Efecto de la temperatura en el comportamiento reológico de la pulpa de níspero (Achras sapota L.)

Temperature effect on the rheological behavior of sapodilla (Achras sapota L.) pulp

R.D. Andrade^1*, R. Torres¹, E.J. Montes¹, O.A. Pérez¹, L.E. Restan² y R.E. Peña²

1 Departamento de Ingeniería de alimentos, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Córdoba, Montería Kra 6 Nº 76-103, Colombia

² Ingeniería de alimentos, Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Córdoba.

^1* Autor de correspondencia e-mail: randrade@sinu.unicordoba.edu.co; ricardoandradep@yahoo.com

Resumen

El níspero (Achras sapota L.) es una fruta exótica, de gran consumo por su sabor y aroma agradable. Sin embargo es una fruta que no ha sido ampliamente utilizada para el procesamiento industrial. En este trabajo se determinó el efecto de la temperatura sobre el comportamiento reológico de la pulpa de níspero en el intervalo de 10ºC a 70ºC. La pulpa de níspero fue obtenida en la planta piloto de frutas y hortalizas de la Universidad de Córdoba sede Berástegui (Colombia), mediante refinadora de malla de abertura 1,5 mm, se empacaron en bolsas herméticas y posteriormente se refrigeraron a 4ºC. Las medidas reológicas fueron determinadas en un viscosímetro Brookfield modelo DV-II + Pro. La pulpa de níspero fue descrita adecuadamente por el modelo de la ley de potencia exhibiendo un comportamiento seudoplástico, sin presencia de tixotropía. La temperatura no influyó significativamente en el índice de comportamiento al flujo (n), pero si sobre el índice de consistencia (k), sin embargo no se ajustó al modelo de Arrhenius.

Palabras clave: pulpa de níspero, reología, seudoplástico, ley de potencia, modelo de Arrhenius.

Abstract

Sapodilla (Achras Sapota L.) is an exotic fruit, which is very consumed for its nice taste and appetizing. However, it is a fruit that has not been widely used in industrial processing. In this work, the temperature effect on the rheological behaviour of sapodilla pulp in the interval from 10ºC to 70ºC was determined. The sapodilla pulp was obtained from the Pilot Plant of Fruit and Vegetables, University of Cordoba, in Berastegui (Colombia), through net refinery 1.5 mm opening; they were packed into hermitic bags and subsequently refrigerated to 4ºC. The rheological measurements were determined in a DV-II +Pro model Brookfield viscometer. The medlar pulp was adequately described by the power law model and showed shear thinning behaviour, it did not present tixotropic. Temperature did not influence significantly in flow behaviour index (n), but on the consistency index (k), nevertheless it did not adjust to the Arrhenius model.

Key words: sapodilla pulp, rheology, pseudo plastic, power law, Arrhenius model

Recibido el 9-3-2009 Aceptado el 25-6-2009

Introducción

El Níspero común (Achras sapota L.), es una fruta ampliamente conocida en países como México, Guatemala, Belice, Venezuela y Estados Unidos, donde se cultiva comercialmente, con amplio valor económico (Espinal et al., 2006). Es un fruto exótico y apetitoso, posee carbohidratos (20,8%), minerales (hierro, fósforo, entre otros), ácidos orgánicos (ácido ascórbico) y vitaminas. A partir de la pulpa se pueden obtener ensaladas, jugos, compotas, vinagre, helados y/o añadirse a panes y tortas (Pajajoy et al., 2003).

La reología de las pulpas y jugos tiene una gran importancia en la industria del procesamiento de frutas, incluyendo aplicaciones tecnológicas, sensoriales y de ingeniería, como, por ejemplo, proyectos de bombas, tuberías, intercambiadores de calor y tanques de mezclado (Torralles et al., 2006). Estos estudios han sido considerados como una herramienta analítica para proveer información fundamental de la estructura de los alimentos y juega un papel importante en la transferencia de calor a los flujos. Las propiedades reológicas de los alimentos están fuertemente influenciadas por la temperatura, concentración y estado físico de dispersión (Ahmed et al., 2007).

El modelo matemático más utilizado para la caracterización reológica es el de la ley de potencia (Ec. 1) debido a su gran aplicabilidad, donde se relaciona la fuerza de cizallamiento con la variación del gradiente de cizalla (Torralles et al., 2006). Este modelo ha sido utilizado para describir el comportamiento reológico de la pulpa de mango (Mangífera indica L-Keitt) centrifugado de 10°C a 60°C (Vidal et al., 2004), pulpa de arándano (Vaccinium corymbosum L.) de 25°C a 60°C (Nindo et al., 2007) y miel de abeja de 10°C a 50°C (Pereira et. al., 2003).

donde: t es el esfuerzo cortante, g es el gradiente de cizalla, k es el índice de consistencia y n es el índice de comportamiento al flujo.

Los alimentos consumidos están sometidos continuamente a cambios de temperatura. Empezando por el proceso de elaboración y pasando por los periodos de transporte y almacenamiento, donde las condiciones de temperatura a que son sometidos los alimentos pueden variar notablemente. Por este motivo es muy importante conocer sus propiedades reológicas en función de la temperatura. Son muchos los autores que en sus investigaciones correlacionan el efecto que la temperatura ejerce sobre la viscosidad mediante una ecuación de tipo Arrhenius (Haminiuk et al., 2006; Garza, 1999).

El efecto de la temperatura sobre los parámetros reológicos se describe generalmente con un modelo lineal para el índice de comportamiento al flujo (Ec. 2) y una ecuación tipo Arrhenius (Ec. 3) para el índice de consistencia (Vidal et al., 2004).

n= a+bT          (Ec. 2)

donde: a y b, son constantes que se determinan experimentalmente, T es la temperatura absoluta (K), R es la constante de los gases (8,314 J. mol^-1 K^-1), Ea es la energía de activación al flujo (J. mol^-1) y A es una constante del material (Pa.sⁿ).

El objetivo de este estudio fue determinar el comportamiento reológico y el efecto de la temperatura sobre los parámetros de flujo de la pulpa de níspero.

Materiales y métodos

Materia prima

Los frutos de níspero utilizados provenían del corregimiento de Retiro de los indios (Cereté, Córdoba, Colombia), en estado de madurez comercial y libre de daños mecánicos.

Obtención de la pulpa

Los frutos de níspero seleccionados, se lavaron y escaldaron a 90ºC por 5 minutos. Las pulpas se obtuvieron mediante refinadora de malla de abertura 1,5 mm, se empacaron en bolsas herméticas y posteriormente se refrigeraron a 4ºC.

Análisis fisicoquímico de la pulpa de níspero

En la pulpa de níspero se determinó el pH por el método 970,21 (AOAC, 1997) con un potenciómetro marca Mettler Toledo, modelo GmbH; la acidez total titulable, método 942,15 (AOAC, 1997), expresado en porcentaje de acido cítrico y los sólidos solubles totales directamente en un refractómetro marca Mettler Toledo, modelo 30 px.

Medidas reológicas

Se empleó la metodología descrita según los protocolos de preparación de muestra del viscosímetro de referencia Brookfield modelo DV-II + Pro; tomando 400 mL de muestra de la pulpa de níspero y colocándola en un Beaker de 600 mL. Seleccionando la aguja adecuada del viscosímetro teniendo en cuenta que el porcentaje de torque estuviera entre 10 y 100%, se colocó la muestra en el equipo y se realizó una corrida en forma ascendente (0 a 100 rpm) manteniendo por 5 minutos la muestra a la máxima velocidad (100 rpm) y otra en forma descendente (100 a 0 rpm), determinando la viscosidad aparente para cada velocidad rotacional. Este procedimiento se efectuó para cada temperatura (10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70°C).

Para establecer el comportamiento tixotrópico de la pulpa de níspero, los datos de velocidad de rotación (rpm) y viscosidad aparente se analizaron estadísticamente por medio de análisis de varianza para determinar si había diferencias significativas entre las curvas de ascenso y descenso de cada uno de los tratamientos.

El gradiente de cizalla fue obtenido a partir de la velocidad rotacional (Ec. 4), por medio del método aplicado por Mistchka (Briggs y Steffe, 1997).

donde g es el gradiente de cizalla en unidades de s^-1, N es la velocidad de rotación en min^-1 y n es el índice de comportamiento al flujo.

El efecto de la temperatura fue definido por medio de un modelo lineal para la relación con el índice de comportamiento al fluido (Ec. 2) y de tipo Arrhenius para la relación con el índice de consistencia (Ec. 3).

Análisis estadístico

Se realizó un diseño completamente al azar con un solo factor y siete niveles (10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70°C) con tres repeticiones por tratamiento bajo una estructura de tratamiento simple. Los datos obtenidos de viscosidad aparente y velocidad de rotación, fueron ajustados al modelo de ley de Potencia. El análisis de los ajustes de los modelos a los resultados experimentales se realizó a través de los parámetros estadísticos de coeficiente de determinación (R²) y las pruebas de validación de supuestos para cada uno de ellos, utilizando el programa estadístico SAS versión 8.0 (SAS, 1999).

Resultados y discusión

Análisis fisicoquímico de la pulpa de níspero

Los datos de los análisis fisicoquímicos (cuadro 1) son similares a los publicados por Pajajoy et al. (2003) y De Paula (2004). Sin embargo los valores de pH más bajos y de acidez titulable según lo indicado por De Paula (2004), se puede deber a que la pulpa presentó una fermentación temprana ocasionada por actividad microbiana.

Cuadro 1. Composición fisicoquímica de la pulpa de níspero.

Comportamiento reológico de la pulpa de níspero

El análisis de varianza efectuado a la variable de viscosidad aparente (Pa.s) para los datos de ascenso y descenso, indican que no existen diferencias significativas entre las curvas de ascenso y descenso con un nivel de confianza del 95%. Esto quiere decir que la pulpa de níspero presenta un comportamiento al flujo independiente del tiempo, lo cual se puede deber a que no se presentó ruptura del fluido ocurrido durante el experimento, por lo tanto no existe una variación significativa de la viscosidad aparente con el tiempo de aplicación.

El modelo de ley de potencia describe adecuadamente (R² ≥ 0,981) el comportamiento de flujo de la pulpa de níspero (cuadro 2). Este modelo ha sido utilizado para describir el comportamiento al flujo de diversos productos como pulpa de mango (Vidal et al., 2004, Branco y Gasparetto, 2003; Dak et al., 2006; Dak et al., 2007.), guayaba (Sánchez et al., 2006), cereza de las indias (Da Silva et al., 2005) jugo de zanahoria pasteurizado (Vandresen et al., 2009) y miel de abeja (Pereira et al., 2003).

Cuadro 2. Parámetros de la ley de Potencia para la pulpa de níspero.

La pulpa de níspero presenta índices de comportamiento al flujo (n) menor que uno (0,119 a 0,224), lo que indica que es un fluido seudoplástico. El índice de consistencia (k) presentó valores en el intervalo de 77,51 Pa*sⁿ a 129,19 Pa*sⁿ; estos valores muestran la alta viscosidad de la pulpa de níspero, si se comparan con los valores encontrados en la pulpa de mango a 16,6°Brix de 3,41 Pa*sⁿ a 4,57 Pa*sⁿ, en el intervalo de 10°C a 60°C (Vidal et al., 2004), en la pulpa de papaya de 12 a 51°Brix de 0,7 Pa*sⁿ a 15,3 Pa*sⁿ en el intervalo de 25°C a 55°C (Telis et al., 2003). Sin embargo, los valores de índice de comportamiento al flujo (n) para las pulpas mencionadas (0,240 > n > 0,154) son similares a los de la pulpa de níspero. Todo esto obedece a la diferente naturaleza del producto y características fisicoquímicas y estructurales de la pulpa.

Desde el punto de vista industrial, la disminución en la viscosidad de la pulpa de níspero con el gradiente de cizalla facilitaría el flujo y el intercambio de calor durante el procesamiento. Se conoce que los fluidos con más baja viscosidad tienen la más bajas pérdidas de cabeza durante el flujo, resultando en poca demanda de energía para el proceso (Haminiuk et al., 2006).

La representación gráfica del esfuerzo cortante en función del gradiente de cizalla, ajustados por el modelo de la ley de potencia, son representados en la figura 1. Los reogramas de la pulpa de níspero en las temperaturas de 20 a 70ºC son similares, puede observarse que para un valor fijo de gradiente de cizalla, el valor de esfuerzo cortante es parecido dentro de este intervalo de temperatura. Este comportamiento también fue observado en la pulpa de guayaba integral (Ferreira et al., 2002).

Por otra parte, se observó un cambio en el intervalo de 10 a 20°C, similar al observado en la pulpa de zarzamora (Haminiuk et al., 2006) para este mismo intervalo de temperatura y en la pulpa de mango integral (Vidal et al., 2004) para el intervalo de temperatura de 20 a 30ºC, lo cual puede ser explicado por un posible aumento de movilidad y consecuente interacción entre fibras suspendidas.

Efecto de la temperatura en el índice de flujo e índice de consistencia

El análisis de varianza mostró que no existen diferencias estadísticamente significativas, P≤0,05 (cuadro 3) en lo que se refiere al efecto que tiene la temperatura sobre el índice de comportamiento al flujo (n). Esto concuerda con lo obtenido para el jugo de mango kesar (Dak et al., 2007), el jugo de mango totapuri (Dak et al., 2006) y para la pulpa de zarzamora (Haminiuk et al., 2006).

Cuadro 3. Análisis de varianza para el índice de comportamiento al flujo (n).

El índice de comportamiento al flujo (n) no presentó una tendencia bien definida con la variación de la temperatura, ni se ajusta al modelo lineal (R² = 0,54), pero en el intervalo de 10ºC a 40ºC, presenta un aumento de 17,9% (0,190 hasta 0,224), perdiendo seudoplasticidad debido a que el valor de n aumenta. Sin embargo, en el intervalo de 40ºC a 70ºC, presentó una disminución de 37,4%, indicando mayor seudoplasticidad a medida que aumenta la temperatura. Esto se puede explicar por el hecho de que el tratamiento térmico compromete la estructura química cambiando las características fisicoquímicas de la pulpa (Pagan, 1999).

Para el índice de consistencia (k) el análisis de varianza (cuadro 4) mostró diferencias estadísticamente significativas (P≤0,05). La prueba de comparación de medias de Tukey para el índice de consistencia (cuadro 5), muestra que el índice de consistencia a 10ºC, es diferente a las demás temperaturas.

Cuadro 4. Análisis de varianza para el índice de consistencia (K).

Cuadro 5. Test de Tukey para el índice de consistencia (K).

La influencia de la temperatura sobre el índice de consistencia (k) no se ajustó al modelo de Arrhenius (R² = 0,28). En el intervalo de 10ºC a 40ºC, el índice de consistencia presenta una disminución, sin embargo, en el intervalo de 40ºC a 70ºC, este parámetro aumenta. Igual comportamiento presenta la pulpa de mango (Vidal et al., 2006). Es posible que la pulpa de níspero haya perdido humedad, debido a la agitación, provocando que las moléculas de agua se orienten en dirección del flujo, desplazándose a la superficie y por consiguiente se vea comprometido el índice de consistencia, el cual está muy relacionado con las características fisicoquímicas de la pulpa. En el índice de consistencia de fluidos alimentarios no newtonianos, el tratamiento térmico presenta un mayor efecto que para el índice de comportamiento al flujo (Vidal et al., 2006).

Conclusiones

La viscosidad aparente de la pulpa de níspero no tuvo un cambio ocasionado por el esfuerzo cortante con respecto al tiempo, indicando que ésta no presenta un comportamiento tixotrópico.

El comportamiento de la pulpa de níspero en el intervalo de temperatura de 10°C a 70°C está representado por la ley de potencia, presentando un comportamiento seudoplástico debido a la disminución de la viscosidad aparente a medida que aumenta el gradiente de cizalla.

La temperatura no ejerce una influencia estadísticamente significativa sobre el índice de comportamiento al flujo (n), mientras que en el índice de consistencia (k) si ejerce una influencia. Pero ésta no presentó un ajuste adecuado al modelo de Arrhenius frente al índice de consistencia (k).

Para facilitar el flujo y el intercambio de calor durante el procesamiento de la pulpa de níspero, este se debe realizar a una temperatura entre 20 y 70°C, debido a que en este intervalo se presentan valores de viscosidad aparente menores que a 10°C.

Literatura citada

1. Ahmed, J., H. Ramaswamy y K. Sashidhar. 2007. Rheological characteristics of tamarind (Tamarindus indica L.) juice concentrates. Food Sci. Technol-LEB. 40(2):225-231.         [ Links ]

2. AOAC. 1997 Association of Official Analytical ChemistsAOAC, Official Methods of Analysis, 16th ed, Arlington, Virginia.         [ Links ]

3. Branco, I.G. y C.A. Gasparetto. 2003 Response surface methodology applied to the study of temperature effect on the rheological behavior of ternaries mixtures with mango pulp and orange and carrot juices. Ciênc. Tecnol. Aliment. 23(supl):166-171.         [ Links ]

4. Briggs, J. y L. Steffe. 1997. Using brookfield data and the mitschka method to valuate power law foods. J. Texture Stud. 28(5):517-522.         [ Links ]

5. Dak, M., R.C. Verma y G.P. Sharma. 2006. Flow characteristics of juice of "Totapuri" mangoes. J. Food Eng. 76(4):557-561.         [ Links ]

6. Dak, M., R.C. Verma y S.N.A. Jaaffrey. 2007. Effect of temperatura and concentration on rheological properties of "Kesar" mango juice. J. Food Eng. 80(4):011-1015.         [ Links ]

7. Da Silva, F., D. Guimaraes y C. Gasparetto. 2005. Rheology of acerola juice: effects of concentration and temperature. Ciênc. Tecnol. Aliment. 25(1):121-126.         [ Links ]

8. De Paula, C.D., Y.I. Pastrana, L.A. Lora y A.J. Guardo. 2004. Efectos de aplicación de métodos químicos y físicos para transformación industrial de pulpa de níspero (Achras sapota L.) I. Características fisicoquimicas. Revista Temas Agrarios. 9(2):3-22.         [ Links ]

9. Espinal, C., H. Martinez y Y. Peña. 2006. La cadena de los frutales de exportación en Colombia. Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Observatorio Agrocadenas. Documento de trabajo No. 67. 1-68 p.         [ Links ]

10. Ferreira, G., A.J. de Melo, R.S. da Conceição y C.A. Gasparetto. 2002. Efeito da temperatura no comportamento reológico das polpas de caju e goiaba. Rev. ciênc. exatas nat. 4(2):175-184.         [ Links ]

11. Garza, S. 1999. Caracterización reológica, microbiológica y cinéticas de deteriorio en cromogenado de melocotón. Tesis doctoral de la Universitat de Lleida (1996). Biblioteca Virtual Miguel de Cervantes, Alicante, España. 1-174 pp.         [ Links ]

12. Haminiuk, C., M. Sierakowski, D. Izidoro y M. Masson. 2006. Rheological Characterization of Blackberry Pulp. Braz. J. Food Technol. 9(4):291-296.         [ Links ]

13. Nindo, C., J. Tang, J. Powers y P. Taknar. 2007. Rheological properties of blueberry puree for processing applications. LWT- Food Science and Technology 40(2):292-299.         [ Links ]

14. Pagan, J. 1999. Degradación enzimática y características físicas y químicas de la péctina del bagazo de melocotón. Tesis doctoral de la Universitat de Lleida (1996). Biblioteca Virtual Miguel de Cervantes, Alicante, España. 1-138 pp.         [ Links ]

15. Pajajoy, V.B., A. Caicedo y L.E. Ordoñez. 2003. Uso agroindustrial del níspero común Achras Sapota L. Memorias X Seminario Nacional y IV Internacional Sobre Especies Promisorias, Artículos sobre Especies Vegetales, Nº 58. Medellín, Colombia.         [ Links ]

16. Pereira, E., A. Queiroz y R. Feitosa. 2003. Comportamento reológico de mel da abelha urucu (Melípona scutellaris, L.). Rev. ciênc. exatas nat. 5(2):179-186.         [ Links ]

17. Sánchez C., R. Oria y A.C. Sánchez-Gimeno. 2006. Efecto de la temperatura en laspropiedades reológicas de purés de guayaba (Psidium Guajaba L.). Simposio Poscosecha 2006. Orihuela, Valencia, España.         [ Links ]

18. SAS Institute Inc. 1999. SAS OnlineDoc^®, Version 8, Cary, NC.         [ Links ]

19. Telis, J., L. Guizzo y V. Telis. 2003. Rheological Properties of Rehydrated Papaya. Braz. J. Food Technol. 6(2):221-227.         [ Links ]

20. Torralles, R., J. Vendruscolo y C. Vendruscolo. 2006. Reológia de purê homogeneizado de Pêssego: Efeito da temperatura e concentração. Braz. J. Food Technol. 9(1): 8.         [ Links ]

21. Vandresen, S., M. Quadri, J. De Souza y D. Hotza. 2009. Temperature effect on the rheological behavior of carrot juices. J. Food Eng. 92(3):269-274.         [ Links ]

22. Vidal, J., D. Pelegrine y C. Gasparetto. 2004. Efeito da temperatura no comportamento reológico da polpa de manga (Mangífera indica L-Keitt) Ciênc. Tecnol. Aliment. 24(1):39-42.         [ Links ]

23. Vidal, J., M. Sierakowski, C. Haminiuk y M. Masson. 2006. Popriedades reológicas da polpa de manga (Mangífera indica L. cv. Keitt). Ciênc. Agrotec. 30(5):955-960.         [ Links ]