso consiste en tomar la corteza de sandía y ubicarla en una celda de acero inoxidable de 34 ml de volumen (figura 6a). Enseguida se coloca la celda en el equipo PLE (figura 6b) a 1500psi, a diferentes tiempos y temperaturas. Luego se recoge el extracto en un frasco de vidrio (figura 6c) y se almacena para posterior análisis (figura 6d). En este equipo, la muestra entra

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Bebida no alcohólica a partir de la cáscara de sandía

Para darle mayor soporte investigativo al proyecto de grado, al tercer objetivo se adicionaron los dos métodos de extracción desarrollados en la pasantía. De esta manera, en el proyecto de grado se aplicaron cinco métodos de extracción.

Para el desarrollo del cuarto objetivo se hicieron los análisis de cuantificación, para determinar la cantidad o contenido de citrulina obtenido por cada método de extracción. Este análisis consiste en formar un complejo de color entre los reactivos y la citrulina presente en el extracto, de manera que se pueda leer en el espectro fotómetro a una longitud de onda determinada, y cuantificar mediante una ecuación correspondiente a la curva de calibración. Para dicho análisis se prepararon las siguientes soluciones: catalizadora, compuesta de ácido sulfúrico con ácido fosfórico, agua y cloruro férrico; dediaetilmonoxima—reactivo generador del complejo de color—; y cromogénica, constituida por una parte de la solución catalizadora y otra parte del reactivo generador del color y tiosemicarbazida—reactivo estabilizador del color—(figura 7a). Se elaboraron soluciones patrones con citrulina tipo analítica (figura 7b). Luego se tomaron alícuotas de cada solución patrón y se le añadieron 3 ml de la solución cromogénica, se llevaron a calentamiento de baño María hasta formar el complejo de color (figura 7c) y después se leyeron las muestras en el espectrofotómetro (figura 7d). En la tabla 1 se presentan los contenidos de citrulina obtenidos por los cinco métodos de extracción.

Tabla 1: Contenido de Citrulina.

en contacto con un flujo de etanol presurizado debido a la acción del N2 presurizado suministrado. Este proceso se realiza a altas presiones, lo que permite utilizar bajas temperaturas para extraer los compuestos presentes en la corteza.

Métodos Contenido de citrulina (mg/g)1 Baño María 4,23 – 14,702 Soxhlet 1,06 – 3,98

3 Centrifugación 4,42 – 12,56

4 SFE 0,002 – 0,635 PLE 0,092 – 0,578

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Para el desarrollo del quinto objetivo se seleccionó el método de extracción por centrifugación, el cual presentó un buen rendimiento de citrulina (12,56 mg/g) y de menor riesgo para la salud. Este método se realizó a escala piloto para obtener el extracto que se le adicionará a la bebida (figura 8).

La bebida refrescante se elaboró de la siguiente manera: se recibió la sandía —materia prima, figura 9a—, se calculó y se pesaron las cantidades de agua, conservantes y aditivos (figura 9b). En una marmita a 37°C se adicionaron el agua y el azúcar; luego, a 60°C se agregaron el CMC —estabilizante—, el ácido fumárico, la pulpa y el extracto. Después se homogenizó la mezcla y se pasteurizó a 70°C (figura 9c). Enseguida se realizó la medición de pH y luego se adicionaron los conservantes y el ácido cítrico. Finalmente, se envasó (figura 9d) y almacenó hasta las pruebas sensoriales, físicas y microbiológicas.

LA VALIDACIÓNA la bebida refrescante se le practicaron tres análisis:

1. Análisis microbiológicos. A una muestra de ocho bebidas se les evaluó el tiempo de vida útil, comparando las condiciones de refrigeración (4°C) y temperatura ambiente; y se realizaron controles microbiológicos de coliformes, coliformes totales, mohos y levaduras, cada cinco días durante quince días. Al fin, se comprobó que la bebida presentó tales microorganismos dentro de los límites permitidos por la NTC 3549.

2. Análisis o pruebas sensoriales de aceptación. Se dio a pro-bar la bebida a un panel de cincuenta personas (figura 10a), con el fin de que ellas evaluaran los parámetros de olor, co-lor, sabor, textura y aceptación general. Para muestras con 20 ml de la bebida se entregó un formato para calificar positiva-mente o negativamente —gusto o disgusto—cada parámetro (figura 10b). En conclusión, el panel calificó positivamente los parámetros de color, sabor y textura; y la bebida presentó una aceptabilidad de 96%.

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Luego del esfuerzo físico —pre—, los participantes de ambos grupos presentaron una escala de dolor intermedia. Después de las veinticuatro horas —pos—, el grupo B no presentó disminución en la escala de dolor, mientras que en el grupo A se presentó una disminución de dolor intermedio a dolor mínimo en 34% de los individuos (grafica 1).

Gráfica 1: Resultado de la prueba física.

El resultado obtenido indica que la dosis de citrulina utilizada (270mg) tuvo una efectividad de 34%, lo que significa que es necesario aumentar la dosis (mayor de 270 mg).

3. Análisis de evaluación de la eficiencia de la bebida. Las pruebas físicas se realizaron con el fin de evaluar la efectividad en la disminución de la fatiga muscular tras el esfuerzo físico. Para esto se elaboraron dos tipos de bebidas: una sin el extracto de citrulina —bebida placebo (figura 11a) y otra con el extracto de citrulina—270mg (figura 11b, las cuales se administraron a dos grupos de personas: grupo A—bebida con extracto (figu-ra 11c)—y grupo B —bebida placebo (figura 11d)—dos veces al día durante cinco días; al quinto día, ambos grupos fueron sometidos a un esfuerzo físicoIV. Veinticuatro horas después, los grupos respondieron un test para detectar la posible eficiencia de la bebida en la disminución de la fatiga.

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IMPACTOS COLATERALES DE LA INVESTIGACIÓNA través de este proyecto se logró participar en el X Encuentro de Semilleros de Investigación y Jóvenes Emprendedores (2014), en el XVI Encuentro Nacional y en el X Internacional de Semilleros de Investigación (2014) y en el II Congreso Internacional de Investigación e Innovación en Ingeniería, Ciencia y Tecnología de Alimentos. Además, se logró la publicación de los artículos “Obtención del extracto de l-citrulina procedente de corteza de sandía utilizando líquido presurizado” en la revista Facultad Nacional de AgronomíaV y “Caracterización y extracción de citrulina de corteza de sandía (Citrulluslanatus “Thunb”) consumida en Valledupar” en Revista Temas Agrarios; y se formuló un nuevo proyecto: “Encapsulación de la citrulina obtenida de cáscara de sandía con pectina extraída de cascaras de naranja”, con el cual se está participando para lograr un cupo en la Maestría en Ciencia de los Alimentos en la Universidad de Sao Paulo.

www.propiedadpublica.com.co

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Galería

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3b

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3c

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1 Fruto de la Sandía. Cortesía investigadores

Método de extracción por baño María.Cortesía investigadores

Método de extracción por soxleth.Cortesía investigadores

Método de extracción por centrifugación.Cortesía investigadores

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Galería

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Método de extracción por líquido presurizado—PLE—. Cortesía investigadores

Análisis de cuantificación, para determinar la cantidad de citrulina.Cortesía investigadores

Método de extracción por fluido supercrítico—SFE—. Cortesía investigadores

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Galería

8 Extracción de la citrulina. Cortesía investigadores

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10a

11a - b 11c

9b 9c

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9dProceso de elaboración de la bebida refrescante. Cortesía investigadores

Análisis o pruebas sensoriales de aceptación. Cortesía investigadores

Análisis de evaluación de la eficiencia de la bebida.Cortesía investigadores

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REFERENCIASBoyde, T.&Rahmatullah, M. (1980, septiembre). Optimization of conditions for the colorimetric determination ofcitrulline, using diacetylmonoxime. Analytical Biochemestry, 107, 424-431.

Durán, R., Lopes de Oliveria, A., Pérez, L. J., Villegas, M.& Nieves, I. (2014). Obtención del extracto de L-citrulina procedente de corteza de sandía utilizando líquido presurizado.Revista Facultad Nacional de Agronomía, 67(2), 694-696.

Durán, R., Villegas, M., Nieves, I., de Oliveira, A.& Pérez, L. (2013). Innovación tecnológica en la extracción de citrulina empleando los métodos PLE y SFE. Informe Estadio supervisado II, pp. 1-37 , Convenio Universidad de Sao Paulo-Universidad Popular del Cesar, Pirassununga, Sao Paulo, Brasil.

Fang, Y.-Z., Yang, S. & Wu, G. (2002). Free radicals, antioxidants, and nutrition. Nutrition, 18(10), 872-879.

Fila, W. A., Itam, E. H., Johnson, J. T., Odey, M. O., Effiong, E. E., Dasofunjo, K. & Ambo, E. E. (2013). Comparative proximate compositions of watermelon Citrulluslanatus, squash Cucurbitapepo’l and rambutan Nepheliumlappaceum. International Journal of Science and Technology, 2(1), 81-88. Recuperado de http://www.journalofsciences-technology.org/archive/2013/jan_vol_2_no_1/55959134997818_abstract.php

Horta Ronda, A. I. (2008). Separación de aminoácidos y derivados utilizando resinas impregnadas de extractante (tesis de doctorado). Universidad de Burgos, Burgos.

Huezo Méndez, A. N. (2008). Evaluación física y sensorial de un prototipo de bebida de maracuyá con semillas de chía (Salvia hispánica L.) y análisis químico de la semilla de chía (proyecto para licenciado). Escuela Agrícola Panamericana, Zamorano, Honduras.

Imen, T., Hdiderb, C., Lenuccic, M., Riadh, I., Jebarib, H. &Dalessandro, G. (2011). Bioactive compounds and antioxidant activities during fruit ripening of watermelon cultivars. Journal of Food Composition and Analysis, 24(7), 923-928. Recuperado de http://www.researchgate.net/publication/235731681_Bioactive_compounds_and_antioxidant_activities_during_fruit_ripening_of_watermelon_cultivars

Jayaprakasha, G. K., ChidambaraMurthy, K. N. &Patil, B. S. (2011). Rapid HPLC-UV method for quantification of L-citrulline in watermelon and its potential role on smooth muscle relaxation markers. Food Chemistry, 127(1), 240-248. Recuperado de http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814610017358

Perkins-Veazie, P., Collins, J. K., Pair, S. D.& Warren, R. (2001). Lycopene content differs among red-fleshed watermelon cultivars. Journal of the Science of Food and Agriculture, 81(10), 983-987.

Piñeiro, V., Ortiz Moreno, A., Mora Escobedo, R., Hernández Navarro, M. D., Ceballos Reyes, G.& Chamorro Cevallos, G. (2010). Effect of L-arginine oral supplementation on response to myocardial infarction in hypercholesterolemic and hypertensive rats. Plant Foods Human Nutrition, 65(1), 31-37. Recuperado de http://link.springer.com/article/10.1007/s11130-009-0143-y#page-2

Plummer, D, T. Colorimetría y espectrofotometría, en Introducción a la Bioquimica Práctica: Mc Craw Hill, 1981, cap. 4, pp. 94-11. Recuperado de http://www.bioquimica.dogsleep.net/Laboratorio/Plummer/Chp04.pdf

Rimando, A.& Perkins-Veazie, P. (2005, junio). Determination of citrulline in watermelon rind.Journal of Chromatogr A, 1078(1-2), 196–200.

Rubinson, K., Rubinson, J. Análisis Instrumental, Prentice Hall, 2000. Capitulo 8, pp 282 - 356, España.

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Bebida no alcohólica a partir de la cáscara de sandía

Tarazona Díaz, M. P. (2012). Aprovechamiento de subproductos procedentes de la industria de procesado en fresco: Obtención de un zumo funcional de sandía (tesis de doctorado). Universidad Politécnica de Cartagena, Cartagena, España.

Tarazona Díaz, M. P., Alacid, F., Carrasco, M., Martínez, I. & Aguayo, E. (2013). Watermelon juice: A potencial funtional drink for sore muscle relief in athletes. Journal of Agricultural and Food Chemestry, 61(31), 1-33. Recuperado de http://www.researchgate.net/publication/249995979_Watermelon_Juice_A_Potential_Functional_Drink_for_Sore_Muscle_Relief_in_Athletes

Tarazona Díaz, M. P., Viegas, J., Moldao-Martins, M. & Aguayo, E. (2011, marzo). Bioactive compounds from flesh and by-product of fresh-cut watermelon cultivars. Science of Food and Agriculture, 91(5), 805-812.

Wada, M. (1930). Übercitrulline, eineneue Aminosäureim Presssaft der Wasser melone, Citrullus vulgaris. Biochemische Zeitschrift, 224, 420-429.

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SITIOS WEB RECOMENDADOSAnálisis sensorial de alimentos:http://dcfernandezmudc.tripod.com/http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/wittinge01/Aminoácido citrulina:https://www.nutritienda.com/es/wiki/citrulinahttp://www.peaktestosterone.com/es/Beneficios_de_la_Citrulina.aspxhttp://www.ars.usda.gov/is/espanol/pr/2007/070321.es.htmhttp://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_7483000/7483059.stm

Extracción de compuestos:http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/extraccio_fona.htmlhttp://www.cenunez.com.ar/archivos/39-extraccinconequiposoxhlet.pdfhttp://www.tipos.co/tipos-de-extraccion/

Aprovechamiento de subproductos:http://www.triptolemos.org/catalogo/tesis/aprovechamiento-de-subproductos-procedentes-de-la-industria-de-procesado-en-fresco-obtenci%C3%B3n-dFluidos supercríticoshttp://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/sectores.php?secc=tecnologia

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NOTASI El ingeniero Ricardo Durán planteó esta idea a María Villegas e Ibeth Nieves, estudiantes del 10° semestre de Ingeniería Agroindustrial, a raíz del comentario popular de que “la cáscara de la patilla contiene citrulina y sirve como viagra” y por el volumen de cáscara que por su consumo se genera en la ciudad. Así nació este proyecto, enmarcado en la línea de Aprovechamiento Agroindustrial del Grupo Optimización Agroindustrial. Una vez elaborado, se participó en la convocatoria interna de la Universidad Popular del Cesar para financiar proyectos de semillero de investigación, el cual fue aprobado. A partir de él, sus autoras estructuraron otro más amplio con el fin de obtener el título de ingenieras agroindustriales.

II Procedimiento realizado en las instalaciones del laboratorio del Centro de Investigación para el Desarrollo de la Ingeniería —CIDI— de la Universidad Popular del Cesar.

III Análisis realizado en la empresa Drycol (Funza, Bogotá), financiado con los recursos del proyecto del semillero.

IV Las sesiones de ejercicio se desarrollaron en el Gimnasio Petrorian del barrio Club House de Valledupar.

V Volumen 67, (suplemento II), junio de 2014, ISSN formato web 2248-7026.