EFECTOS DE LA CONCENTRACIÓN DE SOLUTOS Y LA RELACIÓN JARABE / FRUTA SOBRE LA CINÉTICA DE DESHIDRATACIÓN  OSMÓTICA DE PAPAYA EN LÁMINAS

José E. Zapata Montoya. Ingeniero Químico, Especialidad Ciencia y Tecnología de Alimentos. MSc. en Biotecnología. Profesor, Departamento de Alimentos, Facultad de Química Farmacéutica, Universidad de Antioquia, A.A. 1226, Medellín, Colombia. e-mail: joseedgar@epm.net.co.

Luz M. Carvajal. Tecnóloga Química. Licenciada en Biología y Química. Profesora, Departamento de Alimentos. Jefe, Centro de Investigaciones. Facultad de Química Farmacéutica, Universidad de Antioquia, A.A. 1226, Medellín, Colombia. e-mail: lcarvaja@muiscas.udea.edu.co.

Nelly Ospina. Tecnóloga de Alimentos. Profesora, Departamento de Alimentos, Facultad de Química Farmacéutica, Universidad de Antioquia, A.A. 1226, Medellín, Colombia. e-mail: Nospina@muiscas.udea.edu.co.

El objetivo del trabajo fue optimizar la relación jarabe/fruta y la concentración de una mezcla de sacarosa y cloruro de calcio (CaCl2) para la deshidratación osmótica de láminas de papaya hawaiana (Carica papaya), tratando de maximizar la pérdida de peso (%PP), la pérdida de humedad (%PH) y la disminución en la actividad acuosa (%PAw). Se utilizó un diseño estadístico de superficies de respuesta para determinar los niveles óptimos de sacarosa, CaCl2 y relación fruta/jarabe. Los resultados mostraron que se puede maximizar los tres parámetros si se utiliza un jarabe con una concentración de sacarosa de 57%, CaCl2 de 0,55g/100ml y una relación jarabe/fruta de 5. Los valores máximos obtenidos fueron PP de 48,29%; PH de 48,2% y PAw de 6,6%.

O objetivo do trabalho foi otimizar a relação xarope/fruta e a concentração de uma mistura de sacarose e cloreto de cálcio (CaCl2) para a desidratação osmótica de lâminas de mamão havaiano (Carica papaya), tratando de maximizar a perda de peso (%PP), a perda de umidade (%PH) e a diminuição na atividade aquosa (%PAw). Foi utilizado um desenho estatístico de superfícies de resposta para determinar os níveis ótimos de sacarose, CaCl2 e relação fruta/xarope. Os resultados mostraram que se pode maximizar os três parâmetros se é utilizado um xarope com uma concentração de sacarose de 57%, CaCl2 de 0,55g/100ml e uma relação xarope/fruta de 5. Os valores máximos obtidos foram PP de 48,29%; PH de 48,2% e PAw de 6,6%.

Recibido: 07/01/2002. Modificado: 28/02/2002. Aceptado: 11/03/2002

El agua es el componente más importante en la mayoría de los productos alimenticios. Su importancia radica en que sirve de vehículo para sustancias reaccionantes como los sistemas enzima-sustrato, además de ser clave en el desarrollo de los microorganismos, principales agentes de deterioro de los alimentos. La disminución del agua presente en un alimento ha sido una estrategia utilizada desde la antigüedad para conservar la calidad durante los periodos de almacenamiento. Más que disminuir la cantidad total de agua en un alimento, el objetivo de los procesos de deshidratación es disminuir la actividad acuosa (Aw), la cual es una medida de la disponibilidad del agua para las reacciones químicas y bioquímicas y para el desarrollo de los microorganismos.

Los procesos de deshidratación más utilizados comprenden la exposición del producto alimenticio a una corriente de aire caliente, el cual suministra el calor latente de vaporización del agua y sirve como agente para transportar el vapor de agua generado. Este método y otros similares, tienen el inconveniente de someter el alimento a altas temperaturas que pueden afectar sus propiedades organolépticas y nutricionales.

Una técnica de deshidratación que se aplica sin el incremento de temperatura, es la denominada deshidratación osmótica (DO). Este es un proceso de remoción de agua en el cual los alimentos (tales como frutas) son colocados en una solución concentrada en solutos (hipertónica), con un potencial químico de agua menor que el potencial del agua en la fruta. Las membranas del vegetal son semipermeables por lo cual se presenta un flujo de agua del interior de la fruta hacia el exterior, para tratar de equilibrar el potencial químico del agua a ambos lados de dichas membranas. Simultáneamente se presenta, en menor cantidad, la entrada de soluto desde la parte externa hasta el interior del producto a deshidratar (Lerici et al., 1988; Palou et al., 1993; Molano et al., 1996; Panadés et al., 1996).

La DO es un método no térmico de deshidratación, que permite obtener productos de humedad intermedia con una muy buena calidad organoléptica (Camacho, 1994; Zapata y Castro, 1999a). Los solutos que se utilizan en la preparación de los jarabes son de bajo costo y los consumos energéticos involucrados son mínimos (Castro et al., 1999).

La cinética de los procesos osmóticos normalmente se expresa en términos de la pérdida de agua (%PH), pérdida de peso (%PP), disminución de actividad acuosa (%PAw) y la ganancia de sólidos (SG) (Levi et al., 1983; Lenard y Flink, 1984a; Lerici et al., 1988; Maestrellí, 1997). La velocidad de deshidratación o de transferencia de agua de la fruta a la disolución osmótica depende de las características de la materia prima (Palou et al., 1993; Camacho; 1994), la composición y concentración del agente osmótico (Palou et al., 1993; Molano et al., 1996), de la temperatura (Ponting, 1973; Farkas y Lazar, 1969; Dalla rosa et al., 1982; Fito et al., 1992; Panadés et al., 1996), la agitación (Palou et al., 1993), los tiempos de tratamiento (Ronceros et al., 1995), la relación fruta/jarabe (Camacho, 1994) y la presión externa (Escriche et al. 1999; Castro, et al. 1997; Panadés et al., 1996).

Preparación y selección de la fruta. Se utilizó papaya hawaiana (Carica papaya) procedente de la plaza mayorista de la ciudad de Medellín. Cada pieza tenía un peso promedio de 300g, con un grado de madurez de 50%, seleccionada visualmente usando la carta de maduración (Carvajal et al., 1991). Las unidades se lavaron con detergente alcalino, se desinfectaron con amonio cuaternario al 4% y se cortaron en láminas de 5mm de espesor, descartando las semillas y la piel.

Preparación del jarabe. Los jarabes utilizados contenían sacarosa (SAC) a diferentes concentraciones entre 43 y 57º Brix. A estos jarabes se les adicionó cloruro de calcio (CaCl2) en concentraciones desde 0,1 hasta 1,0g/100ml (Carvajal et al., 2001).

Inmersión de la fruta en el jarabe. Una vez cortadas las láminas, se pesaron muestras de 50g, se colocaron en mallas plásticas y se sumergieron en el jarabe, en relaciones jarabe/fruta de 3/1, 4/1 y 5/1; se dejaron deshidratar por 24 horas a temperatura ambiente (20ºC), al cabo de las cuales se tomaron lecturas de peso de las muestras, actividad acuosa (Aw) y humedad. Los ensayos en cada jarabe se hicieron por duplicado.

Disminución porcentual de peso (%PP). La determinación del peso se realizó en una balanza Brain weigh B 1500 D. La pérdida porcentual de peso se calculó con la ecuación

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donde %PP = porcentaje en pérdida de peso, Wi = peso inicial del producto, y Wf = peso del producto al tiempo t.

Disminución porcentual de humedad (%PH). La determinación de humedad se hizo colocando 5g de muestras en estufa a 100ºC por cinco horas, hasta peso constante. Los valores de pérdida porcentual de humedad (%PH) se calcularon con la ecuación

donde %PH = pérdida porcentual de humedad, Hi = humedad inicial del producto, y Hf = humedad final del producto.

Disminución porcentual de Actividad acuosa (%PAw). La determinación del Aw se realizó en un equipo NOVASINE msl. Los valores de pérdida porcentual de actividad acuosa (%PAw) se calcularon con la ecuación

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donde %PAw = pérdida porcentual de actividad acuosa, Awi = Actividad acuosa inicial del producto, y Awf = actividad acuosa final del producto.

Para evaluar el efecto de las variables (% SAC, concentración de CaCl2 y relación jarabe/fruta) sobre los parámetros más importantes en deshidratación osmótica (%PH, %PP y %PAw), se adoptó un diseño factorial central compuesto, tomando como factores las variables y como respuestas los parámetros, con seis puntos centrales y seis puntos axiales.

La elección de un diseño factorial central compuesto tiene la ventaja de que posee la característica de rotabilidad, la cual es una propiedad importante en la elección de un diseño de superficie de respuesta. Dado que la finalidad de este tipo de diseño es la optimización y se desconoce la localización del óptimo antes de correr el experimento, tiene sentido usar un diseño que proporcione estimaciones igualmente precisas en todas las direcciones (Montgomery, 1991)

El ajuste estadístico fue hecho con el software ESTAT-EASE de Design-Expert, versión 5.0. Se ajustó por análisis de regresión (Montgomery, 1991) un polinomio del tipo

Variable Respuesta = a0 + a1X1 + a2X2 + a3X3 + a12X1X2 + a13X1X3 + a23X2X3 + a123X1X2X3 + a11X12+ a111X13 + a22X22 + a222X23 + a33X32 + a333X33 (4)

donde los a son las constantes de ajuste, y X1, X2 y X3, son variables codificadas para %SAC, g/100ml de CaCl2 y relación jarabe/fruta, respectivamente. La codificación de las variables se realizó según

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donde Ci, Cih y Cil son los factores en el valor dado, alto y bajo respectivamente.

Con el polinomio ajustado se hizo una optimización para encontrar cuales de los valores de las variables de entrada entregaban la mejor combinación en los valores de las variables respuesta. La optimización se desarrolló con el software ESTAT-EASE. Con los resultados de la optimización se realizó un estudio cinético, que permitió observar el comportamiento de las variables respuestas a través del tiempo, a las condiciones definidas en el proceso de optimización.

Con el objeto de evaluar el efecto que las tres variables en consideración tienen sobre los parámetros de la deshidratación osmótica, se realizó un diseño factorial central compuesto. En la Table I se presentan los niveles de las variables (factores) y en la Table II se presenta el diseño factorial central compuesto, con las corridas en forma aleatoria.

Los resultados del análisis de varianza del diseño factorial central compuesto se presentan en la Table III y en las ecuaciones 6, 7, y 8 se expresan las relaciones entre las variables y las respuestas.

Los coeficientes (ai) en la Table III, corresponden a los factores en términos de sus valores codificados y en las ecuaciones 6, 7 y 8 a los factores en términos de sus valores reales, para cada una de las variables respuesta.

%PP = +347,76 – 13,58 SAC – 936,77 CaCl2 + 0,14 SAC2 + 36,88 SAC x CaCl2 – 0,36 (SAC)2 x CaCl2           

%PH = -1141,87 + 45,85 SAC + 2089,57 CaCl2 + 4,59 Jarabe/Fruta – 0,45 (SAC)2 – 163,78 (CaCl2)2 – 81,40 SAC x CaCl2 + 95,53 (CaCl2)3 + 0,81 (SAC)2 x CaCl2      

%PAw = -596,54 + 32,65 SAC + 443,99 CaCl2 – 0,58 (SAC)2 – 15,20 (CaCl2)2 – 17,13 SAC x CaCl2 + 3,303E-03 (SAC)3 + 0,17(SAC)2 x CaCl2                   

De la Table III se observa que sobre el %PP, las variables que tienen efecto significativo son: SAC (p<0,0001) y CaCl2 (p=0,0055), en ambos casos con efectos negativos (Ec. 6); además, se observan efectos positivos del término cuadrático de SAC (p=0,0300) e interacciones significativas de segundo (p=0,0446) y tercer orden (p=0,0247) entre SAC y CaCl2, lo cual indica que el comportamiento de esta respuesta con respecto a estas d os variables no es lineal, y que existen regiones en las cuales el %PP puede alcanzar valores máximos. El efecto negativo de la concentración de solutos sobre el %PP se explica por que cuando la concentración de la solución aumenta por encima de un cierto valor, la entrada de sólidos comienza a ser significativa y la utilización de tiempos prolongados en el proceso (24h), permiten que se alcance un periodo en el que la salida de agua puede sufrir una desaceleración, pero la entrada de sólidos puede continuar, afectando el valor de %PP (Lenard y Flink, 1984a; Panadés et al., 1996).

Por otra parte algunos investigadores, trabajando con papa en soluciones de azúcar y sal, han encontrado que la pérdida de agua es directamente proporcional a la concentración inicial de SAC en la solución en un rango de 20-70% (Lenard y Flink, 1984a).

La interacción positiva entre SAC y CaCl2 manifiesta un comportamiento sinérgico entre estas dos variables, lo que concuerda con lo reportado por Maestrelli (1997), quien describió un incremento en la potencia de la deshidratación por el efecto sinérgico entre azúcar y sal. Por esta razón, para observar el comportamiento gráfico del %PP con respecto a ellas, se fijó el valor de la variable jarabe/fruta, que no tiene efecto significativo sobre esta respuesta, y se graficó el %PP en función de SAC y CaCl2. Este resultado se presenta en la Figura 1.

La Table III muestra que el %PH depende significativamente de SAC (p=0,0002), del CaCl2 (p=0,0201) y del jarabe/fruta (p=0,0017); todos con efectos positivos sobre el %PH (Ec. 7). Además se observa un efecto positivo del término cúbico del CaCl2 (p=0,0617) y una interacción de tercer orden entre SAC y CaCl2 (p=0,0145), tambien con efecto positivo. Los efectos positivos de SAC sobre el %PH corresponden con los resultados de Palou et al. (1993) quienes trabajando con láminas de papaya, observaron que la pérdida de agua era marcadamente sensible a la concentración de sacarosa en la solución.

El efecto positivo de la relación jarabe/fruta sobre la pérdida de humedad, se explica porque si la relación jarabe/fruta es baja, se presentará una dilución del jarabe por el agua que sale de la fruta y esto repercutirá en la velocidad de deshidratación (Camacho, 1994). Este resultado concuerda con los de Lenard y Flink (1984a) quienes trabajaron con papa en una solución de SAC y NaCl y observaron que al aumentar la relación jarabe/fruta de 1 a 4, se obtenían significativos incrementos en la pérdida de agua del producto.

Figura 1. Superficie de respuesta del %PP con respecto a la concentración de sacarosa y de CaCl2, tomando la relación jarabe/fruta constante en 5.

Para observar el comportamiento gráfico del %PH con respecto a las variables, se fijó el valor de la relación jarabe/fruta por ser la variable menos significativa y se graficó el %PH en función de las otras dos variables. Estos resultados se presentan en la Figura 2.

Estos resultados corresponden con los presentados por Lenard y Flink (1984b), quienes observaron que entre diversas soluciones evaluadas, las que mejor efecto tenían sobre la Aw, eran las que contenían mezclas de SAC y CaCl2. El efecto combinado del azúcar y la sal sobre la disminución de la actividad acuosa, se atribuye a la mayor concentración molar de la solución de azúcar-sal. En esta mezcla, la SAC es la sustancia con mayor peso molecular y actúa incrementando el gradiente de concentración que resulta en una mayor pérdida de agua, mientras que la sal puede penetrar fácilmente en el tejido y da un descenso de actividad acuosa al igual que de sólidos totales. Una solución de sal al 10% tiene casi la misma concentración molar que una solución de SAC al 50%, pero produce un descenso en actividad acuosa mayor que ésta, lo cual se atribuye a la gran diferencia en pesos moleculares de estas dos sustancias, y a la mayor penetración de sólidos en el producto, como efecto de la entrada de sal (Lenard y Flink, 1984a).

Figura 2. Superficie de respuesta del %PH con respecto a la concentración de sacarosa y a la concentración de CaCl2 tomando constante la relación jarabe/fruta en 5.

Figura 3. Superficie de respuesta del %PAw con respecto a la concentración de sacarosa y de CaCl2, tomando la relación jarabe/fruta constante en 5.

Para observar el comportamiento gráfico del %PAw, con respecto a SAC y NaCl, se fijó el valor de la variable jarabe/fruta en 5 y se graficó el %PAw en función de las otras dos variables. Este resultado se presenta en la Figura 3.

En la Table IV se observa que las condiciones de las variables que predicen las mejores respuestas simultáneamente son SAC 57%, CaCl2 0,55g/100ml y jarabe/fruta 5. Estos resultados coinciden con los obtenidos por Lenard y Flink (1984a), quienes trabajando con papa en soluciones de SAC y NaCl, observaron que para obtener un buen comportamiento de la ganancia de sólidos y de la pérdida de Aw simultáneamente, la mejor relación jarabe/fruta, era entre 4 y 6; después de evaluar relaciones jarabe/fruta desde 1 hasta 10.

Figura 4. Pérdida porcentual de peso en función del tiempo para láminas de papaya osmodeshidratada.

Cinética de deshidratación osmótica de papaya

Para evaluar el comportamiento cinético de la papaya osmodeshidratada, se usó un jarabe con SAC 57%, CaCl2 0,55g/100ml y jarabe/fruta 5; se tomaron valores de humedad, peso y actividad acuosa, durante 30h y se calculó la disminución porcentual de cada una de ellas a través del tiempo. En la Figura 4 se presenta el %PP en función del tiempo; en la Figura 5 el %PH en función del tiempo y en la Figura 6 el %PAw en función del tiempo, para láminas de papaya. Cada punto en las Figuras 4, 5, y 6 corresponde al promedio de dos valores.

En la Figura 4 se observa que los cambios más drásticos de peso se presentan en las primeras 10h, con una pérdida de peso del 42,65%; después de las 10h los cambios de peso son más lentos y a las 22h se tiene una pérdida de peso del 46,1%, correspondiente con lo predicho por el proceso de optimización (Table IV). Este comportamiento concuerda con lo reportado por Palou et al. (1993) trabajando con láminas de papaya en jarabes de sacarosa. La desaceleración del %PP, se explica porque en las etapas iniciales de la deshidratación osmótica, el proceso de pérdida de peso producido por la salida de líquido de la fruta, se realiza de forma mucho más rápida que la entrada del soluto hacia la fruta por difusión, pero a partir de un cierto tiempo, comienza a predominar la entrada de sólidos de la disolución hacia la fruta y esta comienza a ganar peso por este efecto, disminuyendo el %PP (Lenard y Flink, 1984b; Camacho, 1994; Panadés et al. 1996).

En la Figura 5 se observa que los cambios más drásticos en la humedad se presentan en las primeras 10h, con una pérdida de humedad del 37,1%; después de las 10h los cambios en la humedad son más lentos y a las 22h se tiene una pérdida de humedad del 48,2%, muy próximo a lo predicho por el proceso de optimización (Table IV). Durante la deshidratación osmótica con mezclas de azúcar y sal se presentan dos fases: En la primera fase prevalece la deshidratación por efectos del azúcar, durante la segunda fase el azúcar es retirado, sustituyéndose por la sal, la cual permite un bajo intercambio de agua. El efecto del azúcar es el de retirar agua e intervenir en el control del contenido salino del producto final (Maestrelli, 1997; Zapata y Castro, 1999b).

Figura 5. Pérdida porcentual de humedad en función del tiempo para láminas de papaya osmodeshidratada.

Los grandes cambios en %PP y %PH durante las primeras 10h contrastan con los resultados obtenidos por Morales et al. (1999), quienes observaron que entre la cuarta y la quinta hora de deshidratación osmótica, en láminas de papaya hawaiana, los cambios en %PP y %PH dejaban de ser significativos.

En la Figura 6 se observa que en las primeras 3h, se presenta un aparente incremento en la Aw del producto, con un valor negativo del %PAw, para lo cual no se tiene una explicación clara, puesto que en ese periodo de tiempo se observó disminución de la humedad y del peso. Entre 3 y 10h, el %PAw presenta un incremento rápido, y entre las 10 y 22h el incremento es menos marcado, alcanzando valores de 6,7% a las 22h, los cuales están por debajo de los predichos en el proceso de optimización (Table IV).

Figura 6. Disminución porcentual de Actividad acuosa en función del tiempo para láminas de papaya osmodeshidratada.

El valor de Aw varió desde 0,915 hasta 0,87, por lo que se aprecia que el producto osmodeshidratado aun contiene agua físicamente retenida, disponible para el desarrollo de algunos microorganismos, principalmente hongos y levaduras, además propicia algún tipo de actividad enzimática, reacciones hidrolíticas y oxidativas y pardeamiento no enzimático (Fenema, 1982). Por ello se requiere la aplicación de alguna técnica complementaria para alcanzar los niveles de seguridad alimentaria requeridos. Recientemente, la deshidratación osmótica ha sido considerada como uno más de los métodos combinados, ya que no sólo permite reducir la Aw del alimento, sino que además modifica la estructura de los tejidos, lo que implica cambios en la velocidad de las reacciones bioquímicas y fisicoquímicas, así como en los fenómenos de transferencia de masa durante el procesado (Escriche et al., 1999).

- Las variables concentración de sacarosa, concentración de cloruro de calcio y relación jarabe/fruta, afectan de forma significativa los parámetros cinéticos (%PP, %PH y %PAw) en la osmodeshidratación de papaya en lonjas.

- La optimización del modelo obtenido del diseño factorial central compuesto, para las condiciones del presente trabajo, entregaron como valores de las variables para unas respuestas máximas una concentración de sacarosa de 57%, cloruro de calcio de 0,55g/100ml y una relación jarabe/fruta de 5. Estos valores fueron corroborados posteriormente en el estudio cinético.

- La utilización de las condiciones óptimas encontradas en este trabajo para la deshidratación osmótica de papaya en lonjas, permitió obtener un %PP de 48,29%; un %PH de 48,2% y un %PAw de 6,6% como valores máximos en un periodo de 30 horas.

- En el proceso de deshidratación osmótica de papaya, bajo las condiciones del presente trabajo, los cambios más importantes se presentan en las primeras 10h de proceso, después de las cuales los cambios de humedad, peso y actividad acuosa se desarrollan más lentamente, indicando que el sistema se está aproximando al equilibrio.

- La papaya obtenida por este método de deshidratación, es un producto de humedad intermedia que requiere la aplicación de una técnica adicional de conservación para garantizar la estabilidad del producto, lo que la constituye en una alternativa para constituir la denominada tecnología de barreras múltiples.