Lunes 6 de junio Lunes 13 de junio
Reología y Textura en Alimentos
Dra. Silvia Matiacevich
Reología
Reología
Importancia en la aceptabilidad aceptabilidad de los los alimentos: alimentos:
1. Apariencia. Propiedades estructurales o mecánicas de algunos alimentos pueden estar determinados por la apariencia. 2. Aroma. La forma en que el alimento se rompe en la boca puede afectar la liberación de compuestos aromáticos. 3. Tacto. Prop Propieda iedades des reológi reológicas cas afe afectan ctan en may mayor or medida medida a la evaluación de la calidad por el sentido del tacto. Durante el proceso de masticación un numero de propiedade propi edades s reológicas reológicas tale tales s como la deformac deformación ión ocurre ocurre en la primer mordida y las propiedades de flujo del bolo alimenticio (masa masticada con saliva) se sienten en la boca.
Líquidos Bingham Plástico Flujo
No Bingham No Newtoniano Viscoso Newtoniano
Viscoso Defin Def inici ición ón de vis viscos cosida idad. d. v2
dv
A v1
F dx
F
A
= η η
dv dx
Viscos Visc osiida dad d es la me medi dida da de la fr fric icci ción ón in intter erna na de un fl flui uido do.. Est Estaa fri ricc cciión se hac hacee ap apar areent ntee cuando se hace mover una capa de fluido en relación a ot otra capa.
Newtonianos Se definen como aquellos en los que la interrrelación velocidad de corte (δ) vs esfuerzo cortante (τ) es una constante.
τ
η vs δ es constante.
δ
No-Newtonianos Se definen como aquellos en los que la interrrelación velocidad de corte (δ) vs esfuerzo cortante (τ) NO es una constante. Pseudoplástico
η
τ
δ
Emulsiones pinturas Dispersiones
δ
Dilatantes
.
Se caracterizan por un aumento de viscosidad con el aumento de la velocidad de corte (δ)
τ
η
δ
δ
Plástico Un material plástico se define como aquél que no sufre deformación permanente hasta un cierto límite de esfuerzo llamado esfuerzo de cedencia.
σ
σ0 esfuerzo de cedencia o punto de cedencia
σ0 ε
Plástico o Bingham Ketchup, mayonesa, crema batida, merengue, margarina.
Si se mide en un sólo punto se obtiene
ηa
o sea la viscocidad aparente (se trata como Newtoniano cuando no lo es)
τ
η
δ
δ
No-Bingham Pseudoplástico
τ Dilatante
δ
Líquidos Bingham Plástico No Bingham
Flujo
Pseudoplástico Dilatante
No Newtoniano Viscoso Newtoniano
Clasificación reológica de los diferentes cuerpos
Factores que afectan la viscosidad
Temperatura Tº
v
Factores que afectan la viscosidad
Concentración de soluto (C)
v
Textura de Alimentos
Importancia de Textura en aceptabilidad total de alimentos: Crítica: carnes, papas fritas, cereales del desayuno, apio Importante: frutas y vegetales, pan, caramelos Menor: bebidas y sopas
Es una cualidad compleja del alimento y es un reflejo de su estructura.
Grupo de propiedades físicas (Mecánicas o reológicas) relacionadas a la estructura de los alimentos Detectado por la boca y las manos. No está relacionada con los sentidos de sabor u olor
El estudio de la textura de alimentos es tecnológicamente importante por 3 razones: 1. Evaluar la resistencia de los productos contra la acción mecánica.
2. Determinar las propiedades de flujo de los productos durante procesado, manejo y almacenamiento.
3. Establecer el comportamiento mecánico de un alimento cuando se consume y su relación con la percepción sensorial.
Atributos de la Textura:
Algunas definiciones texturales: Cuerpo (Body): calidad de un alimento o bebida relacionada con su consistencia,
compactabilidad de textura, fullness, or richness Masticabilidad (Chewy): tendencia a permanecer en la boca sin quebrarse o disolverse
rápidamente - requiere masticación Mealy: sensación almidonosa en la boca Mouthfeel: experiencia total en la boca- relacionada con densidad, viscosidad, tensión
superficial Consistencia (Consistency): estimulación de los receptores mecánico y receptores táctiles Duro (Hard): muestra resistencia substancial a la deformación o rompimiento Firme (Firm): muestra resistencia moderada al rompimiento durante la masticación Suave (Soft): muestra leve resistencia a la deformación Tender: muestra poca resistencia al rompimiento durante la masticación Textura versus viscosidad Viscosidad: propiedad de un fluido- resistencia al flujo Textura: propiedad de un alimento sólido o semi-sólido Ambas propiedades representan textura de un alimento
Consistencia
Cambios de textura ) . b . w . d ( t n e t n o c e r u t s i o M
Crispy/crunchy Soft
0.2-0.5
Powder Changes ) . b . w . d ( t n e t n o c e r u t s i o M
Free flowing Agglomerated
~0.4
Los Métodos Instrumentales Disponibles para Medir la Textura se Clasifican en :
1) Empiricos. 2) Imitativos. 3) Fundamentales. 4) Ideal
Medición Objetiva de la Textura: Tipos de pruebas para medir textura de alimentos (Bourne, 1982)
realizadas con instrumentos Objetivas
miden propiedades texturales reales
realizadas por personas Subjetivas
Directas
Indirectas
Orales
No orales
Fundamentales
Ó pticas
Mecánicas
Dedos
Empíricas
Químicas
Geométricas
Manos
Imitativas
Acústicas
Químicas
Otras
realizadas en la boca miden propiedades físicas que se correlacionan bien con las propiedades texturales
realizadas en algunas partes el cuerpo diferentes a la boc
Pruebas Fundamentales
Pruebas Directas
Propiedades reológicas bien definidas Alimento se somete a una fuerza y se mide la deformación Basadas en el comportamiento frente esfuerzo y deformación de un material Puede estar no necesariamente relacionada con la propiedad sensorial, tal como masticación Esfuerzo: Fuerza aplicada por unidad de área de un material Deformación: Cambio en la dimensión del como respuesta a la fuerza aplicada.
Pruebas Empíricas Parámetros texturales pobremente definidos: penetrómetros, pruebas de punción Derivadas de experiencia práctica Fáciles de realizar y económicas
Pruebas Imitativas Imitan las condiciones a las cuales el alimento se somete en la práctica: Texturómetro de la General Food: imita la acción de masticación de los dientes Farinógrafo : imita el manejo y trabajo sobre la masa de panificación
Comparación de diferentes sistemas de medición objetiva de textura de alimentos (Bourne, 1982) Sistema Empíricos
Ventajas
•Simple •R ápido •Adecuado para calidad de rutina •Buena correlación con métodos sensoriales •Muestras grandes para dar resultados promedios
Imitativos
Fundamentales
Desventajas
•No hay comprensión de principios fundamentales de las pruebas •Especificación incompleta de textura •Generalmente mediciones de “un punto”
sensoriales •Medición completa de la textura
•Medida f í sica equivalente desconocida •Evaluación lenta del gráfico •No adecuada para trabajo rutinario •Restringido a unidades de “tamaño de mascada”
•Se sabe exactamente lo que se mide
•Pobre correlación con métodos
•Duplican cercanamente la masticación •Buena correlación con métodos
sensoriales •Incompleta especificación de textura •Lento
Ideales
•Simple de realizar •R ápido •Adecuado para trabajo rutinario •Buena correlación •Duplican cercanamente la masticación •Medida textural completa •Se sabe exactamente lo que se mide •Puede usar tamaños pequeños o grandes
•Ninguna
Pruebas de Punción: Fuerza requerida para empujar o penetrar una probeta en el alimento Instrumentos mas simples para medir textura: aparato para medir firmeza de frutas madurómetro, tenderómetro, gelómetro bloom, etc.. Originalmente usado para medir consistencia de geles Características: • Instrumento para medir fuerza máxima • Penetración de la probeta causa rompimiento irreversible o flujo • La profundidad de la penetración se mantiene constante
Geometría de la muestra Test de punción asume que el tamaño de la muestra es semi-infinita
Test de punción: Soportes
Factore Fac tores s que afect afectan an los los Test Test de punci punción ón
•Naturaleza del alimento (un producto producto suave tendrá tendrá una menor fuerza fuerza de punción punción que un producto producto duro). •Tamaño y forma de la punta. •El número de punciones realizadas (generalmente 1) •Profundidad de penetración •Velocidad de punción (alimentos (alim entos viscoelast viscoelasticos icos son más sensibles sensibles a las velocidades velocidades en la que se aplica el esfuerzo).
Curvas de fuerza-distancia en pruebas de punción ( con un equipo moderno)
a z r e u F
A
B
D
C
E
Distancia A, B, C: Crecimiento inicial rápido en fuerza en una distancia corta sin ninguna ruptura-cambio súbito en la pendiente“punto de bio-fluencia”ocurre ocurr e la punciónpunción- probe probeta ta penetra penetra el alimentoalimentorompimiento irreversibleaquí es donde comien comienza za el daño en en la fruta
D: cambio abrupto en la pendientependi ente- similar a la curva A pero pero suavesuave- se obtiene obtiene en algunas pastas de almidón y aderezos batidos y espumas
E: no hay punto de fluencia – se comporta como líquido viscoso o material altamente extensible no adecuado para pruebas de punciónpastas de almidón.
Curva Generalizada Fuerza-deformación Fuerza-deformación para un material crujiente
(Rosenthal, 1999)
Firmeza (Stiffness) Ruido (eventos acústicos) Dureza (Hard) FM Microeventos de naturaleza quebradiza Heterogeneidad
a z r e u F
Trabajo Area bajo la curva curva
Quiebre global rápido Distancia (deformación)
Sólidos Hookeanos: •Se mide firmeza (stiffness) del alimento en la región lineal de la curva fuerza – deformación. •Región lineal generalmente representa el comportamiento elástico del alimento, el cual retomará su dimensión original si la fuerza se remueve - comportamiento plástico después del punto de fluencia •Región lineal muy pequeña en alimentos •Los alimentos que se rompen en la región elástica son quebradizos (brittle) y la fractura ocurre rápidamente
Si una compresión uniaxial se aplica al alimento:
F Esfuerzo = A Módulo de Young de elasticidad en compresión o tensión (E) = Deformación ∆L L Firme
Medio
Débil Pendiente= módulo elástico
a z r e u F
Distancia
Ventajas de los Test de punción
•Simple y rápida medición. •Repetibilidad en iguales condiciones •Rápidamente distinguible entre muestras •Útil para la mayoría de los alimentos (elección adecuada de tamaño de muestra y diámetro del punzón) •Velocidad de punción (alimentos viscoelasticos son más sensibles a las velocidades en la que se aplica el esfuerzo).
Pruebas de Compresión-Extrusión: •Fuerza aplicada hasta que la estructura se rompe y se extruye a través del espacio anular o salidas
•Fuerza máxima requerida –indicador de calidad textural •Usada para líquidos viscosos, geles, grasas, y frutas y vegetales frescos y procesados
Anillo
Pistón de Compresión
Alimento
Curva Típica de fuerza-distancia obtenida con una prueba simple de compresión-extrusión (Bourne, 1982) C
a z r e u F
D
B, C: No hay espacio disponible para empaquetar excepto pequeñas bolsas de aire – incremento súbito en resistencia a la fuerza aplicada
A
B
A, B: deformación y compresión empaquetada
Distancia La forma de la curva está influenciada por: •elasticidad, •viscoelasticidad, viscosidad, •comportamiento a la ruptura del material, •espacio anular, •tamaño de la muestra, •tipo de la célula, •homogeneidad de la muestra..
Para alimentos sólidos, el test de compresión uniaxial puede ser dividido en dos clases:
Clase A: No destructivo :
La fuerza de compresión es pequeña (no hay ruptura, fractura ni daño irreversible. Test de deformación imita tacto. Clase B: Destructiva :
La fuerza de compresión aumenta hasta que se rompe la muestr Causa daño irreversible. Usado para análisis de perfil instrumental de textura (TPA)
Pruebas de Cizallamiento: Acción de cizallamiento por corte Hoja de cizallamiento para cortar carnes Warner-Bratzler Pieza de Carne
Cuchillo Warner Bratzler
Pruebas de tensión: R •No se usa ampliamente en alimentos •Proceso de masticación involucra compresión, no tensión •Generalmente se usan para medir la adhesión de un alimento a la superficie
(adhesividad de budines (pudding)) Clara de huevo Manzana e u q r o T
Topping
Crema Tiempo
Pruebas de Torsión: Fuerza aplicada que tiende a rotar o girar una parte del objeto en torno a un eje con respecto a otras partes Torque: tendencia de una fuerza a producir rotación en torno a un eje Torque = Fuerza * distancia radial desde el eje Farinógrafo y mixógrafo que se usan para medir la calidad de masas panaderas son instrumentos que miden torque
Flexión y snapping: •Se aplica generalmente a alimentos con forma de barras o láminas •Aparato de triple apoyo •Bailey Shortmeter en industria de panificación para medir propiedades de shortness y snapping de galletas ( crackers, cookies)
Triple apoyo
Viga
Pruebas de Penetrómetro: •Tipo de prueba de compresión •Un cuerpo de forma cónica cae desde una altura predeterminada en el producto •Se mide la profundidad de penetración •Se aplica para determinar untabilidad (spreadability) de mantequilla, margarina, geles de pectina •El material primero se deforma y fluye a través del espacio entre el cono y el material no Deformado – se relaciona con la untabilidad.
Penetrómetro
Alimento
Flujo
Efecto del tiempo: Elástico: Recupera la deformación después de la remoción de la fuerza Plástico/Viscoso: No recupera la deformación después de la remoción de la fuerza Viscoelástico : Hay una recuperación parcial – muchos alimentos son viscoelásticos
Fuerza constante aplicada durante un tiempo indefinido: Carga Constante load
Forma Original
Forma Comprimida
Fuerza removida a z r e u F
Deformación Retardada “creep” Deformación elástic Instantánea
Tiempo
Recuperación elástica Instantánea Recuperació Retardada Deformación Permanente
Deformación Constante (distancia constante) para un tiempo indefinido: Muestra comprimida y mantenida a una altura constante y la fuerza se registra en el tiempo.
Compresión se detiene (mantenida a altura constante) Relajación a z r e u F
Comienza descompresión (parcial)
Recuperación
Tiempo
se detiene descompresión
Celda Kramer Diseñada para producir stress Usada principalmente en frutas y vegetales
Compresimetros Estos aparatos miden la resistencia de los alimentos a la compresión. Fuerza necesaria para producir una deformación dada. Tipos Deformación causada por una fuerza determinada Difieren de los penetrometros en que generalmente no se alcanza el punto de ruptura o flujo (valor de cedencia) y por tanto el alimento no se rompe. Según la geometria del área de contacto aparato-alimento a) Pieza plana actua sobre material plano b) Pieza curva actua sobre material plano c) Pieza plana actua sobre material curvo
Análisis de Perfil Textural (Texture Profile Analysis - TPA): * Imitación de la acción de la mandíbula * Se imita dos mascadas en un ciclo de compresión y descompresión de un equipo analizador de textura Instron, GF Texurometer, TAX2, Lloyd) * Se correlaciona bien con evaluación sensorial
Primera Mordida
A Z R E U F
TIEMPO
Segunda Mordida
Análisis de Perfil Textural (Texture Profile Analysis - TPA):
Fuerza
Velocidad de penetración después de la prueba
Velocidad de penetración durante la prueba 1° penetración Fracturabilidad es la fuerza en el primer pico
1° Retroceso
Distancia 1
2° Retroceso
Dureza es la máxima fuerza desplegada en la penetración
Á rea rea 1 Área 4
Espera 2° penetración
Área 5
Notar que la sonda retrocede y espera hasta el punto donde encontró la fuerza umbral de activación eb la primera penetración
Área 3
Á rea rea 2
Distancia 2
Tiempo
Parámetros mecánicos TPA: Dureza (Hardness): normalmente el primer peak en la bajada del primer
ciclo de compresión. Fracturabilidad (Fracturability): la fuerza de la primera rotura significativa en
la primera mordida (primer ciclo de compresión) (originalmente llamada Fragilidad-brittleness). Cohesividad (Cohesiveness): Razón de las áreas positivas durante la segund
compresión y la de la primera (Area2/Area1) excluyendo las áreas bajo la zona de descompresión de la muestra en cada ciclo. Adhesividad (Adhesiveness): Trabajo necesario para retirar el émbolo
desde la muestra (Area 3). Elasticidad (Springiness -elasticity) : La distancia en que el alimento recupera
su altura durante el tiempo que transcurre entre el final del primer ciclo (1ra mordida) y el comienzo de la segunda mordida. Gomosidad (Gumminess): producto de la Dureza * cohesividad Masticabilidad (Chewiness): producto de la Gomosidad * Elasticidad
Tabla Evaluación de la textura en una serie de alimentos. Ejemplos
M étodos
Referencias
Clases Frutas y hortalizas
Guisantes, fresas manzanas
Pruebas de punción, deformación, métodos químicos, microscopía, extrusión
Arthes, (1975) Boume (1975) Boume (1983)
Productos lácteos
Yogur, queso, mantequilla
Extrusión, flujo, penetración
Taneya et al.(1979) Prentice (1979) Deman et al.(1979) Prentice (1984)
Derivados animales
Carne, pescado
Cizalla, microscopía
Stanley (1976) Howgate (1977) Stanley (1983)
Cereales
Harina, masa de pan
Viscoelasticidad, gelificación, propiedades de flujo
Baird (1983) Zangger (1979)
Aceites y grasas
Aceites vegetales, margarinas
Flujo, extrusión
Internacional Dairy Federation (1981) Deman ei al.(1979) Deman (1976)
Alimentos texturizados y procesados
Pan, galletas snacks, productos deshidratados
Schweingruber et al. (1979) Flink (1983) Taranto (1983)
Confiter ía
Chocolat caramelo
Tscheuschner y Wunsche(1979) Kleinert (1976)
Factores que afectan las mediciones de textura
•Velocidad de compresión •Uniformidad de la muestra •Tamaño de la muestra •Temperatura
Coeficiente Textura-Temperatura (TTC) (Bourne, 1982)
Asume linealidad entre los parámetros de textura y temperatura. T1
Comparación entre la medición instrumental y la medición sensorial de la textura •Elemento sensor: Instrumento: las mediciones físicas se convierten a través de un transductor en señales visuales o salidas eléctricas que pueden observarse directamente O alimentarse a un procesador de datos. Cuerpo Humano: Organelas táctiles de la piel, paladar, lengua, membrana periodontal, terminaciones nerviosas de los músculos orales y de la piel. •Influencia de la geometría y tamaño de la muestra con el tipo de ensayo: Instrumento: Ensayo de torsión, tensión , compresión, extrusión… No puede aplicarse todo junto (maximo 2). Sensorial: Al masticar se aplican todos los estímulos juntos. •Respuesta: Instrumento: los transductores tienen una respuesta lineal ya que son
calibrados con estándares que permiten obtener características físicas definidas en términos de unidades absolutas. Cuerpo Humano: la percepción humana esta gobernada por fenómenos Psicofísicos, tiende a ser una respuesta no lineal.
Comparación entre la medición instrumental y la medición sensorial de la textura •Temperatura: Instrumento: Se llevan a cabo a temperatura constante. Cuerpo Humano: el proceso sensorial es no isotérmico. La Tº de la boca es Menor que la media del cuerpo (37ºC) y el alimento rara vez se introduce a esa temperatura. Por lo tanto, su temperatura se incrementa o disminuye, variando sus propiedades físicas. •Saliva: Sensorial: la saliva es un líquido no-newtoniano diluido, que contiene enzimas
digestivas, proteínas y polipéptidos, actuando además como solvente y lubricant y los alimentos cambian su composición. Instrumento: Los equipos no permiten en general introducir un lubricante. •Volumen: El volumen de la muestra deglutida varía con la viscosidad. Los líquidos de baja viscosidad son deglutidos en una etapa (<15cm3); los de alta viscosidad so deglutidos en varios volúmenes pequeños. La percepción en la boca varía según la viscosidad.
Comparación entre la medición instrumental y la medición sensorial de la textura •Muchos de los instrumentos no someten al alimento a las mismas condiciones mecánicas que en la boca. La mayor parte de los alimentos líquidos son no-newtonianos (su viscosidad varía con la velocidad de cizallamiento aplicada y los alimentos sólidos presentan viscoelasticidad no lineal (sus parámetros reológicos son función del esfuerzo o de la velocidad de deformación). Ej. Masticación de carne: velocidad de la mandíbula: 200-400cm/min vs el Instrumento opera a 20 cm/min. Es difícil de emular las velocidades y los esfuerzos imprimidos por la boca. •Los instrumentos consideran generalmente una solo propiedad física en forma aislada y no tienen en cuenta todas las sensaciones y la textura es una combinación de sensaciones múltiples (acústicas, mecánicas, térmicas, etc.).
Mediciones indirectas de la textura
Análisis de la textura de alimentos a través del análisis de imágenes utilizando visión computacional
postre
Técnica acústica
Proporciona una información interesante sobre la calidad en determinadas frutas. Los cambios en el índice de firmeza están relacionadas a las propiedades elásticas del fruto, por lo que es posible en algunos casos correlacionarlo con la firmeza obtenida con texturómetro. Sujeta a factores de variación.
•Se basa en la relación del módulo de Young (factor de proporcionalidad en el comportamiento elástico de los cuerpos) y la frecuencia de resonancia.
•Por medio de la grabación de un sonido que se produce al realizar un ligero Impacto se obtiene una señal a la cual se le aplica la transformada de Fourier donde se obtiene la primera o bien la máxima frecuencia de resonancia.
Procedimiento: 1. Posicionamiento del fruto. 2. Ligero impacto con el émbolo. 3. Generación de la señal acústica. 4. Detección de la señal por un micrófono. 5. Proceso y transformación de la señal obtenida. 6. Calculo de la firmeza utilizando la relación:
Stifness= f2*m2/3 f= frecuencia de resonancia en Hz m= masa en kg
Correlación entre firmeza acústica y por texturometro en manzana Royal Gala La técnica acústica es un método válido y objetivo para evaluar calidad de la fruta, aunque en algunos casos no puede dar suficiente información para predecir la firmeza, ya que esta influenciada por otros parámetros de Calidad como el índice de almidón o la acidez.
Detección de daños mecánicos.
Instrumentos que miden las fuerzas que actúan sobre el fruto. Se desempeñan como pseudo frutos. •Patata electrónica escocesa (1996) •Patata electrónica danesa (1990) •Fruto electrónico (IRD: impact recording device, 1990) •Sensor wireless (2001)
Fruto electrónico: •IS 100 (Instrument Sphere 100) más usado (Zapp et al., 1990) •Esfera plástica compuesta por: acelerómetro triaxial piezoeléctrico (detecta cargas dinámicas) microprocesador memoria interna reloj bateria recargable •Cuando es sometido a un golpe se comprime el retículo piezoeléctrico produciendo una señal eléctrica. •Identifica las etapas críticas capaces de inducir daño •en el fruto durante su manipulación industrial. •Evaluación real •Sensibilidad •NO interfiere con el normal funcionamiento de la empresa •Dificultad: Interpretación de los resultados.
Para cada impacto los sensores registran dos parámetros Aceleración máxima (G): fuerza del impacto Duración del impacto (ms) Combinandolos obtenemos el cambio de velocidad que junto con la aceleración Indica el tipo de superficie (dureza) sobre la que se produce el impacto.
Cuanto mayor fuerza del impacto, mayor valor de G Golpe en superficie dura: cambio pequeño en la velocidad Golpe en superficie blanda: gran cambio en la velocidad
