Estimación
experimental y teórica de la temperatura inicial de congelación del loche (Cucurbita
moschata duch.), la mashua (Tropaeolum tuberosum r&p.) y el
yacón (Smallanthus sonchifolius p&e.) con diferentes contenidos de
agua
Experimental and
theoretical estimate of temperature initial freeze of loche (Cucurbita
moschata duch.), mashua (Tropaeolum tuberosum r&p.) and yacon (Smallanthus
sonchifolius p&e.) with different water contents
Lucerito Ortiz1
1 Universidad
Nacional Pedro Ruíz Gallo, Av Juan XXIII 391 Lambayeque 14013, Lambayeque, Perú.
Mg., 
lucero.ortizg@gmail.com, 
https://orcid.org/0000-0002-2006-1607,
Tel. + 51 943181465
http://dx.doi.org/10.25127/riagrop.20223.847
Resumen
El presente trabajo de investigación
tuvo como objetivo determinar por métodos experimentales y teóricos la
temperatura inicial de congelación (T1) del loche, la mashua y el yacón con
diferentes contenidos de agua. Se trabajó con un colector de datos, un túnel de
congelación, termocuplas y un ordenador personal. Las materias primas fueron
acondicionadas, escaldadas y congeladas, registrándose la temperatura por cada
segundo. La temperatura inicial de congelación se determinó utilizando el
perfil de tiempo y temperatura para cada muestra, finalmente los resultados
experimentales fueron comparados con cuatro modelos matemáticos y se eligieron
los que tuvieron mayor ajuste con los resultados. El mayor contenido en sólidos
solubles, acidez y pH lo obtuvo el loche, seguido la mashua y el yacón. El
mayor contenido de proteína, fibra, cenizas y carbohidratos lo obtuvo el loche,
el yacón obtuvo el mayor contenido de grasas.
Palabras
claves: Temperatura inicial de congelación,
contenido de agua, tiempo de congelación.
Abstract
The objective of this
research work was to determine by experimental and theoretical methods the
initial freezing temperature (T1) of loche, mashua and yacón with different
water contents. We worked with a data collector, a freezing tunnel, thermocouples,
and a personal computer. The raw materials were conditioned, blanched and
frozen, recording the temperature for each second. The initial freezing
temperature was determined using the time and temperature profile for each
sample, finally the experimental results were compared with four mathematical
models and those that had the best fit with the results were chosen. The
highest content of soluble solids, acidity and pH was obtained by loche,
followed by mashua and yacón. The highest content of protein, fiber, ashes, and
carbohydrates was obtained by loche, while yacon obtained the highest fat
content.
Keywords: Initial
freezing temperature, water content, freezing time.
1.
INTRODUCCIÓN
La
base de la congelación es reducir la temperatura a una menor que la del punto
de congelación, teniendo como finalidad alargar la vida útil, por consiguiente,
mantener las características organolépticas de vegetales como el loche, la
mashua y el yacón. Materias primas con potencial exportador que pueden ser
conservadas aplicando bajas temperaturas. Un parámetro importante es conocer es
la temperatura inicial de congelamiento (Tf), ya que ésta nos ayuda a definir
cuál es la temperatura más baja a la que los alimentos pueden ser refrigerados.
Rahman et al. (2009) observaron una depresión de la temperatura inicial de
congelación como una consecuencia de los constituyentes de los alimentos.
Los
alimentos que se analizaron en esta investigación fueron diferentes en sus
componentes; como por ejemplo algunos de ellos contienen elevados porcentajes
de carbohidratos y fibras, mientras que otros solamente contienen cantidades
significativas de agua. Existen diferentes factores que afectan el proceso de
congelación, como: el contenido de agua libre y ligada del alimento; las
características de otros componentes de éstos, los sólidos solubles e
insolubles; y otros factores como el calor específico, la entalpía, y la
difusividad térmica (Jie et al., 2003).
Otros
factores que influyen en el congelamiento de los alimentos son la
microestructura, el tamaño de partícula, la porosidad y ciertos aspectos
biológicos (la especie, la edad y el estado de madurez) (Devine et al, 1996;
Hamdami et al, 2004). Bainy et al. (2015), realizaron estudios para determinar
la temperatura inicial de congelación (Tf) de la hamburguesa de tilapia (Oreochromis
niloticus). En esta investigación concluyeron que el uso de congelación
rápida mejoró el proceso de congelación, además, demostraron que el método de
la curva de congelación, utilizando un aparato experimental y refrigeradores
domésticos simples, mide la temperatura inicial de congelación de alimentos con
alto contenido de agua. Betalleluz y Velezmoro (2001), determinaron la
temperatura inicial de congelación de jugos de granada, granadilla, sandía y
uva, utilizando el método de curvas de congelación. Trabajaron con el modelo de
Ferro et al. (1981) para predecir la temperatura inicial de congelación de
soluciones binarias de fructosa y sacarosa. De esta manera concluyeron que,
para los jugos de frutas, el modelo no hace buenas predicciones de la
temperatura inicial de congelación cuando el contenido de sólidos totales es mayor
que 10%. Jie et al. (2003), estudiaron la correlación entre la temperatura
inicial de congelación y los sólidos solubles de once variedades de frutas. Los
resultados mostraron que existe una alta correlación negativa entre los sólidos
solubles y la temperatura de congelación. El modelo matemático fue: Y
(temperatura inicial de congelación) = 0.146694-0.19555 X, siendo X el
contenido de sólidos solubles. Todas las variedades tuvieron curvas de
congelación típicas. Boonsupthip y Heldman (2007), desarrollaron un modelo
matemático para la predicción de la temperatura inicial de congelación y de la
fracción de agua congelada basado en la concentración y el peso molecular de
los componentes del producto. El modelo propuesto proporcionó un método
efectivo para la optimización de las relaciones entre formulaciones de
productos y el proceso de congelación.
Determinar
la temperatura inicial de congelación (Tf) de estos alimentos, ayudan a
predecir las propiedades térmicas, tiempos de congelación y descongelación con
el fin de optimizar el proceso y la calidad del producto (Rahman y Driscoll,
1994; Ribero et al., 2007). En la actualidad, existe poca información sobre
cuáles son las temperaturas más adecuadas de refrigeración del loche, la mashua
y el yacón, por lo tanto, determinar la temperatura inicial de congelación de
estos alimentos, nos ayuda a definir cuál es la temperatura más baja a la que
pueden ser refrigerados, sin la aparición de los cristales de hielo y por ende
del rompimiento de la estructura celular. Las materias primas como el loche, la
mashua y el yacón pueden tener diferentes contenidos de agua según el lugar de
procedencia y su estado de madurez, por lo tanto, en esta investigación, vemos
la influencia del contenido de agua de las materias primas, sobre la
temperatura inicial de congelación.
En
la literatura existen diferentes modelos matemáticos teóricos como el de Chen
(1987, 1988), Singh y Mannapperuma (1990) y modelos empíricos como el de
Schwartzberg (1976), Chang y Tao (1981), Hoo y McLellan (1987), Chen et al.
(1990), Jie et al. (2003) y Pham (1996), los cuales predicen la temperatura
inicial de congelación considerando algunos componentes en los alimentos,
algunos de ellos solamente consideran el contenido de agua y sólidos (Chen et
al., 1990; Jie et al., 2003), mientras que otros utilizan toda la composición
del alimento (Boonsupthip et al., 2009; Boonsupthip y Heldman, 2007).
Sobre
la base de nuestro conocimiento, no existen antecedentes de estudios
presentados en la literatura sobre investigación del proceso de congelación,
por lo que se experimentó la medición de la temperatura inicial de congelación
del loche, mashua y yacón. El objetivo principal de este trabajo fue llenar
esta falta. La temperatura inicial de la operación de congelación obtenida en
un congelador con convección forzada fue determinada y los resultados se
compararon con los diferentes modelos matemáticos predictivos. Quedándonos con
el de mayor asertividad.
En el presente
trabajo se determinó el modelo más apropiado para predecir el Tf del loche, la
mashua y el yacón con diferentes contenidos de agua cada una. Así mismo, el
modelo más apropiado se podrá utilizar para predecir el Tf de otros tubérculos
o raíces de nuestro país.
2.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Reactivos
Para
los análisis físico-químicos se utilizaron los siguientes reactivos: Ácido
sulfúrico concentrado, ácido clorhídrico concentrado, etanol, hidróxido de
sodio, hexano, sulfato de cobre, sulfato de potasio, fenol y silica gel, todos
de la marca Merck.
2.2. Métodos de análisis
Se
caracterizó el loche, la mashua y el yacón, mediante análisis físicoquímicos y
proximales.
2.2.1.
Análisis físico-químicos
a)
Determinación del pH.
Se determinó el pH de las muestras mediante el método potenciométrico (AOAC -
945.27) (AOAC, 2005).
b)
Determinación de sólidos solubles.
Se determinó el °Brix de las muestras usando el método refractométrico (AOAC
-920.151) (AOAC, 2005).
c)
Determinación de acidez. Se
determinó el % de acidez de las muestras por el método de titulación (AOAC -
942.15) (AOAC, 2005).
2.2.2.
Análisis proximal
a)
Agua. Se determinó el agua de
las muestras mediante el método gravimétrico, el cual consiste en almacenar las
muestras en estufa a presión atmosférica a 105 ºC por 14 a 16 horas hasta
obtener un peso constante (Método AOAC – 950.46) (AOAC, 2005).
b)
Proteína. Se determinó mediante
el método semi-micro Kjeldhal, utilizando el factor N x 6.25 para llevar el
nitrógeno a proteína total (Método AOAC – 928.08) (AOAC, 2005).
c)
Grasa. Se determinó mediante
el método Soxhlet, empleando diversos solventes orgánicos (hexano) (AOAC –
960.39) (AOAC, 2005).
d)
Fibra Bruta. Se determinó mediante
digestión ácida y alcalina (AOAC – 962.09) (AOAC, 2005).
e)
Cenizas. Se determinó por
incineración de la muestra en mufla a 600ºC por 6 horas (AOAC – 923.03) (AOAC,
2005).
f)
Determinación de Carbohidratos. Se
determinó por diferencia entre los componentes encontrados.
2.3. Metodología
experimental
En
esta sección se describen los procedimientos utilizados para determinar la
temperatura inicial de congelación (Tf), así como las pruebas
realizadas para cumplir con los objetivos planteados en el presente trabajo.
2.3.1. Acondicionamiento
del Loche, Mashua y Yacón
Las
materias primas fueron seleccionadas, lavadas manualmente, peladas con un
cuchillo de acero inoxidable y luego fueron cortadas en forma de cubos de 2x2x2
cm con la ayuda de un vernier.
Se
determinó el contenido de agua inicial de las muestras de loche, mashua y yacón
y se procedió a secarlas hasta obtener tres niveles diferentes de contenidos de
agua.
2.3.2. Escaldado
del Loche, la Mashua y el Yacón.
Luego
de obtener los cubos de 2x2x2 cm se procedió a escaldar. El escaldado se
realizó en agua en ebullición durante un periodo de 3.5 minutos para los casos
del loche y la mashua y a 50°C por 2 minutos para el yacón. En el caso del yacón
no se aplicó el mismo tiempo y temperatura que las materias primas mencionadas
anteriormente, ya que el yacón es sensible al calor, pues se hizo la prueba
escaldando el yacón a 100°C por 3.5 minutos y luego de sacarlo del vaso de
precipitación mostró una coloración verde caña.
2.3.3. Proceso
de congelación.
Los
cubos de 2x2x2 cm de loche, mashua y yacón con diferentes contenidos de agua y
previamente escaldados fueron insertados con una termocupla (TPK-01, TECPEL) en
el centro del cubo donde se registraron las temperaturas (Figura 1).
Figura 1.
Posición central de inserción de la termocupla.
Las
muestras fueron congeladas, en un equipo que contó con convección forzada, encendiéndose
el botón de ventilación con 30 minutos de anticipación para asegurar la
uniformidad de la temperatura en la cámara. Se registraron las temperaturas en
el centro de cada cubo de 2x2x2 cm. Los perfiles de temperaturas de las
muestras se tomaron por triplicado.
2.3.4. Medición
de la temperatura.
Los
valores de temperatura fueron adquiridos con una precisión de 0.2°C, por cada
segundo. Se utilizó dos termocuplas tipo K (TPK-01, TECPEL), una fue incrustada
hasta el punto céntrico geométrico de cada cubo de loche, mashua y yacón y la
otra termocupla se mantuvo suspendida en el medio de congelación, ambas
termocuplas estuvieron conectadas a un multímetro digital (DTM – 5074, TECPEL®,
Taiwán) y éste a la vez conectado a un ordenador personal (Toshiba Core I5).
Con la ayuda del software de recolección de datos (DTM 500SW, TECPEL®,
Taiwan), se adquirieron los datos de temperatura en tiempo real (Figura 2).
Una
vez obtenidas las curvas de congelación se determinó el Tf utilizando
el historial de tiempo y de temperatura de cada muestra (método de la curva).
Figura 2. Sistema de
adquisición de datos de temperatura durante la congelación de los vegetales.
Tabla
1. Modelos predictivos que se aproximan al
valor experimental de la temperatura inicial de congelación a diferentes
contenidos de agua de acuerdo a la materia prima
|
Bloque Agua
|
Materia prima
|
|
Loche
|
Mashua
|
Yacón
|
|
H1
|
79.8 – 92.49
|
Jie
et al. (2003) y Chang y Tao (1980)
|
Chen
et al. (1990) y Boonsupthip y Heldman (2007)
|
Boonsupthip
y Heldman (2007) y Chen et al. (1990)
|
|
H2
|
70.68 – 72.34
|
Jie
et al. (2003) Chang y Tao (1980)
|
Jie
et al. (2003) y Boonsupthip y Heldman (2007)
|
Chen
et al. (1990) y Boonsupthip y Heldman (2007)
|
|
H3
|
61.55 – 68.21
|
Chang
y Tao (1981) y Jie et al. (2003)
|
Jie
et al. (2003) y Boonsupthip y Heldman (2007)
|
Chen
et al. (1990) y Boonsupthip y Heldman (2007)
|
Tabla
2.
Valores brutos de Tf del loche, mashua y yacón en las tres categorías de
aguas
|
Bloque Agua
|
Materia prima
|
|
Loche
|
Mashua
|
Yacón
|
|
H1
|
79.80 – 92.49
|
-0.6
|
-0.7
|
-1.4
|
|
-0.7
|
-0.8
|
-1.2
|
|
-0.6
|
-1.0
|
-1.1
|
|
H2
|
70.68 – 72.34
|
-0.9
|
-2.9
|
-4.5
|
|
-0.8
|
-2.6
|
-5.3
|
|
-0.8
|
-3.9
|
-5.0
|
|
H3
|
61.55 – 68.21
|
-1.2
|
-3.6
|
-7.1
|
|
-1.3
|
-3.7
|
-7.7
|
|
-1.2
|
-3.1
|
-8.3
|
Como se presenta
en la Tabla 2, en el bloque de agua H1 y H2 para el loche, el modelo de Jie et
al. (2003) es el que mejor se aproximó al valor experimental de la temperatura
inicial de congelación. Del mismo modo el modelo de Jie et al. (2003) y Boonsupthip
y Heldman (2007) se adecuaron a la temperatura inicial de congelación de la
mashua en los bloques de agua H2 y H3.
El modelo de
Boonsupthip y Heldman (2007) obtuvo valores muy cercanos de temperatura inicial
de congelación al obtenido experimentalmente con el yacón, específicamente en
el bloque de agua H1.
El modelo de Jie
et al. (2003) es un modelo predictivo que correlaciona la temperatura inicial
de congelación con los sólidos solubles, pues según la literatura y los
análisis proximales realizados, el mayor contenido de sólidos solubles en
estado fresco lo tiene el loche por ello el modelo de Jie et al. (2003) se
ajusta a la temperatura inicial de congelación experimental del loche tanto
para H1 y H2. También el modelo es asertivo a valores de temperatura inicial de
congelación de la mashua para el bloque de agua H2 y H3. El modelo hace una
excepción en el yacón cuyos valores están alejados al valor experimental.
Con este modelo
matemático se puede demostrar la relación entre la temperatura inicial de
congelación y los sólidos solubles de frutas y en nuestro caso también de
vegetales, ahora, con tan solo medir los sólidos solubles, podemos obtener la
temperatura inicial de congelación fácilmente lo cual es importante determinar
para su correcto almacenamiento y procesamiento. Por lo tanto, Jie et al.
(2003) es un modelo matemático asertivo para determinar la temperatura inicial
de congelación de manera rápida
Realizando el
análisis de varianza (ANVA) al diseño de bloques completamente al azar (DBCA) de
la temperatura inicial de congelación (Tabla 2), se observó que existe
diferencia significativa entre los tipos de vegetales (p<0.05) y las
categorías de agua (p<0.05).
Realizando
pruebas de comparación de medias, mediante la prueba de Tukey, se concluyó que
existe diferencias entre las medias del Tf para cada tipo de vegetal. Esto se
evidencia en la Figura 3 donde se aprecia las diferencias entre los valores de
(Tf) para cada tipo de vegetal.
Figura
3.
Diferencias
entre los valores de (Tf) para cada tipo de vegetal.
De
la misma forma se analizaron las medias entre los diferentes valores de aguaes,
donde se determinó que los valores medios de Tf en las
categorías de aguaes 2 y 3(70.68 – 72.34 y 61.55 – 68.21 respectivamente)
fueron similares, pero diferentes de la categoría 1(79.80 – 92.49), la cual
corresponde a los valores de Tf cuando las muestras son
frescas. Esto se puede evidenciar en el Figura 4 donde se muestran los valores
medios de Tf para cada tipo de bloque (Categorías de aguaes).
Figura 4.
Valores medios de Tf para cada tipo de bloque (Categorías de
aguaes).
4. CONCLUSIONES
Se determinó de manera experimental y
teórica la temperatura inicial de congelación del loche, la mashua y el yacón
en estado fresco (79,80 - 92,49% de agua), y a dos diferentes aguaes (70,68 -
72,34% y 61,55 - 68,21%). Encontrando que existe una relación directa entre el
contenido de agua y la temperatura inicial de congelación; decreciendo el Tf a
medida que disminuye el agua de las materias primas.
Se compararon los resultados
experimentales de las temperaturas iniciales de congelación, encontrando que
los modelos predictivos de Jie et al. (2003) y Chang y Tao (1980) fueron los
más apropiados para predecir el Tf del loche a diferentes contenidos de agua.
El modelo predictivo de Boonsupthip y Heldman (2007) fue el más apropiado para
predecir el Tf de la mashua y el yacón a diferentes contenidos de agua.
Se concluye que el modelo predictivo de
Boonsupthip y Heldman (2007) es una buena ecuación de predicción para el Tf de
algunos alimentos como la mashua y el yacón por el alto contenido de agua.
Declaración
de intereses
Ninguna.
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