Nota de Investigación

Isotermas de absorción de agua de proteìna de soya texturizada

A.S. Cassini a, L.D.F. Marczak a,*, C.P.Z. Norena b

a Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Rua Luis Englert, s/ n.Campus Central, Código Postal: 90040-000 Porto Alegre, RS, Brasil

b Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), Av. Bento Gonçalves, 9500. Campus do Vale, Código postal: 91540-000 Porto Alegre, RS, Brasil

Recibido el 6 de junio de 2004; recibido en forma revisada 12 de mayo 2005; aceptado 24 de mayo 2005Disponible en línea 09 de agosto 2005

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Resumen:

La proteína de soya texturizada (TSP por sus siglas en inglés) se ha utilizado durante muchos años como un sustituto de las proteínas de animales. En los últimos tiempos, la TSP ha sido utilizada como un ingrediente funcional en varias aplicaciones alimentarias; su proceso implica una etapa de secado. Las isotermas de adsorción de agua de TSP se determinaron utilizando el método estático de soluciones saturadas de sal en 10, 20, 30 y 40 ºC. Los datos experimentales se ajustaron a los modelos de Oswin, Halsey, BET, GAB, Peleg y Darcy Watt. El contenido de humedad de equilibrio en las actividades de agua más altos (0,9) disminuyó a medida que la temperatura se incrementó de 20 a 40 C. En las actividades de agua más altas, el contenido de humedad mostró un comportamiento inverso, dando como resultado un cruce de las isotermas. El modelo de GAB y la ecuación de Peleg mostraron la mejor opción para las curvas experimentales. El calor total de sorción de la TSP aumentó con la disminución del contenido de humedad.©2005 Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.

Palabras clave: Proteína de soja texturizada; Isotermas de sorción; La actividad de agua.___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1. Introducción

Las proteínas son componentes esenciales de las células y procesos biológicos. Ellos están involucrados en las funciones de regulación y control de las condiciones intra y extracelulares. Alrededor de 1950, la importancia nutricional de proteínas y el alto contenido de este nutriente en la soja (la soja contiene aproximadamente 40% de proteína vegetal) era enfatizado. Basado en esto, la industria de alimentos empezó la producción de una harina de soja desgrasada para alimentación humana. Esta producción ha aumentado y, hoy en día, millones de toneladas de hari-

na desgrasada se producen en todo el mundo (Bunge 2001). Dada su alta aplicabilidad en la industria alimentaria, este producto se procesó adicionalmente en texturizada, concentrada y aislada de proteína de soja. En la actualidad, el uso de la TSP como sustituto de la carne en productos de carne procesada es muy común. Estudios demostrando la relación entre el consumo de proteína de soya con la reducción del colesterol y prevención de enfermedades del corazón han despertado el interés de toda la industria alimentaria para desarrollar productos a base de soja. La gama de aplicación de la nueva proteína de. Esta producción ha aumentado y, hoy en dia, soja también aumentaron: barras nutricionales, bebidas, cereales, galletas, salsas.

Las principales funciones de TSP en un producto alimenticio puede incluir: aumentar el agua y proteínas, reducir el costo de producción, mejorar la textura del producto y la dureza y reemplazar una porción de la carne para mantener el contenido de proteína original. En la producción de TSP, uno de los pasos principales es el proceso de secado, que es necesaria para disminuir el contenido de humedad del producto hasta el nivel requerido. El objetivo de la deshidratación en los alimentos es inhibir la degradación causada por el crecimiento de bacterias, levaduras y mohos. Por otra parte, las reacciones bioquímicas indeseables -que son también responsable de la reducción de la vida útil del producto- se reducen al mínimo por secado. La inhibición de la actividad microbiológica es logrado a una actividad de agua (aw) inferior a 0,7. Dependiendo del producto, este valor es la humedad (base húmeda)entre 5 y 25% (Geankoplis, 1993). Las isotermas de sorción describen la relación entre actividad de agua (aw) y la humedad de equilibrio contenido de un alimento dado a temperatura constante. La industria alimentaria tiene un gran interés en la determinación de las isotermas de adsorción debido a que proporcionan datos acerca de la vida útil y la estabilidad de un producto. Más allá de eso, se utiliza en el secado para determinar la humedad final. Esta humedad combina la estabilidad microbiológica y bioquímica con el mejor costo de secado (McLaughlin y Magee, 1998). Adicionalmente, las isotermas dan información importante a otras etapas del proceso, como el envasado y almacenamiento. El uso de la TSP como un ingrediente funcional es novedoso y están disponibles muy pocos datos de sorción en la literatura . Por Consiguiente, el objetivo de este estudio fue determinar las isotermas de sorción de la proteína de soja texturizada a las temperaturas de 10, 20, 30 y 40 ºC. El calor total de sorción y la zona de la superficie del agua de la TSP fueron también determinados.

2. Consideraciones teóricas

Los productos alimenticios tienen una composición muy compleja y las predicciones teóricas no son exactas. Por esta razón, la isoterma de adsorción a diferentes temperaturas debe ser determinada experimentalmente. Varias investigaciones -incluyendo Ajibola, 1986; Alhamdan y Hassan, 1999; Basunia y Abe, 2001; Kaymak-Ertekin y Sultanoglu, 2001; Maskan y Gogus, 1997; McLaughlin y Magee, 1998; Menkov, 2000; Park, Vohnikova, y Brod, 2002;Sandoval y Barreiro, 2002; Saravacos, Tsiourvas, y Tsami, 1986; Shivahare, Arora, Ahmed, y Raghavan, 2004; Tsami, Marinos-Kouris y materiales sólidos (McLaughlin y Magee, 1998). El

Maroulis, 1990-han reportado datos de sorción distintos para muchos y productos alimenticios diferentes, pero isotermas de sorción de TSP no están disponibles en literatura. En el presente estudio, los datos experimentales obtenidos fueron modelados por dos ecuaciones de dos parámetros, Halsey (Park et al., 2002) y Oswin (kaymak-Ertekin y Sultanoglu, 2001), dos ecuaciones de tres parámetros, BET (Park et al., 2002) y GAB (Heldman y Hartel, 2000), una ecuación de cuatro parámetros, Peleg, 1993, y una ecuación de cinco parámetros, Darcy Watt (Saravacos et al., 1986). La Tabla 1 muestra cada modelo utilizado para el montaje curvas experimentales, donde Xeq y Xm son, respectivamente, el equilibrio y el contenido de humedad de la monocapa, en kg de agua / kg db, aw es la actividad de agua, en kg de agua / kg aire seco y A, B, C, K, k1, k2, K1, K2, K3, K4, K5, N, n1 y n2 son constantes de los modelos listados.

Tabla 1Modelos para adecuadas isotermas de sorción de TSP_____________________________________________________________________________Modelos

Las isotermas de sorción de un alimento dado también puede ser utilizado en la estimación de otros parámetros importantes de este alimento: el contenido de humedad de la monocapa (Xm), el calor total de sorción (QST) y el área de la superficie del agua (S0). El contenido de humedad de la monocapa (Xm) es un importante parámetro para definir la estabilidad física y química de los alimentos, ya que tiene una influencia directa sobre la oxidación de lípidos, actividad de la enzima, pardeamiento no enzimático, sabor, preservación y la estructura del producto (Menkov, 2000). El calor de sorción (Qs), estimado por la ecuación de Clausius-Clapeyron, se utiliza para estimar la energía total demandada durante el secado. El calor de sorción es una medida de la energía absorbida por los enlace de agua de

contenido de humedad en el cual el calor total de sorción enfoca el calor de vaporización del agua pura se toma a menudo como una indicación de agua ligada en el producto alimenticio (Kaymak-Ertekin y Sultanoglu, 2001). A mayor contenidos de humedad, mayor agua está disponible para su utilización por los microorganismos, ya que es mecánicamente libre en los espacios vacíos del sistema (FASINA y Sokhansanj, 1993). Como se mencionó antes, la “red” de calor isostérico de sorción se obtiene mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron,

donde T es la temperatura absoluta y RG es la constante universal de los gases (RG = 8,319 kJ / mol K). El calor total de sorción (QST) es la suma de la “red” de calor isostérico de adsorción y el calor de vaporización de agua pura ( Hᐃ 0, supone constante con la temperatura e igual a 44,09 kJ / mol).

El área de la superficie de agua del producto (S0), dada en m2/g de sólido, se puede determinar con los datos de la humedad contenida en la monocapa y puede medirse asumiendo el área de la molécula de agua para ser 10,6Ẩ 2, Utilizando la siguiente ecuación:

donde PMH2O es el peso molecular del agua (18 g/mol), N0

es el número de Avogadro (6 x 1023 moléculas / mol) y AH2O es el área de una molécula de agua (10.6 x 1020m2) (Labuza, 1968). S0 se asocia con la cantidad de polímeros presente en el producto alimenticio (Labuza, 1968).

3. Materiales y métodos

El TSP utilizado en este estudio se obtuvo a partir muestras comerciales (The Solae Company Ind. e Com. deAlimentos Ltda - Esteio, RS, Brasil). La humedad inicial contenido en las muestras fue alrededor del 6% (W. B.). Las muestras utilizadas tienen la siguiente composición: 50% proteínas, 20% de azúcares, 0% de grasa, 20% de fibras y 4% cenizas (Laboratorio Central, el The Solae Company). Las curvas de humedad de equilibrio frente a la actividad de agua en 10, 20, 30 y 40º C se obtuvieron a través el método gravimétrico estándar recomendado por el COST 90 project (Spiess & Wolf, 1983), utilizando 10 soluciones de sal saturadas -hidróxido de sodio, cloruro de litio, acetato de potasio, cloruro de magnesio, carbonato de La tabla 2 muestra las constantes de ajuste de los modelos (Presentado en la Tabla 1), el coeficiente de

potasio, nitrito de potasio, cloruro de sodio, de potasio cloruro, cloruro de bario y sulfato de cobre- con humedad relativa comprendido entre 7 y 97%. Dos muestras de aproximadamente 5g de TSP fueron colocados en una trípode encima de la solución saturada de sal en cada uno de 10 Higrostatos (frascos de vidrio, 400 ml). Estos frascos se colocaron dentro de equipos con aislamiento térmico y con circulación de aire a temperatura controlada manteniendo la temperatura especificada entre ± 0,1ºC, hasta que el equilibrio haya sido alcanzada (unos 20 días). Para evitar el deterioro microbiano de las muestras, el timol cristalino se coloca en los higrostatos en los que ocurren las actividades de agua alto (aw> 0.7) (Wolf, Spiess, y Jung, 1985). Después de alcanzar el equilibrio, las muestras se secaron usando el método de horno a 105ºC durante 24h(AOAC, 1990). El montaje de los modelos seleccionados de datos experimental fue llevado a cabo con un software de estimación no lineal (Statistica 98 Edición). Las regresiones se repitieron con diferentes valores iniciales estimados por encima y por debajo de las calculadas para confirmar que la convergencia era fiable (Peleg, 1993). El coeficiente de determinación (R2) y el módulo de la media relativa desviación (MRD) se utilizaron para evaluar la bondad del ajuste. El valor de MRD se da en porcentaje y se puede estimar de la siguiente manera:

donde N es el número de puntos experimentales y Vexp, i y Vcalc, i son los contenidos de humedad experimental y calculados. Un buen ajuste debe mostrar valores MRD por debajo de 10% (Parque et al., 2002).

4. Resultados y discusiones

La Fig. 1 muestra las curvas experimentales obtenidos relacionada al contenido de humedad de equilibrio de TSP con sus actividades de agua para todas las temperaturas estudiadas. Los contenido de humedad de equilibrio en cada aw representa el valor medio de tres repeticiones significativas. Esta figura muestra que, para una temperatura constante,el contenido de humedad de equilibrio del producto aumenta con la aw. Además, las curvas de la Fig. 1 estaban muy cerca (prácticamente coinciden), principalmente por los bajos valores de aw. Esto indica una baja influencia de la temperatura (entre 10 y 40 ºC) en las isotermas de TSP. Sandoval yBarreiro (2002) encontró un comportamiento similar para

correlación y el módulo de desviación relativa media. Todos los modelos presentan coeficientes de correlación muy cercano a la unidad que indica un buen ajuste a los datos experimentales. Sin embargo, considerando el índice de MRD, un menor número de modelos se adaptan satisfactoriamente.

Fig. 1. Los datos de sorción de TSP en las temperaturas de 10, 20, 30 y 40 ºC.

El mejor ajuste se obtuvo mediante los modelos de GAB y Peleg. El primero presentó el valor más bajo MRD para las temperaturas más altas (30 y 40 ºC) y la segunda, parala más bajas (10 y 20 ºC). Además, el modelo Halsey también era exacta a altas temperaturas. Iglesias y Chirife (1976) indica el buen ajuste de este modelo a las isotermas de ricos en proteínas. El ajuste del modelo de BET a los datos experimentales, genera los valores MRD más elevados (por encima de 30%) y los coeficientes de correlación de menor importancia; esto ocurre, probablemente, porque el uso del modelo de BET se indica sólo únicamente para datos deactividades de agua hasta 0,5. El ajuste del modelo de GAB a los datos experimentales a 20 y 40 ºC se presentan en la Fig. 2. Se observó una pequeña diferencia entre las dos curvas, principalmente para aw por encima de 0,5. Además, un cruce de estas curvas se pueden ver en un valor de aw en torno al 0,9. Este fenómeno es característico de alimentos ricos en azúcar. Labuza (1984) encontró que la inversión de la isoterma es causado por el crecimiento microbiano y/o la disolución de azúcar. (Cuanto mayor sea la temperatura, mayor la disolución y mayor el contenido de humedad de equilibrio) (Maskan y Gogus, 1997). Diferentes estudios informaron cruce de isotermas para diversos tipos de alimentos ricos en azúcares. Tsami et al. (1990) determina las isotermas de sorción de algunos frutos secos entre 15 y 60 ºC. Los autores encontraron que cuanto más alto el contenido de azúcares, menor es el cruce de aw. Por ende, ya que el

habas de cacao no fermentados en 25, 30 y 35 ºC.

Tabla 2Resultados obtenidos a partir del ajuste de las curvas experimentales para el modelo seleccionado

la TSP es de aproximadamente 20% (con un contenido de humedad de 0,07 kg de agua/kg db), el cruce de las isotermas en un alto valor de aw (alrededor de 0,9) son de esperar.

contenido de azúcares en Como se dijo anteriormente, los modelos de GAB y Peleg presentan el mejor ajuste a curvas experimentales de TSP entre 10 y 40 ºC. El modelo de GAB, sin embargo, es el único que predice el cruce de isotermas y, por lo tanto, se llegó a la conclusión de que GAB es el mejor modelo para predecir el isotermas de sorción para este tipo de TSP en esta gama de temperaturas. Los valores de contenido de humedad en la monocapa estimados de la TSP con el modelo de GAB en 10, 20, 30 y 40 ºC se puede observar en la Tabla 2. La TSP presentó unacontenido de humedad de 7,4% (db) en la monocapa a la temperatura de 10 ºC y este valor disminuyó con el aumento de la temperatura. Para patatas, McLaughlin y Magee (1998) encontraron contenidos similares. Los valores obtenidos en la monocapa están en el intervalo aceptable para productos alimenticios. Labuza (1984) indicó 10% (db) como el contenido máximo de humedad de la monocapa para los alimentos. La Fig. 3 muestra que el calor total de absorción disminuye por aumentar el contenido de humedad de la TSP; este hecho está de acuerdo con observaciones por parte de muchos investigadores (FASINA y Sokhansanj, 1993), ya que cuanto menor sea el contenido de humedad, mayor es la energía necesaria para eliminar el agua del producto. El análisis de la Fig. 3 también demuestra que los calores de totales de sorción de TSP alcanza el calor de vaporización de agua pura a un contenido de humedad alrededor del 28% (db). La Tabla 3 presenta la superficie de agua de TSP entre10 y 40 ºC; se estimó utilizando la ecuación. (9) y los contenidos de humedad en la monocapa de TSP obtenidos por el modelo de GAB. Los valores están dentro del rango comúnmente obtenidos para productos alimenticios (100-250 m2/g sólido) (Labuza, 1968).

Fig. 3. Calor total de sorción (kJ/mol) frente a la humedad de equilibrio

Fig. 2. Ajuste de los datos experimentales al modelo de GAB.

Tabla 3Área de la superficie del agua (S0) de TSP (m2/g sólido)

5. Conclusiones

Este estudio presenta isotermas de adsorción de proteína texturizada de soja en 10, 20, 30 y 40 ºC. Los datos se ajustaron a varios modelos y se calcularon el contenido de humedad en la monocapa, el calor total de sorción y la el área de la superficie del agua del producto. Las isotermas de adsorción obtenidas en esta gama de temperatura son similares, lo que indica el efecto de la temperatura. Las isotermas a 20 y en el 40 ºC cruzaron a un valor de actividad de agua alrededor de 0,9. Este hecho es característico de alimentos ricos en azúcares. Los modelos de GAB y Peleg presentan el mejor ajuste a los datos experimentales. Como el modelo de GAB predijo el cruce, se consideró como la más adecuada para predecir las isotermas de adsorción de TSP en el rango de temperaturas cubierto. El calor total de absorción obtenido para la TSP disminuyó a medida que aumentaba el contenido de humedad. El contenido de humedad de la monocapa de la TSP varió entre 4,6% y 7,4% (db), dentro del rango estudiado de la temperatura, y disminuye con el aumento de la temperatura. El área de la superficie del agua mostró un comportamiento similar.

Agradecimientos

Los autores agradecen a Solae do Brasil Ind. E Com. de Alimentos LTDA. (Esteio, RS, Brasil) por proporcionar los

contenido de TSP.* Basunia, M. A., y Abe, T. (2001). Isotermas de desorción de humedad de de grano medio arroz con cáscara. Diario de los Productos Guardado Research, 37, 205-219.* Bunge (2001). Bunge Alimentos, Proteı'na texturizada de Soja, Folheto Técnico - Ingredientes Funcionais.* Fasina, O. O., y Sokhansanj, S. (1993). Equilibrio relaciones de humedad y el calor de sorción de alfalfa Pellets. Journal of Agricultural Investigación de Ingeniería, 56, 51-63.* Geankoplis, C. J. (1993). Proceso de transporte y operaciones unitarias (tercero ed.). Prentice-Hall, p. 921.* Heldman, D. R., y Hartel, R. W. (2000). Principios de procesamiento de alimentos. Chapman & Hall, pp. 1-218.* Iglesias, H. A., y Chirife, J. (1976). Monocapa BET en deshidratada alimentos y sus componentes. -Lebensmittel Wissenschaft und Technologie, 9 (2), 107-113.* Kaymak-Ertekin, F., y Sultanoglu, M. (2001). De sorción de humedad características de las isotermas de pimientos. Journal of Food Engineering, 47, 225-231.* Labuza, T. P. (1968). Fenómenos de adsorción en los alimentos. Tecnología De Alimentos II, 22, 263-272.* Labuza, T. P. (1984). Absorción de humedad: Aspectos prácticos de la isoterma la medición y el uso. Asociación Americana de Químicos de Cereales.* Maskan, M., y Gogus, F. (1997). La instalación de varios modelos a isotermas de absorción de agua de la pasta de pistacho. Journal of Food Ingeniería, 33, 227-237.* McLaughlin, C. P., y Magee, T. R. A. (1998). La determinación de isoterma de sorción y los calores isostéricas de absorción para las patatas. Journal of Food Engineering, 35, 267-280.* Menkov, N. D. (2000). Isotermas de sorción de humedad de las semillas de lentejas en varias temperaturas. Journalof Food Engineering, 44, 205-211.* Park, KJ, Vohnikova, Z., y Brod, FPR (2002). Evaluación de parámetros de secado e isotermas de desorción de hojas de menta jardín. Journal of Food Engineering, 51, 193-199.* Peleg, M. (1993). Evaluación de una de cuatro parámetros semi empírica modelo general para las isotermas de sorción de humedad sigmoide. Journal of Procesamiento de Alimentos Ingeniería, 16 (1), 21-37.* Sandoval, A. J., y Barreiro, J. A. (2002). Isotermas de absorción de agua de no fermentado granos de cacao. Journal of Food Engineering, 51, 119-123.* Saravacos, GD, Tsiourvas, DA, y Tsami, E. (1986). Efecto de la temperatura en las isotermas de adsorción de agua de pasas sultanas. Journal of Food Science, 51, 381-383.

productos y equipos necesarios para este estudio. Los autores reconocen Capes por proporcionarapoyo financiero.

Referencias

* Ajibola, O. O. (1986). Desorción isotermas de plátano en varias temperaturas. Journal of Food Science, 51, 169-171.* Alhamdan, A. M., y Hassan, B. H. (1999). Isotermas de absorción de agua de pastas influenciados por fecha cultivo y la temperatura de almacenamiento. Journal of Food Engineering, 39, 301-306.* AOAC (1990) - Asociación de Químicos Analíticos Oficiales. Oficial* Métodos de análisis: 930.04. El contenido de humedad en las plantas, 1, p. 949.* Shivahare, US, Arora, S., Ahmed, J., y Raghavan, GSV (2004). Las isotermas de sorción de humedad de hongos. -Lebensmittel Wissenschaft und Technologie, 37, 133-137.* Spiess, W. E. L., & Wolf, W. F. (1983). Los resultados de la COST 90 proyecto sobre la actividad del agua. En R. Jowitt (Ed.), Las propiedades físicas de alimentos (pp. 65-91). Londres: Editores de Ciencias Aplicadas.* Tsami, E., Marinos-Kouris, D., y Maroulis, ZB (1990). agua isotermas de adsorción de pasas, pasas, higos, ciruelas y albaricoques. Journal of Food Science, 55, 1594-1597.* Wolf, W., Spiess, E. W. L., y Jung, G. (1985). Normalización de isotermas medidas (costo del proyecto 90 y 90 bis). En D. Stimatos y JL Multon (Eds.), Propiedades del agua en los alimentos en relación con la calidad y la estabilidad (pp. 661-679). Dordrecht: Martinus Editores Nijhoff.