CONGRESO CONAMET/SAM 2004 COMPORTAMIENTO MECÁNICO DINÁMICO DE PELÍCULAS COMESTIBLES A BAJAS TEMPERATURAS. INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE SORBATO Y GRADO DE ACIDEZ Lucía Famá1, 3, Silvia Flores2, 4, Ana M. Rojas2, Silvia Goyanes1, 5, Lía Gerschenson2, 5 1 Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física. Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Industrias. Ciudad Universitaria, (1428) Buenos Aires- Argentina. 3 Becaria Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina (CONICET). 4 Becaria Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT). 5 Miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina (CONICET). goyanes@df.uba.ar ; lia@di.fcen.uba.ar 2 RESUMEN Se estudió el comportamiento mecánico dinámico, a temperaturas por debajo de 0°C, de películas alimenticias de distinto pH, conformadas por almidón de mandioca, glicerol (plastificante), agua y diferentes porcentajes de sorbato (agente antimicrobiano). Se evaluó el contenido de humedad de las películas por secado a 70ºC y la fracción cristalina mediante rayos X. Utilizando un analizador mecánico dinámico se obtuvo la dependencia con la temperatura, contenido de sorbato y pH, del módulo de almacenamiento y de la tangente de pérdida para las diferentes películas estudiadas, analizando, en todos los casos, las transiciones de fase. Los resultados obtenidos fueron interpretados en función del contenido de humedad, fracción cristalina y de la respuesta térmica del glicerol y glicerol - almidón. Palabras claves: Películas comestibles, almidón de mandioca, sorbato de potasio, propiedades mecánico dinámicas. 1. INTRODUCCIÓN Actualmente los consumidores exigen alimentos preservados que sean lo más parecido posible a los frescos y de larga duración. Uno de los factores de preservación en plena investigación, es el de las películas comestibles [1]. Estas películas han sido desarrolladas con el fin de extender la vida útil de los productos alimenticios o enriquecerlos [2, 3]. Pueden usarse como soporte de agentes antimicrobianos, antioxidantes o nutrientes tales como vitaminas y minerales, como portadoras de otros aditivos o para enlentecer la migración de humedad y lípidos o el transporte de gases y solutos. Ellas deben poseer propiedades mecánicas que garanticen la adecuada adhesividad a los alimentos y manipuleo de ellos sin deterioro de las mismas y, además, deben ser totalmente neutras con respecto al color, tacto y olor del alimento. Un punto crítico a estudiar es el comportamiento mecánico de las películas comestibles a bajas temperaturas, dado que muchos alimentos usan las bajas temperaturas como un factor de conservación. Los almidones son hidrocoloides comúnmente utilizados para la formulación de estas películas. Junto con ellos, 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 dichos aditivos y esa interacción podría afectar las propiedades funcionales de los polisacáridos. El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de la concentración de sorbato y de la acidez del sistema en las propiedades mecánico dinámicas, a temperaturas por debajo de 0ºC, de películas compuestas por suspensiones de almidón de mandioca y glicerol. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Preparación de las muestras Se fabricaron películas a partir de una suspensión acuosa de almidón de mandioca (5 % p/p), glicerol (2,5 % p/p) y sorbato. El contenido inicial de sorbato fue de 0 % (p/p) o de 0,2 % (p/p) (correspondiente a CONGRESO CONAMET/SAM 2004 2000 ppm, partes por millón). En ambos casos, se agregó la cantidad de agua necesaria para completar el 100% del sistema y el pH fue ajustado a 6,7 ó 5,0 con solución acuosa (50% p/p) de ácido cítrico. La suspensión fue tratada térmicamente a fin de gelatinizarla empleando una rampa de calentamiento de 1,6ºC/min hasta llegar a 70-75ºC aproximadamente (5 % mayor a la temperatura de gelatinización). Se desgasificó la mezcla al vacío y se volcó el gel sobre placas de vidrio. Se realizó un primer secado en estufa con circulación de aire a 52ºC durante dos horas. Luego se las colocó en una cámara a 25ºC durante 7 días. Finalmente, las muestras se equilibraron sobre una solución saturada de NaBr (actividad de agua, aW ≅ 0.575) a 25ºC antes de caracterizarlas. Las muestras utilizadas para los ensayos mecánicos fueron cortadas en cintas de 29 mm x 5 mm. 2.2 Dosaje de sorbato de potasio Se determinó el tenor de sorbato de potasio de las muestras, realizando la destilación por arrastre con 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. estimarse por el área por encima de la curva envolvente [5]. 2.5 Caracterización mecánica Las propiedades mecánico dinámicas fueron determinadas usando un analizador mecánico dinámico (Rheometric, DMTA IV). Se realizaron ensayos en el modo tracción a 1 Hz, entre -90ºC y 20ºC, a una velocidad de 2ºC/min. Se obtuvo la dependencia con la temperatura y contenido de sorbato, del módulo de almacenamiento (E’) y de la tangente de pérdida (Tan δ), para las diferentes composiciones estudiadas. 2.6 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) Se realizaron ensayos de Calorimetría Diferencial de Barrido usando un calorímetro Mettler Toledo Schwerzenbach, con el fin de caracterizar el comportamiento del glicerol y almidón, constituyentes de las películas. Todos los ensayos fueron realizados entre -130ºC y 130ºC, a una velocidad de calentamiento de 10°C/min (doble barrido) colocando alrededor de 10 mg de muestra en una cápsula de aluminio. Se analizó la transición vítrea (Tg) del segundo barrido con el programa Mettler Stare. 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 (CaCl2) como desecante. Las determinaciones se realizaron por duplicado y se informa el promedio de los resultados obtenidos. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 2.4 Difracción por Rayos X Contenido pH inicial de sorbato [ppm] El análisis de difracción por rayos-X de las películas alimenticias, se realizó con un difractómetro Philips con goniómetro vertical (PW1510) (radiación Cu Kα , λ = 1542 Å y filtro de Ni). La operación fue realizada a 40 kV. y 30 mA., con constante de tiempo de 1 seg. El barrido de las muestras se realizó entre 3° y 33° (2 θ), con una velocidad de 1°/min. Se reportaron las fracciones amorfa y cristalina de cada sistema tomando como 100 % a la región formada por una línea de base desde los 12° hasta 25° (2 θ). La zona amorfa de las muestras se puede estimar por el área encerrada entre una curva envolvente dibujada sobre la base de los picos cristalinos, y la línea de base que se extiende desde los 12° hasta 25° (2 θ). La fracción cristalina puede La Tabla I muestra, a temperatura ambiente, la concentración de sorbato, contenido de humedad y fracción cristalina, de las películas estudiadas, luego de dos semanas de la gelatinización. Tabla I. Concentración de sorbato, contenido de humedad y fracción cristalina, para las diferentes películas estudiadas. Evaluadas a las 2 semanas de la gelatinizaciòn y a temperatura ambiente. Contenido de sorbato [ppm, base seca] de las películas Contenido de agua [g. de H2O / 100 g. de masa seca] Fracción cristalina [%] 6,7 -------- 25,4 ± 4,4 34,4 5,0 -------- 27,2 ± 2,3 34,4 6,7 (329 ± 44)102 38,0 ± 2,0 22,2 5,0 (270 ± 27)102 37,8 ± 1,2 25,6 0 2000 CONGRESO CONAMET/SAM 2004 En las Figuras 1 a) y b) se muestra la dependencia con la temperatura que presentan E’ y Tan δ, respectivamente, para las películas estudiadas con pH 6,7. En la curva de la Tangente de pérdida (Figura 1 b)), pueden observarse dos picos: uno, muy importante, alrededor de -60ºC; y otro, ancho y de baja intensidad, entre -30ºC y -15ºC. La relajación molecular observada alrededor de -60ºC puede verse reflejada en la importante caída del módulo de almacenamiento en ese rango de temperaturas (Figura 1 a)). La Figura 2 muestra la dependencia con la temperatura que presenta Tan δ, para las películas estudiadas con pH 5. 0.4 Contenido de sorbato 0 ppm 2000 ppm 0.3 Tan δ Las películas al constituirse y, por lo tanto, perder parte de su contenido de agua, sufren una aumento en su concentración de sorbato de potasio, resultando su valor, a las dos semanas, mayor que el inicial. Como puede observarse en la Tabla I, el contenido de humedad de las películas depende de la presencia del agente antimicrobiano, sorbato de potasio. Las muestras con concentración inicial de 0,2 % de sorbato, retienen más agua que las películas sin sorbato. Es decir que el agregado de sorbato genera un aumento en la cantidad de agua retenida por las películas. El cambio del pH no afecta significativamente el contenido de humedad de las películas estudiadas. La Tabla 1, también muestra que, con la incorporación de sorbato en las películas, disminuye la fracción cristalina de las mismas. La fracción cristalina de las películas de pH 5,0 conteniendo sorbato, es levemente mayor que la observada para muestras con pH 6,7. 0.2 0.1 Contenido de Sorbato 0 ppm 2000 ppm 3 E' (MPa) 6x10 -80 a) -60 -40 -20 0 20 T (°C) Figura 2. Dependencia con la temperatura de Tan δ, para películas con pH 5. Evaluadas a las 2 semanas de la gelatinización. 3 4x10 3 2x10 0 -80 -60 -40 -20 0 20 T (°C) 0.4 Contenido de sorbato 0 ppm 2000 ppm b) Tan δ 0.3 0.2 0.1 -80 -60 -40 -20 0 20 T (°C) Figura 1. Dependencia con la temperatura: a) de E’ y b) de Tan δ, para películas con pH 6,7. Evaluadas a las 2 semanas de la gelatinización. De acuerdo con Standing y col. [6], el glicerol tiene su transición vítrea en -78ºC. Otros investigadores reportan la Tg del glicerol en -93ºC [7, 8]. Siguiendo a Wilhelm y col. [9], en un almidón plastificado con glicerol se encuentran 2 relajaciones: una en -74ºC y la otra en 188ºC; las cuales son atribuidas a una miscibilidad parcial del glicerol en el almidón. Estos autores, atribuyen la transición vítrea observada en -74ºC a una zona rica en glicerol, mientras que a la otra, la asocian a una zona rica en almidón. Mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) se estudiaron las transiciones que presentan el glicerol y el almidón. En la Figura 3, se pueden observar los termogramas correspondientes a glicerol (Figura 3 a)) y a glicerol con almidón (Figura 3 b)). Este termograma concuerda con los resultados de Wilhelm y col. [9], mostrando que el almidón y el glicerol son al menos parcialmente miscibles, existiendo una zona glicerol-almidón en donde el material mayoritario es el glicerol, el cual presenta una Tg en ≅ -68,4ºC. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 0 Endotermia (mW) a) -5 S -95°C -10 -100 -80 -60 -40 -20 1 b) 0 -1 S -68.4°C -2 -100 -80 -60 -40 -20 materiales que presentan transiciones más marcadas, son menos cristalinos [10]. En las Figuras 4 a) y b) se muestra la fracción cristalina para cada concentración de sorbato y pH estudiado y la dependencia de Τan δ con la temperatura entre -50ºC y 20ºC, respectivamente. Como se puede observar en dichas figuras, el ancho del pico observado entre -30ºC y -15ºC está altamente vinculado con la fracción cristalina de las muestras. El pico entre -30ºC y -15ºC tiende a desaparecer en las películas sin el antimicrobiano (Figura 4 b), lo que es consistente con la determinación realizada por Rayos X acerca de la menor cristalinidad de las películas conteniendo sorbato. T (°C) 36 En la Figura 1 b) también puede observarse que la incorporación de sorbato en las películas comestibles, desplaza la posición del pico de transición vítrea (Tg) de la zona glicerol-almidón rica en glicerol hacia temperaturas menores. Este mismo efecto se observa en el módulo de almacenamiento (Figura 1 a)): parece haber un desplazamiento de la curva de E’ hacia temperaturas menores, causado por la incorporación de sorbato. Dado que es conocido que el agregado de plastificantes produce un corrimiento de la Tg hacia menores temperaturas [10], la tendencia comentada podría deberse al efecto plastificante del sorbato o a que, al menos, el mismo estaría formando parte de la fase que está relajando en las películas alimenticias, afectando así la Tg. La Figura 2 muestra un comportamiento similar a lo observado en el caso de las muestras con pH 6,7, para las pelìculas con pH 5: el pico asociado a la relajación del complejo glicerol-almidón parece desplazarse hacia menores temperaturas (Tg ≅ –62 °C) y hacia mayores valores de Tan δ con la presencia de sorbato. Estos resultados muestran que el comportamiento de Tan δ no es afectado por el cambio de pH, lo cual indicaría que el agregado de ácido cítrico no modifica las propiedades mecánico dinámicas, en el rango de temperaturas cercanas a la transición vítrea asociada al complejo glicerol-almidón Los picos medidos con el DMTA corresponden a relajaciones de la parte amorfa del material. La presencia de cristalinidad ensancha los picos e inclusive puede llegar a ocultarlos. Por lo tanto, los Fracción cristalina (%) Aplicando las ideas de Wilhelm y col. [9] a los resultados de la Figura 1 b), la relajación observada alrededor de -60ºC, puede atribuírsele a la transición vítrea y correspondiente relajación molecular de una zona parcialmente miscible glicerol-almidón, rica en glicerol. pH 6,7 pH 5 a) 33 30 27 24 21 0 2000 Contenido inicial de sorbato (ppm) 0.4 b) 0.3 Tan δ Figura 3. DSC: a) glicerol (25%). b) glicerol (2.5%) y almidón (5%). 0.2 0 ppm, pH 6,7 2000 ppm, pH 6,7 0 ppm, pH 5 2000 ppm, pH 5 0.1 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 T (°C) Figura 4. a) Fracción cristalina obtenida mediante RX; b) Dependencia de Τan δ con la temperatura medida con el DMTA. Es sabido que el aumento de la fase cristalina de un material semicristalino está altamente vinculado con la disminución del contenido de humedad del mismo. La incorporación de sorbato de potasio en las películas estudiadas produce una disminución en la cristalinidad y un aumento en el contenido de agua de las mismas (Tabla 1). Las consecuencias del agregado de sorbato CONGRESO CONAMET/SAM 2004 en las propiedades mecánicas ya reportadas mostrarían que el mismo, incorporado en películas comestibles como agente antimicrobiano, actuaría como un plastificante [10, 11] per se o por su efecto en el aumento del contenido de humedad de las películas. El valor de la temperatura de transición vítrea de los polímeros se ve seriamente afectada por los cambios en el contenido de humedad ya que el agua actúa como un diluyente o plastificante, disminuyendo la temperatura de transición vítrea [11, 12, 13]. La bibliografía muestra que cuanto mayor es el contenido de humedad, los picos de las transiciones vítreas sufren un corrimiento hacia menores temperaturas y se observan mayores valores de tangente de pérdida, en consonancia con nuestras observaciones. En la Figura 4 b), también puede observarse que el pico entre -30ºC y -15ºC se vuelve menos intenso con la disminución del pH. Este comportamiento puede vincularse, nuevamente, con los resultados obtenidos mediante difracción por RX (Figura 4 a)), donde la fracción cristalina para las muestras con pH 5 resulta levemente mayor que para las películas con pH 6,7. 4. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en la caracterización de las películas comestibles basadas en almidón de mandioca, agua y glicerol mostraron que, con la incorporación de sorbato como agente antimicrobiano, las películas presentan un menor grado de cristalinidad, para cada pH estudiado. Una consecuencia importante de este hecho, es que aumenta el contenido de humedad de dichas películas. Este aumento se ve reflejado en las propiedades físicas de la siguiente manera: con el agregado de sorbato, la Tg sufre un corrimiento hacia menores temperaturas, aumentando el rango de temperatura de la transición. Este comportamiento mostraría que el sorbato, incorporado en las películas comestibles como agente antimicrobiano, actuaría como plastificante, potencialmente afectando el comportamiento de dichas películas. El agregado de ácido cítrico para disminuir el pH de las películas resultó en un leve aumento de la cristalinidad de las mismas. La modificación del pH no produjo diferencias significativas en la Tg correspondiente a la transición vítrea asociada al complejo glicerol-almidón rico en glicerol. Sin embargo, en el rango de temperaturas entre -30ºC y -15ºC, se observa un cambio leve en el comportamiento de la tangente al disminuir al pH, no implicando ello un cambio significativo en las propiedades mecánicas. 5. REFERENCIAS [1] I. Arvanitoyannis y C. G. Biliaderis, “PHysical propierties of polyol-plasticized edible blends made of methyl cellulose and soluble starch”, Carbohydrate Polymers, 38, 1999, pp. 47-58. [2] R. Baker, E. Baldwin & M. 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