USO DE LA METODOLOGÍA DE SUPERFICIE DE RESPUESTA EN LA EVALUACIÓN DEL PARDEAMIENTO EN CAMBUR PROCESADO POR IMPREGNACIÓN AL VACÍO

Félix Rafael Millán Trujillo y Valentín Roa Tavera

Félix Rafael Millán Trujillo. M.Sc. en Ciencia y Tecnología de Alimentos, Universidad Simón Bolívar (USB). Profesor Asistente, Departamento de Tecnología de Procesos Biológicos y Bioquímicos, USB. Jefe, Sección de Ingeniería de Alimentos. Dirección: Departamento de Tecnología de Procesos Biológicos y Bioquímicos. Sección de Ingeniería de Alimentos. Edificio de Química y Procesos, Piso 1, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas, Baruta, Edo. Miranda. e-mail: fmillan@usb.ve

Valentín Roa Tavera. M.Sc. en Ciencia de Alimentos, USB. Profesor Agregado, Departamento de Tecnología de Procesos Biológicos y Bioquímicos, USB.  e-mail: vroa@usb.ve

Resumen

Se desarrolló un diseño multifactorial 2k con puntos centrales para evaluar el efecto de diferentes niveles de sulfito de sodio, ácido L-ascórbico y ácido cítrico, disueltos en jarabes de sacarosa de diferentes concentraciones, en el pardeamiento del cambur durante 4, 8 y 12 días de almacenamiento, a través de la medición del cambio neto de color (DE). Mediante el análisis de superficie de respuesta a partir de los datos experimentales, se estableció el uso óptimo de los inhibidores del pardeamiento. Se determinó, utilizando un nivel de confianza de 95%, que la impregnación al vacío utilizando un jarabe con 300 ppm (p/p) de sulfito de sodio, 1% (p/p) de ácido L- ascórbico, 1% (p/p) de ácido cítrico y 30% (p/p) de sacarosa, logró minimizar el cambio neto de color de la fruta durante ocho días de almacenamiento, aún cuando la aceptación sensorial del producto para el atributo de calidad estudiado se prolonga solo hasta el cuarto día de almacenamiento.

PALABRAS CLAVE / Cambur / Pardeamiento del Cambur / Conservación del Cambur / Métodos Combinados / Superficies de Respuesta /

Summary

A 2k multifactorial design with central points was developed in order to evaluate the effect of different levels of sodium sulfite, L-ascorbic acid, and citric acid dissolved in sucrose syrups of different concentrations during the development of banana’s browning for 4, 8 and 12 days of storage through the measurement of the net color change (DE). Optimal use of inhibitors was determined through response surface analysis from experimental data. It was observed, using a confidence level of 95%, that vacuum impregnation using a syrup with 300 ppm (w/w) of sodium sulfite, 1% (w/w) of L- ascorbic acid, 1% (w/w) of citric acid and 30% (w/w) of sucrose, minimized the net color change of the fruit during eight days of storage, even when sensory acceptance of the product to the quality attribute studied is only during four days of storage.

Resumo

Foi desenvolvido um desenho multifactorial 2k com pontos centrais para avaliar o efeito de diferentes níveis de sulfito de sódio, ácido L-ascórbico e ácido cítrico, dissolvidos em xaropes de sacarose de diferentes concentrações, no pardeamento da banana durante 4, 8 e 12 dias de armazenamento, através da medição da mudança líquida da cor (DE). Mediante a análise de superfície de resposta a partir dos dados experimentais, estabeleceu-se o uso ótimo dos inibidores do pardeamento. Determinou-se, utilizando um nível de confiança de 95%, que a impregnação ao vazio utilizando um xarope com 300 ppm (p/p) de sulfito de sódio, 1% (p/p) de ácido L- ascórbico, 1% (p/p) de ácido cítrico e 30% (p/p) de sacarose, conseguiu minimizar a mudança líquida da cor da fruta durante oito dias de armazenamento, ainda quando a aceitação sensorial do produto para o atributo de qualidade estudado se prolonga só até o quarto dia de armazenamento.

Recibido: 14/03/2001. Modificado: 29/05/2001. Aceptado: 04/06/2001

Introducción

El pardeamiento en frutas puede ser considerado como un conjunto de reacciones bioquímicas que van en detrimento de un atributo de calidad de gran importancia como lo es el color (Langdon, 1987; McEvily et al., 1992; Sapers, 1993). Dichas reacciones constituyen un gran problema para la industria procesadora de frutas, debido a la eventual generación de características sensoriales indeseables durante las etapas de manipulación y procesamiento, minimizando la vida comercial de los alimentos procesados.

Las reacciones de pardeamiento enzimático en las frutas, comienza cuando los compuestos monofenólicos, naturalmente presentes en los tejidos de frutas y vegetales, son hidroxilados a o-difenoles en presencia de oxígeno y mediante la participación de la enzima polifenol oxidasa. Seguidamente los o-difenoles son oxidados a o-diquinonas, las cuales reaccionan sin intervención enzimática para producir los compuestos responsables del pardeamiento de la fruta, mejor conocidos como melanoidinas. Por otra parte, las reacciones de pardeamiento no enzimático pueden originarse a través de la interacción entre carbohidratos reductores y el grupo amino de los aminoácidos (reacción de Maillard), mediante la caramelización de los carbohidratos y a través de la oxidación no enzimática de compuestos fenólicos naturalmente presentes en las frutas (Spark, 1969; Buera et al., 1987; Yen y Lai, 1987).

A través de los años, se han aplicado diversos tratamientos tecnológicos para maximizar la estabilidad de los tejidos vegetales comestibles, con un mínimo daño de las características de calidad. Actualmente, en el sentido de aportar soluciones a la creciente demanda mundial por el consumo de alimentos frescos, se ha promovido el desarrollo de la tecnología de métodos combinados y la aplicación refinada de la técnica a través del procesamiento mínimo de alimentos con el fin de optimizar la estabilidad química, bioquímica y microbiológica de las frutas (Parada-Arias, 1995; Tapia et al., 1996), la cual ha sido aplicada con éxito en ciertas variedades de frutas tales como manzana, mango y lechosa (Sapers et al., 1989; Sapers et al., 1990).

La presente investigación tiene como finalidad evaluar el efecto del sulfito de sodio, ácido L-ascórbico, ácido cítrico y diferentes concentraciones de sacarosa en el retardo del pardeamiento del cambur durante 4, 8 y 12 días de almacenamiento, modelar empíricamente el cambio neto de color en la fruta procesada y sin procesar y establecer una correlación entre el cambio neto de color y la percepción sensorial del color de la fruta.

Materiales y Métodos

Diseño experimental

Se desarrolló un diseño multifactorial 2k con puntos centrales (Montgomery, 1991), considerando como variables operacionales las concentraciones de: sulfito de sodio anhidro (98%; Sigma Chemical Co. St. Louis, USA), ácido L-ascórbico (Research Organics Inc. Cleveland, Ohio USA), ácido cítrico (99,7%; BDH AnalaRâ) y sacarosa obtenida de un establecimiento comercial. Los niveles de las variables y el orden aleatorio de corrida de los tratamientos se muestran en la Tabla I. Adicionalmente, la incorporación de 0,2% (p/p) de sorbato de potasio (J. T. Barker Inc. Phillipsburg, USA), para proporcionar estabilidad microbiológica a la fruta durante el almacenamiento, y la aplicación de un pulso único de vacío como técnica de aceleración de la transferencia de masa, fueron consideradas como condiciones operativas fijas (Sapers et al., 1990; Fito y Pastor, 1994; Fito et al., 1996). Finalmente, se realizaron dos réplicas del diseño experimental en un solo bloque, para cada periodo de tiempo considerado (ver empacado y almacenamiento).

Preparación de las muestras

Las frutas se adquirieron en el comercio de la localidad, seleccionando aquellas con características similares de forma, tamaño y color. El cambur (Musa sapientum) fue cortado en láminas de 1cm de espesor, las cuales se sumergieron en los jarabes de sacarosa (contenidos en envases de vidrio a temperatura ambiente), con las diferentes concentraciones de aditivos consideradas en el diseño experimental

Impregnación al vacío

Las muestras, inmersas en las diferentes soluciones de tratamiento, se colocaron en un desecador modelo F42010 con válvula (Sciencewareâ, New Jersey, USA) conectado a una bomba de vacío modelo SA55JXGTD-144 (Emerson, St. Louis, USA). Finalmente, se aplicó un pulso único de vacío de 350 mmHg durante 20s.

Empacado y almacenamiento

Los trozos de fruta sometidos a los diferentes tratamientos fueron empacados en bolsas de polietileno de baja densidad de 0,0004 pulgadas de espesor y se almacenaron a 5ºC durante 4, 8 y 12 días, determinándose el cambio neto de color al finalizar cada periodo de almacenamiento.

Determinación instrumental del color

El pardeamiento de la fruta se estableció mediante el cálculo del cambio neto de color DE = ((DL)2+(Da)2+(Db)2)0,5 tomando como referencia los parámetros L, a y b en la fruta fresca (Kanterewicz y Chirife, 1986; Bolin y Steele, 1987; Bae y Lee, 1990; Moon et al., 1992; Brecht et al., 1993; Núñez et al., 1995; Gil et al., 1998), a través de un colorímetro Hunter Lab modelo Miniscan (Hunter Associates Laboratory, 1995), determinándose por duplicado los parámetros L, a y b y utilizando como condiciones de control la escala Hunter, iluminante C y geometría de instrumento 45º/0º.

Evaluación sensorial del color

Con la finalidad de establecer una correlación entre el cambio neto de color y la aceptación sensorial de la fruta para dicha característica, se seleccionaron aquellas condiciones que minimizaron el cambio neto de color en la fruta y se evaluó dicha variable, así como la aceptación sensorial del producto mediante una escala hedónica de nueve puntos (1= me disgusta el color extremadamente, 9= me agrada el color extremadamente), utilizando para ello quince panelistas semi-entrenados (n= 15), durante siete días consecutivos de almacenamiento a 5ºC.

Análisis estadístico de las superficies de respuesta

Mediante el análisis de varianza desarrollado con el programa estadístico Design Ease 2.0 (Stat-Ease Incorporated, Minneapolis, USA), se evaluó el efecto de los distintos tratamientos considerados en el cambio neto de color de la fruta, la presencia de curvatura significativa en la variable respuesta al pasar del nivel bajo al nivel alto de cada factor y el modelo polinomial ajustado. Las superficies de respuesta se construyeron posteriormente con el modelo regresional previamente ajustado y evaluado, mediante el programa MatLab para Windows. En todos los análisis estadísticos desarrollados, se consideró un nivel de confianza de 95% (Guerrero et al., 1996).

Las condiciones que minimizaron el cambio neto de color en la fruta, en la etapa de análisis de las superficies de respuesta, se evaluaron durante siete días consecutivos de almacenamiento a 5ºC, a fin de modelar empíricamente la cinética del cambio neto de color en el cambur.

Resultados y Discusión

El comportamiento de los aditivos inhibidores del pardeamiento utilizados en la presente investigación, así como sus interacciones, fue similar durante los tres periodos de almacenamiento considerados (4, 8 y 12 días). Sin embargo, el efecto de las interacciones observadas no resultó estadísticamente significativo en el día doce de almacenamiento. Esto sugiere que aún cuando el comportamiento de los inhibidores fue similar, no se observó un cambio estadísticamente significativo en el cambio neto de color de la fruta al variar la concentración de los aditivos del nivel bajo al alto en el duodécimo día de almacenamiento, en donde la formación de pigmentación marrón en la fruta fue lo suficientemente intensa como para impedir la visualización de un efecto estadísticamente importante de las variables estudiadas.

Por el contrario, hasta el octavo día de almacenamiento, se observó un efecto significativo del sulfito de sodio y los niveles de sacarosa utilizados, en la minimización del cambio neto de color en la fruta, en tanto que los efectos principales del ácido cítrico y L-ascórbico no resultaron importantes desde el punto de vista estadístico (Tabla II). Es importante destacar que las interacciones entre el sulfito de sodio, el ácido cítrico y el ácido L-ascórbico, resultaron de importancia en el retardo del cambio neto de color del cambur durante ocho días de almacenamiento, aún cuando los efectos principales de los dos últimos aditivos no fueron estadísticamente significativos.

No se evidenció a través del análisis de varianza del modelo regresional, la existencia de curvatura estadísticamente significativa (p > 0,05) en los efectos de los factores estudiados, por lo que la construcción de un modelo polinomial de primer orden con términos de interacción, en donde A, B, C y D, representan los factores sulfito de sodio, ácido L-ascórbico, ácido cítrico y sacarosa respectivamente, resultó apropiado (p<0,05), por cuanto el mismo logró explicar alrededor del 95% de la variabilidad de los datos experimentales (ecuación 1 y Tabla III).

1/DDE=0,206860+0,004873(A)–0,000380(B)+0,001996(C)+0,005147(D)+0,008106(AB)+0,006652(AC)–0,002198(AD)+0,003807(BC)–0,002557(BD)–0,001380(CD)–0,006654(ABC)+0,007685(ACD)+0,006150(BCD) (1)

La Figura 1 muestra la superficie de respuesta de las interacciones significativas entre el sulfito de sodio, el ácido L-ascórbico y el ácido cítrico, durante los primeros ocho días de almacenamiento de la fruta. El uso del nivel alto (+1) de sulfito de sodio y ácido L-ascórbico exhibió un efecto sinergístico aditivo en el retardo del oscurecimiento del cambur en el almacenamiento. Por el contrario, la disminución de la concentración de cualquiera de los dos aditivos previamente mencionados, se correlacionó con un marcado oscurecimiento de la fruta (Figura 1a). Así, se minimizó el cambio neto de color en la fruta, al emplear concentraciones de 300 ppm (p/p) de sulfito de sodio y 1% (p/p) de ácido ascórbico en la solución de impregnación. El efecto sinergístico aditivo observado pudiera explicarse mediante los resultados obtenidos previamente por McEvily et al., 1992 y Sapers, 1993, en donde el sulfito de sodio y el ácido L-ascórbico podrían estar actuando en conjunto como agentes reductores de las o-diquinonas formadas por la acción enzimática sobre los compuestos monofenólicos naturalmente presentes en los tejidos vegetales comestibles.

En diversas investigaciones se ha cuestionado la efectividad del ácido L-ascórbico como inhibidor del pardeamiento en frutas, debido a su poca estabilidad química, la cual puede propiciar su oxidación a ácido dehidroascórbico, limitando de esa forma su acción reductora como aditivo y favoreciendo la formación de pigmentos pardos en diversas frutas (Liao y Seib, 1987; Beveridge y Weintraub, 1995). Sin embargo, en la presente investigación se observó un efecto sinergístico importante con el sulfito de sodio, el cual, aún cuando no puede ser explicado con exactitud mediante los resultados obtenidos, si puede ser aproximado a los resultados obtenidos en otras investigaciones, en las cuales se propone que las quinonas formadas por la acción de la polifenoloxidasa en frutas, pueden ser reducidas por sulfitos, formándose de esa forma sulfonatos y sulfatos que a su vez pueden reducirse nuevamente por la intervención del ácido L-ascórbico, produciendo de esa forma la regeneración de los sulfitos y el retardo del pardeamiento de la fruta (Cort, 1982; Lambelet et al., 1985). Además, tanto los sulfitos como el ácido L-ascórbico pueden establecer una rápida interacción con el oxígeno, limitando de esa forma los eventos oxidativos catalizados por la polifenoloxidasa y peroxidasa en frutas (Liao y Seib, 1987).

Figura 1. Superficies de respuesta del efecto de las interacciones (a): sulfito de sodio – ácido L-ascórbico; (b) ácido L-ascórbico – ácido cítrico y (c): sulfito de sodio – ácido cítrico en el cambio neto de color (DE) para el octavo día de almacenamiento del cambur mínimamente procesado por impregnación al vacío.

El incremento de la concentración de ácido L-ascórbico en la formulación de los jarabes de impregnación, en presencia de bajas concentraciones de ácido cítrico, resultó en el oscurecimiento significativo de la fruta (Figura 1b). Sin embargo, la utilización de ambas variables en el nivel alto, demostró nuevamente un efecto sinergístico aditivo. Es importante destacar que se logró optimizar el retardo del cambio neto de color en la fruta al incrementar la concentración de ácido cítrico en los jarabes de impregnación, al mismo tiempo que se utilizó la máxima concentración de ácido L- ascórbico considerada en el estudio. Así, el efecto observado en el pardeamiento de la fruta al utilizar concentraciones de 1% de ácido cítrico en las formulaciones, pudiera ser atribuido a las propiedades quelantes y acidulantes del ácido, el cual propició la desviación del pH óptimo requerido para la actividad de las enzimas responsables del pardeamiento en frutas (4,5-8,0), dado que el pH de la solución de impregnación fue 2,52. Por otra parte, el ácido cítrico pudo actuar como un agente quelante de los iones con función de grupo prostético, necesarios para la actividad de las enzimas involucradas en el oscurecimiento del cambur (Langdon, 1987; McEvily et al., 1992).

La interacción observada entre el ácido cítrico y el ácido L-ascórbico puede explicarse por la capacidad acidulante y quelante del primero el cual actúa como coadyuvante de la estabilidad química del ácido L-ascórbico a través de la quelación de iones metálicos, que de otra forma interactuarían con el mencionado compuesto, limitando su capacidad reductora y su efecto inhibitorio en las reacciones de oscurecimiento (Liao y Seib, 1987).

La evaluación de la interacción observada entre el sulfito de sodio y el ácido cítrico reveló un comportamiento similar a los efectos sinergísticos descritos con anterioridad, lográndose minimizar el oscurecimiento de la fruta impregnada mediante la utilización de los niveles altos considerados en el diseño de las formulaciones, para ambos factores (Figura 1c). Es probable que la acción combinada del efecto quelante y acidulante del ácido cítrico, aunado a la actividad reductora del sulfito de sodio, permitan explicar el efecto sinergístico aditivo observado entre ambas variables.

Por otra parte, la impregnación de la fruta con jarabes de sacarosa al 30% (p/p) contribuyó a minimizar el oscurecimiento de la fruta en mayor medida que la utilización de jarabes con 50% (p/p) de sacarosa.

Dado que la utilización de 300 ppm (p/p) de sulfito de sodio, 1% (p/p) de ácido L-ascórbico y 1% (p/p) de ácido cítrico, en jarabes formulados con 30% (p/p) de sacarosa, contribuyó a minimizar el oscurecimiento del cambur procesado por impregnación al vacío durante ocho días de almacenamiento en refrigeración, se procedió, durante siete días de almacenamiento (Figuras 2a y 2b), a modelar empíricamente el cambio neto de color y establecer su correlación con la evaluación sensorial de la fruta.

El cambio neto de color en la fruta procesada por impregnación al vacío y en la fruta fresca, puede ser fácilmente predicho como una función de la raíz cuadrada del tiempo de almacenamiento de la fruta (ecuaciones 2 y 3 respectivamente). Es importante destacar que la expresión matemática para la fruta fresca (Ec. 3), logró predecir el 97,18% de la variabilidad de los datos experimentales (R2= 0,9718), en tanto que la ecuación construida para la fruta procesada fue capaz de predecir el 97,83% de los datos experimentales (R2= 0,9783)

DE= -1,17541+8,2069(t)0,5 (2)

DE= 2,01954+10,1202(t)0,5 (3)

Figura 2. Evolución y ajuste regresional del cambio neto de color (DE) en la fruta fresca (a) y procesada mediante impregnación al vacío (b), durante siete días de almacenamiento a 5ºC.

Se nota claramente como la incorporación de aditivos en el cambur procesado por impregnación al vacío reduce la pendiente o tasa de cambio neto de color en la fruta, lo cual se traduce en un retraso del pardeamiento de la misma. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, la predicción del cambio neto de color suministra poca información si no se relaciona con la evaluación sensorial del producto.

Figura 3. Correlación entre la evaluación sensorial del color y el cambio neto de color (DE) del cambur mínimamente procesado mediante impregnación al vacío.

En la Tabla IV se muestran los resultados de la evaluación sensorial del color de la fruta y en la Figura 3 se muestra la correlación estadística entre los datos de la evaluación sensorial de la fruta procesada y la magnitud del cambio neto de color en el cambur, obtenidos durante los siete días de almacenamiento. Se obtuvo un coeficiente de correlación lineal de Pearson (r= -0,977) estadísticamente significativo para un nivel de confianza del 95%, entre ambas variables. A partir de la correlación se ajustó un modelo para predecir la aceptación sensorial del color de la fruta en función del cambio neto de color, con una habilidad predictiva del 95,64% (R2= 0,9564) sobre los datos experimentales (ecuación 4).

Aceptación Sensorial = 6,48885–0,126549(DE)   (4)

Así, considerando el punto intermedio (5) de la escala hedónica como el límite a partir del cual la aceptación sensorial del color de la fruta comienza a ser objetable, se obtiene que ello representa un cambio neto de color de aproximadamente 11,76. Al utilizar la ecuación 2, se tiene que el cambio neto de color anteriormente mencionado se traduce en un periodo de almacenamiento del cambur procesado de aproximadamente 3 días, lo cual se corresponde con la información presentada en la Tabla IV.

En conclusión, aún cuando la impregnación al vacío del cambur con la solución de inhibidores del pardeamiento logró minimizar el cambio neto de color de la fruta durante ocho días de almacenamiento, la aceptación sensorial del producto determina una vida útil entre 3 y 4 días de almacenamiento en refrigeración, lo cual limita la aplicación comercial de este tipo de técnicas a operaciones industriales en donde el tiempo transcurrido entre los procesos de manufactura y el consumo, sea relativamente corto y en donde puedan procesarse ciertas cantidades de frutas para su utilización en el futuro inmediato. Desde ese punto de vista, el procesamiento mínimo del cambur por impregnación al vacío se perfila como una técnica factible en empresas como los servicios de alimentación institucionalizados, requiriéndose, para otras aplicaciones comerciales, condiciones más drásticas de proceso que permitan extender la vida útil del producto.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Decanato de Investigación y Desarrollo de la Universidad Simón Bolívar por la ayuda económica prestada para la realización de la presente investigación.

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