1. INTRODUCCIÓN
3.9. MÉTODOS OBJETIVOS DE EVALUACIÓN DE LA TEXTURA
El equipo utilizado para medir objetivamente la textura del puré de patata es un Texturometro TA.HDi (Stable Micro Systems Ltd, Godalming, UK) con el programa Texture Expert para WindowsTM (version 2. 61), utilizando para ello una célula de carga de 250 N. Durante los ensayos, el control de la temperatura del puré de patata (+55 ºC) se efectuó introduciendo la muestra a ensayar en una mini cámara (Peltier cabinet) con un sistema de control de temperatura Peltier plate controler (XT/PC) unido a un intercambiador de calor independiente y a una unidad de control (PID).
En el caso del ensayo de compresión uniaxial, realizado sobre tejido de patata (en forma de muestras cilíndricas), los especimenes se atemperan y se ensayan a 20 ºC. 3.9.1. Ensayo de Perfil de Textura Instrumental (TPA)
Para los análisis de perfil de textura se utilizó un émbolo plano de aluminio de 35 mm de diámetro (SMS P/35) que penetra en un vaso de acero inoxidable de 60 mm de diámetro conteniendo 50±1 g de puré de patata. Seleccionamos las siguientes condiciones experimentales para cada ensayo TPA: velocidad de deformación (180 mm
min-1), nivel de compresión (33.3%) y un periodo de reposo de 5 s entre ciclos.
Se efectuaron 4 repeticiones para cada unidad experimental ensayada y los resultados fueron expresados como media para cada tratamiento. De la curva generada de dicho test, de acuerdo con el programa de User Guide (Texture Expert for Windows. Version 1.0, Stable Micro Systems, Surrey, England) los parámetros texturales son automáticamente calculados por el software de la siguiente manera:
▪ Consistencia (N), es la fuerza máxima en el primer ciclo de compresión. Es dada
como el primer pico de fuerza si solo se encuentran dos picos o el segundo pico si hubiera tres picos en la curva TPA.
▪ Adhesividad (N s), es el área negativa después de la primera compresión y
representa el trabajo negativo necesario para retornar el émbolo cilíndrico desde el final de la primera compresión a su posición inicial.
▪ Elasticidad (adimensional), es la altura recuperada por la muestra durante el
tiempo transcurrido entre el final de la primera compresión y el comienzo de la segunda. Los valores se obtienen directamente de las curvas fuerza-tiempo. ▪ Cohesividad (adimensional), es calculada como el ratio de las áreas positivas de
la primera y segunda compresión.
▪ Pastosidad (N), es el producto de la consistencia y cohesividad.
ANÁLISIS DE PERFIL DE TEXTURA
3.9.2. Ensayo de Firmeza / Penetración Cónica
Para el desarrollo de este ensayo, se utilizó una sonda cónica de 45 º (P/45 C) que penetra en una base hueca también cónica donde se introducen 7±0,1 g de puré de
patata. Los ensayos se realizaron a una velocidad de deformación de 180 mm min-1. Las
medidas se repitieron 4 veces y los resultados fueron expresados como media para cada tratamiento. De cada curva fuerza-tiempo se obtiene la fuerza máxima a la penetración (N), área bajo la curva fuerza vs. tiempo (N s), fuerza máxima a la penetración por
gramo de producto (N g-1), área bajo la curva fuerza vs. tiempo por volumen desplazado
(N s mm-3), fuerza media de penetración (N).
3.9.3. Ensayo de compresión uniaxial
En este ensayo, al igual que en el ensayo de perfil de textura se utilizó un émbolo plano de aluminio de 35 mm de diámetro (SMS P/35). El ensayo de compresión
se realizó hasta la rotura del tejido, a una velocidad de deformación de 50 mm min-1
(Canet y col., 2001). Se llevaron a cabo 10 medidas para cada unidad experimental y los resultados se expresaron como media.
De las curvas fuerza-deformación generadas para cada muestra y series de ensayos se calculan los siguientes parámetros:
▪ Fuerza máxima de rotura Fc: es el punto de la curva fuerza-deformación creciente donde se produce la rotura del material. Después de este punto la fuerza decrece de forma brusca. El punto de rotura se observa perfectamente en el producto ensayado como una rotura de la macroestructura. Estos valores se obtienen directamente de las curvas, expresándose en Newtons (N).
▪ Tensión de ingeniería σu (kPa):
σu = F/ A0 donde A0 es el área inicial del espécimen
▪ Tensión real o tensión corregida σc (kPa):
σc = F/ At donde At es el área del espécimen
deformado a un tiempo t de iniciado el ensayo
▪ Deformación aparente ó deformación de Cauchy εc (mm/mm):
εc = Δh / h0
donde Δh es la deformación lineal, es decir el aumento o disminución absolutos
de la altura inicial del espécimen h0 en la dirección de la fuerza aplicada. Cuando la
deformación es pequeña, puede suponerse que el área del espécimen permanece constante, sin embargo cuando la deformación es grande, el área de aplicación de la fuerza no permanece constante, por lo que la deformación debe expresarse como una función del tiempo.
Para la mayoría de las aplicaciones alimentarias es válida la expresión de la
deformación real definida por Hencky ó deformación de Hencky εh (mm/mm):
εh = Ln (ht/h0) = Ln (h0+Δh/h0) = Ln (1 + εc)
Mientras la deformación aparente varía entre 0 y 1, la deformación real lo hace entre 0 e ∞. Las curvas fuerza-desplazamiento experimentales pueden transformarse en curvas de tensión-deformación verdaderas con lo que el tipo de información obtenida recobra carácter reológico.
▪ Tensión de rotura aparente:
σu = Fc / Área de contacto
▪ Punto de rotura:
σc = Ft/At = Ft/A0 · ht/h0 = Ft/A0 · (1+ εc) = σu (1 + εc)
▪ Módulo de deformabilidad o módulo aparente de elasticidad E: es el valor de la
tangente a la curva en la región linealmente elástica de la curva fuerza-deformación. Al tratarse de un material biológico la relación fuerza/deformación no es perfectamente
lineal, por lo que se ha determinado en todos los casos la fuerza FE y la deformación
correspondiente Δh, en un punto de la zona lineal de la curva, localizado a un nivel de las dos terceras partes del punto de fuerza máxima de rotura. Conocida el área de la
sección transversal de la probeta A (πr2), se determina el módulo aparente de elasticidad
como la relación entre la tensión y la deformación unitaria, siendo los resultados expresados en kPa:
E = (F/A) / (Δh/h)
No puede identificarse con el módulo de elasticidad o módulo de Young, ni debe tratarse como una propiedad absoluta del material en estudio. Es un parámetro muy conveniente para evaluar la firmeza de los materiales pero debe tenerse en cuenta que el
módulo de deformabilidad resulta un valor comparativo y limitado a las condiciones experimentales en que se obtenga.
Otro parámetro empírico que se obtiene en este ensayo de gran utilidad en relación con la textura de los alimentos, es:
▪ Trabajo de fractura Wf : representa el área bajo la curva fuerza-deformación hasta el punto de rotura. Los valores de este parámetro se obtienen directamente de las
curvas, expresándose por unidad de volumen (kJ/m3).
Como anexo I, las figuras 1, 2 y 3 muestran ejemplos de las curvas y tablas de resultados obtenidos del ensayo TPA, del ensayo de penetración cónica y del ensayo de compresión respectivamente, realizado en una de las unidades experimentales estudiadas.
3.10. CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA
Los ensayos reológicos se llevaron a cabo en un reómetro Bohlin CVR 50 (Bohlin Instruments Ltd, Cirencester, Gloucestershire, UK) a esfuerzo controlado. De forma general se utiliza como sistema de medida la geometría de platos paralelos lisa (PP40, Φ 40 mm) con un espesor de muestra de 2 mm y una trampa de solvente para minimizar las pérdidas de agua durante el tiempo de medición.
En todos los casos, y tras la colocación del puré en la geometría de ensayo, se permitió que las muestras relajaran durante 5 minutos previamente a realizar las medidas reológicas. Este tiempo de equilibrio o reposo se estima conveniente al objeto de que se produzca una recuperación de la estructura original de la muestra, la cual puede verse afectada por la colocación de la misma en el sistema de medida. Se evitaron tiempos de equilibrio mayores, con el fin de prevenir la posible evaporación de componentes de la muestra durante las medidas efectuadas a temperatura elevada.
El control de la temperatura de la muestra en el reómetro se llevó a cabo con dos unidades diferentes. La primera unidad es un sistema “Peltier Plate” que trabaja en un intervalo de temperaturas variable entre –40 y +180 °C, y que es muy adecuada para su utilización con la geometría de medida de platos paralelos. La segunda unidad es un sistema CVR de camisa de agua que trabaja en un intervalo de temperaturas dependiente de la unidad recirculación Bohlin Instrument asociada, y presenta la ventaja
de que puede ser utilizada con todas las geometrías de medida (cono/plato, platos paralelos, cilindros concéntricos y hélice). Concretamente, la unidad de regulación TCU KTB30 permite abarcar un intervalo de temperaturas variable entre - 10 y +105 ºC. 3.10.1. ENSAYOS REOLÓGICOS DINÁMICOS OSCILATORIOS
Se realizan aplicando un esfuerzo de cizalla que se hace variar sinusoidalmente a lo largo del tiempo. Entre sus ventajas hay que destacar que trabajan en el dominio de viscoelasticidad lineal y que se trata de técnicas no destructivas, es decir, las medidas se realizan sin ocasionar daño estructural a la muestra, por lo que los parámetros reológicos dinámicos pueden relacionarse con la estructura molecular de la misma (Álvarez y Canet, 1999b, 2001a, b).
Desde estos ensayos oscilatorios es posible obtener una serie de parámetros o funciones viscoelásticas dinámicas para la caracterización del comportamiento viscoelástico de los productos objeto de estudio, en este caso, del puré de patata:
G’: Módulo elástico o de almacenamiento. Índice del componente elástico. Es
directamente proporcional a la energía almacenada por el material en un ciclo de deformación.
G”: Modulo viscoso o de pérdida. Índice del comportamiento viscoso. Es directamente
proporcional a la energía disipada por el material en un ciclo de deformación.
G*: Módulo complejo. Representa la resistencia total de una sustancia frente a la deformación aplicada. Es definido como:
G* = G’ + iG”
δ: Ángulo de desfase. Índice de la viscoelasticidad. Nos da una primera idea de la naturaleza reológica del material ya que mientras en los sólidos elásticos el desfase es muy próximo a cero, en los líquidos newtonianos el desfase es 90º. Los materiales viscoelásticos poseen un desfase intermedio. A tenor de lo expresado anteriormente, un material elástico poseerá un elevado módulo elástico y un pequeño módulo viscoso ya que δ se aproximará a cero. Cuanto mayor sea el carácter viscoso del material, el desfase δ aumentará y el módulo viscoso irá aumentando en detrimento del módulo elástico.
La tangente del ángulo de desfase, denominada tangente de pérdidas, es una función viscoelástica dinámica generalmente dependiente de la frecuencia, que indica la razón entre la componente viscosa y elástica presentada por el material:
tan δ = G’’/ G’
Así, el valor 1 de la tan δ indica que el material responde con componentes viscosa y elástica del mismo valor. Un δ= 45º significa que no se da una preponderancia de la componente elástica sobre la viscosa ni viceversa. Un material viscoelástico muestra un comportamiento intermedio entre el elástico y el viscoso puros, de aquí que la onda del esfuerzo de cizalla presente un ángulo de desfase respecto a la onda de la deformación comprendido entre 0º y 90º.
η*: Viscosidad Compleja. Alternativamente al módulo complejo G*, puede definirse la
viscosidad compleja η*, la cual describe la resistencia total de un material a la cizalla dinámica.
η* = G*/ω
Básicamente, se aplicaron los dos tipos de ensayos dinámicos descritos a continuación:
3.10.1.1. Barrido de esfuerzo de cizalla
Este ensayo se realiza específicamente para determinar la extensión del dominio viscoelástico lineal a una frecuencia dada, intermedia del intervalo de frecuencias disponible experimentalmente, aumentando progresivamente la amplitud de la onda de esfuerzo de cizalla. A medida que esta última aumenta, la respuesta del sistema se caracteriza por la constancia de las funciones viscoelásticas dinámicas hasta que se alcanza una amplitud del esfuerzo de cizalla crítica, a partir de la cual G’ y G” comienzan a disminuir siendo más importante la caída de G’ que la de G”, por lo que la salida del dominio viscoelástico lineal se corresponde con un aumento de la tangente de pérdidas.
El límite del dominio viscoelástico lineal, es decir, el intervalo máximo de esfuerzos de cizalla en el que se cumple la condición de que tanto la componente elástica de la respuesta (G’) como la viscosa (G”) son independientes respectivamente de la amplitud de la onda del esfuerzo de cizalla, se determinó para cada muestra con un barrido de esfuerzos de cizalla a una frecuencia de 1 rad.s-1.
Un análisis más fiable de la extensión del dominio viscoelástico lineal requiere que el tipo de ensayo anterior se repita a frecuencias fijadas inferiores y superiores a la usualmente escogida (1 rad.s-1). Por esta razón, se investigó el efecto de tres frecuencias distintas, 0,1, 1, y 10 rad.s-1 en la extensión del dominio de viscoelasticidad lineal, no apreciándose diferencias notables en las amplitudes del esfuerzo de cizalla críticas obtenidas con las tres frecuencias.
Este ensayo permite, por lo tanto, seleccionar la amplitud de la onda del esfuerzo de cizalla a la que se estudia la influencia de la frecuencia, como se describe seguidamente, garantizando la no destrucción irreversible de la estructura del puré de patata en el intervalo de frecuencias seleccionado.
Asimismo, este ensayo se utilizó para la determinación del umbral de fluencia dinámico en el estudio de la comparación de diferentes métodos para determinar el umbral de fluencia en puré de patata (Capítulo I.2) (Yoshimura y col. 1987; Qiu y Rao, 1988; Steffe, 1992a).
3.10.1.2. Barrido de frecuencia
Una vez seleccionada la amplitud de la onda del esfuerzo de cizalla a la que se va a estudiar la influencia de la frecuencia en cada muestra, se procede a la caracterización viscoelástica lineal de la misma mediante espectros mecánicos, lo que implica conocer la dependencia de la funciones viscoelásticas dinámicas, por ejemplo
G’ y G”, respecto a la frecuencia en un intervalo de frecuencias lo más amplio posible.
En este estudio, la caracterización viscoelástica lineal se realizó en un intervalo de
frecuencias de 0,1 a 100 rad.s-1. Se obtuvieron tres espectros mecánicos para cada
muestra, y todas las medidas reológicas se llevaron a cabo por duplicado en cada combinación experimental.
Adicionalmente, se representan las funciones reológicas dinámicas del puré de patata (G’ y G”) usando un modelo matemático simple del tipo ley potencial (Ahmed y Ramaswamy 2006a, b). Para ello, se obtienen regresiones lineales del ln (G’) y ln (G’’)
frente al ln (ω), estimándose las magnitudes de las pendientes y ordenadas en el origen para cada componente viscoelástica a partir de las ecuaciones:
G’ = K’ (ω)n’ G” = K” (ω)n”
donde n’, ln (K’), n” y ln (K”) son los coeficientes de las regresiones que relacionan G’ y G” con la frecuencia.
3.10.2. ENSAYOS REOLÓGICOS EN ESTADO ESTACIONARIO
Se utilizan para caracterizar el comportamiento de flujo de los distintos purés objeto de estudio, así como para obtener el umbral de fluencia de aquellos productos que presenten esta característica a partir de diferentes métodos.
3.10.2.1. Caracterización del comportamiento de flujo independiente del tiempo Se obtienen las curvas de flujo (dependencia funcional entre el esfuerzo de cizalla y la velocidad de cizalla) de los diferentes purés a velocidades de cizalla entre
0,1 y 100 s-1, dado que es el intervalo más relevante en los estudios de textura de los
alimentos (Bistany y Kokini, 1983). Los valores de viscosidad tomados en la curva
ascendente viscosidad/velocidad de cizalla a una velocidad de cizalla de 50 s-1 son
considerados como la viscosidad aparente de las muestras, ya que este valor representaría la viscosidad aproximada sentida en la boca (Bourne, 2002).
Las curvas de flujo obtenidas permiten clasificar el comportamiento de los diferentes purés mediante ajustes a diferentes ecuaciones empíricas o modelos matemáticos (ley de la potencia, Bingham, Herschel-Bulkley y Casson, etc.)(Qiu y Rao, 1988; Rao, 1999a). El problema consiste en obtener una expresión matemática capaz de ajustar nuestras medidas experimentales de esfuerzo de cizalla y viscosidad con respecto a la velocidad de cizalla, de modo que se obtengan coeficientes de correlación adecuados. La validez del modelo estará restringida, generalmente, al intervalo de esfuerzos de cizalla utilizado. Los modelos utilizados han sido:
a) Ley de la potencia de Ostwald-de Waele:
En los fluidos sin umbral de fluencia, este modelo es el más simple de todos ellos.
σ = K γ. n [1]
donde K y n son los parámetros reológicos del modelo. K recibe el nombre de consistencia, mientras que n es el índice de la potencia, y ambos son positivos.
Como para n=1 la expresión [1] describe el comportamiento de un fluido newtoniano de viscosidad η= K, resulta que la diferencia entre n y la unidad es una medida del grado de desviación del comportamiento newtoniano. Si n<1, el material es un fluido pseudoplástico. Por el contrario, si n>1 el material es un fluido dilatante. b) Modelo de Bingham:
En el caso de fluidos con umbral de fluencia, éste es uno de los modelos empíricos más comúnmente utilizado. Describe el comportamiento de los fluidos plásticos ideales en los que una vez superado el valor del umbral de fluencia, el flujo tiene carácter newtoniano:
σ = σ0B + K [2]
.
γ
donde σ0B es el umbral de fluencia de Bingham y K representa, en este caso, la
viscosidad del sistema cuando está fluyendo y se conoce con el nombre de viscosidad plástica de Bingham. Muchas suspensiones concentradas y sistemas coloidales muestran este comportamiento. Este modelo, no suele representar bien el flujo para intervalos de gradientes de velocidad amplios pero si cuando éstos son estrechos y especialmente para la zona de gradientes bajos.
c) Modelo de Herschel Bulkley:
Este modelo incorpora los elementos de los dos modelos previos, y permite caracterizar el flujo de los fluidos plásticos que para valores del esfuerzo superiores al del umbral de fluencia fluyen con carácter no newtoniano:
σ = σ0H + KH nH
.
γ [3]
donde σ0H es el umbral de fluencia, KH el índice de consistencia y nH el índice de
comportamiento de flujo. Este modelo caracteriza muchos fluidos industriales por lo que se usa a menudo para especificar condiciones en el diseño de plantas de procesado.
- un material puramente newtoniano tiene σ0H= 0 y nH=1
- un fluido que sigue la ley de la potencia presenta un σ0H= 0 y nH= índice de la
potencia
- un fluido de Bingham tiene σ0H=umbral de fluencia de Bingham y nH=1
d) Modelo de Casson:
Este modelo tiende a dar una predicción más realista del flujo a lo largo de un intervalo más amplio de condiciones y es utilizado para materiales que tienden a un flujo newtoniano solo para valores de esfuerzo mucho mayores que el umbral de fluencia del material:
σ 0.5 = K0C + KC( )
.
γ 0.5 [4]
donde el umbral de fluencia de Casson es calculado como el cuadrado de la
intersección, σ0C = (K0C)2 y la viscosidad plástica de Casson como el cuadrado de la
pendiente, ηC=(KC)2.
En los cuatro modelos presentados, σ es el esfuerzo de cizalla (Pa) y es la
velocidad de cizalla o velocidad de deformación (s
.
γ -1).
3.10.2.2. Determinación del umbral de fluencia
Existen una serie de métodos para determinar el umbral de fluencia, que hemos clasificado en directos e indirectos.
3.10.2.2.1. Método directo
Se utiliza el método del modo viscosimetría disponible en el reómetro Bohlin “Yield stress option”, consistente en aplicar en la muestra un esfuerzo de cizallamiento gradualmente creciente, tomándose como umbral de fluencia el esfuerzo para el cual se produce una inflexión en la viscosidad instantánea, consecuencia del inicio del flujo.
3.10.2.2.2. Métodos indirectos
Se consideran indirectos puesto que dependen de los datos reológicos experimentales (Nguyen y Boger, 1983). Entre ellos, se pueden distinguir:
a) Aplicación del conocido como método Bingham, consistente en la extrapolación directa de la parte lineal de los datos velocidad de cizalla/esfuerzo de cizalla, asumiendo que los datos experimentales siguen el modelo de flujo de Bingham (Michaels y Bolger, 1962).
b) Extrapolación de los datos velocidad de cizalla/esfuerzo de cizalla hasta cortar el eje de ordenadas a velocidad de cizalla cero, correspondientes a diferentes modelos viscoplásticos lineales y no lineales: Bingham, Casson, Herschel- Bulkley (Rao y Cooley, 1983; Qiu y Rao, 1988; Missaire y col. 1990). Los valores del umbral de fluencia obtenidos por extrapolación dependerán del modelo de flujo utilizado (Rao y Cooley, 1983). Además, la extrapolación es irreal en cierto modo, ya que los experimentos desarrollados a velocidades de