Desarrollo de una formulación optimizada de mermelada de damasco de bajo contenido calórico utilizando la metodología taguchi

MarioVillarroel, Ruth Castro, Julio Junod

Universidad de La Frontera, Temuco, Chile

RESUMEN. El objetivo de este estudio fue desarrollar una formulación optimizada de mermelada dietética, aplicando la metodología Taguchi. La razón que se tuvo para seleccionar dentro del diseño experimental esta metodología de trabajo fue demostrar las ventajas que tiene la aplicación de diseños factoriales ortogonales a problemas que ocurren con bastante frecuentes en la industria alimentaria especialmente en el área de desarrollo de productos, cuando la respuesta que se busca depende de la influencia de múltiples variables. En esta ocasión se desarrolló una formulación de mermelada de damasco de bajocontenido energético tratando de obtener la mejor combinación de múltiples variables para lograr una calidad sensorial óptima. Se trabajó simultáneamente con cinco factores de control: acidez, espesante, edulcorante, aromatizante y tiempo, así como posibles interacciones entre algunas de ellas, aplicando el diseño ortogonal L₈ (2⁷). Se elaboraron ocho formulaciones experimentales que se analizaron sensorialmente aplicando el test de puntaje compuesto y una escala descriptiva cuantitativa desde "1= Malo hasta 5= Muy bueno". El análisis estadístico permitió comprobar que los factores espesante, edulcorante y aromatizante afectaban significativamente "(p<0.05) la calidad sensorial del producto con una contribución total de 82% sobre la calidad sensorial de la mermelada. La combinación óptima de las variables independientes resultó ser: ácido cítrico 0.2%; pectina 1%; edulcorante, 30g azúcar/16mg aspartame/100 g de producto, aroma a damasco 0.5 mL y tiempo de cocción 5 minutos.. Con respecto a la composición química, los resultados mas importante fueron un menor contenido de hidratos de carbono en la mermelada optimizada, que redujo el aporte calórico en un 56% con respecto a mermeladas tradicionales, y el contenido de fibra dietaria superior a productos comerciales similares.. Los ensayos de estabilidad o vida útil, se llevaron a cabo almacenando las muestras bajo condiciones controladas de temperatura (15 y 25ºC) y grosor de envase (0.3 y 1.0 micrones). Al cabo de 90 días de almacenamiento no se detectaron cambios sensoriales ni químicos significativos, y las condiciones microbiológicas se mantuvieron dentro de los límites permitidos por la norma chilena.

Palabras clave.- Mermelada dietética - alimento funcional - diseños factoriales - optimización - Taguchi - arreglo ortogonale.

SUMMARY. Development of an optimized dietetic formulation of damask marmalade using the taguchi methodology. The goal of this present study was the development of an optimized formula of damask marmalade low in calories applying taguchi methodology to improve the quality of this product. The selection of this methodoly lies on the fact that in real life conditions the result of an experiment frequently depends on the influence of several variables, therefore, one expedite way to solve this problem is utilizing factorial designs. The influence of acid, thickener, sweetener and aroma additives, as well as time of cooking, and possible interactions among some of them, were studied trying to get the best combination of these factors to optimize the sensorial quality of an experimental formulation of dietetic damask marmalade. An orthogonal arrayL₈(2⁷) was applied in this experience, as well as level average analysis was carried out according taguchi methodology to determine the suitable working levels of the design factors previously choiced, to achieve a desirable product quality. A sensory trained panel was utilized to analyze the marmalade samples using a composite scoring test with a descriptive cuantitative scale ranging from 1= Bad, 5= Good. It was demonstrated that the design factors sugar/aspartame, pectin and damask aroma had a significant effect(p<0.05) on the sensory quality of the marmalade with 82% of contribution on the response. The optimal conbination result to be: citric acid 0.2%; pectin1%; 30g sugar/16 mg aspartame/100 g, damask aroma 0.5 ml/100 g, time of cooking 5 minutes. Regarding chemical composition, the most important results turned out to be the decrease in carbohydrate content compaired with traditional marmalades with a reduction of 56% in caloric value and also the amount of dietary fiber greater than similar commercial products. Assays of storage stability were carried out on marmalade samples submitted to different temperatures held in plastic bags of different density. Non percetible sensorial., microbiological and chemical changes were detected after 90 days of storage under controlled conditions.

Key words. Dietetic marmalade - functional food - factorial design - optimization - taguchi - orthogonal array

INTRODUCCION

La característica más importante que identifica al mercado consumidor actual y que impacta indirectamente en la industria de alimentos, es su tendencia a cambiar constantemente tanto en sus gustos como en sus preferencias. Este fenómeno social tiene sus raíces en el impacto significativo de la globalización de las comunicaciones que de hecho han roto fronteras físicas entre países, afectando la generación y traspaso de información cultural, tecnológica y científica. incrementando el intercambio de valores culturales, de conocimientos y experiencias a nivel profesional, facilitando la toma decisiones o la exploración de alternativas tecnológicas que se concretan en la oferta de nuevos productos alimenticios con ventajas comparativas superiores a las ya existentes segmentando al mismo tiempo el mercado consumidor. Dicho de otra manera, la formulación y desarrollo de productos no solo tienen una función nutricional y sensorial como ocurre en los alimentos tradicionales, sino también una función fisiológica que busca proteger el estado de salud del consumidor. Surge así el concepto de alimento funcional, sobre el cual aún no hay consenso para definirlo en forma precisa, y que bien podría considerárselos como productos intermedios entre los tradicionales y la medicina. Se podrían definir por ejemplo "cualquier alimento en forma natural o procesada, que además de sus componentes nutritivos contiene componentes adicionales que favorecen a la salud, la capacidad física y el estado mental de una persona" (1) . Entre sus componentes se citan: fibra dietaria, oligosacáridos, probióticos, péptidos y proteínas, ácidos poliinsaturados (ácido araquidónico, linoleico, linolénico), glucósidos, fenoles, minerales, fructooligosacáridos, isomalto-oligosacáridos, antioxidantes (vitaminas A, D, E, C), carnitina, colina,, minerales (selenio), polioles (maltitol, palatinosa), cultivos probióticos, lactato y citrato de calcio, lactato de potasio, etc(2-5)

En las dos últimas años han sido introducidos en el mercado formulaciones alimenticias con la intención de revertir su objetivo primario. En el caso de Chile, se tiene el ejemplo específico de la industria de lácteos, donde la leche líquida se comercializa en 24 formas diferentes de presentación, incluyendo leches saborizadas, con diferentes contenidos de materia grasa, potenciada con adición de vitamina D, fortificada con calcio, modificadas con cultivos lácticos (para regularizar la función intestinal). En particular la industria Nestlé lanzó al mercado en el año 2000 varios productos con características funcionales como es el caso de la leche Omega Plus, que incluye la presencia de ácidos grasos omega 3, con la intención de prevenir enfermedades cardiovasculares, (7).

En lo que respecta a las mermeladas, estos productos (8,9) tradicionalmente se caracterizan por ser alimentos de alta densidad energética, con propiedades sensoriales muy atractivas para los consumidores por su sabor, aroma, color, y su estabilidade durante el almacenamiento (10). Desde el punto de vista nutricional, las mermeladas aportarían solamente energía; pero la tendencia actual en cuanto a consumo (11) es desarrollar productos hipocalóricos sutituyendo parcialmente la concentración de azúcares solubles por edulcorantes sintéticos no metabolizables. Con esta medida se estaría dando solución a la preocupación de organismos estatales de salud que recomiendan moderar su consumo ya que pueden contribuir al aumento de la obesidad y de caries dentales. (12). En los países industrializados, el control del peso es una de las prioridades identificadas para el futuro, mientras que otros desarrollan programas nacionales destinados en disminuir los riesgos cardiovasculares de su población, incluyendo aquellos vinculados a la obesidad.

En Chile, la preocupación tanto de instituciones públicas como privadas por este problema es creciente (13-18). Por estas razones, dentro de los objetivos de este estudio se pretende formular una mermelada baja enb calorías de óptima calidad sensorial en la cual se disminuya la cantidad de calorías, y se mejoren sus características nutricionales incrementando la concentración de fibra dietética, tomando en cuenta que su presencia en la dieta ha demostrado ser útil en el tratamiento de algunas enfermedades tales como diabetes, trastornos cardiovasculares, constipación y diverticulosis a través de una ingesta adecuada de ella, (19-22)

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia Prima

En este estudio se utilizó pulpa de damasco variedad Imperial, adquirida en el Instituto de Agroindustria de la Universidad de la Frontera, Temuco. El resto de los ingredientes tales como pectina cítrica, aspartame, sorbato de potasio, ácido cítrico, sacarosa y esencia de damasco se adquirierron de firmas distribuidoras nacionales.

Optimización de la formulación de mermelada dietética de damasco.

Se utilizó la metodología Taguchi, (23-30). que permite trabajar simultáneamente con varios factores de control. En el caso particular de este estudio, a través de sesiones de "brain storming" se seleccionaron las variables independientes; concentración de acidez, concemntración de espesante, conentración de edulcorante, concentración de aroma a damasco, tiempo de cocción y las interacciones acidez/espesante y acidez /edulcorante.

Como la respuesta buscada según la metodología Taguchi corresponde a "mayor es mejor", se utilizó el diseño matricial ortogonal L₈ 2⁷, donde el subíndice 8 corresponde a las corridas experimentales, el superíndice 7 representa la cantidad de variables independientes (ver tabla1), y el número 2 señala que se utilizaron dos niveles de trabajo por factor de control.

Para definir los niveles de trabajo se tomaron como referencias datos en la bibliografía especializada, como también realizando ensayos preliminares. De esta forma se llegó a los resultados que se indican en la Tabla 2.

Tabla 1

Esquema matriz ortogonal L₈ (2⁷)

P.diseño	A	B	AxB	C	AxC	D	E	Y
1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	Y1
2	-1	-1	-1	1	1	1	1	Y2
3	-1	1	1	-1	-1	1	1	Y3
4	-1	1	1	1	1	-1	-1	Y4
5	1	-1	1	-1	1	-1	1	Y5
6	1	-1	1	1	-1	1	-1	Y6
7	1	1	-1	-1	1	1	-1	Y7
8	1	1	-1	1	-1	-1	1	Y8

-1= nivel menor; 1= Nivel mayor

A= Acidez; B= espesante; C= edulcorante; D= Aromatizantye; E= tiempo; Y= CS

Tabla 2

Niveles de trabajo de las variables independientes

Factores de control		Niveles de trabajo
		-1	1
Acido cítrico		0.2%	0.5%
Pectina cítrica		1%	2%
Azúcar/aspartame*		14 g/32 mg	30 g/64 mg
Tiempo de cocción		7 min	15 min
Aroma damasco*		0.5 ml	1 ml

* por 100 g de producto

En la parte experimental se elaboraron 8 formulaciones de mermeladas de damasco, correspondiendo cada una de ellas a diferentes combinaciones de los factores de control, las que fueron evaluadas por un panel sensorial entrenado de 11 jueces, utilizando el test de puntaje compuesto (31) y una escala analítico descriptiva de cinco puntos, donde 1= Mala y 5= Muy buena. La variable dependiente fue Calidad Sensorial (CS.) definida como la suma de las características sabor y consistencia.

CS.= 0.57x sabor + 0.43x consistencia

Análisis estadístico de resultados del proceso de optimización.

Los resultados de calidad sensorial fueron sometidos a análisis estadístico de diferencias de promedios de respuesta por nivel de trabajo de cada factor y, Análisis de Varianza (ANOVA) para determinar los factores de control y sus respectivos niveles óptimos de trabajo que afectan significativamente la respuesta a un nivel de significancia de 5%. En este estudio se utilizó el software estadístico Qualitex- 4 (35).

Caracterización química.

La formulación optimizada de mermelada fue sometida a una caracterización químico proximal de acuerdo a los métodos estándares de la AOAC (32). El contenido energético se determinó utilizando los coeficientes de Atwater que son respectivamente grasa = 9 Kcal/100g y para hidratos de carbono y proteínas es 4 Kcal/100g.

Estudio de vida útil.

La muestra óptima seleccionada por la metodología Taguchi se sometió a un ensayo de estabilidad al almacenamiento, bajo las siguientes condiciones: :temperatura:15º C y 25ºC. y, envases de polietileno de 0.3 y 1.0 micrones respèctivamente, por un període total de 3 meses. Cada 15 días se extrajeron muestras (según condiciones de almacenamiento) y se analizó la evolución de cambios sensoriales cuantificando la característica sabor, utilizando para ello un panel sensorial entrenado compuesto por 11 personas y la aplicación del test discriminatorio pareado (31,34) comparando las muestras almacenadas con una muestra testigo de mermelada de damasco recién elaborada. Tambien se realizaron ensayos químicos, analizando la variación de acidez expresada como porcentaje de ácido cítrico, y microbiológicos por medio de recuento de hongos y levaduras de acuerdo a procedimientos descritos en el Manual de Técnicas Microbiológicas del Instituto de Salud Pública (ISP),(33)

RESULTADOS Y DISCUSION

El presente trabajo tiene como objetivo central desarrollar una mermelada funcional de damasco con características funcionales que presenten ventajas comparativas con relación a productos tradicionales similares.. En nuestro estudio como la respuesta depende de muchos factores., fue necesario utilizar un diseño factorial ortogonal con el objeto de obtener la mejor comobinación de las variablses seleccionadas para lograr un producto de óptima calidad sensorial. De las metodologías que se podían aplicarse a este estudio se podías seleccionar dos. Una de ellas era la metodología Superficie Respuesta (36,37) y la otra que finalmente se seleccionó fue la Metodología Taguchi, aunque ambas presentan enormes ventajas comparativas para optimizar una formulación, destacando entre ellas simplicidad, ahorro de tiempo, menores costos y aseguramiento de calidad del producto final.

La Tabla 3 resume los resultados de calidad sensorial de la mermelada experimental de damasco. Los datos representan los valores promedios de calidad sensorial de las ocho formulaciones de mermelada de damasco, resultantes de las diferentes combinaciones de las variables independientes que se analizarán estadísticamente para determinar la influencia de los factores de control y sus niveles de trabajo sobre la respuesta buscada. Observando los resultados de Calidad Sensorial se demuestra que la mejor combinación de variables independientes correspondió a la muestra experimental Nº8, obteniendo un puntaje promedio de calidad sensorial de 4,2 que equivale a una calificación de "buena", donde los factores acidez, espesante, edulcorante, y tiempo se utilizaron al nivel máximo y el factor aromatizante al nivel mínimo. La peor combinación correspondió a la muestra Nº3 con una calificación promedio de 2,6 considerada como mala a regular, donde los factores espesante, aromatizante y tiempo se utilizaron al nivel máximo y los factores acidez y edulcorante se usaron en su mínimo nivel.de concentración

Tabla 3

Calidad sensorial de formulaciones de mermelada hipocalórica de damasco (*)

P.diseño	A	B	AxB	C	AxC	D	E	CS
1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	3.35
2	-1	-1	-1	1	1	1	1	3.12
3	-1	1	1	-1	-1	1	1	2.60
4	-1	1	1	1	1	-1	-1	3.98
5	1	-1	1	-1	1	-1	1	3.52
6	1	-1	1	1	-1	1	-1	2.80
7	1	1	-1	-1	1	1	-1	3.11
8	1	1	-1	1	-1	-1	1	4.17

*Promedio de dos replicaciones; Rango escala 1= malo - 5= Muy bueno

A=Acidez; B=Espesante; C=Edulcorante; D=Aromatizante; E=Tiempo cocción

Tamaño del panel= 11

Se procedió seguidamente a analizar los efectos promedios por cada nivel de trabajo de los factores de control. La diferencia calculada representa el grado de inclinación de la pendiente de cada factor, en otras palabras, la magnitud de la influencia de los factores de control sobre la calidad sensorial .Los resultados se resumen en la Tabla 4 Al examinar los valores promedios por factor y por nivel, las mayores diferencias se obtuvieron para las variables independientes espesante, edulcorante y aromatizante y en cada uno de éllos, los valores promedios mas altos correspondieron a los niveles 2, 2 y 1 respectivamente. .

Tabla 4

Calidad sensorial promedio por nivel de cada factor de control

*-1= Nivel menor; 1= Nivel mayor. Tamaño panel=11

A= Acidez; B= Espesante; C= Edulcorante; D= Aromatizante; E= Tiempo cocción AxB y AxC

Posteriormente los datos de la experiencia se sometieron a un análisis de varianza y su resultado se presenta en la Tabla 5. En el análisis estadístico de varianza se tomó la decisión de eliminar los factores acidificante, tiempo de cocción y las interacciones por su escasa influencia en la respuesta, situación ya demostrada por los valores obtenidos en la Tabla 4, permaneciendo solamente los factores espesante, edulcorante y aromatizante que afectan en forma significativa la respuesta (p<0.05), aportando en forma conjunta un 82,3% de influencia sobre la calidad sensorial de la mermelada dietética de damasco.

Tabla 5.

Análisis de varianza de Calidad sensorial de mermelada hipocalórica de damasco

Factores de control	Suma Cuadrado	Valor F exp	% Influencia
Espesante	0,280	5,51*	5,33
Edulcorante	0,547	10,75*	11,52
Aromatizante	2,873	56,38*	65,45
Error	0,610		17,70

* significativo al p<0.05; R= 0.823

El paso siguiente fue determinar la ecuación teórica optimizada considerando los factores de control y niveles óptimos elegidos, con la cual se calculó el valor óptimo de calidad sensorial esperado que resultó ser 4,07. Finalmente para validar los resultados obtenidos en este ensayo de acuerdo a la metodología taguchi, se elaboró una mermelada con la siguiente combinación de variables y niveles de trabajo: ácido cítrico 0,2%; pectina 2,0%; relación azúcar/aspartame (g/mg) 30/16; aroma de damasco 0,5 mL y tiempo 5 min. Como las variables de control ácido cítrico y tiempo de cocción resultaron no tener un efecto significativo sobre la respuesta, se tomó la decisión de usar en la ecuación teórica optimizada los niveles inferiores por razones de tipo económico (ver tabla 6) Esta muestra experimental fue sometida posteriormente al test sensorial de puntaje compuesto alcanzando un valor de calidad sensorial de 4.16 superior al valor teórico esperado Es importante señalar además que esta formulación fuera de obtener una buena calificación de calidad sensorial resultó ser de menor costo por la incorporación de menores cantidades de aromatizante, ácido cítrico junto con emplear un menor tiempo de cocción en su elaboración.

Tabla 6

Estabilidad al almacenamiento del sabor de la mermelada de damasco según temperatura y grosor del envase

Número mínimo juicios diferentes = 9, para ser significativo al p<0.05. (31). Tamaño panel= 11

Ensayo de estabilidad al almacenamiento

A cabo de noventa días de almacenamiento, las muestras de mermelada de damasco almacenadas bajo diferentes condiciones de temperatura y tipo de envase de polietileno no mostraron diferencias significativas (p<0.05) en el sabor, al contrastadas con la mermelada testigo recién elaborada (ver tabla 6), según test discriminatorio aplicado (31,34).

Desde el punto de vista químico, se hizo un seguimiento de la acidez de las muestras de mermelada cuantificando la concentración de ácido cítrico presente, teniendo como objetivo determinar indirectamente actividad de microorganismos. Al inicio de este ensayo, la concentración de ácido cítrico resultó ser de 1%, valor que no sufrió mayormente grandes variaciones a lo largo de los días de almacenamiento de las muestras, independientemente del grosor del envase de polietileno o de las temperaturas de almacenamiento.. Los valores se pueden apreciar en la Tabla 7

En lo que respecta a los ensayos microbiológicos, completado 90 días de almacenamiento no se detectó crecimiento de hongos y levaduras de acuerdo a las condiciones especificadas del ensayo.

Tabla 7

Variación de la acidez* de la mermelada de damasco según temperatura y grosor del envase

* % ácido cítrico

La Tabla 8 resume la caracterización químico proximal de la mermelada hipocalórica de damasco. En estos resultados destaca la importante disminución del contenido de azúcares llegando solamente a un 32%. Este valor contrasta con el encontrado en mermeladas tradicionales donde estos energético ambos productos. Así las mermeladas comunes que se comercializan en Chile presentan valores promedios de 260 kcal/100g, con rangos que oscilan entre 300Kcal y 240 Kcal (12). Como contraparte, las mermeladas hipocalóricas aportan en promedio 141 kcal/100g. Esta cifra es superior al resultado obtenido con la mermelada optimizada de damasco que alcanzó un valor de 132 Kcal/100g, representando una buena alternativa para el segmento de consumidores que prefiere este tipo de productos. En lo que respecta al contenido de fibra dietaria el valor encontrado (2.5%) en la formulación optimizada se puede considera importante para los consumidores por las características beneficiosas para la salud extensamente informada en la literatura.

Tabla 8

Caracterización químico proximal de mermelada hipocalórica optimizada de damasco

* Nx 6.25; ** Por diferencia

CONCLUSIONES

• Como resultado de la aplicación de la metodología Taguchi para optimizar la formulación de mermelada dietética de damasco, de los cinco factores de control estudiados se demostró a través de los análisis de regresión y de varianza que los que influyen significativamente en la calidad sensorial fueron espesante en su nivel mayor de trabajo, lo mismo sucedió con la mezcla edulcorante (sacarosa/aspartame), mientras que la variable aromatizante lo hizo en su nivel menor. En forma conjunta estas variables independientes tienen un 82% de participación en la calidad sensorial de la mermelada.

• Conocidas las variables que influyen de manera importante en las características sensoriales de la mermelada de damasco, se anexaron los factores no significativos aromatizante y tiempo de cocción ambos en sus niveles mínimos de trabajo, con lo que fue posible obtener una ecuación teórica que refleja la mejor combinación de las variables seleccionadas en este estudio la que fue validada posteriormente con un ensayo experimental confirmatorio .

• En cuanto a la variación de las características sensoriales y químicas de la mermelada de damasco durante el almacenamiento considerando tipo de envase y temperatura, no se detectaron diferencias significativas tanto en el sabor como en la acidez del producto

• Desde el punto de vista microbiológico el producto formulado presenta una excelente estabilidad bajo las condiciones controladas del ensayo debido a que no se observó desarrollo de microorganismos durante los 90 días que duró el almacenamiento.

• La mermelada hipocalórica optimizada constituye una buena alternativa para el segmento de consumidores que prefiere este tipo de productos por razones estéticas y de salud, debido a la presencia de a) menos cantidad de hidratos de carbono con respecto a las mermeladas tradicionales, que se traduce en un valor calórico de 132 Kcal/100g inferior al promedio de similares productos similares elaborados en Chile, y b) un contenido interesante de fibra dietaria.

• Se demuestra que la metodología Taguchi es una herramienta estadística valiosa para resolver experiencias en las cuales la respuesta afecta por múltiples factores. La estrategia utilizada por esta metodología a diferencia del enfoque tradicional ensayo error, permite llegar a conclusiones válidas, disminuyendo el número de ensayos experimentales lo que influye favorablemente en el costo de las experiencias.

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