películas comestibles de aplicación industrial

películas comestibles de aplicación industrial

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
10-21
PELÍCULAS COMESTIBLES DE APLICACIÓN INDUSTRIAL
Lucía Famá a, Ana M. Rojas b , Silvia Goyanes a, c, Lía Gerschensonb, c
a
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires.
[email protected]
b
Departamento de Industrias, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires.
Ciudad Universitaria, (1428)Buenos Aires- Argentina. [email protected]
c
Miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina
(CONICET). [email protected]; [email protected]
Se estudió el efecto de la presencia del sorbato (agente antimicrobiano) en las propiedades mecánicas de
películas compuestas por soluciones de almidón de mandioca y glicerol. Se realizaron estudios, mecánicos
dinámicos y cuasi-estáticos, usando un analizador mecánico dinámico (Rheometric DMTA IV). Se determinó, la
influencia del tiempo de almacenamiento ( 8 semanas) y de la presencia de sorbato de potasio en las siguientes
propiedades mecánicas: módulo de almacenamiento (E’), tangente de pérdida (Tan δ), deformación (εr) y tensión
a ruptura (σr). Se observó que la presencia de sorbato reduce E’ y aumenta Tan δ, mostrando características de
plastificante. Además, el mismo modifica la respuesta de las películas a lo largo del tiempo de almacenamiento:
las películas sin sorbato muestran un quiebre en sus propiedades a las 4 semanas mientras que, en las películas
con sorbato se puede apreciar un suave incremento en E’ y una disminución continua en Tan δ. Asimismo, la
presencia de sorbato aumenta la deformación a ruptura y ésta disminuye a medida que aumenta el tiempo de
almacenamiento. Ello se debería a la destrucción del sorbato lo que determina que el contenido de éste sea menor
a las ocho semanas que a las dos, afectando la estructura de las películas.
Palabras claves: Películas comestibles, almidón de mandioca, sorbato, propiedades mecánicas.
1. INTRODUCCIÓN
Los almidones son polímeros que se utilizan para
numerosas aplicaciones en la industria alimenticia y
sus propiedades funcionales dependen del origen
(trigo, maíz, papa, mandioca), pero también son
afectados por otros factores como modificaciones
químicas, pH, etc.
En los productos alimenticios es habitual la adición de
agentes antimicrobianos como el sorbato de potasio o
el benzoato de sodio con el fin de prevenir el
crecimiento de microorganismos.
Los almidones pueden interactuar con algunos
aditivos o componentes de los alimentos y dicha
interacción podría afectar las propiedades funcionales
de los polisacáridos. A modo de ejemplo podemos
mencionar que la adición de azúcar o lípidos puede
cambiar el comportamiento del almidón durante la
gelatinización o que las características de sorción de
los almidones puede ser modificada debido a la
presencia de cloruro de sodio o sacarosa,
determinando una reducción en la sorción de agua[1].
Las películas comestibles han sido desarrolladas con
el fin de extender la vida útil de los productos
alimenticios o enriquecerlos [2, 3]. Su formulación
está basada en la presencia de polisacáridos, proteínas
y lípidos. Éstas películas deben ser totalmente neutras
con respecto al color, tacto y olor del alimento. Su
aplicación sobre frutas y hortalizas puede modificar la
respiración. También pueden usarse como portadoras
de agentes antimicrobianos, antioxidantes o nutrientes
tales como vitaminas y minerales.
El estudio de las propiedades mecánicas de las
películas alimenticias es importante en relación a las
características organolépticas del alimento y a su
manipuleo.
El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de la
presencia de sorbato en las propiedades mecánicas de
películas compuestas por soluciones de almidón de
mandioca y glicerol.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Preparación de las muestras
Se prepararon películas comestibles constituidas por
almidón de mandioca, glicerol y agua (5.0:2.5:92.5)
o por iguales componentes con agregado de sorbato de
potasio (5.0:2.5:92.2:0.3), en base a un proceso de
gelatinización. Dichas películas se secaron a 50° C
durante dos horas y se acondicionaron a temperatura
ambiente, durante dos semanas, sobre una solución
saturada de NaBr (actividad de agua, aW ≅ 0.575).
Las muestras utilizadas para los ensayos dinámicos
fueron cortadas en cintas de 29mm x 5 mm.
Para los ensayos de rotura la geometría de las
muestras empleadas se muestra en la Figura 1.
2.2 Caracterización mecánica
Se realizaron estudios mecánicos dinámicos y cuasiestáticos, usando un analizador mecánico dinámico
(Rheometric DMTA IV). Las muestras fueron
estudiadas en el modo de Tensión Rectangular.
Se realizó un barrido en deformación (hasta 1%) para
determinar el rango lineal de viscoelasticidad.
Los ensayos dinámicos fueron realizados a 1 Hz y a
temperatura ambiente, manteniendo una deformación
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10 mm
5 mm
En la Tabla I se listan los resultados obtenidos para las
películas con y sin sorbato, a las dos semanas de su
fabricación. También se muestra el trabajo por unidad
de volumen para alcanzar una deformación ε = 0.3
(W 0.3 ), calculado a partir de las curvas σ-ε .
Se puede observar que las películas sin sorbato, tienen
mayor módulo, menor tangente de pérdida y menor
deformación a ruptura. Estos resultados parecen
indicar que la presencia de sorbato aumentaría la
flexibilidad de las cadenas del polímero. El trabajo por
unidad de volumen necesario para alcanzar una
deformación 30 % fue mayor en las películas sin
sorbato, lo que confirma su gran rigidez; mientras que
el mayor valor de Tan δ en las películas con sorbato
implica una pérdida en la elasticidad de la red.
25 mm
15 mm
10 mm
Propiedad mecánica
Películas sin
sorbato
Películas con
sorbato
Rango lineal ( εl , %)
0.38 ± 0.03
0.30 ± 0.05
Módulo (E ‘ , MPa)
Tangente de pérdida
(Tan δ)
Tensión a ruptura
(σr, MPa)
Deformación a
ruptura (εr, %)
Trabajo x10-5
(W 30 , Joule/m3 )
5.2 ± 1.2
1.33 ± 0.23
0.163±0.022
0.460±0.030
Figura 1. Corte de las muestras para los ensayos cuasiestáticos.
constante de 0.04 %. Se obtuvo información de los
módulos de almacenamiento (E’) y tangente de
pérdida (Tan δ) para todas las películas fabricadas.
Los ensayos de tensión-deformación se realizaron a
temperatura ambiente y a una velocidad de
deformación de 5.10-4 seg -1 . Se obtuvo información de
tensión a ruptura (σr) y deformación a ruptura (εr) para
los diferentes tipos de películas fabricadas.
En todos los casos, las muestras se evaluaron por
septuplicado, reportándose el valor promedio de cada
magnitud.
2.3 Determinación de la humedad
Para la determinación de la humedad de las muestras
se sometió un gramo de las mismas a calentamiento a
70° C en estufa de vacío hasta peso constante [4]. El
peso de dichas muestras se evaluó diariamente durante
un período de tres semanas, aproximadamente. El
criterio seguido para decidir sobre la constancia del
peso fue el cambio aleatorio del mismo a nivel de
milésimas de gramo.
Para asegurar la sorción de la humedad desprendida en
la estufa de vacío, se utilizó Cloruro de Calcio
(Ca Cl2 ) como desecante.
Las determinaciones se realizaron por duplicado y se
informa el promedio de los resultados obtenidos.
2.4 Dosaje de sorbato de potasio
Se estudió el tenor de sorbato de potasio de las
muestras, a lo largo del almacenamiento realizando la
destilación por arrastre por vapor del compuesto,
seguida de su oxidación con dicromato y reacción con
ácido tiobarbitúrico [4].
Las determinaciones se realizaron por duplicado y se
informa el promedio de los resultados obtenidos.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Efecto del sorbato
10-21
0.69 ± 0.15
> 0.30
30.5 ± 0.5
> 80%
1.3 ± 0.3
0.20 ± 0.05
Tabla I. Efecto del sorbato en las propiedades
mecánicas de las películas.
3.2 Efecto del tiempo de almacenamiento
En la Tabla II se muestra la influencia del tiempo de
almacenamiento en las diferentes propiedades
mecánicas.
Las películas con sorbato muestran un aumento de la
tensión a ruptura, trabajo por unidad de volumen, y
módulo de almacenamiento con el tiempo. Se puede
observar un rápido aumento en el modulo E’ hasta las
4 semanas de almacenamiento y, luego, un incremento
suave, probablemente, debido a un proceso de
gelatinización
bifásico.
La
primera
fase
correspondería a la gelación de la amilosa y, la
segunda, ha sido atribuida a la recristalinización de la
amilopectina, que reforzaría la red existente
constituida por una fase continua (amilosa
gelatinizada) y una discontinua (gránulos remanentes)
[5,6]. La presencia de aceites minerales o
plastificantes aumenta la elongación a ruptura de
polímeros con igual grado de entrecruzamiento[5] Por
ello, la mayor elongación a ruptura de las películas
con sorbato para cada tiempo estudiado respecto a las
películas sin sorbato, se explicaría por la acción
plastificante desarrollada por este aditivo.
Cuando las suspensiones amiláceas acuosas se
calientan a temperaturas mayores que la temperatura
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de gelificación, los gránulos se hinchan y se pierde
orden estructural. Como los gránulos continúan
expandiéndose, la amilosa sale de ellos y ocupa la fase
acuosa localizada entre los gránulos; estos procesos
producen un incremento sustancial de la viscosidad
del sistema. Si la concentración de almidón es alta
(usualmente mayor que 6 % w/w), la mezcla de
gránulos hinchados y amilosa se comportan como una
pasta viscoelástica.
Al enfriarse, la mezcla polimérica sufre un incremento
de la consistencia y, durante el tiempo de
almacenamiento, ocurre un desarrollo de rigidez, a
consecuencia del agregado de cadenas de amilosa.
De la descripción anterior, se observa que los geles de
almidón pueden considerarse como compuestos de
polímeros (“composite”) en los cuales los gránulos
hinchados (partículas) están embebidos en, y
reforzando, una matriz continua constituida por
moléculas de amilosa ligadas una a otra. Los geles de
almidón son redes para las cuales es importante la
densidad de entrecruzamientos en la fase continua, la
rigidez, fracción de volumen y distribución espacial de
los gránulos hinchados. Sus propiedades mecánicas
están influenciadas por aquellos factores y por las
interacciones entre los componentes del sistema [6].
El entrecruzamiento aumenta la resistencia de la red
del polímero y reduce la movilidad de las moléculas,
incrementando su módulo de almacenamiento.
Además, un incremento en la densidad de
entrecruzamientos, aumenta la máxima tensión de
ruptura [6]. Por lo tanto, este efecto podría ser el
determinante del aumento de la tensión a ruptura,
trabajo por unidad de volumen y módulo, con el
tiempo de almacenamiento, para las películas con
sorbato y para las películas sin sorbato entre las 2 y 4
semanas (Tablas II & III). A las 8 semanas de
almacenamiento, la tensión a ruptura y el módulo de
las películas sin sorbato decrece. Resultados similares
fueron reportados para elastómeros siendo atribuidos a
que una alta densidad de entrecruzamiento puede
producir una estructura de red no uniforme. La
presencia de zonas de interfase entre las regiones
altamente entrecruzadas y las zonas levemente
entrecruzadas, generaría disminución en la tensión a
ruptura y módulo de almacenamiento[7].
El incremento de la elongación a ruptura observado
entre la segunda y la cuarta semana en las películas sin
sorbato podría deberse al aumento de la regularidad
espacial de la red [8]. La disminución entre la cuarta y
la octava semana está probablemente ligada al
aumento en la cristanilidad o la segregación del
sistema.
Para las películas con sorbato, la ruptura observada a
la octava semana de almacenamiento, podría estar
vinculada a la disminución del contenido de sorbato
por su destrucción oxidativa con el paso del tiempo
[9] como puede apreciarse en la Tabla II. La
disminución
del efecto plastificante podría contribuir al monótono
aumento en E’ y decrecimiento en Tan δ, a lo largo
del tiempo, para estas películas.
El contenido de humedad no varía significativamente
durante el tiempo de almacenamiento (P: 0.05).
10-21
Películas
con
sorbato
2 semanas
4 semanas
8 semanas
E' (Mpa)
1.33 ± 0.23
15.0 ± 3.5
21.7 ± 2.3
Tan (δ)
0.46 ± 0.03
0.430±0.007
0.366±0.008
σr (MPa)
0.30 ± 0.06
0.84 ± 0.01
1.26 ± 0.09
εr (%)
T30 x 10-5
(J/m3 )
> 80
> 80
65.0 ± 9.0
0.2 ± 0.0
1.1 ± 0.0
1.9 ± 0.1
36.0 ± 3.0
41.0 ± 3.9
39.6 ± 4.0
4.00± 0.36
3.25± 0.48
2.13± 0.30
Humedad
(%,w/w)
Cantidad
de sorbato
(%w/w)
Tabla II: Propiedades mecánicas de las películas
almacenadas.
Películas
sin
sorbato
2 semanas
4 semanas
8 semanas
E' (MPa)
5.2 ± 1.2
52 ± 13
29.0 ± 1.7
Tan (δ)
σr
(MPa)
0.163±0.022 0.256±0.008 0.243±0.007
0.69 ± 0.15
2.32 ± 0.09
1.61 ± 0.08
εr (%)
T30 x 10-5
(J/m3 )
30.5 ± 0.5
71.3 ± 4.7
49.5 ± 0.5
1.3 ± 0.3
3.7 ± 0.1
2.9 ± 0.1
Humedad
48.3 ± 3.0
54.4 ± 4.2
49.8 ± 5.0
(%,w/w)
Tabla III: Propiedades mecánicas de las películas
almacenadas.
4. CONCLUSIONES
La presencia de sorbato, produce un incremento del
porcentaje de elongación de las películas previo a
rotura, una reducción de E’ y un aumento de Tan δ,
debido al efecto plastificante ejercido sobre el almidón
de mandioca. Además, dicho antimicrobiano modifica
la respuesta de las películas a lo largo del tiempo de
almacenamiento: las películas sin sorbato muestran un
quiebre en sus propiedades a las 4 semanas de
envejecimiento, mientras que, en las películas con
sorbato, se puede apreciar un suave incremento en E’
y una disminución continua en Tan δ.
En ausencia de sorbato, el aumento de la elongación a
ruptura observada entre la segunda y la cuarta semana
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podría deberse al aumento de la regularidad espacial
de la red entrecruzada, mientras que la disminución
entre la cuarta y octava semana estaría probablemente
ligada al aumento en la cristalinidad o a la segregación
del sistema.
La acción plastificante del sorbato, cuando es
agregado como agente antimicrobiano, en películas
comestibles formuladas con almidón de mandioca y
glicerol, afecta las propiedades mecánicas de dichas
películas, potencialmente afectando su performance.
El envejecimiento del almidón, las características de la
red y la pérdida de sorbato con el tiempo, podrían ser
los responsables de los cambios observados en las
propiedades mecánicas de las películas comestibles
durante el tiempo de almacenamiento.
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6. AGRADECIMIENTOS
Deseamo s agradecer el apoyo financiero de la
Fundación Antorchas, Universidad de Buenos Aires,
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Tecnológicas de la República Argentina, Agencia
Nacional
de
Investigaciones
Científicas
y
Tecnológicas de la República Argentina y del Banco
Interamericano de Desarrollo.
5. REFERENCIAS
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sucrose with starch during dehydration as shown by
water sorption. Journal of Food Science, 49, 1984,
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