Perduca M.

2do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia y Tecnología de Materiales – Posadas – Misiones, 16 - 17 Octubre 2008.
CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE SOLUCIONES DE GOMA ESPINA
CORONA
Martina Perduca (1) y Liliana G. Santiago (2)
Director/es: Carlos R. Carrara(1, 2), María A. Judis(3)
Fac. de Ing. – Univ. de la Cuenca del Plata. Lavalle 50. (W3410BCB) Corrientes
(2)
Inst. de Tec. de Alimentos. FIQ, UNL. 1ro de mayo 3250. (S3000FKV) Santa Fe
Fac. de Agroindustrias. UNNE. Cte. Fernández 755. (H3700LGO) Saénz Peña, Chaco
Email: [email protected]
(1)
(3)
TÓPICO: BIOMATERIALES
RESUMEN
La Goma Espina Corona se extrae de semillas de la leguminosa Espina Corona (Gleditsia
amorphoides) y es utilizada como aditivo en la industria alimenticia y farmacológica. Su composición
química corresponde a un galactomanano con una relación 2,5 M/G (manosa/galactosa). Esta relación es
cercana a la goma Guar (2,0 M/G). Existe información científica de base sobre esta goma, pero no se ha
encontrado una profundización de las investigaciones sobre la reología de la misma.
Se realizo la caracterización reológica de productos purificados por distintos métodos y en
comparación a la Goma Guar, el cual incluyo: modelo reológico de respuesta por test rotacionales (Haake
RS 80), determinaciones de viscosidad en distintas condiciones de concentración, temperatura, acidez y
concentraciones de NaCl. Los resultados experimentales mostraron que la viscosidad responde al modelo de
ley de potencia y depende del método de purificación. La temperatura disminuye la viscosidad y la
pseudoplasticidad de las soluciones de esta goma; mientras que la presencia de NaCl y acidez no los afecta.
En comparación con la goma Guar a igual concentración los valores de viscosidad son menores.
Estas determinaciones pueden promover aplicaciones tecnológicas y afianzar el producto en el
mercado nacional, sustituyendo importaciones.
Palabras Claves: Goma Espina Corona, Reología, Galactomanano.
INTRODUCCIÓN
La Goma Espina Corona (GEC), que es extraída de las semillas de la leguminosa Espina Corona
(Gleditsia amorphoides); tuvo un amplio desarrollo en el país en las décadas del 50 y 60 del siglo pasado,
discontinuándose su producción a posteriori, aunque nunca cesó totalmente [1]. Hoy se revitaliza con
diferentes emprendimientos empresariales, movidos por razones de costos de productos similares de origen
extranjero.
Este árbol crece espontáneamente en los bosques, selvas y montes nativos del Norte de la República
Argentina, abarcando las provincias de Chaco, Formosa, Corrientes, Misiones, Entre Ríos, Norte de Santa
Fe, Salta y Jujuy, extendiéndose a regiones adyacentes de Bolivia, Paraguay, Brasil y Uruguay.
Este aditivo se incluye en el Código Alimentario Argentina, Art.1368, Inc. No.73, como Espesante y
Estabilizante. La composición química fue esclarecida por Cerezo en un articulo publicado en el año 1965;
postulando una estructura de galactomanano con un 28,6% D-galactosa y 71,4% D-manosa formando una
cadena lineal de unidades (1→4) β-manopiranósicas con unión en posición 6 de una molécula de Dgalactopiranosa, cada tres unidades de manosa, Relación 2,5 M/G (manosa/galactosa). Esta relación es muy
similar a la conocida para otros galactomananos como la goma guar con una galactosa cada dos de manosa,
Relación 2,0 M/G [2, 3, 4].
M. Perduca y L. Santiago
El grado de pureza de los productos comerciales de la GEC existentes en el mercado en general no es
muy alto, lo cual disminuye el valor del producto y sus aplicaciones a formulaciones alimenticias que no
sean de colores claros o transparentes. Esta razón se debe a que estos productos presentan puntos negros
(spees), provenientes de residuos del tegumento que rodea al endospermo de la semilla y generados en el
proceso de tostado de la misma que se realiza para facilitar la eliminación del tegumento. Se ha determinado
que el comportamiento reológico depende del método de obtención de la goma [5], como así también las
impurezas que la acompañan y en algunos casos la hacen inviable para algunas aplicaciones.
Aún existiendo información científica de base sobre esta goma, las publicaciones internacionales sobre
la misma soy muy escasas y no se ha encontrado una profundización de las investigaciones sobre la reología
básica del producto y su relación con otras gomas como por ejemplo con goma xantica en la formación de
geles [6], lo cual podría promover su aplicaciones
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se utilizó para llevar a cabo el presente trabajo harina de semillas descascaradas de Espina Corona
(HGEC), que se presenta como gránulos finos de ligero color crema con pequeñas partículas oscuras; la cual
fue purificada por el siguiente procedimiento a escala planta piloto: Se suspendió la HGEC en agua destilada
(1,0% p/p), con agitación y a 60º C, durante 3 horas al cabo de este tiempo se filtro con un tamiz de 420 µm,
resultando una solución viscosa que pasa el filtro, un retenido compuesto por restos de tegumentos y
fracciones no disueltas, determinando para ambas fracciones sólidos secos por perdida de peso en estufa de
105°C. Esta solución fue secada en un secadero spray (GEC-SS) en planta piloto con un equipo Niro
atomizer (Dinamarca) utilizándose temperaturas de entrada de 200º C y salida de 90º C.
La muestra obtenida denominada como GEC-SS fue caracterizada con los siguientes ensayos:
determinación de grasas se realizada por extracción con hexano, mediante el método Sohxlet. El porcentaje
de proteínas se obtuvo por el método Khejdahl, utilizando 6,25 como factor de conversión de nitrógeno a
proteínas. El porcentaje de humedad se calculó por diferencia de pesada entre un peso de muestra inicial y
luego de 2 horas en estufa a 105ºC. La determinación de cenizas, se llevo a cabo colocando muestras en
crisoles de porcelana y llevándola a mufla durante 4 horas a una temperatura de 540º C. La determinación de
fibras se realizo por la digestión ácida y alcalina de la muestra obteniéndose un residuo de fibra cruda y
sales, con calcinación posterior en mufla. Los polisacáridos fueron determinados por diferencia del resto de
los componentes.
La Goma Guar (GG) fue una muestra comercial provista por la Empresa Sapporiti S.A.
Determinaciones reológicas por ensayos rotacionales
Se utilizó un equipo HAAKE RS80- Rheo stress, con una geometría de cono (4°) y plato de 40mm de
diámetro, variando velocidad de deformación (ý) de 1 a 500 s-1, estudiándose distintos efectos:
Efecto de la concentración: se prepararon soluciones de la GEC-SS a concentraciones de 1,0-0,75-0,50,2-0,1%. También se prepararon soluciones de GG al 0,75 y 0,5%. La viscosidad fue medida a 25º C.
Efecto de la temperatura: para realizar este estudio se trabaja con una solución de 1,0% de
concentración, a la que se le determina viscosidad a 10, 25, 40, 60 º C.
Efecto del Cloruro de Sodio: se preparan soluciones de las gomas al 0,75% a las que se le agrega
cloruro de sodio dando concentraciones finales de 0, 30, 60, 90 µM, y se determina la viscosidad de las
mismas a 25º C.
Efecto del GDL: se preparan soluciones de goma de 0,75%, se adiciona gluco-δ−lactona dando
concentraciones finales de 0-0,1-0,2-0,5%, luego se mide la viscosidad de éstas a 25º C y el pH.
Este comportamiento de los fluidos pseudoplásticos pueden modelarse en un intervalo limitado de
velocidad de deformación (ý) con la es la Ley de la potencia de Ostwald [7].
ηap = K. ý (n-1)
Siendo ηap la viscosidad aparente, K el índice de consistencia y n el índice de comportamiento al flujo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La composición de goma purificada (GEC-SS) se presenta en la Tabla 1, se destaca que en la misma
el componente mayoritario son polisacáridos, además presenta bajo contenido en proteínas y cenizas, y muy
bajo en grasas y fibras. Por otra parte, se determinó la fracción soluble e insoluble de la muestra de HGEC,
resultando que luego de la solubilización el 30,5 % de la muestra permanece insoluble, y el resto (69,5%)
constituido por la solución de la goma, la cual se presenta como traslucida y libre de restos de tegumento.
M. Perduca y L. Santiago
Tabla 1. Composición porcentual de las muestras GEC (% en base seca).
Componente
%
85,38
Polisacáridos
10,04
Humedad
2,17
Proteínas
1,44
Cenizas
0,70
Fibras
0,27
Grasas
En la Figura 1 se presentan los resultados de los ensayos reológicos realizados con distintas
concentraciones de la GEC-SS, los que concuerdan con un comportamiento pseudoplástico de esta goma.
Puede observarse que al presentarse en doble escala logarítmica las concentraciones mas altas de 1,00 y
0,75% muestran un comportamiento lineal, lo que produciría un buen ajuste con el modelo de la ley de
potencia. Mientras que para las concentraciones mas bajas la linealidad se mantiene solamente en la zona
inicial y a medida que aumenta la velocidad de deformación (ý), el comportamiento tiende a ser newtoniano.
Este comportamiento es debido a que en reposo estas partículas se encuentran desordenadas, lo cual origina
una gran resistencia interna al flujo. A medida que aumenta la velocidad de deformación, las partículas se
orientan en la dirección del flujo disminuyendo así la resistencia al deslizamiento y por lo tanto también
disminuye la viscosidad aparente [7].
η (Pa.s)
0.1
0.01
GEC-SS 0,10%
GEC-SS 0,20%
GEC-SS 0,50%
GEC-SS 0,75%
GEC-SS 1,00%
1E-3
1
10
γ (s )
100
-1
Figura 1. Test oscilatorios para la variación de concentración de GEC-SS, ensayos realizados a 25°C.
En la Figura 2 se muestran los ensayos variando la temperatura para soluciones de GEC-SS al 1,0%,
en la cual se observa que al aumentar la temperatura disminuye la viscosidad aparente. El índice de
consistencia disminuye con el aumento de temperatura (Tabla 2) mientras el índice de comportamiento al
flujo aumenta con la misma, un efecto similar ha encontrado [8] para otras gomas; los cambios en los valores
más acentuados se observan cuando la temperatura aumenta de 10 a 25°C. Este comportamiento indica que a
mayores temperaturas las soluciones son menos pseudoplásticas. El hidrocoloide muestra el mismo rango del
efecto de la temperatura en el calentamiento y enfriamiento de las soluciones. Estos resultados sugieren que
la GEC puede ser empleada en productos alimenticios que requieran estabilidad en calentamientos o
enfriamientos.
El comportamiento de la solución de algunos hidrocoloides tales con la goma xantica e hidroxipropilcelulosa mantienen su viscosidad y estabilidad a pH bajos; mientras que la ciclo-metil-celulosa (CMC) y
algunos galactomananos presentan disminución de la viscosidad cuando disminuye el pH. Para evaluar este
fenómeno en la GEC se ensayó la adición de GDL que a través de su hidrólisis disminuye el pH lentamente.
M. Perduca y L. Santiago
Los ensayos realizados se muestran en la Figura 3; puede observarse que el cambio de pH no provoca
cambios en la viscosidad aparente de estas soluciones. De la misma manera se ensayó la adición de NaCl
para modificar la fuerza iónica del medio. La Figura 4 muestra estos ensayos, encontrándose que tampoco se
presentan cambios en la viscosidad aparente respecto a la solución sin agregado de esta sal. Que no existan
cambios en la viscosidad de la GEC al variar el pH y la fuerza iónica indican que este hidrocoloide no posee
grupos cargados que puedan variar el comportamiento electrolítico de la solución. Estos efectos son de
importancia en la aplicación de GEC en emulsiones y espumas, ya que no se observarán variaciones en la
viscosidad al modificar la concentración de sales y/o el pH de las matrices alimenticias estudiadas.
Tabla 2. Determinación del índice de consistencia (K) y de comportamiento al flujo (n) de las distintas
muestras y en diferentes condiciones
Muestra
GEC-SS
Concentración Temperatura (˚C)
0,75%
25
0,50%
25
0,75%
25
0,50%
25
1,00%
10
1,00%
25
1,00%
40
1,00%
60
GG
GEC-SS
K
0,148
0,056
2,704
1,084
1,197
0,461
0,408
0,305
n
0,780
0,754
0,353
0,409
0,622
0,703
0,710
0,712
1
η (Pa.s)
GEC-SS 10°C
GEC-SS 25°C
GEC-SS 40°C
GEC-SS 60°C
0.1
1
10
γ´ (s )
-1
100
Figura 2. Test oscilatorios para la variación de temperatura de GEC-SS, a una concentración del 1,0%.
M. Perduca y L. Santiago
η (Pa.s)
0.1
GEC-SS-GDL 0,0%-pH 5,01
GEC-SS-GDL 0,1%-pH 3,31
GEC-SS-GDL 0,2%-pH 3,05
GEC-SS-GDL 0,4%-pH 2,82
0.01
1
10
100
γ´ (s )
-1
Figura 3. Test oscilatorios para la variación de la concentración de GDL para la GEC-SS, a una
concentración del 0,75% y temperatura de 25°C, también se indica el pH final de las soluciones.
η (Pa.s)
0.1
GEC-SS-NaCl 0 µM
GEC-SS-NaCl 30 µM
GEC-SS-NaCl 60 µM
GEC-SS-NaCl 90 µM
1
10
-1
γ´ (s )
100
Figura 4. Test oscilatorios para la variación de la concentración de NaCl para la GEC-SS, a una
concentración del 0,75% y temperatura de 25°C.
En la Figura 5 se muestran los ensayos comparativos entre la GEC-SS y la GG; puede observarse que
la GG a igual concentración presenta valores de viscosidad mayores. Respecto a las constantes del modelo de
Ley de Potencia, el índice de consistencia disminuye con la concentración para ambas gomas, mientras que
el índice de comportamiento al flujo disminuye para la GEC-SS y aumenta para la GG.
M. Perduca y L. Santiago
1
η (Pa.s)
GEC-SS 0,50%
GEC-SS 0,75%
GG 0,50%
GG 0,75%
0.1
1
10
100
γ´ (s )
-1
Figura 5. Test oscilatorios para dos niveles de concentración de GEC-SS y GG, a temperatura de 25°C.
CONCLUSIONES
1. La purificación de la muestra de HGEC resulta en un producto que puede ser aplicado en cualquier tipo
de alimento ya que no impartiría características visuales indeseables.
2. Los resultados experimentales mostraron que la viscosidad de las soluciones de la GEC presenta un
comportamiento pseudoplástico y responden al modelo de ley de potencia para concentraciones por
encima del 0,5%.
3. La viscosidad es influenciada por la temperatura. Incrementos de la temperatura desde 10 a 60°C
resultan en una disminución de la viscosidad y la pseudoplasticidad de las soluciones de esta goma.
Entre 10 y 25°C se aprecian una variación más acentuada de este comportamiento.
4. La presencia de NaCl desde 0 a 90µM variando la fuerza iónica de la solución y la presencia de GDL de
0 a 0,4% disminuyendo el pH inicial de 5,01 a 2,82 no afecta la viscosidad de la GEC-SS.
5. Las soluciones de GEC-SS a igual concentración que las de GG se presentan como menos viscosas y
menos pseudoplásticas.
6. Los resultados del presente trabajo darían lugar a la aplicación de esta goma en diversos productos que
requieran determinadas condiciones de comportamiento.
REFERENCIAS
1. T. Riqué: Posibilidades de nuevas fuentes productoras de gomas galactomananos, Instituto Nacional de
Tecnología Industrial, 1963.
2. R. Whistler and J. Bemiller: “Carbohydrate Chemistry for Food Scientist”. 1997, Ed. Eagan Press.
3. J. Doublier, B. Launay: Rheology of Galactomannan Solutions: Comparative Study of Guar Gum and
Locust Bean Gum, Journal of Texture Studies 1981, pp 12, 151-172.
4. M. Chaubey and P. V. Kapoor: Structure of galactomannan from the seeds of Cassia angustifolia. Vahl.
Carbohydrate Research, 2001, pp 332, 439-444.
5. E. Azero and C. Andrade: Testing procedures for galactomannan purification. Polymer Testing. 2002,
Vol 21, pp 551–556.
6. G. Copetti and M. Grassi: Synergistic gelation of Xanthan gum with Locust bean gum: a rheological
investigation. Glycoconjugate Journal. 1997, Vol 14, pp 951 – 961.
7. A. Rosenthal: “Textura de los alimentos: medida y percepción”. 2001. Acribia, Zaragoza.
8. B.Vardhanabhuti and S. Ikeda: Isolation and characterization of hydrocolloids from monoi
(Cissampelos pareira) leaves. Food Hydrocolloids. 2006, Vol 20, pp 885–891.