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Publication
Development and characterization of a novel probiotic germinated quinoa ice cream : nutritional, functional and biological validation
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Authors
Abstract(s)
In the field of food research, new ingredients, compounds, and properties in raw materials are constantly being identified, opening knowledge gaps and generating opportunities for the development of innovative products. At the same time, global dietary habits have evolved, driving a growing demand for healthier, more sustainable alternatives aligned with ethical, environmental, and functional principles. Among the main trends are the preference for plant-based foods, the valorization of traditional crops, and the increasing interest in functional foods—those that offer benefits beyond basic nutritional value. The formulation of plant-based foods can be adapted for consumers with lactose intolerance, individuals following vegan diets, or the general public seeking more sustainable and responsible options, which significantly broadens the scope of functional foods. This research aimed to develop a functional ice cream using optimized germinated quinoa flour, incorporating the emerging probiotic Akkermansia muciniphila. Quinoa was selected for its balanced nutritional profile, the presence of bioactive compounds, and its technological adaptability, following a comparative evaluation with other Andean grains (kiwicha and cañihua). Two Peruvian varieties of different colors were used: Rosa de Huancayo (RH, white grain) and Pasankalla (PK, dark grain). Before germination, disinfection treatments were evaluated on the grain, including combinations of chemical agents, heat, and ultrasound. The combination of hot water (50 °C), hydrogen peroxide (2%), and acetic acid (0.1%) proved to be the most effective, significantly reducing microbial load (in aerobic mesophilic bacteria: 1.29–4.08 Log CFU/g) without affecting germination capacity. Enterobacteria showed greater resistance, especially in PK, but the combined treatment achieved the intended objective. Germination was optimized using a factorial design (24, 48, 72 h × 15, 20, 25 °C), evaluating its effect on nutritional content, bioactive compounds, antinutrients, and techno-functional properties. Improvements were identified in calcium (from 97.1 to 140.1 mg/100 g DW in PK; from 87.5 to 135.2 mg/100 g DW in RH), vitamin C (up to 70.22 µg/g DW in PK; 59.23 µg/g DW in RH), and protein content (from 17.09 % to 18.04 % in PK), as well as a reduction of tannins by up to 63% in RH. Optimal conditions for maximizing polyphenols, vitamin C, and protein content, and reducing tannins, were 25 °C for 24 h in PK, and 22.7 °C for 47.3 h in RH, although in the latter only the first two compounds were optimized. With the optimized germinated quinoa flour, a plant-based ice cream formulation was developed using a D-optimal mixture design. The final formulations—RH (8.86% flour, 14.8% fat, 21.3% sugar) and PK (6.00% flour, 13.0% fat, 23.0% sugar)—achieved physical properties comparable to conventional ice cream in terms of viscosity, hardness, and freezing point. The overrun was lower, representing an area for improvement. Nonetheless, the bioactive compounds derived from germinated quinoa were preserved after processing, highlighting antioxidant activity (110.7 ± 8.39 g Trolox equivalents/g DW) in the quinoa RH ice cream. The product’s functionality was evaluated through in vitro simulated gastrointestinal digestion. The ice cream made with RH flour showed sustained release of phenolic compounds, with high antioxidant activity during the gastric phase (up to 1672.57 µg TE/g DW). Regarding A. muciniphila, high viability was maintained during frozen storage (~10⁸ CFU/g), although a progressive decrease was observed during simulated digestion, reaching 10⁵ CFU/g on day 1 and 10³ CFU/g on day 60. Additionally, the impact of the quinoa-based ice cream formulations on gut microbial activity was evaluated by measuring the production of short-chain fatty acids (SCFAs), ammoniacal nitrogen and lactate during in vitro fecal fermentation. Fecal fermentation revealed that quinoa-based ice cream (QIC), with or without A. muciniphila (Akk), stimulated SCFA production, with butyrate (46.95 mM) predominating in QIC and acetate (33.78 mM) in QIC-Akk, while maintaining safe levels of ammoniacal nitrogen. Lactate dynamics indicated balanced microbial fermentation processes. This study presents an innovative strategy for the development of functional ice cream based on germinated quinoa and emerging probiotics. Despite limitations such as reduced probiotic viability during digestion, the results demonstrate the technological feasibility and nutritional potential of Andean grains in plant-based formulations. These findings contribute to the dialogue on sustainable food innovation and the valorization of traditional crops in the design of functional foods.
No âmbito da investigação em alimentos, identificam-se constantemente novos ingredientes, compostos e propriedades em matérias-primas que abrem lacunas de conhecimento e geram oportunidades para o desenvolvimento de produtos inovadores. Paralelamente, os hábitos alimentares à escala global têm evoluído, impulsionando uma procura crescente por alternativas mais saudáveis, sustentáveis e alinhadas com princípios éticos, ambientais e funcionais. Entre as principais tendências destacam-se a preferência por alimentos de origem vegetal, a valorização de culturas tradicionais e o crescente interesse por alimentos funcionais, ou seja, aqueles que oferecem benefícios para além do valor nutricional básico. A formulação dos produtos de base vegetal pode ser adaptada a consumidores com intolerância à lactose, pessoas que seguem dietas veganas ou ao público em geral que procura opções mais sustentáveis e responsáveis, o que amplia significativamente o alcance dos alimentos funcionais. Esta investigação teve como objetivo desenvolver um gelado funcional com base em farinha de quinoa germinada em condições óptimas, incorporando o probiótico emergente Akkermansia muciniphila. A quinoa foi selecionada pelo seu perfil nutricional equilibrado, pela presença de compostos bioativos e pela sua adaptabilidade tecnológica, após uma avaliação comparativa com outros grãos andinos (kiwicha e cañihua). Foram utilizadas duas variedades peruanas de cores distintas: Rosa de Huancayo (RH, grão branco) e Pasankalla (PK, grão escuro). Antes da germinação, foram avaliados tratamentos de desinfeção no grão, incluindo combinações de agentes químicos, calor e ultrassons. A combinação de água quente (50 °C), peróxido de hidrogénio (2%) e ácido acético (0.1%) revelou-se a mais eficaz, reduzindo significativamente a carga microbiana (em bactérias mesófilas aeróbias: 1,29–4,08 Log UFC/g), sem afetar a capacidade germinativa. As enterobactérias mostraram maior resistência, especialmente na variedade PK, mas o tratamento combinado atingiu o objetivo proposto. A germinação foi optimizada através de um desenho fatorial (24, 48, 72 h × 15, 20, 25 °C), avaliando os efeitos sobre o conteúdo nutricional, compostos bioativos, antinutrientes e propriedades tecno-funcionais. Verificaram-se melhorias no conteúdo de cálcio (de 97,1 a 140,1 mg/100 g de peso seco em PK; de 87,5 a 135,2 mg/100 g de peso seco em RH), vitamina C (até 70,22 µg/g de peso seco em PK; 59,23 µg/g de peso seco em RH) e proteínas (de 17,09 % para 18,04 % em PK), assim como uma redução de taninos até 63 % em RH. As condições ideais para maximizar os polifenóis, vitamina C e proteínas, e reduzir os taninos, foram 25 °C durante 24 h em PK e 22,7 °C durante 47,3 h em RH, embora nesta última apenas os dois primeiros compostos tenham sido otimizados. Com a farinha germinada em condições óptimas, foi desenvolvida uma formulação de gelado vegetal utilizando um desenho de misturas do tipo D-ótimo. As formulações finais — RH (8,86 % farinha, 14,8 % gordura, 21,3 % açúcar) e PK (6,00 % farinha, 13,0 % gordura, 23,0 % açúcar) — alcançaram propriedades físicas comparáveis às de um gelado convencional em termos de viscosidade, firmeza e ponto de congelação. O overrun foi inferior, representando um aspeto a melhorar. No entanto, os compostos bioativos derivados da quinoa germinada foram preservados após o processamento, com destaque para a atividade antioxidante (110,7 ± 8,39 g equivalentes de Trolox/g de peso seco) no gelado de quinoa RH. A funcionalidade do produto foi avaliada através de digestão gastrointestinal simulada in vitro. O gelado elaborado com farinha da variedade RH apresentou uma libertação sustentada de compostos fenólicos, com elevada atividade antioxidante na fase gástrica (até 1672,57 µg ET/g de peso seco). Relativamente à A. muciniphila, foi mantida uma elevada viabilidade durante o armazenamento congelado (~10⁸ UFC/g), embora se tenha observado uma diminuição progressiva durante a digestão simulada, atingindo 10⁵ UFC/g no dia 1 e 10³ UFC/g no dia 60. Adicionalmente, o impacto das formulações de gelado à base de quinoa na atividade microbiana intestinal foi avaliado através da medição da produção de ácidos gordos de cadeia curta (AGCC), azoto amoniacal e lactato durante a fermentação fecal in vitro. A fermentação fecal revelou que o gelado de quinoa (QIC), com ou sem A. muciniphila (Akk), estimulou a produção de AGCC, com predomínio de butirato (46,95 mM) no QIC e de acetato (33,78 mM) no QIC-Akk, mantendo níveis seguros de azoto amoniacal. A dinâmica do lactato indicou processos de fermentação microbiana equilibrados. Este estudo apresenta uma estratégia inovadora para o desenvolvimento de sobremesas funcionais congeladas com base em quinoa germinada e probióticos emergentes. Apesar de limitações como a redução da viabilidade probiótica durante a digestão, os resultados demonstram a viabilidade tecnológica e o potencial nutricional dos grãos andinos em formulações vegetais. Estes resultados contribuem para o diálogo sobre inovação alimentar sustentável e a valorização de culturas tradicionais no desenho de alimentos funcionais.
No âmbito da investigação em alimentos, identificam-se constantemente novos ingredientes, compostos e propriedades em matérias-primas que abrem lacunas de conhecimento e geram oportunidades para o desenvolvimento de produtos inovadores. Paralelamente, os hábitos alimentares à escala global têm evoluído, impulsionando uma procura crescente por alternativas mais saudáveis, sustentáveis e alinhadas com princípios éticos, ambientais e funcionais. Entre as principais tendências destacam-se a preferência por alimentos de origem vegetal, a valorização de culturas tradicionais e o crescente interesse por alimentos funcionais, ou seja, aqueles que oferecem benefícios para além do valor nutricional básico. A formulação dos produtos de base vegetal pode ser adaptada a consumidores com intolerância à lactose, pessoas que seguem dietas veganas ou ao público em geral que procura opções mais sustentáveis e responsáveis, o que amplia significativamente o alcance dos alimentos funcionais. Esta investigação teve como objetivo desenvolver um gelado funcional com base em farinha de quinoa germinada em condições óptimas, incorporando o probiótico emergente Akkermansia muciniphila. A quinoa foi selecionada pelo seu perfil nutricional equilibrado, pela presença de compostos bioativos e pela sua adaptabilidade tecnológica, após uma avaliação comparativa com outros grãos andinos (kiwicha e cañihua). Foram utilizadas duas variedades peruanas de cores distintas: Rosa de Huancayo (RH, grão branco) e Pasankalla (PK, grão escuro). Antes da germinação, foram avaliados tratamentos de desinfeção no grão, incluindo combinações de agentes químicos, calor e ultrassons. A combinação de água quente (50 °C), peróxido de hidrogénio (2%) e ácido acético (0.1%) revelou-se a mais eficaz, reduzindo significativamente a carga microbiana (em bactérias mesófilas aeróbias: 1,29–4,08 Log UFC/g), sem afetar a capacidade germinativa. As enterobactérias mostraram maior resistência, especialmente na variedade PK, mas o tratamento combinado atingiu o objetivo proposto. A germinação foi optimizada através de um desenho fatorial (24, 48, 72 h × 15, 20, 25 °C), avaliando os efeitos sobre o conteúdo nutricional, compostos bioativos, antinutrientes e propriedades tecno-funcionais. Verificaram-se melhorias no conteúdo de cálcio (de 97,1 a 140,1 mg/100 g de peso seco em PK; de 87,5 a 135,2 mg/100 g de peso seco em RH), vitamina C (até 70,22 µg/g de peso seco em PK; 59,23 µg/g de peso seco em RH) e proteínas (de 17,09 % para 18,04 % em PK), assim como uma redução de taninos até 63 % em RH. As condições ideais para maximizar os polifenóis, vitamina C e proteínas, e reduzir os taninos, foram 25 °C durante 24 h em PK e 22,7 °C durante 47,3 h em RH, embora nesta última apenas os dois primeiros compostos tenham sido otimizados. Com a farinha germinada em condições óptimas, foi desenvolvida uma formulação de gelado vegetal utilizando um desenho de misturas do tipo D-ótimo. As formulações finais — RH (8,86 % farinha, 14,8 % gordura, 21,3 % açúcar) e PK (6,00 % farinha, 13,0 % gordura, 23,0 % açúcar) — alcançaram propriedades físicas comparáveis às de um gelado convencional em termos de viscosidade, firmeza e ponto de congelação. O overrun foi inferior, representando um aspeto a melhorar. No entanto, os compostos bioativos derivados da quinoa germinada foram preservados após o processamento, com destaque para a atividade antioxidante (110,7 ± 8,39 g equivalentes de Trolox/g de peso seco) no gelado de quinoa RH. A funcionalidade do produto foi avaliada através de digestão gastrointestinal simulada in vitro. O gelado elaborado com farinha da variedade RH apresentou uma libertação sustentada de compostos fenólicos, com elevada atividade antioxidante na fase gástrica (até 1672,57 µg ET/g de peso seco). Relativamente à A. muciniphila, foi mantida uma elevada viabilidade durante o armazenamento congelado (~10⁸ UFC/g), embora se tenha observado uma diminuição progressiva durante a digestão simulada, atingindo 10⁵ UFC/g no dia 1 e 10³ UFC/g no dia 60. Adicionalmente, o impacto das formulações de gelado à base de quinoa na atividade microbiana intestinal foi avaliado através da medição da produção de ácidos gordos de cadeia curta (AGCC), azoto amoniacal e lactato durante a fermentação fecal in vitro. A fermentação fecal revelou que o gelado de quinoa (QIC), com ou sem A. muciniphila (Akk), estimulou a produção de AGCC, com predomínio de butirato (46,95 mM) no QIC e de acetato (33,78 mM) no QIC-Akk, mantendo níveis seguros de azoto amoniacal. A dinâmica do lactato indicou processos de fermentação microbiana equilibrados. Este estudo apresenta uma estratégia inovadora para o desenvolvimento de sobremesas funcionais congeladas com base em quinoa germinada e probióticos emergentes. Apesar de limitações como a redução da viabilidade probiótica durante a digestão, os resultados demonstram a viabilidade tecnológica e o potencial nutricional dos grãos andinos em formulações vegetais. Estes resultados contribuem para o diálogo sobre inovação alimentar sustentável e a valorização de culturas tradicionais no desenho de alimentos funcionais.
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Akkermansia muciniphila Alimentos funcionais Functional foods Gelado vegetal Germinated quinoa Quinoa germinada Vegetable ice cream
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