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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE
CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGAS E INGENIERA MDULO: 211616 PROCESOS
FRUVER
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGA E INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERA DE ALIMENTOS
PROCESOS FRUVER
211616
AUTOR
Carolina Len Virgez
ACREDITADOR
Ruth Isabel Ramrez Acero
2013
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CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGAS E INGENIERA MDULO: 211616 PROCESOS
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Contenido UNIDAD 1: TECNOLOGA DE PROCESAMIENTOS
................................................................................
8
CAPITULO 1: PROPIEDADES DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS
.............................................................
11
Introduccin.
.................................................................................................................................
11
Leccin 1: Estructura y clasificacin de las frutas y hortalizas.
..................................................... 11
Clasificacin de las frutas.
.........................................................................................................
12
Clasificacin de las verduras y hortalizas.
.................................................................................
14
Leccin 2: Composicin de las frutas y hortalizas.
........................................................................
15
Composicin de las frutas.
........................................................................................................
16
Composicin de las hortalizas
...................................................................................................
21
Leccin 3: Enzimas vegetales.
.......................................................................................................
23
Factores que promueven la disminucin de actividad enzimtica.
.......................................... 24
Leccin 4: Biosntesis de pigmentos y aromas
..............................................................................
30
Aroma
........................................................................................................................................
30
Pigmentos.
.................................................................................................................................
33
Leccin 5: Factores antinutricionales o txicos.
..........................................................................
36
Ejercicios del Captulo 1.
...............................................................................................................
37
CAPITULO 2: BIOQUMICA DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS
..............................................................
38
Introduccin.
.................................................................................................................................
38
Leccin 6: Respiracin como proceso bioqumico
........................................................................
39
Glucolisis.
...................................................................................................................................
40
Respiracin aerbica.
................................................................................................................
44
FOTOSNTESIS
............................................................................................................................
52
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Leccin 7: Coeficiente respiratorio CR
..........................................................................................
55
Leccin 8: Intensidad Respiratoria IR
............................................................................................
57
Leccin 9: Relacin temperatura y oxgeno e IR
........................................................................
58
Leccin 10: Efecto de las hormonas vegetales en el proceso de
maduracin de frutas ............. 59
Efecto del etileno.
.....................................................................................................................
60
Biosntesis del
etileno................................................................................................................
60
Efecto de las auxinas.
................................................................................................................
64
Efecto de las giberelinas.
...........................................................................................................
65
Efecto de las citocininas.
...........................................................................................................
66
Ejercicios del Captulo 2
................................................................................................................
68
CAPITULO 3: MECANISMOS DE DETERIORO EN FRUTAS Y
HORTALIZAS.......................................... 69
Introduccin
..................................................................................................................................
69
Leccin 11: Pardeamiento enzimtico
..........................................................................................
70
Sustratos.
...................................................................................................................................
71
Mecanismos de reaccin.
..........................................................................................................
71
Prevencin del pardeamiento enzimtico.
...............................................................................
74
Leccin 12: Oxidacin del cido ascrbico
...................................................................................
76
Leccin 13: Degradacin clorofilas
................................................................................................
78
Leccin 14: Degradacin de hidroperxidos
.................................................................................
79
Fase de iniciacin.
.....................................................................................................................
80
Fotooxigenacin.
.......................................................................................................................
80
Fase de propagacin.
................................................................................................................
81
Antioxidantes.
...........................................................................................................................
83
Leccin 15: Accin peroxidasa
......................................................................................................
86
Mecanismo de reaccin.
...........................................................................................................
86
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Ejercicios del Captulo 3
................................................................................................................
88
ACTIVIDADES
.................................................................................................................................
88
UNIDAD 2: INGENIERA DE PROCESOS 1
...........................................................................................
89
CAPITULO 4: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LOS PROCESOS Y
OPERACIONES UNITARIOS EN
FRUTAS Y HORTALIZAS.
.....................................................................................................................
92
Introduccin.
.................................................................................................................................
92
Leccin 16: Psicrometra.
..............................................................................................................
92
Propiedades del aire seco.
........................................................................................................
93
Propiedades de vapor de agua.
.................................................................................................
94
Propiedades de las mezclas aire-vapor.
....................................................................................
95
Leccin 17: Transmisin de calor
................................................................................................
103
Transferencia de calor por conduccin.
..................................................................................
103
Transferencia de calor por conveccin.
..................................................................................
104
Transferencia de calor en estado estacionario.
......................................................................
105
Leccin 18: Transmisin de
masa................................................................................................
110
Proceso de difusin.
................................................................................................................
110
Separacin por membranas
....................................................................................................
111
Leccin 19: Propiedades reolgicas y textura
.............................................................................
112
Leccin 20: Propiedades trmicas
...............................................................................................
113
Capacidad calorfica.
...............................................................................................................
113
Conductividad Trmica.
...........................................................................................................
114
CAPITULO 5: OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSPORTE Y SEPARACIONES
FSICAS EN FRUTAS Y
HORTALIZAS.
...................................................................................................................................
117
Introduccin.
...............................................................................................................................
117
Leccin 21: Flujo y mezcla de fluidos
..........................................................................................
117
Esfuerzo cortante y viscosidad.
...............................................................................................
118
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Leccin 22: Filtracin y Centrifugacin.
.....................................................................................
122
Filtracin.
.................................................................................................................................
122
Centrifugacin.
........................................................................................................................
125
leccin 23: procesos qumicos.
...................................................................................................
125
Conservacin por adicin de azcar. Osmodeshidratacin.
................................................... 126
Leccin 25: Procesos biolgicos.
.................................................................................................
127
FERMENTACIN.
.....................................................................................................................
127
Fermentacin en vegetales
.........................................................................................................
127
Ejercicios del Captulo 5.
.............................................................................................................
129
CAPITULO 6: TRATAMIENTOS TRMICOS EN FRUTAS Y HORTALIZAS.
............................................ 130
Introduccin
................................................................................................................................
130
Leccin 26: Escaldado
.................................................................................................................
130
Leccin 27: Congelacin
..............................................................................................................
133
Sistemas de congelacin.
........................................................................................................
143
Leccin 28: Refrigeracin.
...........................................................................................................
147
Fundamentos de la refrigeracin.
...........................................................................................
147
Leccin 29: Irradiacin de Alimentos.
.........................................................................................
151
UNIDAD 3: INGENIERA DE PROCESOS II
.........................................................................................
160
CAPITULO 7: ELIMINACIN DE AGUA EN FRUTAS Y HORTALIZAS
.................................................. 163
Introduccin.
...............................................................................................................................
163
Leccin 31: Concentracin.
.........................................................................................................
163
Aumento en el punto de ebullicin.
........................................................................................
164
Principios fsicos de la evaporacin.
........................................................................................
165
EQUIPOS.
.................................................................................................................................
168
Leccin 32: Secado.
.....................................................................................................................
171
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Velocidad de secado.
...............................................................................................................
172
Leccin 33: Liofilizacin.
..............................................................................................................
178
Congelacin.
............................................................................................................................
179
Secado por sublimacin.
.........................................................................................................
180
Equipo de liofilizacin.
............................................................................................................
185
Leccin 34: Crioconcentracin.
...................................................................................................
186
EQUIPO
....................................................................................................................................
187
Clculo del contenido de hielo y de solucin concentrada.
.................................................... 187
Leccin 35:
Atomizacin..............................................................................................................
190
Equipos.
...................................................................................................................................
191
Calentamiento del aire.
...........................................................................................................
192
Equipos.
...................................................................................................................................
192
Clculos asociados al secado por atomizacin.
.......................................................................
195
CAPITULO 8: ENVASES Y EMPAQUES.
.............................................................................................
196
Introduccin.
...............................................................................................................................
196
Leccin 41 Transferencia de materia y permeabilidad del material
de envase. ....................... 196
Leccin 42. Tecnologas de tratamientos trmicos de productos
envasados. .......................... 197
Leccin 43. Envases inteligentes.
................................................................................................
198
Leccin 44. Envases y empaque para productos frescos.
........................................................... 198
Atmosferas modificadas.
.........................................................................................................
199
ATMOSFERAS CONTROLADAS.
................................................................................................
202
Empacado al vaco.
..................................................................................................................
202
Empacado activo.
....................................................................................................................
203
Leccin 45. Envases y empaque para productos procesados
.................................................. 203
CAPITULO 9: Inocuidad y Tecnologas emergentes en frutas y
hortalizas. .................................... 204
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Introduccin.
...............................................................................................................................
204
Leccin 41: Microencapsulacin.
................................................................................................
204
Microencapsulacin de alimentos.
.............................................................................................
205
Leccin 42: Tecnologas de pulsos elctricos.
.............................................................................
205
Leccin 43: Nuevas fuentes de antioxidantes
.............................................................................
205
Leccin 44: Inocuidad.
.................................................................................................................
206
Alemania se enfrenta a la epidemia ms grave de E. coli de toda
su historia ................................................
206
Epidemia inusual
..........................................................................................................................
207
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UNIDAD 1: TECNOLOGA DE PROCESAMIENTOS
Nombre de la Unidad Tecnologa de Procesamientos
Justificacin
La importancia en la comprensin de los fenmenos
bioqumicos que tienen lugar en las frutas y hortalizas
radica en la necesidad de establecer claramente los
mecanismos que intervienen en su crecimiento y
desarrollo, para de esta forma, estar en capacidad de
disear y aplicar mtodos de transporte, conservacin y
transformacin que garanticen la calidad de los
productos obtenidos en diferentes procesos.
Para iniciar se debe presentar un contexto de la
clasificacin y composicin de frutas y hortalizas que
permita una caracterizacin general de la materia prima,
el estudiante debe conocer cada uno de los
componentes que hacen parte de las alimentos y la
proporcin en que esto se encuentran distribuidos.
Con estas bases se procede a la presentacin de los
principales procesos bioqumicos mediante los cuales los
alimentos vegetales se desarrollan, estos son la
respiracin y la maduracin. En este punto es necesario
precisar que se requieren algunos conceptos bsicos
previos de fisiologa vegetal, que son presentados a nivel
general en el inicio de la Unidad. La temtica de esta
seccin de la Unidad est orientada al rea bioqumica y
resulta de gran importancia para el desarrollo de las
unidades posteriores.
Se hace un especial nfasis en el efecto de cada
mecanismo bioqumico sobre las caractersticas finales
obtenidas por el alimento a nivel organolptico y fsico.
Los tejidos vegetales experimentan durante su existencia
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diferentes reacciones de deterioro que afectan sus
caractersticas nutritivas, fsicas y organolpticas, en
general son reacciones naturales que suelen coincidir
con el fin del periodo de maduracin, o que pueden
presentarse en fases anteriores cuando son sometidos a
condiciones extremas. En el Captulo 3 se estudiarn los
principales mecanismos de deterioro de las frutas y
hortalizas, cuya comprensin estar fundamentada en la
mayora de los casos en los proceso vistos en el
Captulo 2.
En conclusin la Unidad 1 presenta los conceptos
fundamentales de la fisiologa de frutas y hortalizas
requeridos para comprender los procesos unitarios que
intervienen en la transformacin de estas materias
primas.
Intencionalidades
Formativas
Proporcionar los conocimientos fundamentales con
respecto a la clasificacin y composicin de las frutas y
hortalizas de comn manejo en la industria.
Presentar la informacin relacionada con los procesos
naturales de formacin de aromas y pigmentos.
Caracterizar los procesos bioqumicos comprendidos en
la respiracin y maduracin de frutas y verduras y la
influencia de factores como la temperatura,
concentracin de oxgeno y presencia de enzimas en su
desarrollo.
Describir los mecanismos de deterioro natural de frutas y
hortalizas con el fin de sentar las bases conceptuales
para la comprensin de los mtodos de conservacin.
CAPITULO 1 Propiedades de las frutas y hortalizas
Leccin 1 Estructura de las materias primas
Leccin 2 Composicin de las materias primas
Leccin 3 Enzimas vegetales
Leccin 4 Biosntesis de pigmentos y aromas
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Leccin 5 Factores antinutricionales o txicos
CAPITULO 2 Bioqumica de las frutas y hortalizas
Leccin 6 Respiracin como proceso bioqumico
Leccin 7 Coeficiente respiratorio CR
Leccin 8 Intensidad respiratoria IR
Leccin 9 Relacin temperatura y Oxigeno e IR
Leccin 10 Efecto de las hormonas vegetales en el proceso de
maduracin de frutas
CAPITULO 3 Mecanismos de deterioro en frutas y hortalizas
Leccin 11 Pardeamiento enzimtico
Leccin 12 Oxidacin del cido ascrbico
Leccin 13 Degradacin de clorofilas
Leccin 14 Degradacin de hidroperxidos
Leccin 15 Accin peroxidasa
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CAPITULO 1: PROPIEDADES DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS
INTRODUCCIN.
Una importante fraccin de la alimentacin humana est basada en el
consumo de
frutas y hortalizas, estos alimentos de origen natural aportan
desde tiempos
inmemorables una fuente de vitaminas, minerales, fibra
alimentaria y
carbohidratos al ser humano. Debido a la gran diversidad de
especies y gamas de
resultados generados en las propiedades organolpticas, el
consumo de frutas y
hortalizas tiene un alto nivel de aceptacin en todos los
pblicos. El consumo de
frutas y hortalizas puede hacerse en algunos casos de forma
directa en fresco, sin
embargo, con el desarrollo del rea de tratamiento de alimentos
se han incluido
diferentes mtodos de limpieza y procesos, dando origen a una
amplia gama de
productos de origen vegetal.
LECCIN 1: ESTRUCTURA Y CLASIFICACIN DE LAS FRUTAS Y
HORTALIZAS.
La diferenciacin entre frutas y hortalizas puede entenderse
teniendo en cuenta su
origen y caractersticas de consumo, bajo esta gua, y aun cuando
es muy difcil
llegar a un conceso en este aspecto, se propone trabajar con las
siguientes
definiciones:
Frutas: Todo aquel fruto o parte carnosa de un rgano floral que
se encuentra en
un estado de madurez tal que permite el consumo humano.
Hortalizas: Parte de un vegetal que puede ser usada para consumo
humano en
estado fresco, en conserva o en cualquier otro tipo de
preparacin.
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Verduras: Las verduras estn contempladas dentro del grupo de
hortalizas, su
definicin formal es la de todos aquellos vegetales cuya parte
comestible
corresponde a los rganos verdes tales como hojas, tallos o
inflorescencias.
Clasificacin de las frutas.
Debido a la diversidad de caractersticas que poseen las frutas,
no es posible
hablar de una clasificacin nica para este grupo de alimentos,
sin embargo, se
manejan tres categoras principales a nivel acadmico e
industrial. Los criterios de
clasificacin de las frutas incluyen su naturaleza, su estado de
hidratacin, su
fisiologa y su categora comercial.
Segn su naturaleza las frutas pueden ser carnosas cuando
contienen un 50% de
agua en su parte comestible como el melocotn o la pera; secas
cuando el
contenido de humedad es menor del 50% en la parte comestible,
por ejemplo
avellanas, nueces, higos, ciruelas pasas y almendras; y
oleaginosas cuando se
emplean para la obtencin de grasas y aceites, como es el caso de
la oliva, las
aceitunas, el aguacate y el coco. Las frutas carnosas se
clasifican a su vez de
acuerdo al tipo de fruto de procedencia y a la disposicin de las
semillas [1].
Tabla 1.1: Clasificacin general de frutas.
Denominacin Ejemplo
Bayas Uvas, arndanos
Hesperidium Naranja, pomelo, limn
Pepnidas Meln, sanda
Drupas Cerezas, melocotn, albaricoque,
ciruela
Rosceas Manzanas. Peras
Agregadas Fresas, frambuesas. Grosella
Mltiples Pia, higo
Fuente: Adaptacin [1].
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Las bayas estn conformadas por agrupaciones de pequeos
agregados, tienen
un fino epicarpio que va desde el rojo de la fresa hasta el
morado en las moras [1].
Las frutas de la categora Hesperidium se caracterizan por
contener una gran
cantidad de aceites aromticos en la capa ms externa, mientras
que en la parte
interna se encuentran concentradas las pectinas. El endocarpio
contiene una serie
de gajos que contiene el zumo y se ubican alrededor del depsito
de semillas.
Figura 1.1: Estructura de un fruto tipo baya.
Fuente: [2].
Las frutas Rosceas poseen un endocarpio carnoso y un pericarpio
resistente con
una sola semilla o blando y con varia semillas. Las Pepnides son
de gran tamao
y estn cubiertas por una corteza dura, en su interior tienen un
tejido carnoso que
encierra un gran nmero de semillas. Las frutas agregadas y
mltiples se
determinan dependiendo del comportamiento de la inflorescencia
en su desarrollo,
cuando de una sola flor se obtienen varios frutos se habla de
agregados, mientras
que cuando varias flores participan en la formacin de un solo
fruto, se tiene un
fruto mltiple.
De acuerdo al estado de hidratacin, las frutas pueden ser
frescas, deshidratadas
o desecadas. Las frutas frescas son aquellas que se encuentran
en su estado
natural, pudiendo ser consumidas directamente sin ningn
tratamiento previo. En
las frutas deshidratadas se ha reducido el contenido de humedad
mediante tcnica
son naturales pero autorizadas, de tal forma que sus propiedades
nutritiva no se
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han visto afectadas. Por ltimo, las frutas desecadas han sufrido
una disminucin
considerable de su contenido de humedad por accin natural del
aire o del sol.
La categorizacin por fisiologa comprende las frutas climatricas
y no
climatricas, el criterio de eleccin est relacionado con el ciclo
de respiracin de
la fruta y su comportamiento fisiolgico durante la maduracin, en
la Leccin 10 se
profundizara sobre estos conceptos.
Teniendo en cuenta caractersticas como el color, sabor, olor y
textura las frutas
se pueden clasificar comercialmente incluyndolas en diferentes
categoras que
determinarn su precio y proceso de comercializacin, por ejemplo,
para
manzanas y peras se han definido las clases Extra I y Extra II
cuyos niveles de
calidad varan entre si determinando el mercado al cual estarn
dirigidas.
Clasificacin de las verduras y hortalizas.
El grupo de las verduras y hortalizas es bastante heterogneo y
comprende
alimentos de diversa naturaleza. Su clasificacin se basa en la
parte de la planta a
la cual pertenecen, la presentacin y la categora comercial.
El criterio ms especfico corresponde a la parte de procedencia
en la planta, la
hortaliza puede ser denominada como bulbo, fruto, col, hojas y
tallos tiernos,
inflorescencia, legumbre verde, pepnide y raz. En la Tabla 1.2
se presentan los
nombres de hortalizas comunes bajo esta clasificacin.
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Tabla 1.2: Clasificacin general de hortalizas.
CLASIFICACIN DE HORTALIZAS
Hojas
Flores
inflorescencias
tallos
Bulbos races
y tubrculos
tallos
subterrneos
Frutos Legumbres Hierbas
Lechugas Brcoli Cebolla Tomate Arveja Cebolln
Espinacas Coliflor Cabezona Pepinos Frjol Eneldo
Berros Alcaparras Ajo Pimienta Habas Perejil
Perejil Alcachofas Remolacha Calabazas Habichuelas Mostaza
Acelgas Esprragos Zanahoria Berenjenas Guascas
Espinacas Apio Yuca Pltanos
Repollo Cebolla ame
larga Arracacha
Palmito Rbano
Nabos
Papa
Cbios
Ibias
Fuente: Adaptacin [1].
LECCIN 2: COMPOSICIN DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS.
La composicin de las frutas y hortalizas vara dependiendo de su
tipo y nivel de
maduracin, factores como la ubicacin geogrfica de las plantas,
poca de
recoleccin y caractersticas especiales de la siembra determinan
la variacin en
los contenidos de carbohidratos, protenas, agua, vitaminas,
lpidos y polisacridos
entre otros.
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Composicin de las frutas.
En las frutas el componente mayoritario es el agua presentndose
entre el 75% y
el 90% del peso de la parte comestible, los azucares constituyen
entre el 5% y el
18% y los polisacridos y cidos orgnicos entre el 0,5 % y el 6%.
Otros
compuestos de menor presencia son los compuestos nitrogenados
que se
encuentran en un rango entre 0,1% y 1,5%; y las grasas que
pueden oscilar entre
0,1% y 0,5%. Las sustancias responsables de alguna
caractersticas
organolpticas se presentan generalmente en muy bajas
concentraciones, en la
Tabla 1.3 se presenta la composicin de algunos frutos conocidos,
si usted desea
ampliar el nmero de datos puede consultar la bibliografa que se
presenta al final
del captulo.
Carbohidratos.
Los carbohidratos (Hidratos de Carbono) juegan un papel
importante en la
composicin de las frutas y hortalizas, qumicamente se definen
como cadenas
conformadas por Carbono, Hidrogeno y Oxigeno, su degradacin en
cualquier
sistema genera un aumento en el nivel de energa por ello se
reconocen como
fuentes energticas por naturaleza.
En las frutas los carbohidratos ms comunes se presentan en forma
de azucares,
almidn, fibra y algunos polialcoholes, el contenido de estos
compuestos vara
depende de factores relacionados con la poca de recoleccin, la
variedad y el
grado de madurez. El azcar se expresa en forma de fructosa,
glucosa y sacarosa
mayoritariamente, aunque tambin se han encontrado trazas de
xilosa, arabinosa
y manosa. En la Tabla 1.4 se presenta el contenido de azucares
en algunas frutas
reconocidas.
Las drupas generalmente tienen un alto contenido en sacarosa,
mientras que las
pomas se caracterizan por el contenido de glucosa y fructosa,
siendo esta ltima
de mayor proporcin
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Tabla 1.3: Composicin de algunos frutos reconocidos.
Fruto Agua Protena Carbohidratos Lpidos Fibra
Aguacate 78.8 1.5 5.9 1.2 1.8
Aceituna 73.8 0.8 1 2.0 4.4
Albaricoque 87.6 0.8 9.5 Tr 2.1
Cereza 83.7 0.8 13.5 0.5 1.5
Ciruela 86.3 0.6 11 Tr 2.1
Fresa 89.6 .0.7 7 0.5 2.2
Higo 80.3 1.2 16 Tr 2.5
Limn 98.4 0.3 1.3 Tr 0
Mandarina 88.3 0.8 9 Tr 1.9
Manzana 85.7 0.3 12 Tr 2
Melocotn 89 0.6 9 Tr 1.4
Meln 92.4 0.6 6 Tr 1
Naranja 88.6 0.8 8.6 Tr 2
Pera 86.7 0.4 10.6 Tr 2.3
Pia 86.8 0.5 11.5 Tr 1.2
Pltano 75.1 1.2 20 0.3 3.4
Sanda 64.6 0.4 4.5 Tr 0.5
Uva 82.3 0.6 16.1 Tr 0.9
Fuente: [3].
En cuanto al contenido de almidn, otro carbohidrato reconocido,
generalmente es
mayor en la fruta no madura y disminuye con los procesos
metablicos de
evolucin, con excepcin de algunos frutos como el pltano, la
chirimoya y el Kiwi.
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Fibra.
La fibra se expresa en forma de celulosa, hemicelulosa, lignina
y pectina, los tres
primeros compuestos conforman las paredes celulares del fruto.
Las pectinas
confieren consistencia y caractersticas de textura a la fruta,
siendo compuestos
polimricos de alto peso molecular, la degradacin de la pectina a
compuestos
solubles y cido galacturnico ocurre durante la maduracin y
sobremaduracin.
El contenido de fibra total se encuentra entre 0,3% para la
sanda y 2,5 para el
pltano. En general la fibra insoluble se encuentra en mayor
proporcin de la fibra
soluble, tal como se indica en la Tabla 1.5.
Lpidos.
En las frutas frescas no se encuentran contenidos importantes de
lpidos, las
semillas de algunas drupas presentan contenidos de hasta 50% y
las ceras
presentes en los recubrimientos de pomos son de especial inters
por el efecto
protector que desarrollan ante insectos o microorganismos
patgenos. El aguacate
resulta una excepcin con un contenido de hasta 30% en lpidos,
representados
como cido oleico, el coco a su vez es rico en acido
palmtico.
Las frutas secas y las semillas de las frutas oleaginosas como
girasol, man, linaza
y aceituna so ricas en lpidos.
Protenas.
Las pocas protenas presentes en las frutas estn asociadas a las
enzimas que
participan en los procesos de maduracin.
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Tabla 1.4: Composicin en azucares de diversas frutas.
COMPOSICIN DE AZCARES DE DIVERSAS
FRUTAS
(porcentaje de porcin comestible)
Fruto Glucosa Fructuosa Sacarosa
Bayas
Zarzamora 3.2 2.9 0.2
Fresas 2.6 2.3 1.3
Grosolia 2.3 1.0 0.2
Frambuesa 2.3 3.7 1.0
Uva 8.2 2.4 0.0
Pia 2.3 8.0 7.9
Pltano 5.8 3.8 6.6
Dtil 32.0 4.0 8.2
Higo 5.5 23.7 0.0
Drupas
Albaricoque 1.9 0.4 4.4
Cereza 5.5 66.1 0.0
Melocotn 1.5 0.9 6.7
Ciruela 3.5 1.3 1.5
Hesperidios
Naranja 2.4 2.4 4.7
Pomelo 2.0 1.2 2.1
Limn 0.5 0.9 0.2
Pomas
Manzana 1.8 5.0 2.4
Pera 2..2 6.0 1.1
Fuente: [4].
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Vitaminas.
Las Vitaminas A y C se encuentran en una proporcin considerable
en las frutas.
La Vitamina A o retinol se sintetiza a partir de carotenoides
tales como beta-
caroteno, alfa-caroteno y beta-criptoxantina, a partir de 6g de
beta-caroteno es
posible obtener 1 g de Vitamina A, mientras que para los otros
carotenos el
rendimiento se reduce a la mitad.
Tabla 1.5: Contenido en fibra diettica de algunos frutos (g
fibra/100g fruta).
CONTENIDO EN FIBRA DIETTICA DE ALGUNAS
FRUTAS
(los valores se expresan en g de fibra/100g de fruta)
Fruta Fibra insoluble Fibra soluble Fibra total
Ciruela 1.76 1.12 2.87
Fresas 1.70 0.60 2.30
Kiwi 2.61 0.80 3.39
Mandarina 1.40 0.40 1.80
Manzana 1.54 0.67 2.21
Melocotn 1.16 0.84 2.00
Naranja 0.99 1.37 2.35
Pera 2.25 0.92 3.17
Pia 1.42 0.04 1.46
Pltano 1.21 0.58 1.79
Sandia 0.27 0.13 0.40
Uvas
(verdes) 0.32 0.58 0.90
Fuente: [5].
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La Vitamina C tambin conocida como cido ascrbico suele
encontrarse
mayoritariamente en las cortezas o piel de frutas como melocotn,
manzana,
naranja, guayaba y acerola, segn estudios realizados para
distintas especies, el
contenido es entre tres y cinco veces mayor que en la pulpa.
En cuanto al cido flico, perteneciente al complejo de Vitaminas
B, est presente
principalmente en las naranjas en una concentracin de 40g/100g
de fruta, en las
fresas y frambuesas con 45-52g/100g y en el kiwi con una fraccin
aproximada
de 30g/100g. En la Tabla 1.6 se presentan las vitaminas ms
reconocidas
contenidas en frutas y hortalizas reconocidas.
Minerales.
El contenido de los minerales es muy escaso en las frutas, solo
se destaca la
presencia de potasio y fosforo en frutas como pltano, kiwi, meln
y uvas negras.
Composicin de las hortalizas.
Las hortalizas al igual que otros alimentos de origen vegetal
contienen un alto nivel
de hidratacin, entre el 80% y el 90% del total de su peso, la
mayora no contienen
niveles apreciables de grasa y la presencia de protenas y
carbohidratos es muy
baja. La materia seca de las hortalizas est compuesta por un
porcentaje de
carbohidratos entre 3 y 20%, compuestos nitrogenados entre el 1
y 5%, fibra bruta
presente entre 0,6 y 2,5%, minerales entre 0,5 y 1,5% y un
porcentaje de lpidos
entre 0,1 y 0,9%.
Tambin se encuentran presentes compuestos como cidos orgnicos,
fenoles,
sustancias aromticas y pigmentos aunque su composicin es muy
baja. El aporte
calrico de las hortalizas es del orden de 50kCal por 100g de
porcin comestible
[6]. En los siguientes apartados se presenta una descripcin ms
detallada de
cada uno de los componentes de estos alimentos.
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Carbohidratos.
Los carbohidratos en las verduras existen en forma de hidrato de
carbono, en el
almidn, y polisacridos, estos ltimos sobresalen con respecto al
contenido de
azucares simples, es por esta razn que el sabor de estos
vegetales es muy bajo
en dulce. La rigidez caracterstica de los tallos se debe al
efecto que tienen la
celulosa, hemicelulosa y las pectinas sobre las paredes
celulares.
Compuestos nitrogenados.
Una fraccin de las protenas que se encuentran en las hortalizas
est asociada
con la carga enzimtica responsable de las reacciones que afectan
el aroma, el
color y las caractersticas tisulares. Las enzimas caractersticas
de este tipo de
alimentos son las oxidorreductasas, hidrolasas, transferasas,
liasas y ligasas.
En varias hortalizas se ha encontrado la presencia de aminas, en
las espinacas
existen histamina, N-acetilhitamina y N-N-Dimetilhistamina; en
el tomate y la
berenjena se encuentran trazos de triptamina, serotonina y
tiramina.
Lpidos.
Al igual que en las frutas el contenido de lpidos en las
hortalizas es nfimo, el bajo
porcentaje eta compuesto por triacilglicridos, glucolipidos y
fosfolpidos.
Vitaminas.
La Vitamina A se encuentra en la mayora de las hortalizas en
forma de
provitamina expresada como -caroteno, su importancia radica
en
Las vitaminas del grupo B se presentan en forma de folatos
especialmente en los
alimentos de hoja verde como las espinacas y las coles. Los
folatos se presentan
en forma poliglutmica y en el organismos son transformados a la
estructura
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monoglutmica. Se considera que alrededor del 60% de los folatos
son aportados
por las verduras [6].
Las hortalizas son ricas en Vitamina C, especialmente las coles,
pimientos, el
brcoli y el coliflor, esta vitamina resulta sensible al calor y
puede descomponerse
en los tratamientos trmicos, es por esta razn, que se recomienda
su consumo
en verduras frescas o tratadas mnimamente con temperatura.
Los guisantes, espinacas, lechugas, zanahorias y coles contienen
las vitaminas E
y K.
Protenas.
El consumo de protenas es supremamente importante para la dieta
humana, se
recomienda mantener rangos adecuados de cantidad y calidad para
lograr un
funcionamiento ptimo del cuerpo, de acuerdo con la edad y peso
del individuo se
manejan rangos de ingesta entre 0,8 y 1,5 g por kg de peso al
da. Las frutas y
hortalizas no se caracterizan por un alto contenido de protena,
sin embargo su
presencia en el alimento es fundamental a la hora de regular
procesos
metablicos de gran importancia.
LECCIN 3: ENZIMAS VEGETALES.
Las enzimas son sustancias proteicas que catalizan reacciones
qumicas en
condiciones adecuadas, actan sobre un grupo de molculas llamadas
sustratos
transformndolos en determinados productos. Por su carcter de
catalizador su
funcin principal es la de disminuir la energa de activacin de
una reaccin
especfica, la actividad de una enzima se ve afectada por la
temperatura, el pH y
la concentracin del sustrato.
Las enzimas vegetales presentes en frutas y hortalizas pueden
generar un efecto
deseable o indeseable sobre el alimento, entre los deseables se
encuentra el
efecto sobre las caractersticas organolpticas en el material
fresco o luego de
procesado, por ejemplo en la maduracin, son las encargadas de
facilitar
reacciones generadoras de aromas, sabor y textura. Los efectos
indeseables van
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desde el enraizamiento del alimento hasta la afectacin del valor
nutricional con la
destruccin principalmente de vitaminas como la tiamina y el cido
ascrbico [7].
Factores que promueven la disminucin de actividad enzimtica.
Las enzimas son molculas selectivas que actan bajo condiciones
muy precisas,
su actividad depende del control de diversos factores, a
continuacin e describen
las ms importantes.
Temperatura.
A nivel general el aumento de temperatura favorece la velocidad
de la mayora de
reacciones enzimticas, sin embargo, debido a su carcter
proteico, a cierta
temperatura las enzimas inician su desnaturalizacin, este punto
coincide con su
mxima actividad, la temperatura a la cual se alcanza tal efecto
se conoce como
Temperatura optima y es propia de cada enzima, aunque la mayora
de estas
presentan su mayor efecto en el rango comprendido entre 30 y
50C. Si el sistema
contina adquiriendo calor, la actividad enzimtica comienza a
decrecer
disminuyendo as la velocidad de reaccin.
A temperaturas muy bajas como las de congelacin varias enzimas
continan con
su actividad aunque muy lentamente, es por esta razn, que a
menos que se haga
un tratamiento previo, los alimentos congelados tienden a
experimentar deterioro
en periodos largos de almacenamiento. En caso de que las enzimas
permanezcan
presentes en las frutas o verduras podran generarse efectos como
un cambio en
el color de la clorofila o los carotenoides, pardeamiento,
rancidez, cambios en el
sabor, aroma, valor nutritivo y finalmente en la textura del
producto debido a las
enzimas pectinolticas [8].
Existen algunos casos que se han observado especficamente en la
catalasa de
las verduras y las pectinolasas de los jugos ctricos, en que
tales enzimas logran
regenerarse por lo menos parcialmente luego de un almacenamiento
prolongado
del alimento, aunque el proceso es lento, debe tenerse en cuenta
esta posibilidad
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a la hora de manipular las variables de profundidad y tiempo de
la inactivacin
trmica.
En el tratamiento de frutas y verduras es muy comn que se desee
desactivar
ciertas enzimas responsables de deterioro y de efectos adversos
sobre el
producto, para ello, se recurre a tratamientos como la precoccin
o el escaldado,
as, las reacciones indeseables se detendrn en las siguientes
etapas debido a la
ausencia del catalizador.
pH.
La mayora de enzimas vegetales son muy sensibles a los cambios
en el pH, al
igual que con la temperatura, presentan una mxima actividad a un
determinado
pH, para valores distantes tienden a desnaturalizarse. Este
comportamiento se
debe al efecto de la acidez del medio sobre los grupos
susceptibles de ionizarse
que se encuentran contenidos en la cadena polipeptdica de la
enzima,
especialmente grupos carboxilo y amino. El pH ptimo para un gran
grupo de
enzimas presentes en los alimentos esta entre 4 y 8, aunque
existen algunas
pocas excepciones.
El rango opimo de pH en el que acta eficazmente una enzima no
solo depende
de su naturaleza sino tambin de la concentracin del sustrato y
la temperatura.
Concentracin del sustrato.
El aumento en la concentracin de sustrato para una concentracin
fija de enzima,
genera un aumento exponencial en la velocidad de la reaccin
catalizada, debido
a que la existencia de un mayor nmero de molculas de sustrato
facilitara el
encuentro con la enzima. La concentracin del sustrato aumenta
hasta un valor en
que ya no genera ningn efecto sobre la velocidad de reaccin
debido a que
satura la enzima, es otras palabras, todas las molculas de
enzima se encuentran
en accin, en este punto se dice que se ha llegado a la velocidad
mxima.
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Michelis y Maud Menten encontraron en 1913 que la relacin
velocidad-
concentracin de sustrato est dada por la siguiente ecuacin:
Dnde:
V: Velocidad de reaccin para una determinada concentracin de
sustrato.
Vmx: Velocidad mxima de la reaccin.
: Concentracin del sustrato.
Km: Constante de Michelis-Menten, caracterstica de cada
enzima.
En la Figura 1.2 se observan las curvas de velocidad para seis
concentraciones
distintas de sustrato.
Inhibidores.
Existen algunos compuestos qumicos que se unen a la enzimas
disminuyendo
incluso impidiendo su actividad, pueden ser del tipo ion o
molcula. Su accin se
denomina Inhibicin y puede ser de los siguientes tipos:
Inhibicin irreversible: Ocurre cuando el inhibidor se une
permanentemente a los
sitios activos de la enzima o altera su estructura de forma que
impide
completamente su actividad
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Figura 1.2: Curvas de velocidad para diferentes concentraciones
de sustrato.
Fuente: [9].
Inhibicin reversible: Se presenta en caso de que se una
temporalmente
impidiendo el normal funcionamiento pero no de forma
completa.
Inhibicin competitiva: Sucede cuando el inhibidor es similar al
sustrato y se une a
la enzima compitiendo con este, esta situacin puede
contrarrestarse al aumentar
la concentracin de sustrato.
PROFUNDIZA! Las enzimas constituyen una temtica amplia y
enriquecedora. En los siguientes enlaces encontrar informacin
complementaria acerca de:
Enzimas
Ejercicio resuelto.
Enzimas vegetales.
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Clasificacin general de las enzimas.
De acuerdo a su accin sobre las molculas de sustrato, las
enzimas se clasifican
a nivel general en oxidoreductasas, hidrolasas, transferasas,
liasas, isomerasas y
ligasas. En la Tabla 1.7 se listan las enzimas ms comunes para
cada categora.
Tabla 1.7: Clasificacin de enzimas comunes segn su accin sobre
el sustrato.
Fuente: [10].
CIENCIA AL DIA! Los alimentos constituyen una importante fuente
de enzimas vegetales, es por ello que gran parte de los estudios
biotecnolgicos estn orientados en la bsqueda de nuevas fuentes y
mtodos de extraccin. Modelamiento de la tasa de respiracin de
banano basado en las ecuaciones de la cintica enzimtica de
Michaelis-Menten.
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Enzimas presentes en frutas y hortalizas.
Segn estudios realizados por Braverman, las enzimas presentes en
los alimentos
pueden agruparse en dos categoras generales, las hidrolasas y
las enzimas
oxidantes. Dentro de las hidrolasas se encuentran las esterasas,
carbohidrasas y
proteasas, en estos subgrupos se encuentran a su vez enzimas ms
especficas.
Papana: Bastante conocida, proviene de la papaya, ayuda en la
digestin
de carbohidratos, grasas y protenas.
Bromelina: Se encuentra principalmente en el vstago de la pia,
es una
enzima rica en azufre que cataliza el rompimiento de
protenas.
Amilasa: Se extrae de la parte verde de frutas y sobretodo
verduras, su
funcin es catalizar la degradacin de almidones.
Celulasa: Est presente en naranjas, duraznos y tomates.
Catalizan el
rompimiento de las paredes celulares de los frutos y por esta
razn se
relacionan con el ablandamiento de tejidos.
Maltasa: Se encuentra en algunas variedades de papa y
remolacha.
COMPLEMENTA!
Cintica enzimtica de la Polifenol oxidasa del banano
en diferentes estados de maduracin
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LECCIN 4: BIOSNTESIS DE PIGMENTOS Y AROMAS
Aroma
El aroma es una de las caractersticas ms atractivas de las
frutas y verduras, se
debe principalmente a la presencia de compuestos voltiles en el
alimento. Se han
encontrado ms de 600 estructuras responsables del aroma, entre
las cuales
existen aldehdos, esteres, alcoholes, cidos, cetonas y algunos
derivados
terpnicos [11]. Debido al carcter voltil de estos compuestos, su
prdida es
recurrente cuando los alimentos son sometidos a tratamientos
trmicos de alta
temperatura, por ello, una de las principales preocupaciones del
Ingeniero a la
hora de procesar una fruta o verdura, es el hecho de conservar
su aroma al final
del proceso.
Cuando la actividad enzimtica de la frutas se encuentra en un
nivel propicio, el
desarrollo de las mltiples reacciones que tienen lugar en la
maduracin conlleva
la formacin de los componente voltiles necesarios para que el
fruto adquiera las
caractersticas sensoriales que lo hacen apetecible al
consumidor, generalmente,
estos compuestos con subproductos de reacciones ms complejas
como la
conversin de almidones pectinas y la degradacin de clorofila. En
la Figura 1.3
se representa la presencia de voltiles responsables del aroma
para un mismo
fruto en diferentes estados de maduracin, se puede ver que
aunque existen
desde la fase de inmadurez, su crecimiento es notorio durante el
climaterio y
empiezan a desaparecer en la etapa de senescencia como
consecuencia de las
reacciones de deterioro y degradacin del fruto.
Particularmente en las frutas la sntesis del aroma, entindase la
generacin de
compuestos voltiles, se produce en la conversin de almidones,
transformacin
de aminocidos, conversin de cidos grasos, sntesis de terpenos,
conversin de
L-fenilanalina a esteres fenlicos y oxidacin enzimtica de los
cidos linolico y
linolnico principalmente.
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Figura 1.3: Presencia de compuestos voltiles en un fruto para
diferentes estados
de madurez.
Fuente: [12]
En la Tabla 1.8 se presenta un consolidado de los componentes
asociados al
aroma que se generan en las diferentes reacciones.
Para observar de forma prctica el anlisis que se puede
realizar
experimentalmente a los compuestos voltiles de una fruta, por
favor revise el
siguiente artculo:
Anlisis de los compuestos voltiles de las ciruelas
amarillas.
En el caso de las verduras, los compuestos aromatizantes ms
comunes son
derivados del azufre, es por esta razn que algunos olores y
sabores asociados a
estas no resultan del todo agradables. En el tejido celular los
precursores del
aroma se encuentran de forma inodora y son activados en algunos
casos a partir
de un dao mecnico o corte que permita el contacto entre el
precursor y las
enzimas adecuadas generando la liberacin de la fraccin
voltil.
Cuando las verduras son sometidas a tratamientos con altas
temperaturas o
deshidratacin es posible que los compuestos aromticos se pierdan
y le producto
obtenido no presente mayor aroma, sin embargo, los precursores
siguen
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presentes al interior de la verdura por lo que solo es necesario
reactivarlos
mediante la adicin de un extracto aromtico que permita la
reaccin de
regeneracin del aroma [13].
Tabla 1.8: Compuestos voltiles abundantes en frutos y
vegetales.
Fuente: [8]
Un mecanismo comn de generacin de aroma en las verduras est
presente en
productos del genero Allium caracterizados por olores fuertes y
penetrantes, como
la cebolla y el ajo. Para estos productos los precursores son
sulfxido de S1-y
propenil cisterna.
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Pigmentos.
Una de las caractersticas ms atractivas de los
alimentos vegetales consiste en la diversidad de
colores y tonalidades que ofrecen en las
diferentes etapas de su crecimiento, el color de
una fruta o verdura resulta de gran importancia a
la hora de obtener la aceptacin del consumidor,
adems, puede ser un indicador de la calidad del
alimento y su nivel de madurez comercial. El color se asocia
inevitablemente con
otras caractersticas organolpticas como sabor y aroma.
El color de los vegetales se adjudica a los pigmentos naturales
tales como la
clorofila, los carotenoides y los flavonoides.
Los carotenoides son los compuestos responsables de las
coloraciones amarilla y
naranja, se ubican en los cromoplastos de la clula, la sntesis
de carotenoides
depende principalmente de la presencia de oxgeno y de la
temperatura, en
atmosferas anaerbicas se inhibe la formacin de estas sustancias.
Con respecto
a la temperatura, la sntesis de carotenoides se ve favorecida
por temperaturas del
orden de 20-30C, mientras que parece decrecer e incluso
detenerse para
temperaturas mayores [14]. Se ha reconocido el papel
provitamnico de los
COMPLEMENTA!
Para conocer los desarrollos en investigacin que se han
realizado en el campo de los aromas revise los
siguientes artculos:
Avances en el aislamiento de compuestos voltiles.
Compuestos voltiles responsables del sabor del tomate
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carotenoides debido al rompimiento que sufre en el intestino
generando retinol
como fuente de Vitamina A.
La estructura qumica de los carotenoides corresponde a la de un
tetraterpeno
liposoluble con una cadena de dobles enlaces conjugados, una
reduccin en la
conjugacin da origen a un color amarillo, mientras que una
oxidacin genera
tonos rojizos. De acuerdo a su frmula qumica se clasifican en
Carotenos cuando
solo estn compuestos de hidrogeno y carbono, y Xantofilas cuando
adems
contienen oxigeno [15].
La biosntesis de carotenoides es catalizada por un gran nmero de
enzimas que
permiten la conversin de los compuestos presentes en las partes
internas de la
clula, en compuestos coloreados como el -caroteno y la
neoxantina. En la
Figura 1.4 se presenta el esquema de biosntesis al que se ha
llegado luego de
diversas investigaciones.
PROFUNDIZA! Los pigmentos carotenoides resultan de gran inters
en la industria qumica, en los siguientes enlaces podr encontrar
mayores detalles acerca de su estructura y comportamiento.
Pigmentos carotenoides: consideraciones estructurales y
fisicoqumicas. Pigmentos carotenoides en frutas y vegetales, mucho
mas que simples colorantes naturales.
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Figura 1.4: Esquema de biosntesis de carotenoides.
Fuente: [16].
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LECCIN 5: FACTORES ANTINUTRICIONALES O TXICOS.
Aunque los beneficios del consumo de frutas y verduras son
numerosos para la
dieta humana, no debe dejarse de lado la posibilidad de que
estos alimentos
conlleven factores antinutricionales o txicos, aunque no es una
situacin comn
y se han desarrollado diferentes mtodos para garantizar la
calidad de estos
alimentos, es necesario tener en cuenta las condiciones que
facilitan la presencia
de agentes nocivos.
Las actividades toxicas provocadas por ciertos compuestos pueden
generar dos
efectos claros, el primero, se relaciona con una actividad
toxica directa que no
puede revertirse con un aporte nutricional. El segundo efecto es
indirecto y se
presenta cuando la presencia del agente reduce la disponibilidad
de un nutriente o
provoca su perdida.
Nitratos.
En el caso de las verduras, algunas variedades pueden presentar
un exceso de
nitratos, debido generalmente a que la capacidad de
transformacin del nitrgeno
recibido a travs de la raz no se ve compensada con la velocidad
de absorcin.
Las hortalizas de hoja tienden a acumular mayor cantidad de
nitratos que las de
fruto o raz. Sin embargo esto depende de la variedad y otros
factores como el tipo
de fertilizante utilizado y la clase de suelo en que se
desarrolla el cultivo.
Una dosis alta de nitratos puede generar algunas complicaciones
como
intoxicaciones o cianosis especialmente en poblacin vulnerable
como nios o
mujeres embarazadas.
Acido oxlico.
El cido oxlico en dosis altas y condiciones especiales puede
tener un carcter
descalcificante, las acelgas, apio, berenjena, calabaza, col,
espinaca, pepinos,
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perejil y remolacha contienen ms de 10mg por porcin lo que
resulta riesgoso
cuando su consumo es habitual y se tienen problemas asociados al
rin.
EJERCICIOS DEL CAPTULO 1.
1. Seleccione un fruto autctono de su regin e investigue su
composicin y la
categora a la cual pertenece. Realice el mismo ejercicio con una
verdura.
2. Simplifique la ecuacin de Michaelis Menten para los
siguientes casos:
a. [S] mucho menor que Km.
b. [S] igual a km.
c. [S] mucho mayor que Km.
3. Investigue y describa detalladamente un caso de inhibicin
enzimtica
irreversible, uno reversible y uno competitivo.
4. Ingrese al siguiente enlace
http://prezi.com/y_dvg625ee2b/enzimas-
vegetales/ y extraiga los conceptos principales de acuerdo a
la
presentacin, plsmelo en un documento Word.
5. Investigue tres mtodos de extraccin de pigmentos en frutas
y/o verduras,
describa de forma general las tcnicas utilizadas.
PROFUNDIZA! Aunque las frutas y hortalizas no presentan gran
nmero de antinutrientes es importante que como Ingeniero de
Alimentos conozca otras fuentes de estos compuestos. En el
siguiente enlace podr profundizar acerca del tema:
Toxicologa alimentaria.
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CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGAS E INGENIERA MDULO: 211616 PROCESOS
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CAPITULO 2: BIOQUMICA DE LAS FRUTAS Y HORTALIZAS
INTRODUCCIN.
Los alimentos vegetales se comportan, al igual que todas las
plantas, como
organismos vivos que requieren de procesos metablicos para su
existencia.
Biolgicamente cada planta constituye un complejo universo de
compuestos y
reacciones encadenas perfectamente por la naturaleza para dar
lugar a los
productos que conocemos como alimentos vegetales, la raza humana
debe
considerarse infinitamente afortunada por tener a la mano un sin
nmero de
variedades, colores, sabores, aromas y experiencias
gustativas.
Los fenmenos metablicos y catablicos que dan origen a la
existencia de las
frutas y hortalizas pueden describirse de manera general para
todas las
variedades, actualmente no cesan los estudios cientficos
buscando caracterizar
de forma precisa los mecanismos fisicoqumicos de cada sntesis y
degradacin
de compuestos al interior de las plantas, la importancia de este
conocimiento
radica en la mejora que representara para los tratamientos de
manejo pre y
poscosecha.
La vida de los vegetales puede dividirse en tres grandes fases,
crecimiento,
maduracin y senescencia; en la primera fase tiene lugar el
aumento de tamao
de las clulas y tejidos hasta lograr las dimensiones
caractersticas; en la
maduracin, ocurre la diferenciacin de los tejidos y la sntesis
de las enzimas
encargadas de facilitar las reacciones que darn las
caractersticas organolpticas
al fruto. Por ltimo, en la senescencia o vejez del vegetal, se
produce la muerte
celular que acaba progresivamente con la vida del alimento. En
el presente
capitulo se tratan los procesos generales de respiracin,
maduracin y
senescencia de los vegetales, con el fin de que usted comprenda
el
comportamiento de estos ante diferentes condiciones o
tratamientos industriales.
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LECCIN 6: RESPIRACIN COMO PROCESO BIOQUMICO
Los alimentos vegetales requieren de energa para continuar su
existencia, esta
energa se provee principalmente a travs de los procesos de
respiracin y
transpiracin que tienen lugar a nivel general en la
transformacin de oxigeno (O2)
en dixido de carbono (CO2), y en la perdida de agua
respectivamente. La
respiracin como proceso metablico se basa en las reacciones
oxidativas de
diferentes compuestos carbohidratados como almidones, azcares,
cidos
orgnicos y otras sustancias que permiten la generacin de CO2 y
liberan energa.
ALGUNOS CONCEPTOS PREVIOS.
A continuacin se presenta una sntesis de las definiciones que
usted debe
tener en cuenta a la hora de analizar el sistema metablico.
NAD+ (Nicotinamida adenina dinucletido): Coenzima que se
encuentra
en las clulas vivas, contiene dos nucletidos unidos por grupos
fosfato. Se
encarga de intercambiar electrones e hidrogeniones
participando
activamente en la produccin de energa celular.
NADH: Forma reducida de NAD+.
ATP (Adenosn trifosfto): Molcula de gran importancia en los
procesos
metablicos celulares, contiene una base nitrogenada unida a un
azcar de
tipo ribosa o pentosa y tres grupos fosfato. Su funcin principal
radica en el
almacenamiento y transporte de energa.
ADP (Adenosn Difosfato): Corresponde a la parte estructural del
ATP sin
fosforilar, contiene un nuclesido y dos grupos fosfato unidos
entre s. Se
obtiene durante el ciclo de Krebs por la descarboxilacin de
algunos
compuestos.
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Las etapas bsicas de la respiracin son la gluclisis y la
respiracin aerbica
como tal, esta ltima ocurre en tres fases: Ciclo de Krebs,
transporte de electrones
y Fosforilacin oxidativa. El conjunto de etapas tiene como fin
la generacin de
energa qumica almacenada en molculas de ATP, seguidamente se har
un
repaso por las reacciones involucradas en la respiracin
celular.
Glucolisis.
La glucosa es una molcula altamente energtica cuya participacin
en los
mecanismos de respiracin de la planta resulta crucial, ya que
mediante su
degradacin es posible obtener la energa necesaria para los
procesos
metablicos vitales. La primera fase en la respiracin corresponde
a la
degradacin de la glucosa y se conoce como Glucolisis, en trminos
generales es
un proceso oxidativo que tiene como objetivo principal la
disposicin de energa en
forma de molculas de ATP y ocurre mediante el encadenamiento de
siete fases
que se describen a continuacin:
Etapa I: Fosforilacin de la glucosa.
En esta etapa se realiza la activacin de la molcula, debido a su
alta estabilidad
es necesario invertirle energa para que pueda posteriormente ser
fragmentada, la
energa proviene entonces de la clula a travs de la llegada de
una molcula de
ATP bajo la presencia de la enzima hexoquinasa, el grupo fosfato
cedido por el
ATP se adiciona en la posicin 6 de la glucosa formando
glucosa-6-fosfato.
Etapa II: Isomerizacin de la fructosa.
La molcula obtenida en la primera etapa se reorganiza mediante
isomerizacin
en presencia de la enzima fosfoglucoisomerasa para convertirse
en frutosa-6P.
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Etapa III: Fosforilacin de la fructosa.
La fructosa-6P es activada mediante la inversin de una nueva
molcula de ATP
por parte de la clula, cada ATP donara un grupo fosfato, de esta
forma se genera
la fructosa-1,6-bifosfato, altamente inestable. La enzima
encargada de catalizar
esta reaccin es la fosfofrutoquinasa.
Etapa IV: Ruptura de la fructosa.
En esta etapa la fructosa bifosfatada se fragmentara debido a su
inestabilidad en
presencia de aldolasa generando dos molculas de tres carbonos
cada una, la
primera corresponde a dihidroxiacetona fosfato y la segunda es
el gliceraldehdo
fosfato, ambas son ismeros.
Etapa V: Oxidacin y formacin de enlace fosfato de alta
energa.
Hasta el momento solo se ha invertido energa en el proceso, en
esta etapa se
inicia la recoleccin energtica que tiene como objetivo la
glucolisis, para iniciar,
interviene una molcula de NAD+ actuando como coenzima y la
deshidrogenasa
que tiene el papel enzimtico, su accin conjunta logra la
oxidacin del
gliceraldehdo fosfato y la consecuente reduccin de NAD+ a NADH,
la energa
liberada es utilizada para atraer un grupo fosfato que se unir
en la posicin 1 de
la molcula oxidada formndose as el 1,3- difosfoglicerato. Es
importante tener
en cuenta que esta etapa ocurre teniendo como limitante la
presencia del fosforo
inorgnico disponible en el citoplasma.
Etapa VI: Generacin de ATP.
De nuevo por alta inestabilidad el 1,3- cido difosforoglicrico
cede un grupo
fosfato a una molcula de ADP circundante convirtindola en el
primer ATP
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obtenido en el proceso, de esta manera el cido pasa a cido
3-fosfoglicrico. La
reaccin es catalizada por una enzima llamada fosfoglicerato
quinasa
Figura 2.1: Reacciones de las etapas I, II y III en la
gluclisis.
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3
Fuente: [17].
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Etapa VII: Reordenamiento molecular.
El fosfato que an permanece en la molcula se reordena en una
ubicacin que le
representa mayor energa, as que pasa de la posicin 2 a la 3. La
mutasa es la
enzima encargada de facilitar la mutacin.
Figura 2.2: Reacciones de las etapas IV, V y VI en la
gluclisis.
Etapa IV Etapa V Etapa VI
Fuente: [17].
Etapa VIII: Eliminacin de agua.
Gracias a la presencia de la enzima enolasa se elimina una
molcula de agua
dejando como remanente el cido fosfoenolpirvico.
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Etapa IX: Generacin de ATP.
El nico grupo fosfato restante es atrapado por una molcula de
ADP formando un
ATP transportador de energa.
Figura 2.3: Reacciones de las etapas VII, VIII y IX en la
gluclisis.
Etapa VII Etapa VIII Etapa IX
Fuente: [17].
Respiracin aerbica.
La respiracin aerbica ocurre en presencia de oxgeno, el
mecanismo general de
la oxidacin del cido pirvico generado en la glucolisis a dixido
de carbono y
agua. La primera etapa del ciclo de Krebs ocurre al interior de
la matriz
mitocondrial, mientras que los procesos de transporte de
electrones y fosforilacin
oxidativa se llevan a cabo acopladamente en la cresta
mitocondrial.
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Ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs es conocido como el ciclo de los cidos
tricarboxlicos y describe
una ruta metablica que tiene lugar en la respiracin de
organismos aerobios, en
el ciclo convergen los productos de las reacciones precedentes
de degradacin de
aminocidos, glcidos y cidos grasos. La funcin principal del
ciclo es el aporte
de poder reductor a la cadena respiratoria con la consecuente
generacin de CO2.
Las reacciones que componen el ciclo de Krebs se describen a
continuacin:
Reaccin de condensacin de oxalacetato con AcetilCoA.
Por medio de la accin de la enzima citrato sintrasa la
Acetil-CoA se condensa con
el oxalacetato para generar una molcula de citrato, durante la
reaccin es
liberada la enzima HSCoA.
Fuente: [18]
Reaccin de isomerizacin del citrato a isocitrato.
Esta etapa corresponde a una reaccin en equilibrio, el citrato
se isomeriza
mediante la accin de la enzima Aconitasa.
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Fuente: [19].
Reaccin de oxidacin y descarboxilacin del isocitrato.
Para la transformacin del isocitrato en -Cetoglutarato, es
necesaria una
descarboxilacin que genera la liberacin de una molcula deCo2,
adicionalmente
la enzima isocitrato deshidrogenasa acta reduciendo un NAD y
permitiendo la
formacin de 3 ATP.
Fuente: [19]
Reaccin de transformacin del -Cetoglutarato en succinil-CoA.
En esta etapa ocurre una segunda descarboxilacin oxidativa
gracias a la accin
de la enzima -Cetoglutarato deshidrogenasa con la consecuente
formacin de 3
ATP.
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Fuente: [19].
Transformacin de la Succinil-CoA en succinato y GTP.
En esta reaccin ocurre una hidrolisis o rompimiento que genera
una cantidad de
energa del orden de 33.5kJ/mol, esta energa e sutilizada para la
formacin de un
enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar un GTP.
La reaccin
conlleva la liberacin de HSCoA.
Fuente: [19].
El GTP posteriormente se convierte en ATP mediante la siguiente
reaccin:
(2.1)
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Transformacin del succinato en fumarato.
El succinato se oxida por la accin de la succinato
deshidrogenasa produciendo 2
ATP y generando el fumarato.
Fuente: [19].
Reaccin de hidratacin del fumarato.
El fumarato e hidrata convirtindose en malato mediante la accin
de la enzima
fumarasa.
Fuente: [19].
Reaccin de oxidacin del malato a oxalacetato.
La enzima malato deshidrogenasa permite la oxidacin del malato a
oxalacetato
reduciendo un NAD y generando 3 ATP, de esta forma se llega al
inicio del ciclo
nuevamente.
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Globalmente se puede observar que en el ciclo de Krebs no se
obtiene
especficamente ninguna molcula de ATP, sin embargo se generan
varias
coenzimas reducidas NADH y FADH2, estas sern la fuente de ATP en
las
reacciones posteriores.
Transporte de electrones.
En esta etapa los tomos de hidrogeno o electrones equivalentes
son conducidos
por la cadena respiratoria mediante ciertos transportadores
denominados
citocromos, que se oxidan y reducen consecutivamente. Para que
esto sea
posible, las coenzimas reducidas obtenidas en el ciclo de Krebs
se oxidan a NAD+
y FAD+. Se genera agua debido a que el ltimo aceptor de la
cadena es el
oxgeno.
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Figura 2.4: Esquema sintetizado del ciclo de Krebs.
Fuente: [20].
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Fosforilacin oxidativa.
El flujo de electrones descrito en el apartado anterior no es
posible sin la
formacin de ATP, ya que esta molcula es la encargada de recibir
la energa
cedida en el transporte electrnico a travs de la cadena
respiratoria. Cada cada
de los electrones a un nivel ms energtico ms bajo libera energa
que es
adoptada por la molcula de ATP. En la Figura 2.5 se presentan
las etapas de la
fosforilacin oxidativa de forma escalonada.
Figura 2.5: Esquema sintetizado del flujo de electrones durante
la fosforilacin
oxidativa.
Fuente: [21].
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FOTOSNTESIS
Las plantas sintetizan compuestos orgnicos, que requieren para
su crecimiento y
para la formacin de nuevos tejidos, a partir de CO2 atmosfrico,
agua y
nutrientes aportados por el suelo, el proceso de transformacin
se denomina
fotosntesis. La radiacin recibida por la planta y la temperatura
son los factores
encargados de controlar la cantidad de carbono fijado y el
proceso de respiracin.
La radiacin solar aporta los fotones requeridos comprendidos
entre 400 y 700 nm
de longitud de onda, estos son absorbidos por las hojas
brindando la energa
requerida para el proceso.
Las reacciones bioqumicas asociadas a la fotosntesis tienen
lugar en el
cloroplasto de la clula y ocurren en dos fases principalmente,
la primera es
dependiente de la luz y se denomina Fotofosforilacin; la
segunda, independiente
de la luz o Fase oscura comprende la reduccin de CO2 a azcar y
se explica
mediante el ciclo de Calvin.
Fotofosforilacin.
En esta etapa las molculas de clorofila a absorben energa
lumnica que produce
la excitacin de algunos de los electrones y tomos de hidrogeno
desde el agua
hacia un receptor energtico que en este caso es NADP+, los
electrones ingresan
a una cadena transportadora similar a la de la respiracin
celular, durante el
proceso el ADP se convierte en ATP mediante el mecanismo de
quimismosis. El
agua por su parte se descompone liberando oxgeno.
Reaccin de fotlisis del agua.
(2.2)
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En el proceso de Fotofosforilacin intervienen dos fotosistemas
que estn
presentes en todos los organismos fotosintticos, consisten
bsicamente en una
antena colectora de luz y un centro de reaccin que incluye una
molcula de
Clorofila a.
La diferencia entre los fotosistemas I y II radica en el pico de
absorcin de la
clorofila, el primero corresponde a 700nm y el segundo a
680nm.
Esta primera etapa se inicia con la captacin de luz por parte
del Fotosistema II,
los electrones excitados son transportados a otros niveles
energticos hasta llegar
a la molcula de clorofila a contenida en el Fotosistema I, la
energa liberada en la
cadena es aprovechada para la formacin de ATP a partir de ADP y
grupos
fosfato.
Reaccin de formacin de ATP a partir de ADP
(2.3)
Cuando los electrones retornan a la molcula de clorofila, se
habla de una
Fotofosforilacin cclica. Cuando los electrones no retornan, son
reemplazados por
electrones derivados del agua, en este caso los electrones
transferidos y el
hidrogeno proveniente del rompimiento de las molculas de agua
reducen el
NADP a NADPH, la Fotofosforilacin ser acclica.
Reaccin de reduccin de NADP a partir de NADPH
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Ciclo de Calvin o Fijacin de Carbono.
La segunda fase de la fotosntesis denominada fase oscura
corresponde a las
reacciones independientes de la luz, se lleva a cabo mediante un
ciclo que ha sido
presentado por Calvin-Benson, el objetivo de esta etapa es
incorporar el CO2 a
compuestos orgnicos como la glucosa, de ah que reciba el nombre
de fijacin de
Carbono.
Inicialmente el CO2 es absorbido por la planta a travs de
estructuras conocidas
como estomas. Al interior de la planta, se combina con una
molcula del azcar
de cinco Carbonos conocido como Ribulosa difosfato, en presencia
de la enzima
RuBP carboxilasa, cada seis vueltas se generan seis molculas de
un
intermediario que luego, por rompimiento producir doce molculas
de
fosfoglicerato. Luego, estas ltimas molculas se reducen a doce
molculas de
gliceraldehdo fosfato, diez de estos gliceraldehdos se regeneran
formando seis
molculas de Ribulosa difosfato de cinco carbonos, las dos
molculas restantes de
gliceraldehdo constituyen la fuente de otras reacciones de
importancia para la
planta.
La fuente energtica del Ciclo de Calbin son las molculas de ATP
y NADPH
generadas en la etapa de Fotofosforilacin.
Los procesos de respiracin y fotosntesis ocurren simultneamente
en los
vegetales, el crecimiento de las plantas se da debido a la
conjugacin de estos
fenmenos. En trminos globales la fotosntesis lleva a cabo la
captura de energa
y la respiracin consume esta energa para procesarla al interior
de la planta.
Debido a que la fotosntesis ocurre en determinados rganos de la
planta, su
velocidad debe exceder la tasa de respiracin para dar abasto con
los
requerimientos energticos.
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Figura 2.6: Esquema de Fotofosforilacin cclica y acclica.
Fuente: [22].
LECCIN 7: COEFICIENTE RESPIRATORIO CR
Una forma de cuantificar el grado de respiracin aerobia es
establecer la
proporcin entre el volumen de CO2 emitido y el volumen de O2
consumido en un
tiempo dado para una misma masa de materia respirante. El factor
que relaciona
estas dos magnitudes se conoce como Coeficiente Respiratorio
(CR), su medida
es un indicador del tipo de substrato que est siendo oxidado en
la respiracin.
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(2.5)
Se ha encontrado que para valores de CR menores de 1, se
metabolizan las
grasas:
C18H36O7 + 26O2 = 18CO2 + 18H2O CR = 0,7 (2.6)
Valores de CR mayores de 1 sugieren el metabolismo de cidos
grasos:
C4H6O5 + 302 = 4CO2 + 3H2O CR = 4/3 = 1,33 (2.7)
Y valores iguales a 1 indican el metabolismo de azucares:
C6H12O6 + 602 = 6CO2 + 6H2O CR = 6/6 = 1 (2.8)
Valores intermedios entre 0,7 y 1 indican la oxidacin simultnea
de glcidos y
lpidos, la proporcin de cada compuesto puede ser calculada por
la ley de
mezclas. Sin embargo, debe resaltarse que estos resultados son
bastante
aproximados, ya que en un mismo instante pueden estarse oxidando
diferentes
compuestos.
Experimentalmente la determinacin de CO2 liberado puede
obtenerse al hacer
pasar una corriente de aire libre de gas sobre cierta cantidad
de tejido material,
luego, se hace pasar el aire por una solucin de lcali, por
ejem