Proceso para Ia modificación del color y pH en Ia producción de un extracto de cacao rico en fibra y altamente soluble y uso de ese extracto. DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

El objeto de Ia presente invención tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva consiste en un proceso para Ia modificación del color y pH en Ia producción de u

Un extracto de cacao altamente soluble en cualquier líquido, y especialmente en lácteos. Para ello es necesaria una alcalinización.

Uno de los principales objetivos de alcalinizar el extracto soluble de cacao, es para incrementar su pH y poder utilizarlo en aplicaciones lácteas.

El pH de Ia leche normal se encuentra entre 6.5 y 6.7 sin embargo, Ia disminución del pH de Ia leche producida por Ia adición de un ácido común, afecta Ia solubilidad de Ia caseína. Durante Ia acidificación,

Ia sub-unidad protectora de Ia proteína, es inactivada, Io que permite que las micelas puedan juntarse originando la coagulación / cuajo de Ia leche.

Químicamente, Ia micela de caseína es desestabilizada, produciéndose su aglomeración debido a Ia disminución de su carga hasta llegar a Ia del punto isoeléctrico. Al mismo tiempo, Ia acidez del medio aumenta Ia solubilidad de los minerales, por Io que el calcio y el fósforo orgánicos contenidos en Ia micela gradualmente se van volviendo solubles en Ia fase acuosa. Finalmente, las micelas se desintegran y Ia caseína precipita, resultando en Ia formación de coágulos.

Debido a todo Io anterior, se alcaliniza el extracto del cacao para evitar que durante el almacenado de los batidos lácteos que contengan este producto precipite Ia proteína de Ia leche.

Por otro lado, los efectos beneficiosos de Ia fibra dietética son varios, influyendo principalmente en Ia digestión y metabolismo de ciertas sustancias. En años recientes, también ha surgido evidencia científica de que un consumo adecuado de fibra puede tener efectos preventivos contra enfermedades crónicas, tales como distintos tipos de

cáncer, la diabetes, el estreñimiento, las enfermedades cardiovasculares y Ia obesidad.

El consumo regular de fibra reduce el contenido de colesterol en Ia sangre, Io que significa menor riesgo de trastornos cardiovasculares. Los beneficios de Ia fibra soluble son más amplios. Equilibra el nivel de colesterol, combate las subidas de glucosa en sangre y también ayuda a regular el tránsito intestinal.

La FDA aconseja un ingesta de fibra dietética entre 30 y 40 g/día distribuida en un 30% de fibra insoluble y 70% de soluble para personas adultas.

La divulgación de los efectos positivos de Ia fibra ha propiciado el desarrollo industrial de numerosos alimentos y suplementos dietéticos enriquecidos en fibra.

Esta patente describe el proceso de obtención de un extracto soluble de cacao rico en fibra dietética a partir de cascarilla de cacao, o cascarilla de cacao y barquillo de cacao, en cuyo proceso, Ia materia prima es sometida a un tratamiento térmico para oscurecer el color y cambiar sus propiedades organolépticas. , así como las condiciones de alcalinización del extracto soluble de cacao para aumentar su pH. El extracto obtenido es ideal para su uso como ingrediente en productos alimentarios y farmacéuticos.

ESTADO DE LA TéCNICA

La solicitud PCT/ES2005/000377 describe un proceso en el cual se obtiene un extracto soluble de cacao a partir de cascarilla y/o barquillo de cacao no tostado. En dicha patente, el proceso no contempla ni el tostado, ni Ia alcalinización en el proceso de fabricación. Por ejemplo, en el extracto soluble de cacao obtenido por el método de la patente, el color final del producto según CIE* Lab da un perfil de color de L: 44,71; a: 6,54 y b: 12,33. Además, el producto final tiene un pH entre 4,5 y 5,0. Durante el proceso del tostado se produce una reacción característica denominada reacción de Maillard, que se da a partir de los 100 ⁰ C, entre los grupos carbonilos (-C = O) de algunos azúcares y los grupos aminos libres (- NH ₂ ), que puedan existir en las proteínas o

aminoácidos libres de Ia cascarilla. Esta reacción va a conducir al pardeamiento y caramelización de Ia capa superficial, con el aporte de unas cualidades sensoriales muy particulares y apreciadas. La reacción de Maillard afecta positivamente al valor sensorial del alimento debido a los cambios de color y sabor.

La industria del cacao utiliza habitualmente álcalis con Ia finalidad de producir productos más oscuros y destinados a aplicaciones específicas. Así por ejemplo, Ia legislación norteamericana permite Ia adición de compuestos con el fin de alcalinizar los derivados del cacao entre los que se encuentran los bicarbonatos de amonio, potasio o sodio; carbonatos de amonio, potasio o sodio; y los hidróxidos de amonio, potasio o sodio.

La alcalinización de los derivados de cacao, sobre todo del cacao en polvo, tiene dos finalidades principales. Por un lado, incrementa el pH del producto, que en condiciones normales se encuentra alrededor de 5, hasta valores cercanos a 9, esto permite poder utilizar el cacao en polvo en aplicaciones tales como bebidas lácteas. Por otro lado, el incremento de pH origina un cambio de color significativo. Así, los polvos de cacao más alcalinizados permiten su uso en aplicaciones donde se busca tener un color más oscuro, el cual se relaciona con una apariencia a chocolate, un efecto buscado por muchos fabricantes de chocolate y confitería.

El producto desarrollado en esta invención utiliza como principales materias primas cascarilla y barquillo de cacao.

La cascarilla contiene más de un 40% de fibra dietética, aproximadamente (20% de celulosa, 12% de hemicelulosa y 12% de ácidos galacturónicos). La cascarilla también contiene proteína (15%), lignina (13%, método de Klason), minerales (13%), lípidos (2%), carbohidratos (2% como almidones y azúcares), teobromina (1%), y otros compuestos tales como polifenoles, taninos y cafeína. La cascarilla de cacao es un producto que se viene usando recientemente en varias aplicaciones alimentarías y farmacéuticas.

En algunos procesos destinados sólo a Ia producción de manteca de cacao, se utilizan sistemas de prensado (hidráulicos o de expeller)

para separar Ia manteca del grano entero. En el proceso se obtiene manteca de cacao y además un subproducto que es una mezcla de cascarilla y de granula parcialmente desgrasados, este subproducto se conoce comúnmente con el nombre de barquillo. El barquillo contiene aproximadamente un 45% de fibra dietética

(6% soluble y 39% insoluble). Además, contiene proteínas (24%), grasas (12%), y otros compuestos minoritarios como polifenoles, teobromina y cafeína.

Se han protegido algunas aplicaciones de Ia cascarilla y del barquillo para fabricar productos para uso alimentario y farmacéutico, los cuales sin embargo no influyen en Ia invención descrita en esta patente.

La patente ES 2099676B1 protege un ingrediente para el consumo humano destinado a Ia alimentación y farmacia, principalmente en el área dietética. Este ingrediente está basado en el tostado de Ia cascarilla, y además describe su composición nutricional. Sin embargo, este documento no describe que Ia cascarilla sea previamente tratada y las condiciones de proceso para obtener el ingrediente.

La patente US 0052910 explica el método de obtención de una fibra soluble de cacao a partir de cascarilla, utilizando una extracción acuosa. En este proceso, los inventores utilizan agua caliente durante Ia extracción a una temperatura entre 100 ⁰ C a 130 ⁰ C. En el proceso no se utilizan catalizadores de ningún tipo. A continuación, Ia fibra soluble es purificada utilizando tratamientos de carbón activado, tratamientos con resina, concentración con UF, precipitación con solventes, y finalmente separación de minerales a través de diálisis o con una resina de intercambio de hierro. Este producto está destinado para su aplicación con proteínas en alimentación, tales como bebidas lácteas, estabilizantes para bebidas de cacao, agentes para coberturas con un amplio rango de aplicaciones, reductor del envejecimiento del almidón en alimentos, y extensor de la vida útil de alimentos y bebidas.

La patente US 4948600 cubre un proceso para elaborar un producto rico en fibra dietética a partir de polvo de cacao convencional. En esta invención el producto se obtiene retirando el almidón del polvo de

cacao. El almidón es degradado enzimáticamente, y después, es extraído con lavados continuos a través de una operación de separación. Finalmente, el cacao bajo en almidón es secado. Con este proceso, se obtiene un producto con un contenido de fibra dietética entre el 35% al 75%. En este producto Ia concentración de fibra ¡nsoluble es mayor que el contenido de fibra soluble. El producto final es apropiado para producir por ejemplo: chocolate enriquecido con fibra dietética, bebidas de chocolate enriquecidas con fibra dietética, salsas de chocolate enriquecidas con fibra dietética, y dulces enriquecidos con fibra dietética. La patente US 4156030 cubre un proceso para obtener un extracto a partir de cascarilla utilizando etanol acidificado. En este proceso, Ia cascarilla es molida y Ia extracción se lleva a cabo a temperatura de reflujo, en Ia cual Ia solución contiene entre el 80% al 90% de etanol y el 10 al 15% de ácido (clorhídrico, fosfórico, cítrico o tartárico). Después de Ia extracción el etanol es evaporado y el concentrado es secado.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La invención describe los procesos para variar el color y el pH de un extracto de cacao altamente soluble.

Las materias primas que se pueden utilizar en el proceso de obtención de un extracto de cacao altamente soluble pueden ser Ia cascarilla o una mezcla de cascarilla y barquillo de cacao.

El novedoso proceso comprende ocho fases o etapas en total, algunas de las cuales son opcionales, relacionándose a continuación Ia totalidad de etapas posibles: - Molienda de Ia cascarilla (opcional).

- Adición de barquillo a Ia cascarilla (opcional).

- Esterilización o Tostado (fases excluyentes).

-Tratamiento enzimático con el fin de favorecer Ia extracción de los componentes solubles. - Alcalinización (opcional).

- Separación de Ia fase sólida y prosecución del proceso con Ia fase líquida.

- Concentración de Ia fase líquida.

- Secado del concentrado de Ia fase líquida.

MOLIENDA DE LA CASCARILLA:

Esta etapa es opcional dado que el resto de proceso puede desarrollarse con el tamaño de partícula convencional de Ia cascarilla y tiene como objeto el conseguir un oscurecimiento adicional del producto final, el extracto de cacao rico en fibra y altamente soluble.

Se ha demostrado que el tamaño de partícula de Ia materia prima está directamente correlacionado con Ia luminosidad del producto final (medida por CIE*Lab). Así, cuanto más pequeña sea Ia partícula menor será Ia luminosidad, y por Io tanto el color del extracto soluble será más oscuro.

Este efecto de oscurecimiento del producto final es deseable debido a que así el extracto soluble de cacao mejora sus propiedades sensoriales acercándose más al perfil de un cacao convencional.

Las partículas de Ia materia prima poseen en origen una variación muy grande en sus tamaños. Así por ejemplo, el 91% de Ia cascarilla se encuentra con un tamaño entre 15 y 6 mm. Durante Ia etapa de molienda, Ia cascarilla es sometida a Ia acción de un molino adecuado hasta alcanzar un tamaño de partícula menor a 1 mm. y preferiblemente menor a 0.2 mm.

ADICIóN DE BARQUILLO A LA CASCARILLA:

Esta etapa también es opcional dado que todo el proceso puede desarrollarse sin presencia de barquillo de cacao. Esta mezcla se realiza en el mismo extractor donde se realizará el tratamiento enzimático. La proporción de esta mezcla es en partes de cascarilla por partes de barquillo de aproximadamente (7:3) a (9: 1), y preferiblemente de (8:2), 80% de cascarilla por 20% de barquillo.

ESTERILIZACIóN O TOSTADO:

Estas etapas son excluyentes por Io que o se efectúa una o Ia otra pero nunca las dos.

En cualquier caso, siempre es necesario rebajar Ia carga microbiana de Ia materia prima a tratar siendo el tratamiento adecuado a este fin Ia esterilización. Por otro lado, con el tostado persigue en si un oscurecimiento de Ia de Ia materia, sin embargo, el tratamiento térmico que implica el tostado tiene también como efecto el rebajar Ia carga microbiana, por Io que en los casos donde se ejecute un tostado, no es necesario un proceso independiente de esterilizado.

-Esterilización

La etapa de esterilización se puede realizar en un reactor dotado de una cámara de intercambio de calor y de un sistema de agitación. Concretamente a través de calor húmedo, mediante vapor a una temperatura de entre 100 ⁰ C y 125 ⁰ C, durante un tiempo comprendido entre 15 minutos y una hora, preferiblemente a una temperatura de 121 ⁰ C durante 30 minutos. -Tostado

Esta etapa, como se ha mencionado anteriormente implica dos efecto uno sobre el color y otro sobre Ia carga microbiana.

El tostado de Ia materia prima se realiza con el fin de generar preferiblemente compuestos derivados de Ia reacción de Maillard. Estas reacciones afectan positivamente el perfil sensorial del producto final debido a que mejoran el aroma y el sabor, así como mejora el color haciéndolo más oscuro. La tostación se realiza preferiblemente por vía seca, a temperaturas de entre 120° y 180° C, y durante un periodo de tiempo mayor a 30 minutos, pero preferiblemente menor a 4 horas. Por ejemplo, 160 ⁰ C durante 1 hora.

Las condiciones del tratamiento térmico descrito implican a Ia vez un descenso de Ia carga microbiana equivalente a una esterilización convencional.

TRATAMIENTO ENZIMáTICO:

Durante esta etapa, Ia materia prima estéril por tostado o por esterilización directa se diluye con agua en una proporción (1:7) en un extractor y se lleva a una temperatura de entre 75 ⁰ C y 5O ⁰ C,

preferiblemente 55 ⁰ C. Cuando se alcanza Ia temperatura idónea, se añade Ia enzima para Ia hidrólisis, preferiblemente una beta-glucanasa, y se agita Ia mezcla durante un tiempo de entre 1 a 3 horas, preferiblemente 1,5 horas. Trascurrido ese tiempo se considera concluida Ia etapa.

ALCALINIZACIóN:

Esta etapa es opcional y está relacionada con Ia alcalinización de los compuestos ácidos presentes en Ia materia prima. Los mayores responsables de Ia acidez del producto final son los ácidos galacturónicos.

El pH del producto obtenido en el proceso descrito en Ia solicitud de patente PCT/ES2005/000377 oscila entre 4,5 y 5,0. Este es un producto ideal para muchas aplicaciones; sin embargo, en algunas tales como las bebidas lácteas es preferible incrementar el pH y situarlo cercano a Ia neutralidad, ya que facilita Ia estabilidad de Ia caseína.

El pH final del producto ha de estar comprendido entre un valor mayor a 5 y menor a 9; preferiblemente entre 6,5 y 7.

Para Ia alcalinización de este producto se han de utilizar reactivos alcalinos aprobados para su uso en cacao por Ia legislación correspondiente, en virtud de que el producto final ha de ser apto para el consumo humano. Así por ejemplo, se pueden utilizar bicarbonato de amonio, bicarbonato de potasio, bicarbonato de sodio, carbonato de amonio, carbonato de potasio, carbonato de sodio, hidróxido de amonio, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, carbonato de magnesio, u óxido de magnesio.

El álcali se añade una vez finalizada Ia etapa de tratamiento enzimático. Este álcali se puede añadir directamente al deposito de extracción, o se puede diluir previamente con Ia finalidad de facilitar su disolución, efectuándose preferiblemente su dilución en agua.

La cantidad de álcali añadido, Ia concentración, así como el tiempo de reacción deben ser tomados en cuenta durante el proceso con el fin de obtener el pH deseado en el producto final.

SEPARACIóN:

En esta etapa, se efectúa una separación de sólidos utilizando una centrifugadora. Se consigue así una fase sólida que es retirada y una fase líquida, con Ia que se prosigue el proceso.

CONCENTRACIóN:

Después de Ia etapa de separación de sólidos, Ia fase líquida obtenida contiene aproximadamente un 2% de sólidos totales. Sin embargo es necesario realizar una concentración hasta obtener al menos un 20% de sólidos totales en el concentrado, siendo este un valor óptimo para proceder a Ia fase de secado.

La concentración se lleva a término preferiblemente en un concentrador de triple efecto, a una temperatura de aproximadamente 60 ⁰ C a 75 ⁰ C preferiblemente 7O ⁰ C.

SECADO:

En esta etapa, el líquido concentrado conteniendo como mínimo un 20% de extracto sólido, es secado en un secadero tipo spray drier hasta alcanzar una humedad en el extracto de cacao de entre 2 a 7%.

Tras esta etapa el producto final terminado es extracto de cacao rico en fibra y altamente soluble de color sensiblemente más oscuro al de un extracto convencional (siendo más oscuro en virtud de cuantas más etapas opcionales se hayan efectuado) y con un pH menos ácido (si Ia fase opcional de alcalinización se ha ejecutado)

EJEMPLOS

Ejemplo 1. Cambio de Ia luminosidad en función del tamaño de partícula de Ia materia prima. En dicho ejemplo, se ha realizado tres ensayos para obtener el extracto de cacao rico en fibra y altamente soluble variando en cada uno de ellos el tamaño de partícula de Ia materia prima, es decir de Ia cascarilla de cacao. Se comienza con un tostado de Ia cascarilla a 120 ⁰ C

durante una hora y posteriormente se ha molido y tamizado dicha cascarilla hasta obtener un tamaño de partícula (99% < lmm).

La materia prima tostada y tamizada se mezcló con agua a una concentración de 1:7 materia prima: agua. A continuación, se calentó dicha mezcla en el extractor hasta 55° C, se añadió un 0.05% de una enzima comercial Ultraflo L (Novozyme). La mezcla fue agitada continuamente durante 1.5 horas. Pasado el tiempo de tratamiento enzimático, Ia mezcla fue centrifugada y clarificada hasta obtener una fase líquida que después fue concentrada a 60° C en un concentrador de triple efecto, y fue almacenada en un deposito auxiliar y secada en un secadero de spray drier. La luminosidad del producto final fue determinada según el método de CIE* Lab. La tabla 1 muestra los resultados obtenidos.

Tabla 1: Color del producto final según el tamaño de partícula de Ia materia prima tostada a 12O ⁰ C - 1 hora.

Ejemplo 2. Modificación de Ia Luminosidad del extracto de cacao altamente soluble dependiendo de Ia temperatura de tostado de Ia materia prima. En este ejemplo, se realizó un tostado de Ia materia prima; cascarilla de cacao a distintas temperaturas y diferentes tiempos con el fin de obtener una reducción de Ia luminosidad del producto final.

La cascarilla de cacao fue tostada a 120, 150 y 180° C durante una y tres horas y se mezclo con barquillo en una proporción (8:2).

La materia prima tostada se mezcló con agua a una concentración de 1:7 materia prima: agua. A continuación, se calentó dicha mezcla en el extractor hasta 55° C, se añadió un 0.05% de una enzima comercial Ultraflo L (Novozyme). La mezcla fue agitada continuamente durante 1.5 horas. Pasado el tiempo del tratamiento enzimático, Ia mezcla fue centrifugada y clarificada hasta obtener una fase liquida que después fue concentrada a 60° C en un concentrador de triple efecto, y fue almacenada en un deposito auxiliar y secada en un secadero de spray drier. La luminosidad del producto final fue determinada según el método de CIE* Lab. La tabla 2 muestra los resultados obtenidos.

Tabla 2: Color del producto final según Ia temperatura del tostado de Ia materia prima

Ejemplo 3. Alcalinización con carbonato sódicoCNa^CO^) .

En este ejemplo, se realizaron tres procesos con el fin de obtener un extracto de cacao rico en fibra y altamente soluble alcalinizado.

Como materia prima para los tres procesos, se utilizó cascarilla y barquillo (80% y 20%), los que se esterilizaron con vapor directo en el reactor con el fin de reducir Ia carga microbiana. Después el tratamiento térmico, se mezclo en el extractor Ia materia prima con agua a una relación 1:7. A continuación, se calentó Ia mezcla en el extractor hasta 55° C y se añadió un 0.05% Ia enzima comercial Ultraflo L (Novozyme). La mezcla fue agitada durante 1.5 horas.

Una vez concluido el tratamiento enzimático, se añadió álcali

(carbonato sódico, Na2CO3 a 75g/L) en el extractor con Ia finalidad de ajustar el pH.

Después de Ia neutralización, las tres mezclas fueron centrifugadas y clarificadas para obtener una fase liquida que se concentró a 60° C en un concentrador de triple efecto, y secadas en un secadero de spray drier. La medición del pH en el producto final se realizó según el método (AOAC 1990).

La tabla 3 muestra los resultados obtenidos.

Tabla 3: Cantidad de Na ₂ CO ₃ consumida y pH en producto final.

Ejemplo 4. Alcalinización con carbonato de potasio (K ₂ CO ₃ ).

En este ejemplo, se realizaron tres procesos con el fin de optimizar el uso de carbonato de potasio como reactivo, y finalmente se ensayó un cuarto proceso para comprobar Ia efectividad del modelo.

Como materia prima para los tres procesos, se utilizó cascarilla y barquillo (80% y 20%), los que se esterilizaron con vapor directo en el reactor con el fin de reducir Ia carga microbiana. Después el tratamiento térmico, se mezclo en el extractor Ia materia prima con agua a una relación 1 :7. A continuación, se calentó Ia mezcla en el extractor hasta 55° C y se añadió un 0.05% Ia enzima comercial Ultraflo L (Novozyme). La mezcla fue agitada durante 1.5 horas.

Una vez concluido el tratamiento enzimático, se añadió el álcali (carbonato potasio, K ₂ CO ₃ a 50%) en el extractor con Ia finalidad de ajustar el pH. El pH fue determinado con el método AOAC (1990).

Después de Ia alcalinización, las tres mezclas fueron centrifugadas y clarificadas para obtener una fase liquida que se concentró a 60° C en un concentrador de triple efecto, y secadas en un secadero de spray drier.

Con los datos obtenidos se construyó una recta que relaciona Ia cantidad de álcali añadida en el extractor, y el pH del producto final. La gráfica y Ia ecuación se presentan a continuación en Ia figura 4. Además se presenta Ia tabla 4 que describe los valores de pH y las cantidades de álcali consumidas.

Tabla 4: Cantidad de K2CO3 consumida y pH del producto final.

A pH del cuarto ensayo

— Unea de tendencia

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Carbonato de potasio (mL)

Figura 4. Alcalinización con carbonato de potasio (K ₂ CO ₃ )

Con Ia finalidad de comprobar el modelo de optimización, se realizó un experimento adicional con el objetivo de alcanzar un valor teórico final de pH 6,50, alcanzándose un valor en el producto real de 6,60. Por Io tanto, el modelo pudo predecir el pH en el producto final con una diferencia de 1,5%.