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Mar 04, 2024

Una alternativa de blanqueamiento natural a partir de residuos de alimentos reciclados (suero ácido) y cereales infrautilizados (mijo).

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6482 (2023) Citar este artículo 1273 Accesos Detalles de métricas La industria láctea se enfrenta a un desafío enorme en la gestión del suero ácido (AW), un subproducto de la leche griega.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6482 (2023) Citar este artículo

1273 Accesos

Detalles de métricas

La industria láctea enfrenta un desafío enorme en la gestión del suero ácido (AW), un subproducto de la fabricación de yogur griego que es costoso de eliminar y difícil de incorporar a otros productos alimenticios. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que el AW se puede transformar en un polvo blanco viable encapsulándolo en harina de mijo. Recientemente, han surgido preocupaciones sobre la seguridad del dióxido de titanio (TiO2) blanqueador de uso alimentario comúnmente utilizado, y la búsqueda de un agente blanqueador de alimentos alternativo se ha vuelto esencial. Este estudio evaluó el atributo de color, la composición aproximada, el perfil de azúcar, el perfil de aminoácidos, el contenido fenólico total, la actividad antioxidante y el contenido de antinutrientes del nuevo suero ácido de mijo en polvo (AWM). Los valores de L* de los polvos de AWM fueron significativamente superiores a los del TiO2 y al resto de las formulaciones de mijo. El contenido de proteína cruda en los polvos AWM fue significativamente (p <0,05) menor en comparación con el contenido de proteína cruda en las harinas de mijo. Los polvos AWM tenían niveles más altos de lactosa y retuvieron todos los aminoácidos principales después del secado por aspersión. Los macrominerales (P, K, Ca y Na) y microminerales (Zn y Cu) aumentaron significativamente en el polvo de AWM, mientras que el contenido de taninos se redujo en los polvos de AWM. Estos hallazgos sugieren que el polvo AWM es un polvo blanco que contiene una amplia gama de componentes con alto valor nutricional que podrían incorporarse fácilmente en diversas aplicaciones. En resumen, este estudio proporciona una valiosa contribución a la industria láctea al resaltar el potencial de los polvos de AWM como agente blanqueador de alimentos alternativo natural al TiO2.

En los últimos tiempos, el blanqueador de calidad alimentaria más popular, el dióxido de titanio (TiO2), ha sido objeto de escrutinio por su seguridad, lo que requiere un agente blanqueador de alimentos alternativo. El TiO2 también se denomina E171 cuando se utiliza como aditivo alimentario. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria anunció en 2021 que el E171 ya no se considerará seguro como aditivo alimentario y, como resultado, la Comisión Europea prohibió el uso del aditivo alimentario E171 a partir de 20221. El TiO2 es un polvo blanco e inodoro que A menudo se agrega para aclarar o crear un efecto turbio, así como para proporcionar opacidad y blancura para una variedad de propósitos. Por este motivo, actualmente es el color blanco más eficaz utilizado en muchas aplicaciones alimentarias. El TiO2 se puede encontrar en varios productos alimenticios, incluidos chicles, dulces, salsas y productos horneados2,3. Sin embargo, ha habido una creciente preocupación sobre la genotoxicidad de las nanopartículas de TiO2 y su posible impacto en la salud humana4. Como resultado, los investigadores necesitan encontrar un reemplazo para el TiO2 porque el E171 continúa enfrentando un escrutinio sobre su seguridad y los consumidores exigen cada vez más ingredientes limpios.

La creciente demanda de productos lácteos ricos en proteínas por parte de los consumidores ha llevado a un aumento en la producción de yogur estilo griego, lo que ha resultado en la generación de grandes volúmenes de suero ácido. Un estudio de consumidores demostró que el aumento exponencial en la producción de yogur griego entre 2007 y 2015 dio como resultado la generación de 1,5 millones de toneladas métricas de suero ácido en 20155. El suero ácido (AW) es la porción líquida de color verde amarillento que se elimina durante la producción de yogur griego. El componente líquido AW se caracteriza por cantidades significativas de lactosa, lípidos, minerales, vitaminas, proteínas y péptidos6. Aunque AW es un subproducto nutritivo, su composición dificulta su procesamiento posterior, lo que limita su utilización. El AW tiene un pH bajo (< 4,5) y un alto nivel de ácido láctico, lo que provoca pegajosidad durante el secado, y el alto contenido mineral del AW provoca una gran contaminación del equipo de procesamiento7. Además, el AW tiene una alta demanda biológica de oxígeno, lo que dificulta su eliminación en el medio ambiente sin efectos costosos en los ecosistemas circundantes8. Actualmente, las AW se utilizan como fertilizante, se incorporan a la alimentación animal y se convierten en biocombustible5. Los fabricantes de productos lácteos a menudo tratan los AW in situ como un flujo de desechos y esto requiere pasos de filtración antes de su eliminación, lo que podría ser costoso y desperdiciar un subproducto abundante y nutritivo. Según las Naciones Unidas, reducir la pérdida y el desperdicio de alimentos en los sistemas alimentarios contribuye a crear un sistema alimentario más sostenible y resiliente9. Una de esas formas es reciclar los desechos de alimentos, lo que implica transformarlos en productos nuevos con valor agregado que pueden usarse en diversas aplicaciones. Por lo tanto, al reciclar los desechos de alimentos, como el suero ácido, en un producto valioso, la industria láctea puede abordar eficazmente el problema de los desechos que enfrenta actualmente.

El mijo es un cereal muy nutritivo y un alimento básico para la mayoría de las personas en las zonas tropicales áridas y semiáridas del mundo. Se cultivan habitualmente en países asiáticos y africanos y en partes de Europa10. El mijo es resistente al clima, crece en condiciones ambientales adversas casi sin insumos, soporta variaciones climáticas impredecibles y tiene una temporada de crecimiento corta en comparación con otros cereales importantes11. El mijo es rico en valiosos nutrientes (carbohidratos, proteínas, fibras dietéticas, minerales y vitaminas) y contiene cantidades significativas de aminoácidos, minerales y fitoquímicos que están relacionados con numerosos beneficios para la salud12,13. Sin embargo, el mijo también tiene antinutrientes como fitatos, taninos e inhibidores de tripsina que reducen su valor nutricional y biodisponibilidad12. El mijo es nutricionalmente comparable o superior a otros cereales más comúnmente consumidos como el maíz, el arroz y el trigo. Proporcionan una fuente de nutrientes a los pobres cuando la necesidad de dichos nutrientes es muy demandada14. A pesar de ser una semilla de grano superior en términos de nutrición, el mijo todavía está infrautilizado en los países desarrollados y en desarrollo debido a la falta de concienciación. En África y Asia, el mijo se consume principalmente como alimento básico tradicional, y la mayoría de los países occidentales lo utilizan principalmente para la alimentación animal15. Debido al aumento de las cifras de hambre en el mundo, la seguridad alimentaria y los desafíos del sistema alimentario, el mijo ha ganado popularidad como una alternativa de cultivo nutritiva y sostenible. Teniendo en cuenta su alto contenido nutricional y su resiliencia climática, el mijo es ideal para su posterior procesamiento en productos funcionales nutritivos con valor agregado que pueden incorporarse a la producción alimentaria general16.

Los alimentos en polvo tienen amplias aplicaciones en el procesamiento de alimentos y generalmente se obtienen a partir de materias primas agrícolas mediante diferentes procesos de secado17. El secado por aspersión es una técnica económica, flexible y eficiente para crear polvos secos a partir de líquidos o emulsiones18. Debido a su composición, el secado por aspersión AW es un desafío y da lugar a malas condiciones de procesamiento y a la pegajosidad de los polvos secados por aspersión. En las operaciones de secado por aspersión, se utilizan materiales portadores hechos principalmente de polímeros de carbohidratos, proteínas y lípidos para mejorar la calidad del polvo secado por aspersión. Estos materiales tienen buenas propiedades de soporte, como alto peso molecular, alta solubilidad y altas temperaturas de transición vítrea que evitan la pegajosidad de los polvos19. Según Bylund20, los cereales podrían ser un buen material portador para la AW debido a su efecto neutralizante sobre el pH de la AW, lo que mejoraría la eficiencia del proceso de secado por aspersión. El uso de mijo como material portador podría ser una alternativa natural a la producción de polvos AW secados por aspersión con propiedades funcionales y nutricionales mejoradas.

En estudios previos21, utilizamos harinas de mijo Barnyard (especie Echinochloa) y mijo pequeño (especie Panicum) como materiales portadores para controlar y neutralizar las concentraciones de ácido láctico en AW y determinamos las propiedades físicas de los polvos secados por aspersión. Los polvos resultantes eran blancos, con propiedades de cristalización mejoradas y rendimientos de polvo mejorados. El efecto encapsulante del mijo sobre la AW se atribuyó a las interacciones moleculares entre las proteínas y la superficie de las partículas en la matriz ácida del suero de mijo (AWM), lo que dio lugar a la producción de polvos de flujo libre con menor pegajosidad, baja higroscopicidad y mayor rendimiento21. La Figura 1 ilustra la producción de polvos de mijo AWM, las posibles aplicaciones industriales del polvo y su contribución a la producción sostenible de alimentos. El objetivo de este estudio fue evaluar el color y las propiedades nutricionales de los nuevos polvos AWM. La influencia del secado por aspersión sobre las propiedades de color y el contenido de nutrientes de los polvos de AWM se evaluó comparando los polvos con harinas de mijo simples y fracciones solubles de mijo secada por aspersión.

Resumen general de nuevos polvos blancos y posibles aplicaciones industriales que contribuyen a los sistemas alimentarios sostenibles.

Los granos de mijo Barnyard y Little disponibles comercialmente se compraron en Manna Foods (Chennai, India). Para la molienda de los granos se utilizó un molino mezclador Butterfly Matchless 750-W. Para la fermentación del yogur griego se utilizó un cultivo interno de yogur obtenido del FEAST Lab de la Universidad de Missouri (Columbia, MO). La leche entera se obtuvo de las tiendas de comestibles locales. Se utilizó una malla para tamizar la harina para obtener partículas con un diámetro inferior a 500 µm.

Folin-Ciocalteu y ácido tiobarbitúrico (TBA) se obtuvieron de Sigma-Aldrich Corp. (St. Louis, MO). El ácido acético, el ácido gálico y el 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH) se adquirieron de Acros Organics (Morris Plains, Nueva Jersey). El etanol se adquirió de Thermo Fisher Scientific (Hampton, NH). El bicarbonato de sodio se compró a Duda Energy LLC (Decatur, AL).

La selección de la concentración óptima de AWM del 25% se basó en un análisis factorial completo preliminar de 2 × 5, que investigó los efectos de interacción del tipo de mijo (Little y Barnyard) y la concentración de la solución de AWM (10%, 25%, 50%, 75% y 100%) en variables de respuesta como pH, rendimiento del polvo, color, actividad del agua, contenido de humedad, densidad y fluidez. Los resultados indicaron que las concentraciones de AWM del 10 % y del 25 % produjeron el resultado de polvo deseado, lo que llevó a un estudio posterior21 para caracterizar mejor sus propiedades físicas y funcionales. Los resultados mostraron que la concentración de AWM al 25 % era superior en términos de color, temperatura de transición vítrea y morfología de las partículas, lo que indica un polvo que fluye más libremente.

El yogur griego se produjo según el protocolo de laboratorio interno para la producción de yogur. Para preparar yogur griego, se calentó leche entera (4 L) a 82-85 °C con agitación constante. Después de enfriar la base de leche a 40–45 °C, se añadió el cultivo iniciador. La mezcla se dejó fermentar en una incubadora a 42 °C durante 6 a 10 h para su coagulación. Una vez completada la fermentación, el yogur se centrifugó a 5000 rpm durante 20 min para separar los componentes sólidos del líquido y obtener AW. El AW enfriado se decantó y se almacenó a 4 °C para su posterior análisis. El volumen total de suero ácido obtenido al producir 4 litros fue de ~ 2,2 a 2,7 litros. Para preparar la solución de alimento AWM, se suspendieron harinas de mijo Barnyard y Little en AW para obtener una concentración del 25 % p/v. La suspensión se agitó durante 10 min a 200 rpm, para aumentar la solubilización de las proteínas22. Para preparar las fracciones solubles de mijo, se suspendió 25% p/v de mijo en agua destilada y se homogeneizó durante 10 minutos a 3000 rpm. Luego se dejó reposar la solución durante 30 min-1 h para permitir la decantación del sobrenadante. La solución de AWM se filtró al vacío para obtener la fracción soluble para secado por aspersión. La descripción de cada formulación de muestra se proporciona en la Tabla 1.

Se utilizó un secador por pulverización a escala de laboratorio (mini secador por pulverización Büchi B290, Flawil, Suiza) equipado con un diámetro de 0,7 mm y una bomba de alimentación peristáltica para secar por pulverización la solución de AWM. La temperatura de entrada, el aspirador, la velocidad de la bomba de alimentación y el caudal de gas fueron 160 °C, 90 %, 15 % y 45 %, respectivamente. Estos parámetros se seleccionaron en función de parámetros previamente optimizados de experimentos anteriores21. Los polvos obtenidos se almacenaron a 4 °C en frascos de vidrio sellados hasta su posterior análisis.

Las características de color del polvo secado por aspersión se determinaron utilizando un cromatómetro portátil (Konica Minolta CR-410, Chiyoda, Tokio, Japón). Los valores se expresaron en coordenadas L* (brillo/oscuridad), a* (rojezo/verdoso) y b*(azul/amarillo) y se utilizaron para calcular la diferencia de color (∆E), croma (C*), ángulo de tono. (°) e índice de blancura de los polvos según las Ecs. (1, 2, 3 y 4). La diferencia de color se calculó como la diferencia entre los polvos secados por aspersión y el TiO2.

Todas las muestras de polvo secado por aspersión y harina de mijo se enviaron al Laboratorio Químico de la Estación Experimental Agrícola de la Universidad de Missouri (Columbia, MO) para conocer los perfiles aproximados, de aminoácidos y de azúcar. Se enviaron muestras para análisis de minerales al Laboratorio de Pruebas de Suelos y Plantas de la Universidad de Missouri Columbia.

Las muestras de polvo se analizaron en busca de nitrógeno siguiendo el método Kjeldahl AOAC 984.1323, y el valor de proteína cruda se calculó multiplicando el porcentaje de nitrógeno por 6,25 (Proteína cruda = %N \(\times\) 6,25). El contenido de humedad se determinó secando 2 g de las muestras de polvo en una estufa de vacío a 105 °C y calculando la pérdida de peso tras el secado24. El contenido de cenizas se determinó calentando muestras de polvo a 600 °C durante 2 h según el método AOAC 942.0525. El contenido de fibra bruta se determinó siguiendo el método AOAC 978.1026. Brevemente, la muestra de polvo (2 g) se sumergió en 200 ml de H2SO4 0,128 M ligeramente hirviendo durante 30 min. Luego la muestra hervida se filtró para eliminar la solución ácida y luego se hirvió en 200 ml de NaOH 0,313 M durante 30 min. Después de ser tratado, el filtrado se enjuagó con agua hirviendo y luego se secó a 230 °C durante 2 h. La muestra seca se incineró en un horno a 550 °C durante 4 h y se pesó. La fibra bruta se determinó como el residuo que queda después de las digestiones ácidas y alcalinas. El contenido de grasa cruda se determinó mediante hidrólisis ácida según el método AOAC 954.0227. El contenido de carbohidratos se determinó calculando la diferencia (100 – suma de humedad, proteína cruda, cenizas, grasa cruda y fibra cruda). La composición aproximada se expresó en gramos por 100 g de base seca. A modo de comparación, todas estas determinaciones se realizaron también con harinas de mijo simples y de mijo Little.

El análisis de aminoácidos se realizó mediante cromatografía de intercambio catiónico (cIEC-HPLC) junto con derivatización y cuantificación de ninhidrina post-columna de acuerdo con el método oficial de la AOAC 982.3028. La hidrólisis ácida de la muestra se realizó con HCl 6 N a 110 \(^\circ\) C durante 24 h para descomponer las proteínas en aminoácidos individuales. Se usó una solución de NaOH para neutralizar la solución y luego el hidrolizado se filtró a través de un filtro de 0,45 µm para eliminar cualquier partícula. Luego, el hidrolizado filtrado se inyectó en la columna cIEC-HPLC. Luego, los aminoácidos se derivatizaron con reactivo de ninhidrina en un reactor poscolumna y se detectaron usando un detector ultravioleta y se registró la intensidad de la señal. Los aminoácidos se cuantificaron comparando la intensidad de la señal con una curva estándar generada a partir de estándares conocidos de aminoácidos individuales.

La metionina y la cisteína se analizaron después de la oxidación con ácido perfórmico en frío utilizando 2 ml de ácido perfórmico durante la noche a 0–5 °C antes de la hidrólisis ácida. Luego, las muestras digeridas se cuantificaron mediante cromatografía líquida de intercambio catiónico seguida de derivatización en columna con ninhidrina para detección UV/Vis. El triptófano se determinó por separado mediante hidrólisis alcalina seguida de cromatografía de intercambio catiónico según el Método Oficial AOAC 988.1529.

El perfil de azúcares (glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa, maltosa, rafinosa, estaquiosa y verbascosa) se determinó mediante métodos cromatográficos según Churms et al.30 y Honda et al.31. Los perfiles de azúcar individuales se analizaron utilizando un sistema HPLC acoplado con un detector de índice de refracción. Los extractos de la muestra se prepararon usando etanol al 80% y luego se filtraron a través de un filtro de membrana de 0,45 µm para eliminar cualquier partícula. El análisis se realizó utilizando una columna LC Bio-Rad HPX 300 × 7,8 mm a 80 °C. La fase móvil estuvo compuesta por acetonitrilo y agua purificada y un caudal de 0,7 ml/min. Los estándares de identificación utilizados incluyen d-glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa, maltosa, rafinosa, estaquiosa y verbascosa.

Los polvos secados por aspersión y las harinas de mijo se analizaron en busca de minerales en el laboratorio de pruebas de suelos y plantas de la Universidad de Missouri utilizando técnicas de espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) de acuerdo con los procedimientos descritos en el método oficial 985.0132 de la AOAC. Las muestras de polvo se digirieron con ácido clorhídrico concentrado y luego se filtraron para eliminar cualquier partícula. Los estándares de calibración se prepararon diluyendo soluciones estándar de múltiples elementos que contenían el mineral de interés (N, P, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Na). Los resultados se calcularon basándose en la curva de calibración y se expresaron en mg/kg o ppm.

Los extractos etanólicos de las muestras se prepararon según el método descrito por Malik et al.33 En resumen, se extrajo aproximadamente 1 g de cada muestra con 10 ml de etanol al 80% a 25 °C durante 24 h en una coctelera. Posteriormente, la suspensión se centrifugó (5000 rpm, 20 min) y el sobrenadante se recogió y se secó durante 24 h a temperatura ambiente. Antes del análisis, los extractos fueron reconstituidos con 5 mL de agua destilada.

El TPC de las muestras de polvo de AWM y de las muestras de harina de mijo se midieron según el método del reactivo de Folin-Ciocalteu descrito por Singleton et al.34 con modificaciones menores. Se mezclaron aproximadamente 2 ml de extracto con 1 ml de agua destilada, 0,5 ml de reactivo de Folin-Ciocalteu y 2 ml de bicarbonato de sodio al 20%. Después de la incubación en un baño de agua a 40 °C durante 25 min, se determinó el TPC utilizando un espectrofotómetro UV-visible y se tomó la absorbancia a 765 nm. Los resultados se expresaron en miligramos de equivalentes de ácido gálico por gramo de polvo seco (mg GAE/g).

La actividad antioxidante de los extractos de la muestra se midió mediante el método de eliminación de radicales DPPH descrito por Horvat et al.35. El ensayo se preparó mezclando 0,2 ml de extracto de muestra con 1 ml de solución de 0,5 mmol/l de 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH) y 2 ml de etanol. La mezcla se incubó en un lugar oscuro a temperatura ambiente durante 30 min. La absorbancia de las mezclas de reacción se midió a 517 nm. El porcentaje de inhibición del radical libre DPPH (disminución de la absorbancia) se calculó frente al blanco (DPPH + etanol) utilizando la Ec. (5).

donde A0 es la absorbancia de la muestra en blanco en el tiempo = 0 y A1 es la absorbancia de la muestra analizada después de 30 min.

TBARS se calculó y midió como lo describieron previamente Zeb et al.36 En resumen, se preparó una solución estándar de TBA 4,0 mM disolviendo 57,66 mg de TBA en 100 ml de ácido acético glacial. Los polvos secados por aspersión y el extracto de muestra de harina de mijo (1 ml) se mezclaron con 1 ml de reactivo TBA y se calentaron en un baño de agua a 95 °C durante 1 h. La mezcla se enfrió hasta temperatura ambiente y se midió la absorbancia a 532 nm. Se usó sal de malondialdehído tetrabutilamonio (MDA) para desarrollar la curva estándar a concentraciones de MDA de 0,1, 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 mM. Las concentraciones de TBARS se calcularon utilizando la ecuación. (6).

donde Ac es la concentración determinada a partir de la curva de calibración, W es el peso de la muestra y V es el volumen en ml del extracto total preparado.

El contenido total de taninos condensados ​​se estimó utilizando el método de vainillina-HCL como lo describe Burns37. En resumen, se combinaron aproximadamente 0,5 ml de 10 mg/ml del extracto de muestra con 3 ml de vainillina al 4% p/v y 1,5 ml de ácido clorhídrico, seguido de mezcla. La mezcla se dejó reposar durante 15 min a temperatura ambiente y se midió la absorbancia a 500 nm con un espectrofotómetro UV/Vis. Este análisis se realizó por triplicado. Se utilizó catequina para la curva estándar y el contenido de taninos se expresó como mg de equivalentes de catequina/g de extracto seco (mg CE/g).

Todos los experimentos con antioxidantes y antinutrientes se realizaron por triplicado utilizando tres muestras de polvo independientes. El análisis de varianza (ANOVA) de los valores medios se llevó a cabo utilizando el programa de software estadístico JMP 14.0 (SAS Institute Inc, Cary, NC). La comparación de medias se realizó mediante la prueba de Tukey y se aceptó como significativos los resultados con un nivel de confianza del 95% (p < 0,05). Los resultados se presentaron como media ± desviación estándar.

La apariencia visual de la harina de mijo (BY, LT), la fracción de mijo secado por aspersión (SD_BY, SD_LT) y los polvos AWM (BAW, LAW) en comparación con el TiO2 se muestra en la Fig. 2a. La harina de mijo y la harina de mijo secada por aspersión eran de color claro a cremoso y eran significativamente (p <0,05) menos blancas que los polvos AWM. Visualmente no se observó ninguna diferencia entre las dos formulaciones de polvos de AWM y TiO2. Los atributos de color completos de las muestras de harina y polvo secado por aspersión se muestran en la Tabla 2. La diferencia de color de la muestra (∆E) se determinó comparando los atributos de color de la muestra con los del TiO2. Un ∆E más alto indica una mayor diferencia de color entre la muestra y el TiO2. Las muestras de polvo AWM tuvieron valores de \(\Delta\) E significativamente más bajos en comparación con las otras muestras, y BAW tuvo la menor diferencia de color. La adición de suero ácido al mijo mejoró significativamente (p <0,05) el índice de blancura de los polvos AWM. Como se ve en las figuras 2b y c, los valores del índice de luminosidad y blancura de los polvos AWM estaban más cerca de los valores de TiO2. Aunque los polvos LAW tenían valores de Luminosidad (L*) significativamente más altos que los BAW, los polvos BAW tenían un valor de índice de blancura significativamente más alto. También es importante señalar que la adición de mijo mejoró significativamente la luminosidad (L*) de los polvos. Los valores b* asociados con el color cremoso de las harinas de mijo disminuyeron en los polvos AWM. Se informaron valores similares de L*, b* e índice de blancura para los polvos simples AW y AWM21. Según estos resultados, el AW encapsulado con mijo mejoró la funcionalidad del polvo manteniendo la blancura.

(a) harina de mijo y muestras secadas por aspersión en comparación con TiO2 (b) luminosidad (L*) y (c) valores del índice de testigos de las muestras. Los valores medios seguidos de una letra diferente son significativamente diferentes. Leyenda: Valores de imagen, L* e índice de blancura de las muestras de harina y polvo. POR: harina de mijo común; LT: harina de mijo pequeña normal; SD_BY: fracción soluble de mijo Barnyard secado por aspersión; SD_LT: Fracción soluble de poco mijo secado por aspersión; BAW: 25% p/v de mijo Barnyard + suero ácido; LEY: 25% p/v Mijo pequeño + suero ácido.

Los resultados de las composiciones aproximadas de BY, LT, SD_BY, SD_LT, BAW y LAW se presentan en la Fig. 3. El contenido de carbohidratos, proteína cruda y lípidos de las harinas de mijo se compararon con los valores ya informados para la harina de mijo38. En este estudio, el contenido de carbohidratos de BY y LT fue mayor en un 13,7% y un 16% respectivamente, en comparación con los valores informados anteriormente38. El contenido de carbohidratos significativamente mayor (p < 0,05) en los polvos AWM se debe al alto contenido de lactosa en el suero ácido. El contenido de proteína cruda de BY y LT fue mayor en un 66% y un 29,5%, respectivamente, en comparación con los valores informados anteriormente38. El contenido de proteína cruda en los polvos AWM fue significativamente (p <0,05) menor en comparación con el contenido de proteína cruda en las harinas de mijo. Sin embargo, en comparación con los resultados de proteína cruda informados para los polvos AW simples (1,71 a 3,71 mg/g), el polvo AWM de este estudio tuvo un mayor contenido de proteína cruda8. No hubo diferencias significativas entre los valores de proteína cruda de la harina de mijo simple y la fracción de mijo secado por aspersión. Esto indica que el proceso de secado por aspersión no afectó significativamente el contenido de proteína de los polvos secados por aspersión. El menor valor de proteína cruda en las muestras de polvo secado por aspersión de AWM podría atribuirse a la concentración de mijo en la solución de alimentación de AWM. Los valores de proteína cruda para BY y LT son consistentes con otros informes que mostraron un mayor contenido de proteína en algunas variedades de mijo en comparación con el arroz y el maíz12. Los polvos AWM tenían un contenido de humedad mucho menor que la harina de mijo debido al proceso de secado por aspersión. Sin embargo, el contenido de humedad fue significativamente menor en la fracción de mijo secado por aspersión. Esto se debe al alto contenido de ácido del suero ácido, lo que da como resultado un polvo más higroscópico. El contenido de grasa bruta en las harinas de mijo estaba presente en cantidades significativamente más bajas en comparación con los valores ya informados para las harinas de mijo Barnyard y Little. El contenido de grasa también fue menor en los polvos AWM. La disminución de la grasa cruda en los polvos de AWM podría atribuirse a la oxidación y degradación que se produce como resultado del aumento del área superficial de las fracciones solubles durante el secado por aspersión39. La concentración de fibra bruta en las harinas de mijo fue en este caso mucho menor que en los valores ya indicados. Esto podría deberse a la diferencia en la variedad de grano y las condiciones de procesamiento.

Análisis aproximado de harinas de mijo y suero ácido de mijo en polvo (a) carbohidratos (b) proteína cruda (c) humedad (d) grasa cruda (e) fibra cruda (f) ceniza. Los valores medios seguidos de letras diferentes son significativamente diferentes (p < 0,05). Leyenda: Análisis aproximado de muestras de polvo. POR: harina de mijo común; LT: harina de mijo pequeña normal; SD_BY: fracción soluble de mijo Barnyard secado por aspersión; SD_LT: Fracción soluble de poco mijo secado por aspersión; BAW: 25% p/v de mijo Barnyard + suero ácido; LEY: 25% p/v Mijo pequeño + suero ácido.

Había muy poca fibra cruda presente en los polvos secados por aspersión AWM, lo que podría deberse a la eliminación de fibra insoluble (principalmente de las cubiertas de las semillas) mientras se filtraba la solución de alimentación. En comparación con la harina de mijo, las muestras de AWM tenían un contenido de cenizas significativamente mayor (p < 0,05). La mayor concentración de cenizas del polvo de AWM podría atribuirse al alto contenido de minerales presente en el suero ácido. Estos resultados están en línea con el contenido de cenizas informado para el suero en polvo40, que observó un contenido de ceniza del 12,93 % para el suero ácido en polvo. Se informó que los principales minerales presentes en AW son K, Ca, P, con menores concentraciones de Mg y Na6. En las fracciones de mijo deshidratadas por aspersión se observó un contenido de cenizas significativamente mayor que en la harina de mijo. Esto podría deberse a la solubilización de ciertos minerales en la harina de mijo durante la preparación de la fracción soluble para el secado por aspersión.

La Tabla 3 presenta las cantidades de ocho azúcares (fructosa, glucosa, sacarosa, lactosa, maltosa, rafinosa, estaquiosa y verbascosa) presentes en las muestras de polvos AWM secados por aspersión y harina de mijo. Hubo un aumento en la mayoría de los azúcares en las fracciones de mijo secado por aspersión en comparación con la harina de mijo, lo que podría deberse a la alta concentración de la fracción soluble de mijo en la solución como resultado del proceso de preparación que ayuda a la solubilización del mijo. sólidos. El polvo de AWM contenía glucosa y lactosa significativamente más altas en comparación con las otras muestras de mijo. Este resultado era esperado debido al alto contenido de lactosa en el AW simple fermentado. La lactosa es un disacárido reductor compuesto de glucosa y galactosa. Constituye el carbohidrato principal en AW41, por lo que se esperaba que aumentara el contenido de glucosa y rafinosa en el polvo de AWM. Se encontraron cantidades similares de sacarosa, glucosa, maltosa y fructosa en el arroz en comparación con la harina de mijo simple42.

En la figura 4 se ilustran los perfiles de aminoácidos de los polvos AWM y la harina de mijo pura en comparación con el maíz, el trigo y el arroz. Los aminoácidos esenciales son componentes cruciales de las proteínas corporales que deben suministrarse a través de la dieta, ya que el ser humano no puede sintetizarlos. cuerpo43. Las harinas de mijo y las fracciones de mijo secadas por aspersión fueron significativamente (p <0,05) más altas en todos los aminoácidos esenciales que los polvos AWM. Esto podría atribuirse a la concentración de mijo en la solución de alimentación y a la desnaturalización de las moléculas de proteína durante el procesamiento y el secado por aspersión. En particular, los polvos de AWM tenían un alto contenido de lisina, lo que podría atribuirse al alto contenido de lisina en AW. Este hallazgo está respaldado por un estudio previo que mostró un alto contenido de lisina en suero en polvo desproteinizado44. La leucina era el aminoácido esencial más abundante en las harinas de mijo, y el polvo AWM recientemente desarrollado también retenía cantidades significativas de leucina. La leucina, la isoleucina y la valina son aminoácidos de cadena ramificada que son componentes fundamentales de las proteínas corporales y también se ha demostrado que tienen efectos terapéuticos contra algunas enfermedades cuando se toman como suplementos45. La presencia de estos aminoácidos de cadena ramificada hace que el polvo de AWM sea un excelente ingrediente para el desarrollo de alimentos funcionales que requieran estos aminoácidos esenciales. Además, se encontraron mayores cantidades de triptófano y arginina en las muestras de mijo simple y en polvos de AWM que en el maíz. La presencia de cantidades significativas de tirosina, glicina, glutamina, arginina, prolina y taurina, que son aminoácidos condicionalmente esenciales, indica que el polvo de AWM también podría contribuir a la calidad nutricional de los alimentos desarrollados para condiciones de salud específicas como el embarazo, la lactancia, y enfermedades críticas48. Según estos resultados, el uso de polvo de AWM en la formulación de alimentos podría ayudar a reducir el desperdicio de alimentos y, al mismo tiempo, brindar a los consumidores opciones de alimentos funcionales y ricos en nutrientes.

Perfil de aminoácidos de muestras de AWM y muestras de harina de mijo en comparación con cereales populares. % p/p = gramos por 100 g de muestra. Los datos para maíz, trigo y arroz se obtuvieron de Chandra et al.38. Los valores medios seguidos de una letra diferente son significativamente diferentes. Leyenda: Perfil de aminoácidos de muestras de polvo. POR: harina de mijo común; LT: harina de mijo pequeña normal; SD_BY: fracción soluble de mijo Barnyard secado por aspersión; SD_LT: Fracción soluble de poco mijo secado por aspersión; BAW: 25% p/v de mijo Barnyard + suero ácido; LEY: 25% p/v Mijo pequeño + suero ácido.

La composición mineral del polvo de AWM y la harina de mijo se muestra en la Fig. 5. Los minerales son nutrientes esenciales para mantener y promover la salud física y mental humana. Se dividen en dos grupos principales (macrominerales y microminerales) según las cantidades necesarias para mantener una buena salud. Los macrominerales se necesitan en grandes cantidades, mientras que los microminerales se necesitan en pequeñas cantidades, pero ambos grupos son muy necesarios para una buena salud47. Los polvos de AWM tuvieron valores de P, K, Ca y Na significativamente más altos (p <0,05) en comparación con las fracciones solubles (SD_BY y SD_LT) y el AW líquido (Tabla 4). El mayor contenido de minerales en el polvo de AWM resultó de la concentración de altas cantidades de minerales presentes en el AW líquido mediante el proceso de secado por aspersión. Se informaron resultados similares para el contenido mineral de las fracciones AW secas6. Además, en comparación con los valores informados para maíz, trigo y arroz38, el contenido de P, K, Ca, Mg y Na en la harina de mijo, las fracciones de mijo secado por aspersión y los polvos AWM fueron mucho más altos. Se observó la misma tendencia para el micromineral Zn en el que las muestras de mijo simple (BY, LT, SD_BY y SD_LT) y los polvos de AWM tenían concentraciones más altas de Zn que los valores ya informados para el maíz, el trigo y el arroz. Los polvos de AWM tenían Zn y Cu significativamente más altos en comparación con la muestra de mijo simple y el AW líquido (Tabla 4). La disminución de Fe y Mg en los polvos de AWM podría atribuirse a la diferencia en la concentración de mijo en la solución de alimentación de AWM y fracciones de mijo. Además, la pérdida de salvado durante el procesamiento de la solución alimenticia podría contribuir a la disminución del Fe, ya que la mayor parte del contenido de hierro en el mijo pequeño se puede encontrar en el salvado. El alto contenido de hierro encontrado en las formulaciones de AWM concuerda con los resultados reportados de un mayor contenido de hierro (en un 94%) con la adición de un poco de harina de mijo a la masa de pan48. Es importante comprender la calidad nutricional de la composición mineral del polvo de AWM y cómo puede contribuir al desarrollo de nuevos productos e ingredientes alimentarios funcionales.

Perfil mineral de suero ácido de mijo en polvo y harinas de mijo (a) macronutrientes (b) micronutrientes. Los datos para maíz, trigo y arroz se obtuvieron de Chandra et al.38. Leyenda: Contenido de minerales en las muestras de polvo.BY: harina de mijo común; LT: harina de mijo pequeña normal; SD_BY: fracción soluble de mijo Barnyard secado por aspersión; SD_LT: Fracción soluble de poco mijo secado por aspersión; BAW: 25% p/v de mijo Barnyard + suero ácido; LEY: 25% p/v Mijo pequeño + suero ácido.

El contenido y el contenido de taninos de las muestras de mijo y AWM en polvo se muestran en la Fig. 6. El TPC fue significativamente mayor en las fracciones de mijo secado por aspersión en comparación con la harina de mijo. Esto podría atribuirse a la solubilización de compuestos fenólicos durante la preparación de fracciones solubles de mijo para pulverización, lo que podría aumentar la sensibilidad de la prueba TPC. El TPC de los polvos AWM también fue significativamente mayor que el de la harina de mijo. El contenido de TPC significativamente mayor (p < 0,05) de los polvos de AWM podría atribuirse al compuesto fenólico adicional que está presente en el AW y/o a las interacciones entre la proteína del suero y los compuestos fenólicos49,50. En el caso de la actividad DPPH, los polvos de AWM tuvieron una actividad DPPH similar a la de la harina de corral. El contenido de taninos en el mijo Barnyard fue de 3,10 mg CAE/g y de 2,34 mg CAE/g en el mijo Little. Después del secado por pulverización, el contenido de taninos en los polvos de AWM disminuyó a 2,12 mg CAE/g. Esta disminución podría atribuirse a la lixiviación de taninos durante el procesamiento de la solución de alimentación y a la síntesis de compuestos macromoleculares a partir de compuestos fenólicos como las catequinas. Se informó un contenido de taninos similar para las variedades de mijo entero y perla51. Los taninos son polifenoles que forman complejos con macromoléculas, afectando así la biodisponibilidad y utilización de estas macromoléculas y otros nutrientes. Además, los taninos confieren al alimento un sabor astringente y pueden reducir la absorción de vitamina B12, hierro y glucosa52. Estos resultados indicaron que los polvos AWM conservaron la actividad antioxidante después del secado por aspersión con un contenido de taninos significativamente reducido.

Propiedades antioxidantes y antinutricionales de los polvos de AWM y la harina de mijo (a) Contenido total de fenol (b) Curva de calibración de ácido gálico (c) Concentración de TBARS (d) Curva de calibración de MDA (e) Contenido de taninos (f) Curva de calibración de catequina (g) Actividad de DPPH . Las diferencias significativas entre muestras se expresan mediante diferentes letras minúsculas. Leyenda: Propiedades antioxidantes y antinutricionales de las muestras en polvo. POR: harina de mijo común; LT: harina de mijo pequeña normal; SD_BY: fracción soluble de mijo Barnyard secado por aspersión; SD_LT: Fracción soluble de poco mijo secado por aspersión; BAW: 25% p/v de mijo Barnyard + suero ácido; LEY: 25% p/v Mijo pequeño + suero ácido.

Este estudio se llevó a cabo a nivel de laboratorio, con planes de avanzar hacia la producción a escala piloto de los nuevos polvos blancos optimizados. Un estudio a escala piloto es crucial para evaluar el potencial del polvo de AWM como ingrediente alimentario. Este estudio ayudaría a determinar la escalabilidad del proceso de producción, identificar cualquier desafío potencial y mantener los parámetros de calidad nutricional y funcional del polvo AWM durante las condiciones de ampliación. La realización de un estudio a escala piloto garantizaría que el polvo AWM sea un ingrediente alimentario viable que pueda satisfacer las demandas del mercado. Además del estudio a escala piloto, es necesario un análisis sensorial del polvo de AWM para evaluar la aceptabilidad del consumidor. El análisis sensorial implicaría probar el polvo AWM en cuanto a su sabor, aroma, apariencia y textura, entre otros atributos. Esta información es esencial para determinar la comerciabilidad del polvo AWM, identificar áreas potenciales de mejora y realizar las modificaciones necesarias para mejorar su atractivo para el consumidor. El análisis sensorial del polvo de AWM también dependería de su aplicación alimentaria prevista. Por lo tanto, es esencial adaptar las pruebas sensoriales a los requisitos específicos del alimento o producto farmacéutico de destino. Esto garantizaría que el polvo de AWM cumpla con las características sensoriales deseadas para su aplicación alimentaria prevista y sea aceptable para los consumidores.

El nuevo polvo AWM es rico en nutrientes, minerales (como P, K, Ca, Zn y Cu) y antioxidantes y podría usarse ampliamente en la formulación de alimentos funcionales y un fortificante mineral. Investigaciones anteriores21 han revelado que las propiedades físicas del polvo AWM muestran que es un polvo altamente soluble, que fluye libremente y con buenas propiedades funcionales. Estos hallazgos sugieren que el polvo de AWM tiene una amplia gama de aplicaciones potenciales alimentarias y no alimentarias en las industrias alimentaria y farmacéutica (Fig. 7a). Algunas de esas aplicaciones en el sector alimentario podrían incluir su uso en formulación de bebidas, salsas o como recubrimiento de alimentos para proporcionar opacidad y blancura. En la industria farmacéutica, el polvo de AWM tiene aplicaciones potenciales como vehículo para compuestos bioactivos, en el desarrollo de alimentos clínicos para personas con necesidades nutricionales especiales y como ingrediente de relleno en productos farmacéuticos y alimentarios53. Ante la creciente preocupación por la seguridad del uso del blanqueador de calidad alimentaria TiO254,55 en los alimentos, existe una necesidad urgente de que los fabricantes e investigadores de alimentos exploren agentes blanqueadores de alimentos alternativos. El polvo blanco de AWM es un ingrediente prometedor que presenta una alternativa blanqueadora natural y viable al TiO2 y podría utilizarse en una amplia gama de productos alimentarios y farmacéuticos53. El uso o la dosis de polvo AWM en aplicaciones alimentarias variará según la aplicación prevista y el producto objetivo. Los diferentes productos alimenticios tienen diferentes requisitos en cuanto a color, apariencia, sabor, propiedades funcionales y contenido nutricional, lo que afectaría la cantidad de polvo AWM necesaria. Por ejemplo, la cantidad de polvo de AWM necesaria para incorporarlo en una aplicación de bebidas diferiría de la requerida para reemplazar el TiO2 como material de recubrimiento de alimentos (p. ej., en caramelos, golosinas, chicles) o productos horneados (p. ej., rosquillas, pasteles, Formación de hielo). Por lo tanto, la dosis de polvo AWM debería calibrarse cuidadosamente para garantizar que el producto objetivo cumpla con los requisitos de aplicación específicos.

(a) Posibles aplicaciones del nuevo suero ácido de mijo en polvo. (b) Demuestre los posibles impactos de la investigación sobre la producción de polvo AWM, basándose en suposiciones derivadas de experimentos de laboratorio internos.

Para comprender plenamente las credenciales de sostenibilidad del polvo AWM, sería necesaria una evaluación del ciclo de vida (LCA). Un ACV es un método integral para evaluar los impactos ambientales de un producto a lo largo de todo su ciclo de vida, desde la adquisición de la materia prima hasta su eliminación56. Proporcionaría una visión holística de la sostenibilidad del polvo AWM al considerar factores como el uso de recursos, el consumo de energía y la generación de residuos. El ACV ayudaría a identificar áreas donde se podrían realizar mejoras para minimizar el impacto ambiental de la producción y el uso de polvo AWM, haciéndolo más sostenible a largo plazo. Además del ACV, sería necesario un estudio comparativo para medir la viabilidad económica de producir polvo AWM. El estudio compararía el costo de la utilización actual del suero ácido (por ejemplo, como alimento para animales o el costo del tratamiento antes de su eliminación) con el costo de producir polvo de AWM para diversas aplicaciones alimentarias y no alimentarias. Esto permitiría a los investigadores y fabricantes determinar la viabilidad económica de producir polvo AWM y si sería una alternativa rentable a los métodos actuales de utilización del suero ácido. Un estudio de este tipo proporcionaría información valiosa para determinar el potencial comercial del polvo AWM y tomar decisiones sobre su futuro desarrollo y producción.

La utilización de AW en cualquiera de estas aplicaciones podría resultar prometedora como generador de recursos valiosos para la industria láctea. Por ejemplo, en 2015 se generaron ~ 1,5 millones de toneladas métricas de AW5. Según nuestros experimentos de laboratorio internos, secar por aspersión 100 ml de una solución de AWM al 25 % produce ~ 7,5 g de polvo. La extrapolación de esto a la producción anual de 1,5 millones de toneladas métricas de AW sugiere que se podrían producir ~ 112 500 toneladas métricas de polvo de AWM al 25 % (Fig. 7b). Esto tiene el potencial de generar ahorros significativos en los costos de transporte, reducir la carga ambiental del proceso de eliminación de AW y crear una nueva fuente de ingresos para el sector lácteo.

A medida que la población mundial continúa aumentando, es esencial adoptar enfoques sostenibles para el procesamiento de alimentos. Los esfuerzos para mejorar los sistemas alimentarios en la industria láctea deben incorporar prácticas agrícolas sostenibles y operaciones de procesamiento de alimentos que minimicen el desperdicio y la pérdida de alimentos. Los consumidores se han vuelto más exigentes con los ingredientes alimentarios y se sienten cada vez más atraídos por las etiquetas naturales, y el polvo AWM ofrece a los consumidores una posible alternativa natural al TiO2 en algunas aplicaciones alimentarias. Sin embargo, la idoneidad del polvo AWM como alternativa sostenible al TiO2 dependería de las aplicaciones previstas y del futuro ACV. El polvo de AWM es altamente soluble en agua y podría tener algo del olor y sabor distintivos característicos del AW, que deben tenerse en cuenta al desarrollar formulaciones basadas en AWM. Por lo tanto, el análisis sensorial con paneles de consumidores capacitados es esencial para garantizar que las formulaciones de AWM cumplan con las expectativas de los consumidores.

El polvo AWM desarrollado en este estudio es un innovador alimento en polvo blanco elaborado a partir de cereales infrautilizados y AW, que ofrece al sector lácteo una posible solución al problema de los residuos de AW. El análisis de composición del polvo de AWM reveló la retención de nutrientes esenciales del mijo y AW, lo que indica su potencial para su uso en diversas aplicaciones alimentarias. El análisis de color y la información nutricional presentados aquí podrían beneficiar a los científicos y al sector lácteo en la formulación de productos, considerando al mismo tiempo el valor nutricional para los consumidores, la ganancia económica para la industria y los beneficios ambientales para el público. En general, este estudio proporciona una valiosa contribución a la industria alimentaria al resaltar el potencial de los polvos AWM como una oportunidad para convertir los desechos lácteos en un valioso ingrediente alimentario y, al mismo tiempo, proporcionar una alternativa más segura y sostenible al TiO2 en algunas aplicaciones alimentarias.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Agradecemos el apoyo de los fondos Hatch del Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA) (MO-HAFE0003) al programa de ingeniería de alimentos y tecnologías sostenibles (FEAST) de la Universidad de Missouri, Columbia, para iniciar esta investigación. Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura (NIFA) del USDA – AFRI - 2023-67017-39466. Las figuras 1 y 7 fueron creadas con https://biorender.com.

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Agricultura de EE. UU. (USDA), los Fondos Hatch de Investigación Agrícola (MO-HAFE0003) para el programa de Ingeniería de Alimentos y Tecnologías Sostenibles (FEAST), de la Universidad de Missouri, Columbia. Este trabajo cuenta con el apoyo del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura (NIFA) del USDA – AFRI - 2023-67017-39466.

División de Ciencias de la Alimentación, Nutrición y Ejercicio, Universidad de Missouri, Columbia, MO, EE. UU.

Misericordia Nani y Kiruba Krishnaswamy

Departamento de Ingeniería Biomédica, Biológica y Química, Universidad de Missouri, Columbia, MO, 65211, EE. UU.

Kiruba Krishnaswamy

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MN: análisis formal, investigación, metodología, análisis de datos, visualización y redacción (borrador original, revisión y edición). KK: conceptualización, gestión de recursos, metodología, redacción (revisión y edición), supervisión, adquisición de financiación y administración de proyectos.

Correspondencia a Kiruba Krishnaswamy.

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Nani, M., Krishnaswamy, K. Una alternativa de blanqueamiento natural a partir de desechos de alimentos reciclados (suero ácido) y granos infrautilizados (mijo). Representante científico 13, 6482 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32204-4

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Recibido: 30 de noviembre de 2022

Aceptado: 24 de marzo de 2023

Publicado: 20 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32204-4

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