Determinación de parámetros reológicos de papillas infantiles mediante el modelo de Herschel PDF

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arámetros reológicos de papillas infantiles...

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Determinación de parámetros reológicos de papillas infantiles mediante el modelo de Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk, Ley de la Potencia, Casson y Bingham Peñafiel, Vanessa1; Quilambaqui,

Emely1; Toapanta,

Elisa1; Velasteguí,

Xavier1; Zapata, Sorayda1 1 Universidad Técnica de Ambato; Facultad de Ciencia e Ingeniería en Alimentos y Biotecnología Miércoles 25 de noviembre de 2020 Resumen Uno de los métodos de conservación más utilizados en la industria de alimentos es el secado, debido a que permite reducir la humedad, evitando el ataque microbiano y facilitando el transporte; sin embargo, este proceso normalmente modifica las propiedades reológicas. El presente estudio evaluó las propiedades reológicas de una papilla elaborada a base de harina de papa variedad Santa Rosa, edulcorada con fruta de taxo y deshidratada mediante secado convectivo, previo y posterior al proceso de secado. Pará lo cual se utilizó modelos reológicos que mejor se ajustan en la caracterización de alimentos son: la Ley de la potencia, Bingham, Herschel-Bulkley, Casson, y Mizrahi-Berk, para lo cual las muestras describieron un comportamiento plástico pseudoplástico y se ajustaron a los modelos de Herschel-Bulkley y Mizrahi-Berk. El método de secado provocó un daño estructural que causó una disminución del índice de consistencia. Finalmente, se observó el efecto inversamente proporcional de la temperatura en el índice de consistencia. Palabras clave: deshidratación, reología de alimentos, consistencia, papillas infantiles, conservación de alimentos, secado, rehidratación Introducción

estado, con un procedimiento adecuado para su

Se define a la papilla como un alimento con una consistencia espesa y en algunos casos cremosa es obtenida por la cocción y una elevada concentración de frutas en buen

elaboración,

además

de

integrar

edulcorantes, con adición de agua. el fluido puede o no contener trozos o finas partículas de fruta las cuales deben estar uniformemente dispersas en todo el producto, este es un

para

permitirá determinar el umbral de fluencia

infantes de edades entre 4 a 6 meses de edad,

inicial con un ajuste de rangos, en cuanto al

reduciendo considerablemente la muerte a

modelo de Bingham puede modelar las

causa de diarrea y otras infecciones de alto

reacciones lineales de esfuerzo cortante con las

riesgo, la papilla abastece de energía y

velocidades de corte, con la finalidad de

proteína al organismo[ CITATION LGo20 \l

asegurar la exigencia de calidad propias de las

3082 ]. La organización Mundial de la Salud

papillas nutritivas infantiles [ CITATION

asegura que después de los primeros 4 meses

DRo14 \l 3082 ]. Identificar las propiedades

vida se recomienda el consumo de alimentos

reológicas de la papilla infantil producida con

complementarios adecuados para que junto

harina

con la leche materna provean el desarrollo del

deshidratación de secado convectivo, describir

crecimiento durante los primeros años de vida

el comportamiento plástico pseudoplástico de

[ CITATION MHe12 \l 3082 ]

los modelos de Herschel-Bulkley y Mizrahi-

alimento

complementario

necesario

de

papa

y

procesada

por

una

Berk. Analizar los daños causados por el El procedimiento seguido a la preparación de papilla integra la operación unitaria de

método

de

secado

que

provocan

la

disminución del índice de consistencia.

deshidratación la cual implementa procesos de secado

directos

e

indirectos

con

altas

Materiales y métodos

temperaturas que determinan las propiedades reológicas con el fin incrementar el tiempo de conservación, por lo cual se debe cuantificar correctamente

el

efecto

de

dichas

temperaturas.[ CITATION Cat19 \l 3082 ]. Es de gran importancia la determinación de los parámetros reológicos mediante el modelo de Herschel Bulkley el cual evaluara el umbral de fluencia inicial, con el modelo de Mizrahi -Berk se podrá obtener los parámetros reológicos con partículas en suspensión y

Materiales 

Balanza analítica con precisión de 0.1

mg. 

Toalla desechable



Papilla infantil (50g)



Guantes de plástico



Reómetro Anton Paar



Balanza de Humedad MCR

Método

gelificación, la ley de la potencia facilitará describir el comportamiento de los fluidos pseudoplástico, en cuanto el modelo de Casson

Determinación de parámetro reológicos

Se utilizará el reómetro Anton Paar modelo

partículas suspendidas y con tendencia

MCR 302, con una geometría de plato y

a la formación de gel [ CITATION

una velocidad de deformación entre 1 y 100 s-

Cat19 \l 3082 ].

1 y se aplicaran los siguientes modelos nM

τ =τoM + K M ( γ ) 0,5

reológicos.

0,5

Ecu. 2 -

Herschel Bulkley: Se trabajó con este Donde

modelo debido a que las curvas de flujo no parten desde el origen, con la

τo = Esfuerzoumbral ( Pa )

finalidad de evaluar el umbral de fluencia inicial con la representación de

la

(Ecuación

1)

n

K=Índice de consistencia(Pa s )

[CITATION nM = Índice de

Alv16 \l 12298 ]. γ ¿nHB τ =τoHB+KHB ¿

comportamiento al flujo

Ecu. 1 -

Donde

Ley de la Potencia: Es un modelo ayuda

τ =Esfuerzo de cizalla

a

la

descripción

comportamiento

de

pseudoplásticos,

se

los

de

un

fluidos

emplean

dos

índices los cuales son K (índice de

τo = Esfuerzoumbral (corte con 0)

consistencia) K=Índice de consistencia

y

comportamiento

n no

(índice

de

newtoniano)

[ CITATION Cat19 \l 3082 ].

γ =Gradiente de deformación(s 1)

n LP

γ ¿ Ecu .3 τ =k LP ¿

n=Índice de comportameinto a flujo Donde -

Modelo

de

Mizrahi-Berk:

n

Este

k LP =Índice de constancia (Pa s )

modelo surge de una modificación del

n LP=Índice de

modelo de Casson (Ecuación 2), y ha

comportamiento

sido usado para la obtención de parámetros reológicos de alimentos con

-

Casson: Este modelo también toma en consideración el umbral de fluencia

inicial (Ecuación) y permite ajustar los datos

a

rangos

más

τ =τ OB +μ μB ( γ ) Ecu .5

amplios

[ CITATION Flo19 \l 12298 ]. τ 0,5 =τ OC0,5 +K c0,5 ( γ )

0,5

Ecu . 4

Donde Donde τ OC=Esfuerzo umbral (Pa) τ OB =Esfuerzoumbral ( Pa ) n

K c =Índice de consistencia(Pa s ) μμB =Viscosidad plástica(Pa s) Paro

Promedio de esfuerzo de corte (Pa)

Papilla infantil SR-T 50 y 60 ºC

los

400.00

parámetros

350.00

mencionados

300.00

presentar

250.00 M60 M50

200.00 150.00

reológicos se las

ya debe

gráficas

esfuerzo

corte (realizar

100.00

de un

promedio de los esfuerzos cor

50.00 0.00

generales del

diferentes

0

20

40

60

80

100

120

velocidad de corte (1/s)

-

cada gradiente, representarlos

Bingham: Este modelo puede modelar el

comportamiento

tantes de las 5 muestras de

de

diferentes

alimentos del estudio de interés y exhiben un comportamiento lineal de

en el eje Y) y gradiente de velocidad de

cada

temperatura

(total

2 gráficas), que incluya la ecuación de la recta y el coeficiente de determinación (R2) esto

debe realizarse por cada método. Figura 1. Promedio de papilla infantil santa rosa a temperaturas de 50 y 60

después de alcanzar un umbral inicial

Posteriormente se debe realizar los cálculos

de esfuerzo cortante [ CITATION

correspondientes para las determinaciones

Flo19 \l 12298 ].

requeridas (índice de consistencia, K, e índice de comportamiento a flujo, n) realizando los

cálculos en Excel y

se

debe

presentar

Por lo tanto, el comportamiento reológico de la

2 tablas (una para cada temperatura) con cada

papilla

determinación (de las 5 muestras) y finalmente

newtoniano

añadir los resultados (solo promedios) en una

pseudoplástico[ CITATION Mac08 \l 12298 ].

tabla resumen.

Además, en las temperaturas se evidencia una

presenta

un

comportamiento de

no tipo

tendencia inversamente proporcional debido a Resultados y discusión

los cambios de temperatura.

Tabla 1. Formulación de papilla para lactantes de 6 - 12 meses de edad. Fuente: Proyecto aprobado bajo Resolución: 1149 – CU – P – 2012 Nota: Se trabajará únicamente con una papilla a base de Papa Variedad Santa Rosa (SR) y Pulpa de Taxo (T), en fresco (F): (F-SR-T).

Tabla 2. Parámetros reológicos de papillas infantiles- Modelo de Herschel-Bulkley.

En la curva de 50 °C, se observa que es menor a los 60 °C, debido a que las condiciones del almacenamiento de papilla infantil fresca elaborada con variedad de papa Santa Rosa y adición de pulpa de taxo no son debidos, ya que la curva de la muestra está perdiendo humedad y por lo tanto la muestra no fluye.

Muestras de papilla para niños a 50ºC-Modelo Herschel-Bulkley 6 f(x) = 0.91 x + 1.34 R² = 1

5

17

M1 Linear (M1) M2 Linear (M2) M3 Linear (M3) M4 Linear (M4) M5 Linear (M5)

R² = 1

Ln(ꙋ)

4 3 2 1 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Ln(Ꚍ-Ꚍo)

que al aumentar la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energía cinética, provocando

que

ésta

disminuya

Quinde

(2014). En la Figura 2 se observa el comportamiento reológico de las 5 muestras de papillas

Según Catola (2019), el modelo de HerschelBulkley permite describir el comportamiento de todo tipo de fluidos, así, si el índice de comportamiento al flujo (n) es menor a la unidad, se tratará de un fluido psudoplástico o plástico pseudoplástico. En la Tabla 2 se muestran los parámetros obtenidos en el caso de

Figura 2. Comportamiento reológico de las muestras de papilla para niños a 50ºC

60

mediante el modelo de Herschel-Bulkley.

respectivamente, de este modo, se determina que se trata de un fluido pseudoplástico. La viscosidad disminuye con la temperatura, ya

infantiles a 60ºC

Muestras de papillas para niños a 60ºC-Modelo Herschel-Bulkley

según el modelo

6

de

f(x) = 0.81 x + 2.04 R² = 0.98

5

Bulkley,

en

donde se tiene

3

que, al igual que Ma 1

2

50ºC,

muestra

1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

la que

mejor se ajusta al

5

modelo

Ln(Ꚍ-Ꚍo)

es

la

muestra 2 con un infantiles a 50ºC según el modelo de Herschel-

R2 de 0,9919.

Bulkley, en donde es notorio que la muestra que mejor se adapta al modelo en la muestra 2, con un R2 de 0,9989.

Muestras de papilla para niños a 50ºC-Modelo MIZRAHU-BERK 3

Esfuerzo de corte (Pa)

Ln(ꙋ)

4

0

Herschel-

2

0.86 1.69 f(x) = 0.9 0.95 x x−−1.88 2.15 f(x) 0.8 f(x)===0.98 0.72x x−−1.51 1.35 R² 0.97 R² = 0.97 R² = 0.97

1 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

-1 -2 -3

Velocidad de deformación(1/s)

En la Figura 3 se observa el comportamiento reológico de las 5 muestras de papillas

Figura 4. Comportamiento reológico de las muestras de papilla para niños a 50ºC

M 1 5

Tabla 3. Parámetros reológicos de papillas

que existen cambios de estabilidad en los

infantiles- Modelo de Mizrahi-Berk.

alimentos, ya que su influencia de la temperatura con la viscosidad no se ajusta a la muestra debido a que el R 2arroja valores

Muestras de papilla para niños a 60ºC-Modelo MIZRAHU-BERK 2.5 f(x) == 0.77 xx −− 1.26 f(x) 0.73 f(x) 0.72 xx −− 1.15 1.13 f(x) 0.77 1.45 R² =====0.95 f(x) 0.68 R² 0.97 R² == 0.98 0.96 x − 1.13 R² R² = 0.92

Esfuerzo de corte (Pa)

2 1.5 1 0.5 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-0.5 -1 -1.5

M1 Linear (M1) M2 Linear (M2) M3 Linear (M3) M4 Linear (M4) M5 Linear (M5)

-2 -2.5

Velocidad de deformación (1/s)

Figura 5. Comportamiento reológico de las muestras de papilla para niños a 60ºC

c.

mediante el modelo de MIZRAHU-BERK

a

50°c es de 89,06±1,04 Pa y a 60 ºC Este modelo es una modificación del modelo de Casson y considera el efecto de varios componentes propios de la matriz analizada en el comportamiento del flujo. La aplicación del modelo permite explicar la dependencia del tiempo (reversible e irreversible), la existencia de tensión de fluencia, el comportamiento pseudoplástico y el efecto de la concentración de partículas suspendidas en el umbral de fluencia[ CITATION Flo19 \l 12298 ]. Por lo tanto, en las gráficas a 50 y 60°c se evidencia

135,09±1,36 Pa los cuales tienen una relación directamente proporcional con la cantidad de solidos totales que presenta la pulpa de taxo. En cuanto al índice de consistencia es una medida indirecta de la viscosidad[ CITATION Buejí \l 12298 ]. Por lo tanto, la información que proporciona la Tabla 3 los valores oscilan entre 0,187±0,06 (Pa.sn) y 0,296±0,04 Pa.sn

Muestras de papilla para niños a 60ºC-Modelo de Casson Esfuerzo cortante Ꚍ0,5 (Pa)

25.00 20.00

f(x) = 0.97 x + 10.93 R² = 0.99 R² = 1

15.00 M 1

10.00 5.00 0.00

0

2

4

6

8

10

12

Velocidad de corte ꙋ0,5 (1/s)

entonces se puede decir que la viscosidad disminuye. Tabla 4. Parámetros reológicos de papillas infantiles- Modelo de Casson.

Esfuerzo cortante Ꚍ0,5 (Pa)

Muestras de papilla para niños a 50ºC-Modelo de Casson 20 18 f(x) = 1.02 x + 7.76 R² = 0.99

16 14 12

ºC M 1

10 8

El

6 4 2 0

0

2

4

6

8

10

12

Velocidad de corte ꙋ0,5 (1/s)

modelo de Casson es ampliamente utilizado Figura 6. Comportamiento reológico de las muestras de papilla para niños a 50ºC ceites, mediante el modelo de Casson. con elevados coeficientes de correlación. Éste, es un modelo plástico similar al de Bingham, teniendo ambos modelos un umbral de

fluencia inicial, sin embargo, cada uno

la muestra 5 con un R2 de 0,9919.

entregará diferentes valores del parámetro de

modelo se ajustan mejor los datos, debido a

fluidez Cárcamo (2005).

que se trata de un fluido pseudoplástico.

En este

Tabla 5. Parámetros reológicos de papillas infantiles- Modelo Ley de la Potencia.

En la Tabla 4 se observan los parámetros obtenidos en las papillas infantiles según el modelo de Casson, en donde se tiene que a 50

Alvarado (1996), clasifica a los fluidos no

ºC y a 60ºC el índice de consistencia es de

newtonianos dentro de 3 categorías. Los que

n

exhiben relación directa entre la viscosidad

respectivamente. La viscosidad e índice de

aparente y el aumento de la velocidad de

consistencia

alimentario

cizalla y los que describen una relación

disminuye de forma exponencial al aumentar

inversamente proporcional de la viscosidad

la temperatura, y cuanto más viscoso es el

aparente con la velocidad de cizalla. Ambos

fluido,

tipos se ajustan a la Ley de la Potencia. Se

0,912±0,22

y de

0,760±0,18 un

fluido

Pa.s

más se ve afectado por la temperatura (Talens, Cortés, & Fuentes, 2007). En la Figura 6 se observa el comportamiento reológico de las 5 muestras de papillas infantiles a 50ºC según el modelo de Casson, en donde se tiene que la muestra que mejor se ajusta al modelo es la muestra 5 con un R2 de 0,9996. En la Figura 7 se observa el comportamiento reológico de las 5 muestras de papillas infantiles a 60ºC según el modelo de Casson, en donde se tiene que la muestra que mejor se ajusta al modelo, como en el anterior caso, es

destaca

que

existen

diversos

estudios

reológicos en diferentes matrices alimentarias. Por

ejemplo,

un

estudio

realizado

por

(Moelants et al, 2011), en papilla de zanahoria rehidratada, determinó que se ajusta a la Ley de la Potencia (n < 1), con influencia del tamaño,

forma

y

concentración

de

las

partículas en la elasticidad de la muestra. Para el análisis detallado en el presente trabajo, en cuanto a papillas para niños a 50° y 60° C, se observó que la viscosidad medida de fluido estudiando cambia con la velocidad de cizalladura, un signo que representa a una

conducta no newtoniana. En la tabla 5, se detalló los parámetros reológicos propios de la ley de la potencia, para 50°C los valores fue...