Compuestos Antimicrobianos Adicionados en Recubrimientos Comestibles para Uso en Productos Hortofrutícolas

Antimocrobial Compounds Added in Edible Coatings for Use in Horticultural Products

Margarita de Lorena Ramos–García¹, Silvia Bautista–Baños¹, Laura Leticia Barrera–Necha¹, Elsa Bosquez–Molina²,Irán Alia–Tejacal³, y Marisa Estrada–Carrillo⁴.

¹ Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, Instituto Politécnico Nacional. Carr. Yautepec–Jojutla, Km. 6, calle Ceprobi 8, Col. San Isidro, Yautepec, Morelos CP 62731. Correspondencia: sbautis@ipn.mx

² Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad iztapalapa. Av. San Rafael Atlixco 186. Col. Vicentina. Iztapalapa CP 09340, México D.F.,

⁴ Universidad Politécnica del Estado de Morelos. Carr. Federal Cuernavaca–Cuautla. Km. 14. Lomas del Texcal, Jiutepec, Morelos CP 62574.

Recibido: Noviembre 20, 2009
Aceptado: Mayo 04, 2010

Resumen

Los recubrimientos son matrices continuas formuladas a base de lípidos, proteínas o carbohidratos o mezclas de estos componentes, que les confieren diferentes propiedades fisicoquímicas. Un carbohidrato utilizado para la formulación de los recubrimientos comestibles es el quitosano, el cual reduce el crecimiento de hongos y bacterias. Los recubrimientos pueden servir como vehículos para un amplio rango de aditivos, incluyendo compuestos antimicrobianos, con la finalidad de proporcionarles mayores atributos como es el control de microorganismos. Entre los aditivos naturales están los aceites esenciales. Se tiene amplia evidencia que los aceites esenciales extraídos de diferentes plantas presentan inhibición contra hongos y bacterias. Al formular recubrimientos comestibles con quitosano y adicionar a las formulaciones productos como los aceites esenciales, se evita el desarrollo de microorganismos, se prolonga la vida de anaquel de los productos agrícolas, y se mantienen las propiedades sensoriales de éstos. En este artículo se llevó a cabo una revisión de literatura sobre el tema de recubrimientos comestibles y sus principales componentes sobre la fisiología del producto. Asimismo, se revisó literatura con respecto al efecto de la elaboración de recubrimientos con quitosano y la incorporación de aceites esenciales sobre su actividad en diferentes microorganismos patógenos.

Palabras clave: aceites esenciales, patógenos, quitosano.

Coatings and films are continuous matrixes typically formulated of lipids, proteins and carbohydrates or their combination. A carbohydrate used to formulate edible coatings is the chitosan that reduces the growth of fungi and bacteria. Coatings may work as vehicles of a broad range of food additives including antimicrobial compounds in order to provide higher attributes such as the control of microorganism. Essential oils are among the natural additives. There is broad evidence that essential oils extracted from different plant species present inhibition against fungi and bacteria. The incorporation of chitosan and essential oils into the edible formulations avoids the development of microorganism and extends the storage life of the horticultural commodity. In this article, a literature review about the main components of the coatings and its effect on the physiology of the commodity was carried. A revision of literature about the effect of chitosan and the addition of essential oils on the activity of pathogenic microorganisms was also carried out.

Key words: Essential oils, chitosan, pathogens.

Para prolongar la vida postcosecha de los productos hortofrutícolas se han implementado diferentes tecnologías, entre ellas el almacenamiento a bajas temperaturas, la utilización de empaques plásticos para crear atmósferas modificadas, la aplicación de tratamientos hidrotérmicos, irradiación y formulaciones que contienen agentes biológicos, entre otras (Quezada et al., 2003). Todas ellas a su vez ejercen cierto control en la incidencia de microorganismos patógenos. Se ha reportado que durante el manejo postcosecha de los productos vegetales se pueden estimar pérdidas hasta del 40% del total cosechado, estas varían entre productos, áreas de producción y época del año (Aular, 2006). De las principales razones que generan estas pérdidas está la incidencia de enfermedades causadas principalmente por hongos de diversos géneros. Por otro lado, los productos contaminados por bacterias tales como Escherichia coli, Salmonella sp. y Listeria monocytogenes, pueden causar enfermedades graves a los humanos ocasionando hasta la muerte si no son tratados a tiempo. Generalmente, en el caso de los hongos, éstos no aparecen durante el crecimiento de las plantas, en algunos casos permanecen en estado latente hasta la maduración del producto hortícola y otros se adquieren durante la cosecha, el transporte y/o el manejo del producto (Ogden et al., 2005; Beverlya et al., 2008). En relación a las bacterias, éstas pueden contaminar el producto durante la etapa precosecha principalmente por aguas contaminadas o durante la manipulación de los productos hortícolas. Una alternativa con potencial viable para la conservación de frutas y vegetales frescos es la utilización de recubrimientos comestibles multicomponentes, los cuales pueden elaborarse con ingredientes básicos adecuados al producto para brindarle la protección de barrera deseada y además, sirven como vehículos para incorporar aditivos específicos que refuerzan su funcionalidad tales como antioxidantes, colorantes y antimicrobianos, que en el caso de estos últimos se evitaría el crecimiento de microorganismos patógenos en la superficie de los productos vegetales (Nussinovitch y Lurie, 1995; Cagri et al, 2004; Martin–Belloso et al., 2005).

Propiedades específicas de los recubrimientos a base de lípidos, proteínas y polisacáridos aplicados en frutas y hortalizas. La película o cubierta comestible consiste en una capa delgada que se pre–forma o forma directamente sobre la superficie de los productos vegetales como una envoltura protectora (Del–Valle et al., 2005; Bravin et al., 2006). Se elaboran a partir de una gran variedad de proteínas, polisacáridos y lípidos ya sea como componentes únicos o combinados, con la finalidad de desarrollarlas con mejores propiedades de barrera y mecánicas (Kester y Fennema, 1986). El mecanismo por el cual los recubrimientos conservan la calidad de frutas y vegetales es debido a que crean una barrera física a los gases, produciendo una atmósfera modificada ya que reducen la disponibilidad de O₂ e incrementan la concentración de CO₂ (Avena–Bustillos et al., al., 1997; González–Aguilar et al., 2005).

Recubrimientos a base de lípidos. Los recubrimientos a base de lípidos son muy eficientes para reducir la deshidratación de los productos debido a su baja polaridad presentan una escasa permeabilidad al vapor de agua (Kester y Fennema, 1986). La pérdida de humedad en frutas y vegetales frescos disminuye la firmeza y el peso de los productos afectando su calidad y como consecuencia ocurren pérdidas económicas durante su comercialización (Avena–Bustillos et al., 1994). Estos recubrimientos presentan algunas limitaciones tales como, propiedades mecánicas pobres y en ocasiones mala apariencia (García et al., 2000); es por eso que los lípidos son mezclados con otras sustancias como polisacáridos, ya que estas combinaciones proporcionan al recubrimiento mayor estabilidad (Koelsch, 1994; Martín–Belloso et al., 2005). García et al. (2000), reportaron que al mezclar aceite de girasol (Helianthus annus L.) y almidón de maíz (Zea mays L.) con glicerol y sorbitol como plastificante, obtuvieron un recubrimiento, con buenas propiedades mecánicas para adherirse a la zanahoria (Daucus carota L.) y redujeron la pérdida de vapor de agua tres veces mas por encima del control. Por su parte, Mc Hugh y Senesi (2000), realizaron una mezcla de puré de manzana (Pyrus Malus L.) con lípidos (ácidos grasos, alcoholes grasos, ceras y aceite vegetal), con glicerol como plastificante, para elaborar un recubrimiento y aplicarlo en trozos de manzana. Los recubrimientos a base de puré de manzana tuvieron excelentes propiedades de barrera al O_2, pero deficientes propiedades de barrera a la humedad. La adición de lípidos garantizó mejores propiedades de barrera al agua (McHugh et al., 1996). El resultado que obtuvieron fue una buena adherencia del recubrimiento, reducción en la oxidación de los trozos de manzana y poca pérdida de humedad, de igual forma se mantuvo el sabor y el aroma del fruto, concluyendo que a medida que se incrementó la concentración de lípidos se redujo la pérdida de humedad. Pérez–Gago et al. (2003), desarrollaron un recubrimiento mezclando hidroxipropil metilcelulosa con glicerol y ácido esteárico para aplicarlo en frutos de mandarina (Citrus reticulata B.). La pérdida de humedad de las mandarinas cubiertas y almacenadas a 20°C, disminuyó significativamente a medida que la cantidad de lípidos aumentó. Los resultados mostraron que el recubrimiento con mayor cantidad de lípidos (60%) disminuyó hasta en un 47% la pérdida de humedad en comparación con el control. Sin embargo, estos resultados también sugirieron utilizar bajas temperaturas de almacenamiento junto con la aplicación del recubrimiento para extender la vida de anaquel de la mandarina. Actualmente, la mayoría de los recubrimiento son adicionados con glicerol (Rojas Graü et al., 2007; Raybaudi–Massilia et al., 2008), utilizándolo como plastificante o simplemente para garantizar en el recubrimiento mayores propiedades de barrera a la pérdida de agua.

Recubrimientos a base de proteínas. Los recubrimientos hechos a base de proteínas presentan mejores propiedades de barrera a los gases, sin embargo, la resistencia que presenta al vapor de agua es menor debido a su naturaleza hidrofílica (Pérez–Gago y Krochta, 2002). Gontard et al. (1996), elaboraron películas a base de gluten, acido acético y glicerol consiguiendo una baja permeabilidad al CO₂ y O₂ en comparación con el control, por lo que recomiendan su uso para frutas y vegetales. Tanada–Palmu y Grosso (2005), formularon un recubrimiento a base de gluten, etanol, hidróxido de amonio, y glicerol y lo aplicaron en fresa (Fragaria vesca L.). Con este recubrimiento se logró mantener el sabor de las fresas por más tiempo (5 días) en comparación con el control, sin embargo, sus propiedades de barrera al agua no fueron buenas. A esta misma formulación se le adicionó cera de abeja, acido esteárico y acido palmítico, reduciendo la pérdida de peso en las fresas hasta en un 50% en comparación con el recubrimiento sin lípidos. Pérez–Gago et al. (2005), elaboraron un recubrimiento con proteína de suero de leche, hidroxipropil metilcelulosa, cera de abeja y carnauba, para cubrir trozos de fresa, logrando una reducción en el oscurecimiento enzimático. Los autores atribuyen este efecto a la alta propiedad de barrera al oxígeno que presentan las proteínas. Estos mismos autores elaboraron otro recubrimiento con proteína de suero de leche, cera de abeja y acido ascórbico o cisteína, obteniendo la misma reducción en el oscurecimiento enzimático en trozos de manzana (Pérez–Gago et al. 2006). Monedero et al. (2009), elaboraron películas a base de proteína de soya (Glycine max Μ.), acido oleico y glicerol, y posteriormente hicieron las pruebas en frutos, obteniendo una permeabilidad selectiva al O₂. Además, adicionaron lípidos y lograron disminuir la pérdida de agua hasta en un 50% en comparación con las películas no adicionadas.

Recubrimientos a base de polisacáridos. Los recubrimientos hechos a base de polisacáridos han sido los más utilizados para recubrir frutos, y esto es debido a sus propiedades mecánicas de adherencia y flexibilidad en la superficie de los productos hortofrutícolas. Meza (2006), formuló un recubrimiento utilizando tres diferentes polisacáridos; almidón de maíz, goma guar y pectina de bajo metoxilo. Al incrementar la concentración de almidón de maíz, se mejoró la adherencia y la flexibilidad del recubrimiento en la superficie de frutos como pera (Pyrus communis L.), limón (Citrus limon L.) y aguacate (Persea americana Μ.). Sin embargo, las concentraciones de almidón de maíz del 2% o mayores ocasionaron frutos aparentemente deshidratados y opacos, además de ser recubrimientos quebradizos y fibrosos. La goma guar y la pectina de bajo metoxilo, mostraron buena viscosidad y adherencia aun en concentraciones altas. Varios autores atribuyen otros efectos a los recubrimientos a base de polisacáridos, por ejemplo, Viña et al. (2007), recubrieron coles de Bruselas (Brassica oleracea L.) con una mezcla de almidón de maíz, hidróxido de sodio y glicerol, conservando algunos atributos de calidad del producto, tales como, firmeza y color. Además la pérdida de peso fue menor en comparación con el control. Ribeiro et al. (2007), realizaron una mezcla de almidón, ácido cítrico y sorbitol para cubrir frutos de fresa y retardar su senescencia. Los recubrimientos a base de polisacáridos mostraron mejores propiedades de barrera a los gases que el control. Oms–Oliu et al. (2008), formularon un recubrimiento a base de alginato, pectina y goma de gelana, obteniendo un incremento en la resistencia de pérdida de agua y reducción en la producción de etileno en peras cortadas. En frutos de mango, Sothornvit y Rodsamran (2008), probaron una película elaborada con pulpa de mango del cual analizaron sus propiedades de barrera y mecánicas. Los mangos cubiertos con el recubrimiento redujeron la pérdida de peso en un 5 y 10% a temperaturas de almacenamiento de 30 y 5° C respectivamente. Dicha película mostró altos valores de permeabilidad al vapor de agua y un valor intermedio de permeabilidad al oxígeno, adicionalmente, los frutos cubiertos con esta película mostraron un mejor textura que los no cubiertos; respecto a sus propiedades mecánicas ellos reportaron que la película de este material tuvo una mayor elongación e índice de elasticidad en comparación con otras hechas de almidón de frutas y plastificadas con glicerol.

El quitosano como recubrimiento filmogénico con actividad antimicrobiana. El quitosano es un polisacárido que se obtiene del exoesqueleto de crustáceos mediante la desacetilación parcial de la quitina (Feepons, 1991).

Aplicación del quitosano como recubrimiento. El quitosano es un compuesto que presenta características biofuncionales, por lo que podría ser una alternativa viable para sustituir los métodos de control de microorganismos tradicionales además, puede utilizarse sin problemas para elaborar recubrimientos comestibles (González–Aguilar et al., 2005). Los recubrimientos con quitosano forman una cubierta en la superficie de los frutos, que actúa como una barrera mecánica para proteger al fruto de infecciones causadas por hongos, ayudando así a disminuir las enfermedades causadas durante el almacenamiento por Rizophus stolonifer (Ehrenb:Fr), Botrytis cinerea Pers:Fr, y Alternaria alternata (Fr.:Fr.) Keissl entre otras (Hernández, 2002; El Ghaouth et al., 1992c; Meng et al., 2008; Sanchez, 2008). A la fecha, se han desarrollado diferentes recubrimientos comestibles con quitosano. El Ghaouth et al. (1992b), elaboraron cubiertas con quitosano en una concentración de 15mg ml^–1 e inhibieron el crecimiento de B. cinerea y R. stolonifer en fresa. Los signos de infección de estos hongos aparecieron 5 días después de ser almacenados a 13 °C, mientras que en el control estos síntomas fueron visibles al primer día. Al final del almacenamiento se redujo hasta en un 60% más la infección en fresas tratadas con quitosano. Por su parte Romanazzi et al. (2002), reportaron una actividad fungicida significativa del quitosano cuando se aplicó como recubrimiento en frutos de uva (Vitis vinifera L.) y fresa contra B. cinerea. Jiang et al. (2005), reportaron que las cubiertas de quitosano a una concentración del 2%, lograron inhibir la aparición de microorganismos en frutos de litchi (Litchi chinensis Sonn.) al final de la evaluación (12 h de incubación), sin embargo, al aumentar la concentración de quitosano no aumentaron significativamente los efectos benéficos del quitosano en el control de microorganismos (Zhang y Quantick, 1997). Chien et al. (2007), mostraron que al aplicar quitosano al 2% como recubrimiento para frutos de mango, se observó que al término del almacenamiento no hubo presencia de microorganismo patógeno alguno. Aunque en la investigación realizada por Robson et al., 2008, no se señala el género y la especie de los patógenos controlados, se observó que la aplicación de cubiertas de agar con quitosano y ácido acético en ajos (Allium sativum L.), hubo 20% menos infección que en los no tratados.

Incorporación de aditivos en los recubrimientos. Los recubrimientos se pueden utilizar como vehículo de aditivos, los cuales pueden proporcionar al producto vegetal funciones más especificas como una actividad antimicrobiana, para evitar o reducir el crecimiento de microorganismos en su superficie (Rodríguez et al., 2005). Sin embargo, se ha observado que se requiere de aplicaciones pequeñas para que sus atributos de calidad no se vean afectados (Min y Krochta, 2005). Dentro de los agentes antimicrobianos incorporados a los recubrimientos vegetales pueden considerarse a los aceites esenciales (Assis y Pessoa, 2004; Rodríguez et al., 2005; Rojas, 2006).

Aceites esenciales. Los aceites esenciales se encuentran en abundancia en el reino vegetal y se pueden localizar en diferentes partes de la planta por ejemplo: en hojas como albahaca (Ocimun basilicum L.), mejorana (Origanum majorana L.), menta (Mentha rotundifolia L.), romero (Rosmarinus officinalis L.), salvia (Salvia officinalis L.), en raíces de cálamo (Acorus calamos L.), valeriana (Valeriana officinalis L.), en la corteza de canela (Cinnamomum zeylanicum Nees.), cedro (Cedrela odorata L.), sándalo (Santalum album Linn.), en flores como el jazmín (Jasminum officinale L.) y en la rosa (Rosa sp.). En cáscara de algunas frutas como el limón, mandarina, naranja (Citrus sinensis L.) y en frutos de anís (Pimpinella anisum L.), cardamomo (Elettaria cardamomum L.), eneldo (Anethum graveolens L.) e hinojo (Foeniculum vulgare Miller.) (Ronquillo, 2007). Los aceites esenciales son una mezcla de componentes volátiles, producto del metabolismo secundario de las plantas. Las esencias son mezclas complejas en cuya composición se encuentran los hidrocarburos como terpenos, alcoholes, ésteres, aldehídos y compuestos fenólicos, los cuales son los responsables del aroma que caracteriza a los aceites esenciales (Bakkali et al., 2008). La actividad antifúngica de los aceites esenciales se asocia al contenido de fenoles monoterpenos especialmente el de tomillo (Thymus vulgari L.), orégano (Origanum vulgare L.) y clavo (Eugenia caryophyllata Thunb). Su mecanismo de acción se asocia con la capacidad de interactuar con el citoplasma del patógeno y su modo de acción parece estar estrechamente relacionado con la solubilidad de cada compuesto (Ronquillo, 2007). Se ha reportado toxicidad en humanos por la utilización de los aceites esenciales puros o en altas concentraciones, ocasionando desde irritaciones en la piel hasta cáncer. Sin embargo, la utilización de aceites en concentraciones mínimas no genera alteraciones en el organismo, siendo además productos considerados como GRAS (Bakkali et al., 2008).

Aceites esenciales y su actividad fungicida en hongos postcosecha. Los aceites esenciales han mostrado una actividad fungicida contra patógenos postcosecha en un amplio intervalo de hongos (Daferera et al., 2000). Actualmente, se han reportado varias investigaciones en donde se demuestra la actividad fungicida de los aceites esenciales (Cuadro 3).

Aceites esenciales y su actividad en bacterias que afectan la salud humana. La actividad bactericida de los aceites esenciales ha sido reportada por varios autores (Cuadro 4). Esta actividad podría estar relacionada a la respectiva composición de aceites volátiles de cada planta, a la configuración estructural de los componentes constituyentes de los aceites, a sus grupos funcionales y a posibles interacciones sinérgicas entre sus componentes (Dorman y Deans, 2000). La hidrofobicidad de los aceites esenciales les permite incorporarse a los lípidos de la membrana bacteriana, ocasionando trastornos en su estructura y permeabilidad, dando lugar a la fuga de iones y otros compuestos (Bosquez–Molina et al., 2009).

Aplicación de aceites esenciales en recubrimientos comestibles. En la actualidad, varios autores han utilizado los aceites esenciales como aditivos en las formulaciones de sus recubrimientos. La incorporación de agentes antimicrobiales como es el caso de los aceites esenciales (anís, cardamo y tomillo) en películas, cubiertas o empaques, se ha probado en varios productos alimenticios como carne y productos de panadería, inhibiendo el desarrollo de hongos, bacterias y levaduras (Cagri et al., 2004). Plotto et al. (2003), adicionaron aceite de tomillo (10 g l^–1) al recubrimiento, obteniendo en frutos de tomate una significativa inhibición en el crecimiento de B. cinerea. En otras investigaciones, concentraciones por arriba de 0.06% de aceite de tomillo redujeron el desarrollo de R. stolonifer en frutos de papaya, reportándose que a medida que aumentaban la concentración disminuía la severidad del hongo (Bosquez–Molina et al., 2010).En el caso de bacterias, el uso de aceites esenciales también ha sido benéfico para el control de estos microorganismos. Rojas–Grau et al. (2007a), reportaron que el recubrimiento a base de puré de manzana alginato, glicerol y aceite esencial de orégano en trozos de mango, disminuyó el desarrollo de Listeria innocua, hasta un 50% más que en los no tratados. Raybaudi–Massilia et al. (2008), al incorporar recubrimientos a base de alginato y glicerol, y 0.3% de acido palmítico en melón cortado, inhibieron el crecimiento de Salmonella enterica, además de conservar el producto fresco con buenos parámetros de calidad.

Aplicación de la combinación quitosano y aceites esenciales y su efecto en el control de microorganismos. En estudios realizados por Ponce et al. (2008), se demostró el efecto inhibitorio de cubiertas comestibles con quitosano y romero (Rosmarinus officinalis L.) al 1%, sobre el crecimiento de L. monocytogenes en la superficie de calabazas (Cucurbita moschata Dutch). Asimismo, este recubrimiento logró inhibir 5 mm más el halo de crecimiento de esta bacteria en comparación con el resto de otras cubiertas probadas como fueron las combinaciones de quitosano y olivo (Olea europea L) y quitosano y chile (Capsicum annum L.). Otra combinación que demostró buenos resultados fue la reportada por Pranoto et al. (2005), estos autores realizaron un recubrimiento a base de quitosano y aceite de ajo. Los resultados se mostraron favorables debido a que este recubrimiento controló el crecimiento de los microorganismos Staphylococcus aureus, L. monocytogenes y Bacillus cereus. Vargas et al. (2006), elaboraron un recubrimiento de quitosano y ácido oleico, para cubrir frutos de fresa observándose que la incidencia de microorganismos se redujo hasta en un 80% al término de la evaluación en comparación con los frutos no tratados. En este mismo estudio, la combinación, quitosano y ácido oleico no solo presentó efectos fungicidas y bactericidas, sino que además, fue un método alternativo para extender la vida de anaquel de zanahorias cortadas, reduciendo su respiración, la pérdida de peso y manteniendo el color.

Perspectivas. Hay un creciente interés por producir alimentos de alta calidad con mayor vida útil y envasados o protegidos con materiales compatibles con el entorno ambiental, bajo este contexto, el estudio y desarrollo de películas y coberturas biodegradables, se ha convertido en una alternativa de investigación de grandes alcances ya que en una sola formulación se pueden conseguir diferentes propiedades funcionales no sólo para la conservación per se del alimento (películas o recubrimientos activos), sino incluso para otorgarle un valor agregado nutricional con los biopolímeros incorporados como los de tipo proteico y/ o con capacidad para prevenir enfermedades crónico degenerativas. Los principales retos a considerar en las investigaciones incluyen desarrollar formulaciones ad hoc para cada tipo de alimento, que posean estabilidad bioquímica, fisicoquímica, antimicrobiana, sin efecto adverso en la calidad sensorial del alimento, ser totalmente inocuas para el consumo humano y que puedan poseer la resistencia mecánica suficiente y costos competitivos para sustituir a los materiales sintéticos actuales y también para eliminar la adición de conservadores químicos y/o sintéticos. Estas son las razones primordiales por las que se le ha llamado la tecnología de los envases del futuro.

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