Efecto de la temperatura y concentración de fibra en el perfil reológico del zumo de maracuyá (Passiflora edulis)
Effect of temperature and fiber concentration on the rheological profile of passion fruit juice (Passiflora edulis)
Augusto Mechato1,a,*, Frank F. Velásquez-Barreto1,b
1 Universidad Nacional Autónoma de Chota, Cajamarca, Perú.
a M.Sc.,
amechato@unach.edu.pe, 
https://orcid.org/0000-0001-7492-188X
b Ph.D.,
fvelasquez@unach.edu.pe, https://orcid.org/0000-0001-8954-9769
* Autor de Correspondencia: Tel. +51 954627427
http://doi.org/10.25127/riagrop.20233.917
Resumen
Este estudio determinó el efecto de la adición de fibra y temperatura en el comportamiento del flujo de zumo de maracuyá. Las mediciones reológicas se realizaron con un esfuerzo cortante controlado y los experimentos de cizallamiento en estado estacionario con un intervalo de razón de corte (γ) de 0.01 – 100 s-1. Se determinó el comportamiento del fluido utilizando la ecuación de Herschel-Bulkley. Los resultados mostraron que la mezcla del zumo de maracuyá sin (0%) y con adición de fibra de 6.25 y12.5%, mostraron un comportamiento pseudoplástico (n < 1). El modelo Herschel-Bulkley tuvo un R2 entre 0.961 a 0.996. El índice de consistencia (K) se incrementó conforme se incrementó la concentración de fibra y se redujo con el incremento de la temperatura, sin embargo, el esfuerzo de corte inicial (σ0) se incrementó tanto con el incremento de la concentración de fibra y temperatura. El comportamiento de las curvas de zumos de maracuyá y los valores de los parámetros reológicos durante las pruebas en estado estacionario fueron afectados con el incremento de la concentración de fibra y temperatura.
Palabras claves: Comportamiento del flujo; índice de consistencia; índice de comportamiento; Herschel-Bulkley.
Abstract
This study determined the effect of fiber addition and temperature on the flow behavior of passion fruit juice. Rheological measurements were performed with controlled shear stress and steady-state shear experiments with a shear ratio range (γ) of 0.01 - 100 s-1. The fluid behavior was determined using the Herschel-Bulkley equation. The results showed that the mixture of passion fruit juice without (0%) and with fiber addition of 6.25 and 12.5% showed pseudoplastic behavior (n < 1). The Herschel-Bulkley model had an R2 between 0.961 and 0.996. The consistency index (K) increased as fiber concentration increased and decreased with increasing temperature, however, the initial shear stress (σ0) increased with both increasing fiber concentration and temperature. The behavior of passion fruit juice curves and rheological parameter values during steady state tests were affected with increasing fiber concentration and temperature.
Keywords: Flow behavior; consistency index; behavior index; Herschel-Bulkley.
1. INTRODUCCIÓN
Hoy en día, la demanda en el consumo de zumo de maracuyá se ha ido incrementando, tanto a nivel local como internacional, cada año las empresas tienen mayor interés en la elaboración de productos a partir de esta materia prima, principalmente por su intenso sabor y fuerte aroma concentrado. Por naturaleza el maracuyá se ha tornado un insumo importante en la gastronomía mundial, esto ha promovido el marketing del producto y su demanda, en Europa su consumo se incrementa rápidamente con nuevos usos que todavía no se ven en otros mercados como golosinas, gelatinas y cocteles, es por ello, la importancia de ofrecer a los clientes productos accesibles y de calidad (Rosero, 2019).
El estudio de la deformación y flujo de las materias primas sin procesar, los productos intermedios o semielaborados y los productos finales en la industria de alimentos, ha sido definida como reología de los alimentos (Leandro et al., 2022). Es importante para caracterizar los alimentos, el estudio de los parámetros de deformación de la materia, el cual varía dependiendo de la transformación que se le dé, por lo que se dice que se comportan como fluidos no newtonianos. El comportamiento de estos últimos puede describirse mediante el modelo de Herschel–Bulkley (Marsiglia et al., 2018).
Se ha determinado que las características reológicas están condicionadas por diferentes factores, como la temperatura (Ninamango et al., 2016) y concentración de fibra, la variedad de la fruta entre otros, como consecuencia de la compleja interacción entre los azúcares, sustancias pécticas y sólidos en suspensión, por lo que, la mayor parte de las pulpas de frutas son fluidos no newtonianos (Figueroa-Flórez et al., 2017). Las mediciones o predicciones de las características reológicas de los alimentos son muy importantes en los cálculos de ingeniería de procesos, control de calidad y determinación de las propiedades de los ingredientes, entre otros (Puente et al., 2022).
Actualmente el consumo de fibra dietética va en aumento (28-35 g/día) por sus evidentes beneficios en la salud, lo que crea la necesidad de investigar nuevas fuentes de este componente o el diseño de nuevos productos alimenticios que contribuyan a incrementar la ingesta diaria de fibra (Sáenz et al., 2007), en ese sentido, enriquecer el zumo de maracuyá con fibra contribuye a ello y es necesario determinar parámetros para su procesamiento. Por ello, este estudio tuvo como objetivo determinar el efecto de la temperatura y concentración de fibra en el perfil reológico del zumo de maracuyá.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materia prima y fibra
La materia prima maracuyá (Passiflora edulis) fue obtenida del distrito de Chota, provincia de Cajamarca, Perú. La fibra se obtuvo a partir de la cáscara del fruto de maracuyá (Passiflora edulis), para ello los frutos se lavaron y se separó el zumo de la cáscara. La cáscara se secó, luego se realizó la molienda y se pasó los sólidos en un tamiz Forney en malla de 2 mm. Ese producto resultante constituyó la fibra.
2.2. Preparación de muestras
El zumo de maracuyá extraído se mezcló con la fibra obtenida (0%, 6.25% y 12.5%) y se dejó en reposo en 15 minutos. Transcurrido este tiempo se realizó las mediciones reológicas a temperaturas de 0°C, 20°C y 40°C.
2.3. Perfil reológico
Comportamiento al flujo. Se realizaron mediciones reológicas en el reómetro híbrido (modelo DHR3, TA Instruments, USA), utilizando una geometría estriada plato-plato (40 mm de diámetro). La separación entre el peltier del reómetro y la parte final de la geometría (GAP) fue 1,0 mm. Las muestras de zumo de maracuyá y fibra preparadas según lo descrito anteriormente, fueron colocadas en el reómetro híbrido y se realizaron lecturas con un esfuerzo cortante controlado y los experimentos de cizallamiento en estado estacionario siguiendo la metodología propuesta por Velásquez-Barreto y Velezmoro (2018) y Alvarez et al. (2017) con ciertas modificaciones, para ello se utilizó un intervalo de razón de corte (γ) de 0.01 – 100 s-1 y se determinó el comportamiento del fluido utilizando la ecuación de Herschel-Bulkley (Ecuación 1):
σ = σ0 + Kγn (1)
donde, σ es el esfuerzo cortante, σ0 es el esfuerzo cortante inicial, γ es la velocidad de corte, k es el índice de consistencia y n es el índice de comportamiento del flujo.
2.4. Análisis estadístico
Cada tratamiento se realizó por triplicado, se determinó el promedio, desviación estándar y comparación de medias. Para ello se utilizaron los programas Microsoft Excel 2014 y Minitab. Para la determinación de los parámetros del modelo se utilizó la herramienta Solver de Microsoft Excel 2014. El nivel de confianza se fijó en 95%.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Comportamiento reológico en estado estacionario
Figura 1. Propiedades de corte en estado estacionario de zumo de maracuyá sin adición de fibra (0%, a), con 6.25% de fibra (b) y 12.5% de fibra (c).
Por otro lado, conforme se incrementó la temperatura de trabajo de 0 ºC a 40 ºC se redujo el esfuerzo cortante de los zumos de maracuyá a 12.5% y 6.25%. Sin embargo, el comportamiento del esfuerzo cortante de los zumos de maracuyá sin adición de fibra a 20°C y 40 ºC fue similar, lo que no ocurrió con el esfuerzo cortante de este mismo zumo a 0 ºC que fue mayor en comparación a 20 ºC y 40 ºC. Esto muestra un efecto de la temperatura sobre el esfuerzo cortante del zumo de maracuyá con o sin adición de fibra, ya que, conforme se incrementa la temperatura del zumo de maracuyá, se incrementa la movilidad de las moléculas agua por efecto del incremento de la energía cinética de las moléculas presentes que permiten un mayor movimiento del fluido, por ende debilita los enlaces producidos entre cadenas de polímeros como la pectina y afecta la estructura reticulada formada (Escudero & González, 2006). Similares resultados fueron encontrados por Andrade et al. (2009a) y Muñoz et al. (2012) en pulpa de níspero y pulpa de durazno.
3.2. Índice de comportamiento de flujo
El índice de comportamiento de flujo de fluidos es un indicador de utilidad ya que relaciona las interacciones moleculares y el ordenamiento espacial de matrices poliméricas o polímeros entre las capas del fluido, en el cual se puede incrementar o reducir el movimiento del fluido (Suárez-Domínguez et al., 2015). En la Tabla 1, se muestran los valores de n del Modelo Herschel-Bulkley, que corresponden al zumo de maracuyá sin adición de fibra (0%) y con adición de fibra a una concentración de 6.25% y 12.5% a diferentes temperaturas (0 °C; 20 °C; 40°C). Los valores de n de los zumos de maracuyá fueron menores a 1, lo que indica que la mezcla del zumo de maracuyá sin y con adición de fibra tienen un comportamiento pseudoplástico (Tabla 1). A menor n (<1), mayor será la pseudoplasticidad (Aguilar et al., 2014) y esto es común en zumos de frutas (Muñoz et al., 2012). Este comportamiento pseudoplástico puede ocurrir por la presencia de ciertos polímeros, azucares y ácidos que puede interaccionar mediante puentes hidrógeno y este es el caso de este estudio que se adicionó fibra de maracuyá que está compuesta por péctina (Siche et al., 2012). Así mismo, Se puede observar también que el modelo Herschel-Bulkley se ajustó bien a los datos experimentales (R2: 0.961-0.996) del comportamiento al flujo del zumo de maracuyá con y sin adición de fibra debido a que este modelo se adapta para describir fluidos independientes del tiempo (Da Cruz et al., 2016).
El valor de n del zumo de maracuyá con o sin adición de fibra mostraron valores que variaron en un rango de 0.34 – 0.82 (Tabla 1), presentándose mayores valores de n en zumos de frutas sin adición de fibra y a temperaturas de 0 ºC y 20 ºC, no obstante, el valor de n se redujo cuando la temperatura se incrementó a 40 ºC. Por otro lado, cuando se adicionó fibra 12.5% y 6.25% al zumo de maracuyá el valor de n se redujo a 0 ºC en comparación con el zumo de maracuyá sin adición de fibra a la misma temperatura y la reducción fue mayor conforme se incrementó la concentración de fibra. Sin embargo, conforme se incrementó la temperatura de trabajo (de 0 ºC a 20 ºC y 40 ºC) el valor de n se incrementó en los zumos de maracuyá a los que se les adicionó fibra (6.25 y 12.5%). Esto indica que la temperatura tuvo un mayor efecto significativo sobre el valor n del zumo de maracuyá con o sin adición de fibra (p<0.05. Tabla 1) y de la misma manera la concentración de la fibra tuvo un efecto significativo sobre el valor n (p<0.05, Tabla 1). Similares resultados de valores de n fueron encontrados para pulpa de guayaba variedad Red (0.14-0.24) y la variedad Híbrido Klom Salí (0.29-0.31) (Andrade et al., 2009b), pulpa concentrada de aguaymanto (0.64-0.81) (Bustamante et al., 2016), pulpa de mango (0.18- 0.28) (Ortega et al., 2015) y zumo de sandía (0.17-0.45) (Ninamango et al., 2016).
Las diferencias encontradas del valor n de este estudio con los de otros estudios son debido a la composición química de los zumos, polímeros utilizados como estabilizadores y condiciones de trabajo durante las pruebas reológicas (Santos et al., 2010). Estos resultados de valores de n sugieren que zumos de maracuyá con diferentes porcentajes de fibra como agente estabilizador generan fluidos pseudoplásticos con diferentes características a diferentes temperaturas de almacenamiento.
Tabla 1. Parámetros del Modelo Herschel-Bulkley aplicados a zumo de maracuyá sin (0%) y con adición de fibra (6,25; 12,5%)
|
Fibra |
Temperatura |
σ0 |
K |
n |
R2 |
Modelo |
|
|
0 |
0.07±0.005a,C |
0.02±0.02b,C |
0.81±0.01a,A |
0.996 |
Herschel-Bulkley |
|
0 |
20 |
0.07±0.00a,C |
0.01±0.00c,C |
0.82±0.00a,A |
0.996 |
Herschel-Bulkley |
|
|
40 |
0.07±0.0004a,B |
0.03±0.0002a,C |
0.59±0.001b,C |
0.961 |
Herschel-Bulkley |
|
|
0 |
0.48±0.00b,B |
5.50±0.00a,B |
0.63±0.00b,B |
0.979 |
Herschel-Bulkley |
|
6,25 |
20 |
2.08±0.00a,B |
1.95±0.00b,B |
0.72±0.00a,B |
0.989 |
Herschel-Bulkley |
|
|
40 |
1.18±0.89a,b,B |
1.41±0.23c,B |
0.74±0.03a,A |
0.996 |
Herschel-Bulkley |
|
|
0 |
60.20±0.00c,A |
163.41±0.00a,A |
0.34±0.00c,C |
0.996 |
Herschel-Bulkley |
|
12,5 |
20 |
114.45±0.00b,A |
47.60±0.00b,A |
0.51±0.00b,C |
0.963 |
Herschel-Bulkley |
|
|
40 |
125.77±0.00a,A |
19.38±0.00c,A |
0.66±0.00a,B |
0.983 |
Herschel-Bulkley |
Valores promedio de tres réplicas ± desviación estándar
Letras minúsculas corresponden a la comparación entre el parámetro a diferentes temperaturas (misma concentración).
Letras mayúsculas corresponden a la comparación entre el parámetro a diferentes concentraciones (misma temperatura)
3.3. Índice de consistencia K
Este indicador mide la consistencia del fluido y su resistencia a la deformación, el cual depende de la temperatura y la composición de la mezcla (Suárez-Domínguez et al., 2015). En la Tabla 1, se muestran los valores de K del Modelo Herschel-Bulkley, que corresponden al zumo de maracuyá con y sin adición de fibra a diferentes temperaturas. El valor de K del zumo de maracuyá mostró valores en un rango de 0.01 – 163.41 Pa.sn (Tabla 1), presentándose mayores valores de K en zumos de frutas con 12.5% de fibra, seguidos por zumos de frutas con 6.25% de fibra. Así mismo, se observó que conforme se incrementaba la temperatura de (0 a 40 °C) a los zumos de frutas sin adición de fibra, el valor de K se mantuvo casi constante, es decir no existió efecto de la temperatura (valor p>0.05); sin embargo, los zumos de frutas con 12.5% de fibras tuvieron un mayor valor de K y una mayor reducción de este parámetro cuando la temperatura se incrementaba de 0 a 40 ºC, un similar comportamiento fue observado en el valor de K para los zumos de maracuyá con 6.25% de fibra pero con menor reducción del parámetro K en comparación con zumos de maracuyá con 12.5% de fibra. Esto indica que la temperatura tuvo un mayor efecto significativo sobre el valor K del zumo de maracuyá con o sin adición de fibra (p<0.05) y de la misma manera la concentración de la fibra tuvo un efecto significativo sobre el valor K (p<0.05).
Diferentes resultados de valor K para zumos de maracuyá con 6.25% y 12.5% de fibra y valores cercanos de K a zumo de maracuyá sin fibra fueron obtenidos en investigaciones con zumos mixtos adicionados con jarabes de sacarosa, elaborados con frutas tropicales (K: 0.068-0.125) (Bezerra et al., 2013), así mismo, diferentes valores de K de zumos de maracuyá a 6.25% de fibra y sin fibra, pero valores cercanos K a zumo de maracuyá con 12.5% de fibra fueron obtenidos con pulpa de cocona (K: 48.63-111.14 Pa.sn) (Laguna et al., 2022). Así mismo, se observó que conforme se incrementó la temperatura de medición, la pulpa perdió pseudaplasticidad (adelgazamiento por cizallamiento), en donde K disminuyó, esto debido a que, al aumentar la temperatura de trabajo, la energía térmica y las distancias moleculares aumentan debido a la reducción de las fuerzas intermoleculares (Laguna et al., 2022). Las diferencias entre el valor K de este estudio con los de otros estudios son debido a la composición química de los zumos, polímeros utilizados como estabilizadores y condiciones de trabajo durante las pruebas reológicas (Aguilar et al., 2014).
3.4. Esfuerzo cortante inicial
El esfuerzo de corte inicial es el mínimo esfuerzo que debe ser aplicado para que el fluido comience a fluir y es típico de sistemas multifase como pastas de polímeros, pastas para untar, salsas, aderezos para ensaladas y pastas (Sun y Gunasekaran, 2009; Ortega et al., 2015). En la Tabla 1, se muestran los valores de σ0 del Modelo Herschel-Bulkley, que corresponden al zumo de maracuyá con y sin adición de fibra a diferentes temperaturas. El zumo de maracuyá sin fibra (0%) tuvo un esfuerzo cortante de 0.07 Pa; para una concentración de fibra al 6.25% fue de 0.48 – 2.08 Pa y para una concentración de fibra al 12.5% fue de 60.20 – 125.77 Pa (Tabla 1). Esto indica que conforme se incrementó la concentración de fibra el valor de σ0 se incrementó y este incremento fue mucho mayor conforme se incrementó la concentración de fibra a 12,5% (Tabla 1), ya que fue necesaria una mayor fuerza para que pueda fluir el zumo de maracuyá. Esto podría deberse a que el incremento de fibra puede aumentar la consistencia y reducir la capacidad de fluir del zumo de maracuyá debido a que la fibra produce altas viscosidades a bajas tasas de deformación por las interacciones moleculares con agregados de alto peso molecular (Contreras-Lozano et al., 2018; Polo et al., 2021). Así mismo, en la Tabla 1 se observa que la concentración de fibra tuvo un efecto significativo (p < 0.05) sobre el valor del esfuerzo de corte inicial (σ0) de los zumos de maracuyá con fibra.
Por otro lado, se observó que conforme se incrementó la temperatura de trabajo en los zumos de maracuyá con adición de fibra, el valor σ0 también se incrementó y la temperatura tuvo un efecto significativo sobre el valor de σ0 (p < 0.05). No obstante, este efecto no fue observado en el valor σ0 de zumos de maracuyá sin adición de fibra (Tabla 1). Similares valores de σ0 de zumo de maracuyá con 6.25% fueron reportados en pulpas de açaí (2.29 a 5.48 Pa) (Tonon et al., 2009). Así mismo, se ha reportado el incremento del valor σ0 en zumo de manzana cuando se incrementó el contenido de fibra de 14% (σ0: 2.27-1.59 Pa de 5 -60 ºC) a 16% de fibra (σ0: 61.50- 46.06 Pa de 5-60 ºC), mostrándose una reducción σ0 conforme se incrementó la temperatura de trabajo (Salinas et al., 2019). Estos comportamientos de la adición de fibra sobre el σ0 son similares a los obtenidos en este estudio, sin embargo, difieren con el efecto de la temperatura, ya que, los resultados de esta investigación indicaron un incremento del valor σ0 con el incremento de la temperatura. Estas diferencias pueden deberse al tipo de fibra utilizada, composición química de la fibra, hidratos de carbono complejos y lignina, oligosacáridos resistentes, tamaño de las cadenas del polímero (Escudero & González, 2006).
4. CONCLUSIONES
El comportamiento de las curvas de zumos de maracuyá y los valores de los parámetros reológicos durante las pruebas en estado estacionario fueron afectados con el incremento de la concentración de fibra y temperatura. El zumo de maracuyá con adición de fibra mostró un comportamiento más pseudoplástico (n < 1) en comparación con el zumo de maracuyá sin adición de fibra. El índice de consistencia (K) se incrementó conforme se incrementó la concentración de fibra y se redujo con el incremento de la temperatura, sin embargo, el esfuerzo de corte inicial (σ0) se incrementó tanto con el incremento de la concentración de fibra como con el incremento de temperatura. Esto muestra que la concentración de fibra y temperatura afectaron los parámetros reológicos de diferente manera, tal vez debido al efecto del tipo de fibra y composición de la misma. Futuros estudios deberían ser realizados a fin de determinar otras propiedades reológicas del zumo de maracuyá con adición de fibra como la dependencia del tiempo y viscoelasticidad, así como, el efecto del tipo de fibra.
Declaración de intereses
Ninguna.
Agradecimientos
A la Universidad Nacional Autónoma de Chota, la que con Recursos CANON, apoyó el desarrollo de la presente investigación.
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