CONGRESO CONAMET/SAM 2004 INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE SORBATO EN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO A TEMPERATURA AMBIENTE DE PELÍCULAS COMESTIBLES Lucía Famá1, 3, Ana M. Rojas2, Lía Gerschenson2, 4, Silvia Goyanes1,4. 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 Miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina (CONICET). [email protected] ; [email protected] 2 RESUMEN El comportamiento mecánico, dinámico y cuasi-estático de películas comestibles compuestas por almidón de mandioca, glicerol, agua y sorbato fue estudiado a temperatura ambiente, en función del contenido de sorbato y grado de acidez. Se analizaron las concentraciones de sorbato, 0 y 2000 ppm y los pHs, 6,7 y 5,0. Se estudió la dependencia con las variables mencionadas anteriormente, del módulo de almacenamiento, tangente de pérdida, tensión y deformación a ruptura. Los resultados obtenidos fueron interpretados en función de la cristalinidad y del contenido de humedad de las películas. Palabras claves: Películas comestibles, almidón de mandioca, sorbato de potasio, propiedades mecánicas. 1. INTRODUCCIÓN Muchos productos alimenticios obtenidos a partir de frutas y hortalizas, se deterioran durante el almacenamiento debido a la proliferación microbiana. Las películas comestibles o “edible films” fabricadas en base a polisacáridos, proteínas y/o lípidos son actualmente propuestas como uno de los factores que pueden contribuir a la calidad global del alimento. Estas películas han sido desarrolladas con el fin de contribuir a una mejor preservación del producto alimenticio, conservando su apariencia fresca y natural a lo largo del tiempo y logrando extender su vida segura. Un uso de relevante interés de estas películas comestibles es su aplicación a los alimentos a fin de incorporarles diferentes aditivos alimenticios, en particular, agentes antimicrobianos, como por ejemplo el sorbato de potasio. Dichas películas pueden, asimismo, retardar la migración de humedad, el transporte de gases, la migración de aceites y grasas y el transporte de solutos. Además, pueden mejorar las propiedades mecánicas de los alimentos permitiendo un manipuleo más seguro de los mismos. Sin embargo, no deben afectar la apariencia de los productos alimenticios involucrados para no afectar su aceptación por el consumidor. Generalmente, en la composición de las películas comestibles, se usa un plastificante a fin de disminuir la atracción intermolecular entre cadenas poliméricas aumentando la flexibilidad del film y favoreciendo su maleabilidad y adherencia al producto [1]. El glicerol y el sorbitol son dos ejemplos de plastificantes utilizados frecuentemente en dichas peliculas. El uso de películas como recubrimiento de los alimentos dependerá de factores como el costo y la disponibilidad de sus componentes; así como de su aporte a la calidad del alimento y atributos funcionales como las propiedades mecánicas. El módulo de elasticidad, la tangente de pérdida y la tensión y deformación a ruptura, son algunos ejemplos de parámetros del comportamiento mecánico estudiados en la literatura para cada tipo de películas Las propiedades funcionales de las películas están fuertemente influenciadas por parámetros como su composición, proceso de fabricación, y / o secado [2]. Por esta razón, es de gran interés el estudio sistemático del efecto de la incorporación de sorbato, así como la influencia del pH, en el comportamiento mecánico y en otras propiedades físico-químicas de las películas. Estas variables pueden ser modificadas en la fabricación, con el fin de aumentar la biodisponibilidad del antimicrobiano afectando potencialmente el comportamiento de los materiales en estudio. El objetivo de este trabajo fue estudiar la influencia del contenido de sorbato y el grado de acidez en las propiedades mecánico, dinámicas y cuasi-estáticas, a temperatura ambiente, de películas compuestas por suspensiones de almidón de mandioca y glicerol. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Preparación de las muestras Se prepararon películas basadas en almidón de mandioca (5 % w/w), glicerol como plastificante (2,5 % w/w) y sorbato de potasio como agente antimicrobiano. Los porcentajes de sorbato ensayados fueron de 0 % (p/p) y de 0,2 % (p/p) (que corresponde a 2000 ppm, partes por millón). En ambos casos se agregó la cantidad de agua necesaria para completar el 100% de la solución. Con el fin de obtener películas con pH 5, se incorporó al sistema 0,64 g de solución acuosa de ácido cítrico (50 % (p/p)). Para lograr la gelatinización, se calentó la suspensión en una platina de temperatura controlada (velocidad de calentamiento 1,6°C/min.), hasta superar en un 5 % a la temperatura de gelatinización (70°C, aproximadamente). Se desgasificó el gel utilizando una bomba mecánica de vacío y se lo distribuyó en placas de vidrio. Luego, se colocaron las placas en una estufa con corriente de aire, a 52°C, durante 2 horas. Finalmente, se completó el secado de las películas en una cámara de 25°C, durante siete días. Las películas obtenidas se retiraron de las placas de vidrio y se mantuvieron en un desecador con solución saturada de NaBr (actividad de agua, aW ≅ 0,575) [3]. Las muestras utilizadas para los ensayos mecánicos dinámicos fueron cortadas en cintas de 29mm x 5 mm. Para los ensayos cuesi-estáticos, las muestras fueron diseñadas de acuerdo a la norma ASTM D4092, considerando la máxima elongación permitida por el equipo con el cual se realizaron los ensayos mecánicos (Fig. 1). 2.2 Determinación de la humedad Se evaluó el contenido de humedad de las muestras sometiendo, aproximadamente 0.5 g de las mismas, a calentamiento a 70°C en estufa de vacío hasta peso constante [4]. La medición del peso se realizó diariamente a lo largo de 16 días. El criterio seguido para decidir sobre la constancia del peso fue el cambio aleatorio del mismo a nivel de milésimas de gramo. Se utilizó Cloruro de Calcio (CaCl2) como desecante, dentro de la estufa, con el fin de asegurar la sorción de la humedad desprendida por las películas. Las determinaciones se realizaron por duplicado y se informa el promedio de los resultados obtenidos. de base desde los 12° hasta 25° (2 θ). Siguiendo la bibliografía, se estimó la fracción amorfa como 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 se calculó estimando el área por encima de la curva envolvente [5]. Figura 1. Esquema de la probeta utilizada para los ensayos mecánicos cuasi-estáticos; en modo tracción. 2.4 Caracterización mecánica La caracterización mecánica se realizó utilizando un analizador mecánico dinámico (Rheometric, DMTA IV), en el modo tracción. Para cada concentración de sorbato y grado de acidez, se estudio la respuesta mecánico dinámica, a temperatura ambiente, a 1 Hz y una deformación cíclica de 0,4 % [6]. Los ensayos cuasi-estáticos, sobre dichas películas, fueron realizados empleando una velocidad de deformación de 5.10-3 seg-1. Se obtuvo, para cada concentración estudiada, los valores del módulo de almacenamiento (E’), tangente de pérdida (Tan δ) a partir de los ensayos dinámicos; y la tensión a ruptura (σr) y deformación porcentual a ruptura (εr) mediante ensayos cuasi-estáticos. Los valores obtenidos de E’, Tan δ, σr y εr surgieron de la estadística sobre 12 ensayos realizados para cada condición estudiada. 2.3 Difracción por Rayos X Se realizó el estudio de difracción por rayos-X de las películas alimenticias utilizando un difractómetro Philips con goniómetro vertical (PW1510) (radiación Cu Kα , λ = 1542 Å, filtro de Ni, 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 calcularon los porcentajes de las fracciones amorfa y cristalina de cada composición. Para ello se tomó como 100 % a la región formada por una línea 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Tabla I puede observarse el contenido de humedad y la fracción cristalina, a temperatura ambiente, de las diferentes películas estudiadas, medidas a las dos semanas de la gelatinización. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Tabla I. Contenido de humedad y fracción cristalina, para las diferentes películas estudiadas. Contenido inicial de sorbato de las películas 0 [ppm] 2000 [ppm] Grado de acidez, pH 6,7 5 6,7 5 Contenido de agua [g. de H2O / 100 g de m seca] 25,4± 4,4 27,2± 2,3 38,0± 2,0 37,8± 1,2 Fracción cristalina [%] 34,4 34,4 22,2 25,6 Como se muestra en la Tabla I, el contenido de humedad de las películas con 2000 ppm de sorbato a las dos semanas de constituidas es mayor que en el caso de las muestras sin el antimicrobiano. Es decir, el agregado de sorbato genera un aumento en la cantidad de agua retenida por las películas. El cambio del pH no muestra diferencias significativas en el contenido de humedad de las películas estudiadas. Los resultados de difracción por Rayos X muestran que con la incorporación de sorbato en las películas, disminuye la fracción cristalina (Tabla I), Las películas con 2000 ppm de sorbato presentan picos cristalinos de menor intensidad que las muestras sin sorbato. La fracción cristalina para las películas con sorbato a pH 5 es levemente mayor que la obtenida para las mismas muestras a pH 6.7. En la Figura 1 se muestra la dependencia, a temperatura ambiente, con el contenido de sorbato y grado de acidez que presentan E’ y Tan δ, para las películas estudiadas. 50 0.33 E' pH 6.7 E' pH 5 Tan δ pH 6.7 Tan δ pH 5 40 Tan δ E' (MPa) 0.30 30 20 0.27 10 0 0.24 0 2000 Contenido de sorbato (ppm) Figura 1. Módulo de almacenamiento y Tangente de pérdida, de las películas estudiadas. Como puede observarse en la Figura 1, la incorporación de sorbato de potasio, disminuye el módulo de almacenamiento y aumenta la tangente de pérdida. El cambio del pH no genera diferencias significativas en los valores de E’ y Tan δ, cuando son medidos a 1 Hz. y a temperatura ambiente. La disminución en E’ y el aumento en Tan δ en los sistemas con sorbato, parece indicar que la incorporación de sorbato en las películas, aumentaría la flexibilidad de las cadenas del polímero. Es conocido que los compuestos de bajo peso molecular actúan como plastificantes de sistemas poliméricos, aumentando la flexibilidad y la fricción de los sistemas [7]. Los resultados a temperatura ambiente (Fig. 1), están mostrando que el sorbato de potasio agregado como agente antimicrobiano, en las películas comestibles, ejercería funciones de plastificante. Como se mencionó previamente, la incorporación de sorbato genera un aumento en la retención de agua de las películas comestibles (Tabla 1). El agua es un conocido plastificante; por lo cual, la tendencia mostrada en la Figura 1 es esperable. En la Tabla 1, también se observa que el agregado de sorbato genera una disminución en la fracción cristalina de las películas; y es conocido que al incrementar la fracción cristalina aumenta el módulo de almacenamiento y disminuye el módulo de pérdida debido a las interfases cristal-amorfo [7, 8]. 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 produce una disminución en la cristalinidad y un aumento en el contenido de agua de las mismas. Por lo tanto, el análisis de los resultados de Rayos X y de humedad con el contenido de sorbato hacen totalmente predecible el comportamiento observado en la Figura 1. La Figura 2 muestra la dependencia de las curvas σ-ε, con la concentración de sorbato y acidez, de las distintas películas estudiadas. Se observa que los sistemas con el agregado de sorbato de potasio, tienen menor tensión para una deformación fija. Dadas las limitaciones del instrumento de medición (máximo estiramiento 80 %), no pudo observarse la ruptura de las muestras medidas a las 2 semanas de la fabricación para ninguno de los cuatro casos. Es decir, εr de todos los casos estudiados es mayor al 80 %. Debido a ello, se registraron los valores de tensión a una deformación del 79 %, para todos los sistemas, con el fin de poder compararlos. La Tabla II muestra los valores de tensión a una deformación del 79 %, para las distintas composiciones estudiadas. Se observa que el agregado del ácido cítrico no modifica el comportamiento de dichas curvas; existe un solapamiento entre sus bandas de error. De todas formas, los promedios de la tensión al 79 % para las películas con pH 5 tienden a ser mayores que los calculados para las muestras con pH 6,7, pero no de manera significativa. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Nuestros resultados muestran que en todos los casos la deformación a ruptura supera el 80 %. Finalmente, la disminución en el pH mediante el agregado de ácido resultó en un leve aumento de la cristalinidad de las películas, no mostrando efectos significativos en ninguna de las propiedades mecánicas. 3.2 0 ppm - pH 6,7 0 ppm - pH 5 2000 ppm - pH 6,7 2000 ppm - pH 5 σ (MPa) 2.4 1.6 5. REFERENCIAS 0.8 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 ε% Figura 2. Tensión – deformación de las diferentes películas estudiadas. La disminución en el valor de la tensión a una deformación fija, con la incorporación de sorbato, así como el hecho de que las películas con pH 5 muestren un valor levemente superior a las de pH 6,7, para las muestras con 2000 ppm de sorbato, es esperable, a partir de los resultados de humedad y Rayos X. Ha sido reportado en literatura [9] que cuanto mayor es el contenido de plastificante y menor la fracción cristalina, la tensión a una dada deformación será menor. Tabla II. Tensión y deformación a ruptura de las diferentes películas estudiadas. Contenido inicial de sorbato de las películas 0 [ppm] 2000 [ppm] Grado de acidez, pH 6,7 5 6,7 5 Deformación a ruptura (εr) > 80 % > 80 % > 80 % > 80 % Tensión (σ, MPa) para (ε = 79 %) 2,4± 0,2 2,5± 0,1 1,23± 0,07 1,24± 0,04 [1] M. A. García, M. N. Martino, y N. E. Zaritzky, “Lipid Addition to Improve Barrier Propierties of Edible Starch-based films and Coatings”. Journal of Food Science, vol. 65, N° 6, 2000, pp. 941-947. [2] P. K., Chandra, P. J. do A., Sobral, “Calculation of viscoelastic properties of edible films: application of three models”. Cienc. Tecnol. Aliment., Campinas, 20, nº 2, 2000, pp. 250-256. [3] L. Greenspan, “Humidity fixed points of binary saturated aqueous solutions”, Journal of Research National Bureau of Standards, 81(A), 1977, pp. 89-96. [4] Official Methods of Analysis. AOAC. Association of Official Analytical Chemists. Washington, DC: 13th ed., 1990. [5] M. A. García, M. N. Martino, y N. E. Zaritzky, “Lipid Addition to Improve Barrier Propierties of Edible Starch-based films and Coatings”. Journal of Food Science, 65, N° 6, 2000, pp. 941-947. [6] L. M. Famá, A. M. Rojas, S. Goyanes, L. Gerschenson, “Películas comestibles de aplicación industrial”, Jornadas SAM/CONAMET / Simposio Materia 2003. [7] G. F. Fanta, F. C. Felker, R. L. Shogren, “Formation of crystalline aggregates in slowlycooled starch solutions prepared by steam jet cooking”. Carbohydrate Polymers 48, 2002, pp. 161-170. [8] G. D. Valle, A. Buleon, P. J. Carreau, P. A. Lavoie, B. Vergnes, “Relationship between structure and viscoelastic behavior of plasticized starch”, by The Society of Rheology, Inc. J. Reol, 42 (3), 1998, pp. 507-525. [9] K. P. Menard, “DYNAMIC MECHANICAL ANÁLISIS. A practical Introduction”, by CRC Press LLC, E. U. A., 2000. 6. AGRADECIMIENTOS 4. CONCLUSIONES Se estudiaron películas comestibles basadas en almidón de mandioca, agua y glicerol en función del contenido de sorbato y grado de acidez. Se observó que un incremento en el contenido de sorbato conduce a una disminución en la fracción cristalina y un aumento en el contenido de humedad. Estos resultados se vieron reflejados en las propiedades físicas de las diferentes películas, observándose disminución en el módulo de almacenamiento y tensión a ruptura, y aumento en la tangente de pérdida. Deseamos agradecer el apoyo financiero de la Fundación Antorchas, Universidad de Buenos Aires, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina (CONICET), Agencia Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de la República Argentina (ANPCyT).