Secado por aspersión de jugo natural de naranja utilizando los encapsulantes maltodextrina y goma arábiga

Luisana Naddaf, Belkis Avalo, Mariaudy Oliveros

Laboratorio de Planta Piloto, Ingeniería de Alimentos, Universidad Nacional Experimental Simón Rodríguez, Núcleo Canoabo. Carretera Bejuma-Urama, Sector Los Naranjos, Carabobo, Venezuela. Telf: +58-249- 7971136-Fax: +58-249-7971135. bavalo25@yahoo.com/ belkis.avalo@unesr.edu.ve

Abstract

The microencapsulation of orange juice (Citrus sinensis L.) variety Valencia 12 º Brix (Juice A) and 8 °Brix (juice B) was performed by spray drying using maltodextrin encapsulants agents to 5 and 7% w/w and gum arabic to 2.5% w/w on the total weight of juice. Antiadherent agent was used tricalcium phosphate in a ratio of 1.5% on the total weight of the orange juice fed. The operating conditions of spray drying were: inlet temperature drying chamber between 127-133 °C, feed flow rate 8-21 mL/min, temperature of drying chamber outlet 76-88 °C, 4 KW power and compressed air pressure 1.5 bar. The treatments had highly significant differences for 99% confidence (p <0.01), as also the solid soluble effects and concentration of encapsulant. The encapsulant that provides major protection for sugar and vitamin C was gum arabic to the Ad treatment (12 °Brix, 2.5 gum arabic, 1.5% tricalcium phosphate) and for moisture 3A treatment (12 Brix and 5% maltodextrin, 1.5% tricalcium phosphate). Keywords: microencapsulation, orange juice, spray dried.

Resumen

Se realizó la microencapsulación del jugo de naranja (Citrus sinensis L.) variedad Valencia de 12 °Brix (Jugo A) y 8 °Brix (Jugo B), mediante secado por aspersión utilizando agentes encapsulantes maltodextrina al 5 y 7% p/p y goma arábiga al 2,5% p/p respecto al peso total de jugo. Se utilizó agente antiadherente fosfato tricálcico en una relación de 1,5% respecto al peso total del jugo de naranja alimentado. Las condiciones de operación del secado por aspersión fueron: temperatura entrada de cámara de secado entre 127-133 °C, caudal de alimentación 8-21 mL/min, temperatura salida de cámara de secado 76-88 °C, potencia de 4 Kw y presión del aire comprimido 1.5 bar. Los tratamientos presentaron diferencias altamente significativas para un 99% de confianza (p<0,01) como también los efectos sólidos solubles y concentración de encapsulante. El encapsulante que brindó mayor protección a los azúcares y vitamina C fue la goma arábiga para el tratamiento Ad (12 °Brix, 2,5 de goma arábiga, 1,5% fosfato tricálcico) y para la humedad el tratamiento 3A (12 Brix y 5% maltodextrina, 1,5% fosfato tricálcico).

Palabras clave: microencapsulación, jugo de naranja, secado aspersión.

Introducción

La microencapsulación puede ser considerada como una forma especial de empacar, en la que un material en particular puede ser cubierto de manera individual para protegerlo del ambiente.  

La encapsulación involucra la incorporación de ingredientes alimenticios, enzimas, células u otros materiales en pequeñas capsulas [1, 2]. La microencapsulación hoy en día se aplica para preservar y/o proteger numerosos ingredientes comerciales. El material que es cubierto se refiere como fase interna y el material que recubre es llamado pared y generalmente no reacciona con el material a encapsular [3]. La encapsulación es un proceso mediante el cual ciertas sustancias bioactivas (sabores, vitaminas o aceites esenciales) son introducidas en una matriz o sistema de pared con el objeto de impedir su pérdida, para protegerlos de la reacción con otros compuestos presentes en el alimento o para impedir que sufran reacciones de oxidación debido a la luz o al oxígeno. Los encapsulantes o materiales formadores de pared más utilizados para este método han sido: carbohidratos (almidón y derivados, maltodextrinas, jarabes de maíz, ciclodextrinas, carboximetilcelulosa y derivados); gomas (arábiga, mezquite, alginato de sodio); lípidos (ceras, parafinas, grasas) y proteínas (gelatina, proteína de soya, caseinatos, suero de leche).  

La deshidratación y secado de alimentos implica la operación básica con la que se extrae casi toda el agua normalmente presente en el producto alimenticio por evaporación o sublimación resultante de aplicación de calor y bajo condiciones perfectamente controladas. El secado por aspersión es el método más usado para encapsular ingredientes alimenticios, el más económico [3-7] y se ha utilizado en la protección de materiales alimenticios.

Estudios de microencapsulación de diversos jugos han sido realizados mediante secado por aspersión, tal como la microencapsulación del jugo de cebada verde [8] con maltodextrina a concentraciones de 1, 3, y 5% (base húmeda), secado por aspersión a temperaturas de 120, 140 y 160 °C con flujo de alimentación de 9, 11 y 13 mL/min, azucares totales de 4,91% (p/v) y sólidos solubles de 8,3 °Brix, alcanzando el producto en polvo una humedad de 3,68% para una concentración del 1% de maltodextrina a 140 °C.

Otro encapsulado de interés es el jugo de maracuyá [9] secado por aspersión y encapsulado con maltodextrina a una concentración de 12% (p/v), temperatura de 155 °C y flujo de 350 mL/h, obteniendo un producto en polvo de bajo contenido de humedad y buena solubilidad. El jugo de naranja es un producto alimenticio de consumo masivo y con propiedades de alto valor nutritivo que son sensibles al calor. Entre estos se tiene a la vitamina C (ácido ascórbico) y los azucares, por lo que se pretende estimar cuales son las mejores condiciones de encapsulamiento y secado que permitirán resguardar estos componentes para asegurar su calidad y que impidan la caramelización de los azucares del jugo durante el proceso, logrando un bajo contenido de humedad. En la literatura revisada no se encontraron investigaciones relacionadas con la encapsulación del jugo de naranja con maltodextrina y goma arábiga mediante secado por aspersión, por lo que se planteó como objetivo de esta investigación, evaluar el proceso de secado por aspersión de jugo de naranja a concentración (°Brix) y temperaturas diferentes; utilizando como medios encapsulantes goma arábiga y maltodextrina. Se pretende establecer condiciones de operación preliminares del encapsulamiento de jugo de naranja con maltodextrina y goma arábiga mediante proceso del secado por aspersión.

Metodología

Preparación de la materia prima

La materia prima utilizada en la investigación fueron naranjas (Citrus sinensis L.) variedad Valencia, recolectadas en dos lotes de 30 Kg cada uno, en la Hacienda Montero, Montalbán, estado Carabobo, Venezuela. Las mismas fueron escogidas en su óptimo estado de madurez, tamaños homogéneos y sin daño físico aparente (atributos físicos), lavados con agua corriente a presión.

Caracterización del jugo de naranja

La caracterización fisicoquímica descrita a continuación se realizó según normativa [11]. Se tomaron muestras de cada tipo de jugo de naranja (12 y 8 °Brix) y se le aplicaron las siguientes determinaciones: Acidez titulable (g de ácido cítrico/ 100 mL de jugo), azucares totales, reductores y no reductores (g azucares/100 g muestra) sólidos solubles (SST) expresados como °Brix y fueron leídos en un refractómetro digital marca Kruss modelo AR4D de precisión ± 0,1; el pH fue determinado en un potenciómetro Hanan Instruments pH 211 con precisión ± 0,01. La vitamina C fue determinada mediante el método volumétrico del 2,6 dicloro indofenol [11]. La humedad se realizo en una balanza de OHAUS modelo MB45 con precisión ± 0,001 g. La determinación de proteína se realizó por el método de Kjeldhal, empleando el factor 6,25 para frutas, verduras para la conversión de nitrógeno en proteína. La determinación de grasa para el jugo se realizó por el método de cloroformo- metanol [12].

Temperatura de hidrólisis

Se realizaron ensayos para conocer la temperatura de hidrolisis Th a la cual ocurrió la hidrólisis ácida en los jugos de naranja; ésta se efectuó llevando los jugos de naranja hasta ebullición, midiendo previamente la temperatura y tomando muestras antes y durante la ebullición para diagnosticar cuando ocurría el desdoblamiento de los azúcares. Los ensayos realizados para confirmar el desdoblamiento de los azúcares fueron: azúcares totales, reductores y no reductores antes y después de la temperatura de hidrólisis Th [11].

Acondicionamiento del jugo con dos medios encapsulantes

El acondicionamiento de la materia prima con los encapsulantes previo al proceso de secado, se realizó mediante un diseño de 16 tratamientos diferentes utilizando la siguiente metodología. El volumen de jugo de naranja(15L) de 12 °Brix se rotuló como jugo tipo A, con una densidad de 1,05 g/mL y el volumen de jugo (22L) de 8 °Brix se rotuló como jugo tipo B, con una densidad de 0,96 g/mL. Cada volumen de jugo rotulado fue dividido en ocho partes de volúmenes diferentes (500-2100 mL aproximados). Del jugo A se acondicionaron cuatro volúmenes de jugo con maltodextrina, dextrosa equivalente (DE 18-22%), dos al 5% y dos al 7% respecto al peso total del jugo, de igual forma se procedió con cuatro volúmenes del jugo B, obteniendo los jugos rotulados de la siguiente forma:1A(5%), 2A(7%), 3A(5%), 4A(7%), 1B(5%), 2B(7%), 3B(5%) y 4B(7%), luego a los jugos (3A, 4A, 3B y 4B) se le adicionó fosfato tricálcico en una cantidad equivalente al 1,5% del peso total del jugo. Las otras cuatro partes restantes del jugo A y del B se acondicionaron con goma arábiga pura al 1,0 y 2,5% del peso total del jugo, obteniendo los jugos Aa(1,0%); Ab(2,5%); Ac(1,0%); Ad(2,5%); Ba(1,0%); Bb(2,5%); Bc(1,0%) y Bd(2,5%); los jugos Ac, Ad, Bc y Bd, se le adicionó fosfato tricálcico en un 1,5% del peso total del jugo.

Operación de secado

El proceso de deshidratación se realizó en un secador de aspersión Spray Dryer Anhidro- Modelo 1, utilizando aire caliente en contracorriente con el jugo alimentado, en un rango de temperatura para el aire caliente entre 129-133 °C. Se utilizaron jugos tipo A y B acondicionados con fosfato tricálcico y jugos tipoAyBsinacondicionar con fosfato tricálcico.

Resultados

Temperatura de hidrólisis de los azúcares

Para el jugo de 8 °Brix se realizó una medición de temperatura antes de la ebullición del jugo equivalente a 75 °C y temperatura de ebullición 85 °C, donde se logró una disminución de los azúcares totales de 6,57 a 6,05%p/p respectivamente, en cuanto a los azúcares reductores se registró un aumento de 4,13 a 4,53% p/p y en los azúcares no reductores como sacarosa se observó un descenso de 2,32 a 1,44% p/p (valores no tabulados). Este descenso en la sacarosa se atribuye a la hidrólisis del azúcar, fenómeno que ocurre en disacáridos, que puede realizarse por vía química (ácida o básica) o enzimática y tiene lugar cuando se fija una molécula de agua sobre el enlace hidrolizable [16-18]. Al jugo de 12 °Brix le fue medida su temperatura antes de la ebullición a 85 °C, y durante la ebullición de 95 °C.  

Para la temperatura de ebullición de 95 °C el jugo presentó pérdida en la cantidad de azúcares totales de 9,35 a 8,75% p/p y un aumento de los azúcares reductores de 6,44 a 7,52% p/p.

Operación de secado

El proceso de secado por aspersión fue realizado en dos modalidades y fueron medidas las variables de: temperatura de entrada y salida del aire de secado, flujo y composición de la alimentación al secador, tiempo de secado, rendimiento y flujo del aire alimentado (Tabla 2). En la primera modalidad se utilizaron los dos tipos de jugo acondicionados con los encapsulantes pero sin fosfato tricálcico y en la segunda modalidad se utilizaron las proporciones de fosfato tricálcico y encapsulantes señaladas en la sección de acondicionamiento. La experiencia de secado adicionando los encapsulantes a las muestras de jugo pero sin fosfato tricálcico fue realizada para los tratamientos 1A, 2A, 1B, 2B, Ba, Bb, Aa, y Ab. No se logró recolectar polvo de jugo de naranja deshidratado, solo cristales que al paso del tiempo se fundieron entre ellos y se adhirieron a las paredes de la cámara de secado.

Acondicionamiento con fosfato tricálcico

El fosfato tricálcico es un acondicionador de flujo y agente anticompactante o antiglomerante en forma de partículas sólidas finamente divididas que son añadidos a los productos en polvos para proporcionarles fluidez [19]. Los jugos 3A, 4A (de 12 °Brix al 5 y 7%de maltodextrina respectivamente y 1,5% de fosfato tricálcico) y 3B, 4B (de 8 °Brix al 5 y 7% de maltodextrina respectivamente, 1,5% de fosfato tricálcico); fueron sometidos a las condiciones de secado señaladas en la Tabla 2.

Para las muestras Ac, y Bc, cuyas composiciones fueron jugo de 12 y 8 °Brix al 1% de goma arábiga respectivamente con 1.5% de fosfato tricálcico cada una, no hubo producción del producto en polvo, pudiéndose inferir que no se obtuvieron los resultados esperados debido a que la cantidad de encapsulante y anticompactante era muy bajo para la proporción de azúcares contenidos en el jugo. En el proceso de secado del jugo Ad (12 °Brix) con 2,5% de goma arábiga y 1,5% de fosfato tricálcico, se recolectó 23.7654g, con un color naranja acentuado, olor y sabor similar a una pulpa concentrada de naranja; también se pudo notar que las partículas del producto obtenido eran pesadas y de diversos tamaños. Para el jugo Bd (8 °Brix al 2,5% de goma arábiga y 1,5% de fosfato tricálcico), se obtuvo 34.2865g de producto deshidratado.

Análisis estadístico de los datos

En la Tabla 3, se muestran los parámetros fisicoquímicos del producto deshidratado de naranja o variables de respuesta como: humedad, proteína, grasa, azúcares, vitamina C, sólidos solubles, acidez titulable y pH, reportados como un promedio de tres mediciones (n=3). Las variables de respuesta por cada tratamiento fueron evaluadas mediante un Anavar de dos efectos: sólidos solubles (°Brix) de dos niveles y concentración de encapsulantes de tres niveles, aplicado a un experimento factorial 2×3 para determinar diferencias significativas (p<0,01; p<0,05). Los tratamientos fueron efectuados sin replicas. Debido a la presencia de significancia se aplicó una comparación de media empleando Tukey, para un 95% del nivel de confianza [20]. El análisis fue aplicado solo a los tratamientos donde se obtuvo producto deshidratado en polvo del jugo de naranja.

Los tratamientos con concentración de goma arábiga al 1% no fueron considerados en el análisis estadístico por no obtenerse producto durante estas experiencias.

Se encontraron diferencias altamente significativas con 99% (p<0.01) para los tratamientos 3A, 4A, 3B, 4B, Ad y Bd, así como también interacción entre los efectos: sólidos solubles (8 y 12 °Brix) y concentración de encapsulantes (% maltodextrina y goma arábiga). Debido a la presencia de significancia se aplicó una comparación de medias empleando Tukey con un nivel de confianza del 95%, donde se pudo observar que todas las variables de respuesta presentaron diferencias significativas (p 0,05) a excepción de los sólidos solubles en donde no existieron diferencias significativas. La presencia de significancia sobre el contenido de humedad, no solo es atribuido al efecto de los sólidos solubles, sino también a variables como: temperatura a la entrada de la cámara del secador, flujo de alimentación y humedad relativa del aire, pero sus efectos sobre las variables de respuestas no fueron planteadas en el análisis estadístico, por ser un Anavar de solo dos efectos. Es bien sabido que la influencia de la humedad relativa del aire por encima del 64% daña la pared del encapsulante permitiendo la disolución de ésta [21].

Respecto a la concentración de vitamina C se pudo observar pérdida respecto al jugo fresco y presencia de diferencias altamente significativas entre sí. Esta pérdida puede ser causada porque las vitaminas son compuestos muy sensibles al calor; siendo parcialmente destruidos y el grado de destrucción depende del cuidado en el proceso térmico, del proceso de deshidratación seleccionado y de las condiciones de almacenamiento para los alimentos secados [22]. Además se puede apreciar que el tratamiento Ad con goma arábiga presento un porcentaje de retención de la vitamina C en un 78,72% (pérdida de 21,28%) a diferencia de los tratamientos con maltodextrina, donde el porcentaje de retención promedio fue de 51,66%(pérdida de 48.34%). Se puede inferir que la mejor pared protectora para el ácido ascórbico es la goma arábiga ya que entre sus funciones esta la habilidad para encapsular aromas, sabores y vitamina C [21, 23]. El tratamiento Ad (jugo de 12 °Brix y 2,5% de goma arábiga) fue realizado a 133 °C, durante un tiempo de 120 min (Tabla 3).

Conclusiones

Los productos microencapsulados de jugo de naranja con menor humedad se lograron en los tratamientos 3A de 12 °Brix y 3B de 8 °Brix con maltodextrina al 5% y temperaturas de 129 y 131 °C respectivamente. La mejor matriz protectora de las proteínas fue la maltodextrina al 5 y 7% para los dos tipos de jugos. La matriz encapsulante que brindó mayor protección a los compuestos sensibles al calor (azúcares y vitamina C) fue la goma arábiga. Los mayores rendimientos se obtuvieron para los tratamientos 4A (4,12%) y 4B (5,57%) con un contenido de maltodextrina de 7% y para ambos tipos de jugos (12 y 8 °Brix respectivamente).

Referencias bibliográficas

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Recibido el 8 de Enero de 2010 En forma revisada el 26 de Septiembre de 2011