Introducción
La caña de azúcar o panelera (Saccharum officinarum L.) es una planta monocotiledónea perteneciente a la familia de las gramíneas, de cuyo tallo es posible extraer jugo con alto contenido de azúcares, que se utiliza en la producción de azúcar, panela y biocombustibles.
El cultivo de caña y producción de panela tienen gran importancia en Colombia por su significativa participación en el producto interno bruto (PIB) agrícola, generación de empleo y su papel en la seguridad alimentaria de la población [1]. La cadena de la panela beneficia a más de 350.000 familias y ocupa el 12 % de la población rural económicamente activa [1]. Colombia es el segundo productor de caña panelera en el mundo después de la India y posee un área sembrada de 172.373 hectáreas y una producción de 1’312.122 millones de toneladas al año [2]. Sin embargo, la cadena afronta diversas dificultades en todos los eslabones de la cadena, destacándose la falta de diversificación en la producción.
El WPC es el producto de la transformación de suero de leche mediante un proceso de separación por membranas (ultrafiltración) y constituye una fuente importante de proteínas que varía de 35-80 % en peso [3, 4]. De acuerdo con Jovanović et al., [3] las proteínas mayoritarias del suero son la β-lactoglobulina (β-Lg) y la α-lactoalbúmina (α-La) y representan aproximadamente el 70 % de la fracción proteica. El WPC es una alternativa para la recuperación de los nutrientes del suero, el cual al ser un subproducto de la industria quesera ha sido causa de graves problemas ambientales por su inadecuada disposición y vertimiento en fuentes hídricas [5]. El WPC ha sido usado como agente portador en procesos de secado por aspersión de productos ricos en azúcar, como jugo concentrado de remolacha [6], pulpa de tamarindo [7] y miel enriquecida [8] debido a su influencia sobre las propiedades, la estabilidad y el porcentaje de recuperación del polvo.
El proceso de secado por aspersión del sistema combinado JCP y WPC surge como una alternativa de producción de un polvo alimenticio con gran aporte energético y proteico proveniente de sus materias primas; sin embargo, su comportamiento frente a la absorción de agua debe ser estudiado.
El estudio de los fenómenos de absorción de agua de productos en polvo constituye una herramienta de gran ayuda para comprender los cambios que se presentan tanto en procesos de reconstitución del producto en polvo [9] como en el aseguramiento de la estabilidad fisicoquímica y microbiológica durante el almacenamiento [10]. Además puede ser de gran utilidad en la selección de materiales adecuados para empaque y condiciones de almacenamiento [11].
La absorción de agua lleva a una serie de cambios en el producto resultado de transformaciones a nivel microscópico de las partículas que lo conforman, como es el caso de la aglomeración que provoca un producto no uniforme y difícil de manejar [12]. Esto sucede especialmente en productos con alto contenido de azúcar, los cuales tienden a pasar desde el estado amorfo al gomoso por sus características de baja temperatura de transición vítrea (Tg), alta higroscopicidad y alta solubilidad en agua [13, 14].
La cinética de absorción de agua ha sido estudiada en la hidratación de alimentos como fríjol común [15], garbanzo [16], arroz rojo [17] y mandioca [18]; y materiales fibrosos como cáscara de coco [19] y Raffia vinífera con potencial para la construcción. Los modelos cinéticos más utilizados para explicar la cinética de absorción de agua en productos alimentarios son los modelos empíricos, entre los que se destacan los modelos de Pilosof et al. [20], Singh y Kulshrestha [21], Peleg [22] y exponencial. Sin embargo, Sopade et al. [23] a través del análisis del comportamiento de hidratación de WPC, WPI (aislado proteico de suero) y almidón de trigo determinó que los tres primeros modelos son matemáticamente iguales y cualquiera puede ser usado para describir el comportamiento de productos alimenticios y no alimenticios.
El objetivo del presente estudio fue evaluar la cinética de absorción de agua de un producto en polvo obtenido mediante secado por aspersión a partir de un sistema combinado de JCP y WPC, y los cambios en contenido de humedad, actividad de agua, humectabilidad, color, Tg y morfología de partícula durante un proceso simulado de condiciones de almacenamiento a temperatura y humedad relativa constante.
Materiales y métodos
Materiales
Un proveedor local del departamento de Antioquia suministró el JCP; y el laboratorio de Lácteos de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, el WPC. El WPC fue obtenido mediante un proceso de ultrafiltración de lactosuero dulce usando separación por membranas. La ultrafiltración del lactosuero se realizó por medio de una planta piloto de filtración (Perinox, España) equipada con un módulo de membrana en espiral y de polietersulfona para UF (3838 K131-HYV), considerando un factor de concentración de 18, presión transmembrana de 2 bar y temperatura constante de 45 °C.
2.2. Preparación de la muestra y secado por aspersión
El JCP y el WPC fueron pesados y posteriormente mezclados en un homogenizador Silverson L5 M-A a 5000 rpm durante 5 min, a una temperatura de 25 °C. Antes de alimentar al secador por aspersión, la solución fue filtrada en malla de 500 μm con el fin de retirar impurezas.
El proceso de secado por aspersión se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, en un secador por aspersión Vibrasec S. A., PSA1.5, bajo condiciones de temperatura de entrada de 130 °C, temperatura de salida de 88 °C, velocidad del disco atomizador de 21000 rpm y 78,83 % de aporte de WPC en base seca. Estas condiciones fueron obtenidas previamente mediante un proceso de optimización estadística usando un diseño experimental de superficies de respuesta.
2.3. Almacenamiento y seguimiento a propiedades fisicoquímicas
El producto en polvo fue colocado en cajas Petri y expuesto al ambiente en una cámara acondicionadora de ambientes, tal como se observa en la figura 1, la cual se mantuvo bajo condiciones de 70 % de humedad relativa y 25 °C.
Se realizó un seguimiento a la ganancia de peso a diferentes tiempos: 0, 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12, 24 y 36 horas. A cada muestra se le determinó el contenido de humedad, actividad de agua, humectabilidad y color, a excepción de la muestra de 36 horas, a la que no se le determinó humectabilidad y color, debido a la alta aglomeración presentada y, por ende, la dificultad para la realización de estas pruebas.
Los resultados fueron comparados con leche en polvo comercial azucarada (adicionada aproximadamente con 27 % de azúcar y lecitina de soya), la cual fue sometida al mismo tratamiento que el polvo de JCP + WPC. La leche en polvo fue utilizada como un referente para realizar una comparación cualitativa con un producto disponible en el mercado, de buena aceptación por parte del consumidor y de excelente estabilidad en el almacenamiento. Las pruebas fueron realizadas por triplicado. Adicionalmente se determinó temperatura de transición vítrea y morfología del producto en polvo para muestras de los tiempos 0, 4 y 12 horas.
Figura 1. Muestras de Polvo JCP + WPC y leche en polvo sometidas a 25 °C y 70 % de humedad relativa. Fuente: elaboración propia.
§ Humedad. Se realizó según el método oficial 930.15 de la AOAC [24].
§ Actividad de agua (aw). Se determinó con un higrómetro de punto de rocío a 25 °C (Aqualab serie 4TE, Decagon, Devices, Pullman, WA, USA).
§ Humectabilidad. La humectabilidad del polvo fue evaluada por el método estático sugerido por Freuding et al. [25] con algunas modificaciones propuestas por Ceballos et al. [26]. Una muestra de cada producto (1 g aproximadamente) fue colocada en un dispositivo con una corredera. Al retirarla el polvo se dejó caer para ponerlo en contacto con 100 ml de agua no perturbada dispuesta en un beaker con diámetro de 5 cm. El tiempo de humectación corresponde al tiempo de inmersión completa de la muestra en polvo en agua a 20 °C.
§ Color. Se utilizó un medidor de color (modelo CR-400, Konica Minolta Inc, Japón), con iluminante D65, un observador de 2° como referencia y con escala CIE-L*a*b*. Las medidas de color se expresaron en términos de luminosidad L* (L*=0 para negro y L*=100 para blanco) y parámetros de cromaticidad a* (-a* para verde y +a* para rojo) y b* (-b* para azul y +b* para amarillo).
§ Temperatura de transición vítrea. Se determinó por calorimetría diferencial de barrido con el equipo DSC-Q200 (TA Instruments, New Castle, DE, USA), previamente calibrado con indio. Se pesó aproximadamente 6 mg de muestra en capsulas de aluminio y se sometió a enfriamiento a una tasa de 5 °C por minuto hasta una temperatura de -40 °C y posteriormente se calentó a 5 °C por minuto hasta alcanzar una temperatura de 140 °C. La muestra tomada a las 12 horas fue enfriada hasta -90 °C.
§ Tamaño de partícula y morfología. Se realizó mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) con el equipo EVO MA10 Carl Zeiss (Alemania), con un detector de electrones secundarios y se trabajó con un voltaje de 15 kV y recubrimiento de las muestras con capa fina de oro. Las microfotografías se obtuvieron con aumentos de 500X, 1000X y 2000X. La determinación para tamaño de partícula se realizó con ayuda del programa ImageJ 1.50i (National institutes of health, USA).
2.4. Cinética de absorción de agua
El contenido de agua en el tiempo (t) en base seca y la relación de humedad (MR) se determinaron de acuerdo con las ecuaciones (1) y (2), respectivamente:
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(1)
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(2) |
Donde mt es la masa de la muestra, m0 la masa de sólidos secos iniciales, y, X0, Xt y Xeq son los contenidos de humedad inicial, en el tiempo t y de saturación de la muestra respectivamente.
La cinética de absorción de agua fue estudiada ajustando los datos a los modelos de Peleg y exponencial.
§ Modelo de Peleg [22]. Es un modelo de dos parámetros de ecuación no exponencial definidos de acuerdo con la ecuación (3):
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(3) |
Donde k1 es constante de velocidad de Peleg (h.%-1) y k2 es la constante de capacidad de Peleg (%-1). La constante k1 está relacionada de forma inversa a la velocidad a la cual ocurre la absorción de agua en el producto (ecuación (4)). La constante k2 está relacionada con su capacidad para absorber agua, tal como se observa en la ecuación (5) que relaciona el contenido de humedad cuando el tiempo t→∞.
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(4)
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(5) |
§ Modelo exponencial. Se obtiene a partir de la relación de humedad, como se observa a continuación:
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(6) |
Donde ke es la constante de velocidad de absorción de agua (h-1).
Los parámetros cinéticos se obtuvieron a partir de los datos experimentales mediante regresión no lineal, con ayuda del programa Statgraphics Centurion XVI.
3. Resultados y discusión
3.1. Humedad
La humedad del producto incrementó por la absorción de agua cuando el polvo entró en contacto directo con un ambiente de humedad relativa mayor, fenómeno que obedece a la naturaleza higroscópica del producto. Dupas-Langlet et al. [12] menciona que el contenido de humedad al cual un material sólido induce una presión de vapor de agua igual a la del ambiente que lo rodea define el comportamiento higroscópico del producto. En la figura 2 es posible observar que el polvo de JCP + WPC posee mayor ganancia de humedad si se compara con la leche en polvo comercial. Esto se debe a las diferencias en composicion de los dos productos analizados y la alta higroscopicidad tanto del WPC como de la sacarosa presente en el JCP, como tambien a la adición de lecitina de soya en el producto comercial que le confiere mayor estabilidad. Es importante mencionar que la leche mantuvo cierto grado de fluidez durante todo el ensayo, mientras que el polvo de JCP y WPC mantuvo su estructura hasta las tres horas con incipientes muestras de aglomeración. No obstante, a partir de las cuatro horas se evidencia la aglomeración del producto, lo cual coincide con la morfología de la partícula en ese momento (véase numeral 3.5.). Las diferencias son resultado de la adición de JCP con alto contenido de sacarosa en el producto en polvo, lo cual gracias a su alta higroscopicidad, alta solubilidad en agua y baja Tg [13] favorece la aglomeración de las partículas con el incremento del contenido de humedad.
Figura 2. Evolución de la humedad del polvo de JCP + WPC y leche en polvo comercial. Fuente: elaboración propia.
3.2. Actividad de agua (aw)
La diferencia en la presión de vapor en el ambiente con respecto al interior del producto es la fuerza impulsora que mueve la actividad de agua desde un valor inicial hasta llegar al equilibrio con el 70 % de humedad relativa definida en la cámara. El polvo de JCP + WPC y la leche en polvo poseen un comportamiento similar en los tiempos y el incremento de la actividad de agua, tal como se observa en la figura 3.
Sin embargo, el polvo de JCP + WPC tarda más tiempo en estabilizar su aw con la humedad del ambiente. Esto posiblemente se debe a que, a pesar de la alta higroscopicidad del producto, la alta cantidad de proteínas de suero logran ligar mayor cantidad de agua a su estructura, lo cual puede ser favorecedor para el producto desde el punto de vista de estabilidad durante el almacenamiento. Sin embargo, este comportamiento podría ser el resultado del inicio de la aglomeración de las partículas de JCP + WPC, lo cual representa una barrera al equilibrio entre el producto y el ambiente.
En la figura4 es posible observar que existe una tendencia hacia la disminución del tiempo que tarda el producto en humedecerse completamente. Esto se debe a fenómenos de aglomeración que ocurren entre las partículas y la disminución de la superficie dentada en ellas. Esto coincide con lo mencionado por Ferrari et al., [27] quienes obtuvieron una disminución del tiempo de humectación considerable (de 120 a 15 s) al incrementar el tamaño de partícula de polvo de mora de 74 a 200 μm después de procesos de aglomeración. Además, los autores mencionan que la superficie dentada de las partículas incrementa la humectabilidad del producto. Por tal razón, es posible que a medida que incrementa el contenido de humedad del polvo de JCP + WPC, las partículas comienzan a perder la superficie dentada, lo cual favorece la disminución del tiempo de humectabilidad del producto. Un proceso de secado con una etapa de aglomeración puede contribuir a mejorar propiedades como la humectabilidad y la dispersabilidad, tal como menciona Chever et al. [28], quienes evaluaron diversos métodos de aglomeración en polvo de mezclas de leche entera y azúcar.
Figura 3. Evolución de la actividad de agua para polvo de JCP+WPC y leche en polvo comercial. Fuente: elaboración propia.
Por otra parte, en la figura 4 es posible observar una clara diferencia en los tiempos de humectabilidad del polvo de JCP y WPC al compararse con la leche en polvo. Murrieta-Pazos [9] menciona que la reconstitución se lleva a cabo en varios pasos: humectación, hundimiento, dispersión y solubilización. Visualmente durante el proceso se observó una humectación rápida de la leche en polvo, producto del desarrollo de todos los pasos durante la reconstitución. Sin embargo, el polvo de JCP+WPC desarrolla los procesos de humectación, dispersión y solubilización desde la superficie que se encuentra en contacto con el agua, siendo el hundimiento de las partículas casi imperceptible e incrementando así el tiempo de humectabilidad del producto.
Figura 4. Evolución de la humectabilidad del polvo de JCP+WPC y leche en polvo comercial. Fuente: elaboración propia.
3.4. Color
El color sufrió leves cambios en los parámetros L*, a* y b* durante el estudio realizado, tal como se observa en la figura 5. La luminosidad (L*) se mantuvo en un rango de 63,11 a 73,52 con puntos máximos entre las 4 y 12 horas de exposición al ambiente, con una posterior disminución y estabilización a las 24 horas de almacenamiento. Esto se debe a que es un producto con tendencia al color blanco y cuya luminosidad incrementa con la ganancia de agua en las primeras etapas de absorción, y cuando las partículas comienzan a sufrir cambios en su estructura comienza un proceso de oscurecimiento. La leche en polvo presenta un comportamiento similar con un mayor incremento en el valor L* si se compara con el polvo de JCP + WPC.
En cuanto al parámetro a*, el producto de JCP + WPC tuvo un valor muy cercano al neutro (rango entre -0,45 y 0,04), sin embargo, después de 24 horas de exposición incrementó a 0,97, debido posiblemente a reacciones de pardeamiento. El comportamiento del parámetro a* de la leche fue similar, pero dadas sus características varió en un rango de -2,73 y -1,55.
Figura 5. Evolución de parámetros de color (a) L*, (b) a* y (c) b* para polvo de JCP + WPC y leche en polvo comercial. Fuente: elaboración propia.
El parámetro b* fue el más sensible al pasar de 11,68 a 16,63. El producto, al estar en contacto directo con el ambiente, sufre procesos de pardeamiento tornándose más amarillo con el paso del tiempo. El incremento del contenido de humedad favorece el desarrollo de procesos de deterioro del producto y posibles reacciones entre las sustancias que componen la matriz del polvo de JCP y WPC. La leche presentó un comportamiento similar con valores del parámetro b* en el rango de 11,54-15,07 en las 24 horas de seguimiento.
Dados los resultados obtenidos se podría decir que el polvo de JCP y WPC es ligeramente más sensible a cambios de color durante el almacenamiento y exposición a ambientes con alta humedad relativa. El cambio de color hacia valores mayores de a* y b* es una evidencia del desarrollo de procesos de pardeamiento no enzimático o reacciones de Maillard [29], en la cual las proteínas ricas en lisina reaccionan con azúcares reductores [30] como la lactosa, fructosa y glucosa presentes en la muestra de estudio.
Los productos, al ser de origen lácteo y obtenidos mediante secado por aspersión, se encuentran en un rango similar en cuanto al color, con diferencias relacionadas a su estructura, composición, uso o no de aditivos y condiciones específicas de proceso y almacenamiento.
3.5. Tamaño de partícula y morfología
Los cambios en las propiedades fisicoquímicas de los productos en polvo son el resultado de cambios a nivel de su microestructura, causados por los efectos de las condiciones ambientales a las que son sometidos durante procesos de almacenamiento o preparación. El incremento de humedad como consecuencia de la absorción de agua desde el medio ambiente provoca cambios en propiedades como la Tg y la solubilidad de las sustancias que componen el producto, hasta el punto en que las partículas sufren un colapso de su estructura original.
En la figura 6 a se observa cada partícula separada con forma cercana a una esfera con presencia de identaciones bien definidas, producto del proceso de secado por aspersión y la presencia de proteínas en la superficie de la partícula. Luego de 4 horas de exposición al ambiente con el aumento del contenido de humedad y la disminución de la Tg, las partículas amorfas evidencian su transición a un estado gomoso (figura 6b), cuya principal consecuencia es el incremento de la adhesividad y la unión de partículas. Estos cambios provocaron un incremento en el tamaño de partícula desde 14,61±0,3 a 24,2±1,63 μm entre los tiempos 0 y 4 horas.
Murrieta-Pazos et al. [9] reportó incremento del tamaño de partícula de leche en polvo con el incremento en la aw, el cual atribuye inicialmente a la hinchazón de las partículas debido a la migración del agua hacia la matriz molecular amorfa y posteriormente a fenómenos de aglomeración conducidos por la lactosa. Chever et al. [28] obtuvo incremento en D[4,3] de 54 μm a 133-308 μm para la aglomeración de polvo de mezclas de leche entera y azúcar.
En la figura 6b es posible apreciar partículas con superficie más lisa y brillante, lo cual puede explicar el incremento del parámetro de color L* en la muestra expuesta al ambiente durante 4 horas. Luego de 12 horas de exposición (figura 6c) es evidente el colapso total de las partículas y la transformación del producto a un estado gomoso, sin evidencia de su estructura original. Por tal razón, no fue posible estimar un tamaño de partícula para la muestra tomada a las 12 horas. En este punto del proceso de absorción de agua, las características del producto cambiaron lo suficiente para considerar que no es apto para el consumo ya que no conserva las características de calidad propias de un producto en polvo.
Los resultados obtenidos coinciden con lo descrito por Araujo-Díaz et al. [31] quienes mencionan que la evolución de la morfología de las partículas puede atribuirse a la naturaleza química de los agentes portadores. En su caso evidenciaron que la adición de maltodextrina en el secado por aspersión de jugo de arándano provocó un cambio en las partículas desde el estado amorfo al gomoso con el incremento en la actividad de agua, mientras que la adición de inulina favoreció procesos de cristalización causados por las unidades de fructosa presentes en la inulina. Lo observado en la estructura de las partículas del polvo de JCP + WPC permite comprender los cambios presentados en cuanto a disminución de humectabilidad y cambios en el valor L* de color.