Crioconcentración en bloque para jugo de granada (Punica granatum L.)

Abstract

(English) One of the food industry's pressing global challenges is ensuring food security for a rapidly growing population. The enormous problems of water scarcity, climate change and high energy costs are barriers to achieving this crucial goal. This and the preferences of modern consumers who prioritize healthy and affordable foods have stimulated researchers to develop technologies that preserve bioactive components and defend environmental sustainability. The pomegranate is a fruit of high nutritional value due to its bioactive compounds. Pomegranate juice (PJ) is widely consumed for its pleasant flavor and health-promoting properties. There are different varieties of pomegranate. The 'Wonderful' variety is the most consumed due to its organoleptic characteristics and excellent antioxidant activity. A growing sector in the food industry is the production of fruit juice concentrates. Fruit juices mostly contain between 8% and 16% w/w total soluble solids, are expensive to package, store for long periods, and transport over long distances. Therefore, removing some or all of the water from such liquids is desirable. Fruit juice concentrates are valuable semi-finished products for the production of fruit juices, beverages, etc., as they provide microbiological stability and allow economy in the packaging, transportation, and distribution of the product. Cryoconcentration is an environmentally friendly technique, with which a high-quality concentrate is obtained because the process occurs at low temperatures, which helps preserve the bioactive components of the juice. Additionally, the content of water. Among the different cryoconcentration techniques, block cryoconcentration stands out for its simplicity and good results. However, the research carried out so far has used several stages to improve these parameters, especially solute recovery (SY). This thesis aims to obtain a single-stage block cryoconcentration process for pomegranate juice, aiming to improve the SY and, therefore, the concentration of its bioactive components. First, the vacuum-assisted block cryoconcentration (VABC) method was compared with the centrifugation-assisted block cryoconcentration (CABC) method. In these tests carried out at short times, moderate concentration indexes (CI) were obtained, with the SY being better in the CABC method than in the VABC, but lower than 60%. With our sights set on the objective, the V-CABC method was tested, a combination of the centrifugation and vacuum method, improving the IC to 3.8 and SY close to 70%. Additionally, the total phenolic compounds (TPC) of the concentrates were quantified, which increased up to almost 5 times compared to the initial sample. Finally, the block cryoconcentration method assisted by centrifugation and filtration (F-CABC) was used, achieving a moderate IC (3.2), and a high SY, close to 90%. In addition, it was possible to concentrate more than 3 times the bioactive compounds and 2 times the antioxidant capacity. The research carried out in this thesis provides crucial knowledge for the fruit juice sector, especially pomegranate juice concentrates, and for scientists specialized in cryoconcentration. The results obtained can guide the design of products based on pomegranate juice concentrate, cryoconcentration processes,and equipment to promote the expansion of this sector. In general, if it wants to obtain a high SY and efficiency (Eff) with a moderate CI and TPC concentration index (TPCI), the F-CABC technique is recommended. On the other hand, to obtain higher CI and TPCI, as well as moderate SY, the V-CABC method is recommended.

(Català) Un dels desafiaments globals urgents de la indústria alimentària és garantir la seguretat alimentària per a una població en ràpid creixement. Els problemes enormes de l'escassetat d'aigua, el canvi climàtic i els alts costos de l'energia constitueixen barreres per assolir aquest objectiu crucial. Això, juntament amb les preferències dels consumidors moderns que prioritzen aliments saludables i assequibles, ha estimulat els investigadors al desenvolupament de tecnologies que preservin els components bioactius i defensin la sostenibilitat ambiental. La magrana és una fruita d'alt valor nutricional a causa dels seus compostos bioactius. El suc de magrana (PJ) es consumeix àmpliament pel seu agradable sabor i les seves propietats beneficioses per a la salut. Hi ha diferents varietats de magrana. La varietat 'Wonderful' és la més consumida per les seves característiques organolèptica i excel·lent activitat antioxidant. Un sector en creixement a la indústria alimentària és la producció de concentrats de sucs de fruites. Els sucs de fruites contenen majoritàriament entre 8% i 16% p/p de sòlids solubles totals, són costosos d'envasar, emmagatzemar durant llargs períodes i de transportar a llargues distàncies. Per tant, és desitjable eliminar part o tota laigua de tals líquids. Els concentrats de suc de fruita són productes semiacabats valuosos per a la producció de sucs de fruita, begudes, etc., ja que proporcionen estabilitat microbiològica i permeten economia en l'envasament, el transport i la distribució del producte. La crioconcentració, és una tècnica amigable amb el medi ambient, amb què s'obté un concentrat d'alta qualitat perquè el procés ocorre a baixes temperatures, cosa que ajuda a la conservació dels components bioactius del suc, addicionalment es pot recuperar el contingut de aigua. Entre les diferents tècniques de crioconcentració, destaca per la seva senzillesa i bons resultats la crioconcentració en bloc. Tot i això, les investigacions realitzades fins ara han utilitzat diverses etapes per millorar aquests paràmetres i en especial la recuperació de soluts (SY). L'objectiu d'aquesta tesi és obtenir un procés de crioconcentració en bloc en una sola etapa per al suc de magrana, amb la finalitat de millorar la SY, i per tant la concentració dels components bioactius. En primer lloc, es va comparar el mètode de crioconcentració en bloc assistida per buit (VABC) amb el mètode de crioconcentració en bloc assistida per centrifugació (CABC). En aquests assaigs realitzats a temps curts es van obtenir índex de concentració (CI) moderats, sent la SY millor en el mètode CABC que al VABC, però inferiors al 60%. Amb la mira a l'objectiu, es va assajar el mètode V-CABC, una combinació del mètode en centrifugació i buit, aconseguint millorar el CI fins a 3,8 i SY proper a 70%. Addicionalment es van quantificar els compostos fenòlics totals (TPC) dels concentrats, que es van incrementar fins a gairebé 5 vegades respecte a la mostra inicial. Finalment, es va utilitzar el mètode de crioconcentració en bloc assistit per centrifugació i filtració (F-CABC), aconseguint un CI moderat (3,2), i una SY elevada, proper al 90%. A més, es va aconseguir concentrar més de 3 cops els compostos bioactius i 2 cops la capacitat antioxidant. La investigació realitzada en aquesta tesi aporta importants coneixements útils per al sector de sucs de fruites, en especial de concentrats de suc de magrana i per als científics especialitzats a l'àrea de la crioconcentració. Els resultats obtinguts poden orientar en el disseny de productes sobre la base de concentrat de suc de magrana, processos i equips de crioconcentració per promoure l'expansió d'aquest sector. De manera general si es vol obtenir una alta SY i eficiència (Eff) amb un moderat CI i índex de concentració de TPC (TPCI), es recomana la tècnica de F-CABC. En canvi, per obtenir més CI i TPCI, i moderada SY es recomanaria el mètode V-CABC.

(Español) Uno de los desafíos globales apremiantes de la industria alimentaria es garantizar la seguridad alimentaria para una población en rápido crecimiento. Los enormes problemas de la escasez de agua, el cambio climático y los altos costos de la energía constituyen barreras para lograr este objetivo crucial. Esto, junto con las preferencias de los consumidores modernos que priorizan alimentos saludables y asequibles, ha estimulado a los investigadores al desarrollo de tecnologías que preserven los componentes bioactivos y defiendan la sostenibilidad ambiental. La granada es una fruta de alto valor nutricional debido a sus compuestos bioactivos. El jugo de granada (PJ) se consume ampliamente por su agradable sabor y sus propiedades beneficiosas para la salud. Existen diferentes variedades de granada. La variedad 'Wonderful' es la más consumida por sus características organoléptica y excelente actividad antioxidante. Un sector en crecimiento en la industria alimentaria es la producción de concentrados de zumos de frutas. Los jugos de frutas contienen en su mayoría entre 8% y 16% p/p de sólidos solubles totales, son costosos de envasar, almacenar durante largos períodos y de transportar a largas distancias. Por lo tanto, es deseable eliminar parte o toda el agua de tales líquidos. Los concentrados de jugo de fruta son productos semiacabados valiosos para la producción de jugos de fruta, bebidas, etc., ya que proporcionan estabilidad microbiológica y permiten economía en el envasado, transporte y distribución del producto. La crioconcentración, es una técnica amigable con el medio ambiente, con el que se obtiene un concentrado de alta calidad porque el proceso ocurre a bajas temperaturas, lo que ayuda a la conservación de los componentes bioactivos del jugo, adicionalmente se puede recuperar el contenido de agua. Entre las diferentes técnicas de crioconcentración, destaca por su sencillez y buenos resultados la crioconcentración en bloque. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta ahora han utilizado varias etapas para mejorar estos parámetros y en especial la recuperación de solutos (SY). El objetivo de esta tesis es obtener un proceso de crioconcentración en bloque en una sola etapa para el jugo de granada, con la finalidad de mejorar la SY, y por ende la concentración de sus componentes bioactivos. En primer lugar, se comparó el método de crioconcentración en bloque asistida por vacío (VABC) con el método de crioconcentración en bloque asistida por centrifugación (CABC). En estos ensayos realizados a tiempos cortos se obtuvieron índice de concentración (CI) moderados, siendo la SY mejor en el método CABC que en el VABC, pero inferiores al 60%. Con la mira en el objetivo, se ensayó el método V-CABC, una combinación del método en centrifugación y vacío, lográndose mejorar el CI hasta 3,8 y SY cercano a 70%. Adicionalmente se cuantificaron los compuestos fenólicos totales (TPC) de los concentrados, que se incrementaron hasta casi 5 veces con respecto a la muestra inicial. Finalmente, se utilizó el método de crioconcentración en bloque asistido por centrifugación y filtración (F-CABC), alcanzando un CI moderado (3,2), y una SY elevada, próximo al 90%. Además, se logró concentrar más de 3 veces los compuestos bioactivos y 2 veces la capacidad antioxidante. La investigación realizada en esta tesis, aporta importantes conocimientos útiles para el sector de jugos de frutas, en especial de concentrados de jugo de granada y para los científicos especializados en el área de la crioconcentración. Los resultados obtenidos pueden orientar en el diseño de productos en base a concentrado de jugo de granada, procesos y equipos de crioconcentración para promover la expansión de este sector. De forma general si se quiere obtener una alta SY y eficiencia (Eff) con un moderado CI e índice de concentración de TPC (TPCI), se recomienda la técnica de F-CABC. En cambio, para obtener mayor CI y TPCI, y moderada SY se recomendaría el método V-CABC.