elaboracion de recubrimientos comestibles … · hortalizas destinadas al consumo en fresco lo...

ELABORACION DE RECUBRIMIENTOS COMESTIBLES FORMULADOS CON

GOMA DE MEZQUITE Y CERA DE CANDELILLA PARA REDUCIR LA CINETICA DE DETERIORO EN FRESCO DEL LIMON PERSA (Citrus latifolia Tanaka)

TESIS

Que para obtener el grado de

Doctor en Ciencias Biolgicas

Presenta

M. en C. Elsa Bsquez Molina

COMITE TUTORIAL

Dr. Jaime Vernon Carter (Director)

Dra. Isabel Guerrero Legarreta (Asesora)

Mxico, D.F. Octubre de 2003

Elaboracin de recubrimientos comestibles formulados con goma de mezquite y cera de candelilla para reducirla cintica de deterioro en fresco del limn persa (Citrus latifolia Tanaka)

______________________________________________________________________________________

ii

El Doctorado en Ciencias Biolgicas

de la

Universidad Autnoma Metropolitana,

pertenece al Padrn de Posgrados de Excelencia

del

Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa

y

cuenta con el apoyo del mismo Consejo a travs del

convenio PFP-2003


______________________________________________________________________________________

iii

El jurado designado por las Divisiones de Ciencias Biolgicas y de la Saludde las

Unidades Iztapalapa y Xochimilco

aprob la tesis que present

Elsa Bosquez Molina

El da 28 de Octubre del ao 2003.

JURADO:

Comit Tutorial :

Tutor: Dr. Eduardo Jaime Vernon Carter ____________________

Asesora: Dra Isabel Guerrero Legarreta _____________________

Sinodal: Dra. Ruth Pedroza Islas _____________________

Sinodal: Dra. Consuelo Lobato Calleros _____________________

Sinodal: Dra. Silvia Bautista Baos ______________________


______________________________________________________________________________________

iv

Agradecimientos

Al CONACYT por el financiamiento parcial a travs del proyecto G-33565 B.

Al Programa Multidisciplinario CBS- CBI de la Universidad AutnomaMetropolitana-Iztapalapa Conservacin de Frutas Frescas yProcesadas.


______________________________________________________________________________________

v

Dedicatoria

A la memoria de Vicente, Xochiquetzalli y de mi madre (q.e.p.d.)

A toda mi familia : mi hijo Arturo , mi padre, Esperanza mishermanos y amigos , a quienes amo y agradezco infinitamente lacomprensin y apoyo invaluable que me han brindado en todos losmomentos de mi vida.


______________________________________________________________________________________

vi

RESUMEN

Actualmente se dispone de muchas tecnologas que se han desarrollado paraextender la vida til en fresco de los productos hortofrutcolas despus de sucosecha.Uno de los mtodos con potencial para conservar la vida postcosecha de frutas yhortalizas destinadas al consumo en fresco lo constituye el uso de pelculas orecubrimientos comestibles, stos se formulan con materiales naturales comestiblesque funcionan como una barrera para el intercambio de gases y vapor de agua. Parala mayora de las aplicaciones de pelculas en los alimentos, la caractersticafuncional ms importante de una pelcula comestible es la resistencia que presentacontra la migracin de la humedad, esto es porque deben conservarse los nivelescrticos de actividad de agua para que el producto mantenga una calidad y sanidadptimas.Sin embargo, al recubrir un fruto u hortaliza para retardar la prdida de humedad, esnecesario que exista una cierta permeabilidad al oxgeno y el dixido de carbonopara evitar una respiracin anaerbica que podra inducir desrdenes fisiolgicos yuna prdida rpida de la calidad y vida til en estos productos.Actualmente las pelculas y recubrimientos comestibles se elaboran a partir de unagran variedad de polisacridos, protenas, ceras naturales y resinas, ya sea comocomponentes nicos o combinados para desarrollar pelculas compuestas con lasque se pretende crear una atmsfera modificada en el interior del fruto para retardarel proceso de maduracin y senescencia de una forma similar a la de una atmsferacontrolada que es mucho ms costosa. Sin embargo, resulta que las formulacionesque proporcionan un adecuado intercambio gaseoso frecuentemente no son buenasbarreras para la humedad y por otro lado, las que son eficientes para reducir laprdida de agua tienden a crear condiciones de anaerobiosis en la atmsfera internadel fruto.Los retos tcnicos involucrados en la elaboracin de pelculas y recubrimientoscomestibles con propiedades funcionales incluyen la seleccin del tipo yconcentracin de los materiales usados en la formulacin, las tcnicas depreparacin, durabilidad, adherencia, entre otras. Por lo tanto se requiere de estudiosbsicos para disear las propiedades funcionales de pelculas comestibles paraaplicaciones especficas.El objetivo del presente trabajo fue desarrollar recubrimientos comestiblescompuestos empleando dos productos naturales producidos en Mxico comoingredientes principales: la goma de mezquite como agente estructural y la cera decandelilla sola o combinada con cera de abeja, aceite mineral o cido oleico en unarelacin 2:1, como fase lipdica y determinar sus propiedades funcionales como lapermeabilidad al vapor de agua, adherencia, brillo, microestructura y potencial comorecubrimiento para extender la vida postcosecha y calidad de frutos de limn Persaevaluando su efecto en la prdida fisiolgica de peso, color y cambios encomposicin qumica. Los resultados obtenidos indicaron que la naturaleza de los


______________________________________________________________________________________

vii

materiales hidrofbicos seleccionados influyen en el tamao de los glbulos y sudistribucin en la emulsin, en la microestructura y propiedades de barrera de losrecubrimientos obtenidos. La mezcla de cera de candelilla con el aceite mineral(formulacin MCOM) mejor significativamente la permeabilidad al vapor de agua dela formulacin de cera de candelilla-goma de mezquite (50.00 g.mm.kPa-1.d-1.m-2 vs.78.21 g.mm.kPa-1.d-1.m-2). Se encontr que hay una relacin estrecha entre laspropiedades de barrera al vapor de agua y la microestructura de los recubrimientos,ya que los recubrimientos con morfologa superficial ms uniforme y menos defectos(fracturas, poros) exhibieron valores bajos de permeabilidad al vapor de aguaLos limones Persa exhibieron un 31.5% menos prdida fisiolgica de peso conrespecto a los frutos sin recubrimiento, adems, retuvieron su color verde y nopresentaron alteracin alguna en los parmetros fisicoqumicos de calidad evaluadosdurante 25 das de almacenamiento.

Palabras clave: recubrimientos comestibles; emulsiones aceite-en-agua; cera decandelilla; goma de mezquite.


______________________________________________________________________________________

viii

SUMMARY

Many storage techniques have been developed to preserve fresh postharvesthorticultural commodities.One method for extending postharvest life of fruits and vegetables is using films orcoatings made of natural edible materials that act as barriers to gases and watervapor. The most important functional characteristic of an edible coating or film formany food applications is its resistance to moisture migration. This is because criticallevels of water activity must be maintained if the product is to exhibit optimum qualityand acceptable safety. However, if the edible film or coating is applied on fruits orvegetables to retard moisture loss, a certain degree of oxygen and carbon dioxidepermeability is necessary to avoid anaerobic respiration resulting in physiologicaldisorders and rapid loss of quality. Films and coatings are currently being developedfrom a variety of polysaccharides, proteins, natural waxes and resins, either alone orin mixtures to produce composite films that attempt to create a modified atmosphereinside the fruit. These films and coatings delay ripening and senescence in a similarway to the more costly controlled atmospheres. However films or coating formulationsthat provide adequate gas exchange are often unsuitable barriers to water, whilethose efficient for reducing water loss tend to create anaerobic conditions in theinternal fruit atmosphere. The technical challenges involved in producing films orcoatings with functional properties include type and concentration of materials used inthe formulation, film-forming techniques, durability, adhesiveness, among others.Therefore basic studies are needed to tailor the functional properties of edible films tovarious specific applications.The objective of this work was to develop emulsified composite edible coatings usingmesquite gum as structural material and candelilla wax alone and blended withbeewax, white mineral oil and oleic acid (2:1 ratios) as lipid phase; evaluating theirfunctional properties such as water vapor permeability, gloss, microstructure as wellas their potential to extend postharvest life and quality of Persian limes through theireffect upon physiological weight loss, color and chemical composition changes infruits. Results showed that the nature of the hydrophobic materials selectedinfluenced the emulsion globule size and its distribution, as well as the microstructureand moisture barrier properties of the coatings.The blend of candelilla wax-mineral oil(MCOM) improved WVPc of candelilla wax-mesquite gum coating formulation(50.00g.mm.kPa-1.d-1.m-2 vs. 78.21 g.mm.kPa-1.d-1.m-2). There was a close relationship betweenperformance and coating microstructure. Coatings showing more uniformity and lessdefects (fissures, fractures, pinholes) surface morphology were those exhibiting thelowest WVP values. The MCOM formulation provided the lowest physiological weightloss, most adequate green color retention and unaltered physicochemical parametersin Persian limes, in comparison to the rest of coating formulations, tested during 25days of storage at ambient temperature.

Keywords: edible coatings; oil-in-water emulsions; candelilla wax; mesquite gum.


______________________________________________________________________________________

ix

INDICEPgina

RESUMEN vi

I. INTRODUCCIN 1

II. JUSTIFICACIN 3

III. ANTECEDENTES 6

3.1. ANTECEDENTES TCNICO-CIENTFICOS 6

3.1.1. PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS COMESTIBLES

3.1.1.1.3.1.1.2.3.1.1.3.

Historia de los recubrimientos Importancia y funciones Materiales y propiedades

67

10

3.1.1.3.1. 3.1.1.3.2. 3.1.1.3.3.

Hidrocoloides: Polisacridos y protenasLpidos y resinasMulticomponentes

101213

3.1.1.4. Formulacin de pelculas y recubrimientos 15

3.1.2. EMULSIONES 16

3.1.2.1. 3.1.2.2.

3.1.2.3. 3.1.2.4.

Concepto y clasificacinParticionamiento o distribucin de ingredientes en lasemulsionesComplejidad de las emulsionesFormacin de emulsiones

16

181920

3.1.2.4.1. Mecanismos de inestabilidad de las emulsiones

21

3.1.2.5. Propiedades de las emulsiones 22

3.1.2.5.1. 3.1.2.5.2. 3.1.2.5.3. 3.1.2.5.4. 3.1.2.5.5. 3.1.2.5.6.

Fraccin volumtrica de la fase dispersaDistribucin del tamao de partculaPropiedades interfacialesCarga y cristalinidad de las gotasEmulsificantesAdsorcin competitiva

222426262730


______________________________________________________________________________________

x

3.1.2.6. Importancia de las propiedades qumicas de loscomponentes de la formulacin y tcnica de preparacinen la eficiencia funcional de pelculas y recubrimientos

33

3.1.2.6.1.

3.1.2.6.2.

3.1.2.6.3.

Influencia de las propiedades qumicas de loscomponentesProcesos de preparacin de pelculas yrecubrimientos comestiblesInfluencia de la tcnica de preparacin en lasinteracciones entre las sustancias hidrofbicas ylos agentes formadores de pelculas

33

37

39

3.1.2.7. Caracterizacin de las propiedades funcionales de laspelculas y recubrimientos comestibles

41

3.1.2.7.1. Propiedades de transporte de masa 42

3.1.3. MATERIALES SELECCIONADOS EN LA PRESENTEINVESTIGACION

47

3.1.3.1.

3.1.3.2.

Goma de Mezquite: Estructura qumica y propiedades.Compuestos hidrofbicos

47

51

3.1.4. LIMON PERSA 54

3.1.4.1.

3.1.4.2.

3.1.4.3.

Produccin. Situacin mundial y nacional del limnpersa (Citrus latifolia Tanaka). Importancia econmicaCaractersticas botnicas. Fisiologa postcosecha.Atributos de calidadTecnologas de conservacin en fresco

54

55

62

IV . OBJETIVOS 68

V. HIPOTESIS 69

VI. MATERIALES Y METODOS 70


______________________________________________________________________________________

xi

6.1.

6.1.1. 6.1.2. 6.1.3.

6.2.

6.2.1.

6.2.2.

6.2.3.

6.2.4.

6.2.5.

6.2.6.

6.2.7.

Materiales

Emulsiones Sales para la preparacin de soluciones de aw conocida Material biolgico: Limn persa

Mtodos

Determinacin del volumen interno mximo ()

6.2.1.1. Formulaciones6.2.1.2. Preparacin de las emulsiones

Emulsiones con diferente composicin hidrofbica

6.2.2.1. Formulaciones

Caracterizacin de las emulsiones

6.2.3.1. Determinacin del tamao de partcula y estabilidad de las emulsiones6.2.3.2. Viscosidad de las emulsiones

Formacin de las pelculas

Caracterizacin de las pelculas

6.2.5.1. Determinacin del grosor6.2.5.2. Determinacin del brillo6.2.5.3. Determinacin de la permeabilidad al vapor de agua6.2.5.4. Correccin del mtodo para la determinacin de permeabilidad de pelculas comestibles en condiciones estticas de la celda de prueba6.2.5.5. Anlisis microestructural de las pelculas por microscopa

de barrido

Aplicacin y evaluacin del efecto de las formulaciones en limnpersa

Anlisis estadstico de datos

6.2.7.1. Efecto de la fraccin volumtrica6.2.7.2. Efecto de la composicin de la fase hidrofbica y el grosor

de las pelculas en la permeabilidad al vapor de agua6.2.7.3. Efecto de la composicin qumica de la fase hidrofbica de las pelculas en la calidad de los frutos de limn persa

70

707070

71

71

7172

73

74

74

74

75

75

76

767677

78

83

83

84

8585

86


______________________________________________________________________________________

xii

VII. RESULTADOS Y DISCUSION 87

7.1. 7.2. 7.3. 7.4.

7.5.

Fraccin volumtrica () de las emulsionesTamao de partcula y estabilidad de las emulsiones reformuladasPermeabilidad de los recubrimientosEfecto de los recubrimientos en la conservacin y calidad del limnpersa.Microestructura de la superficie de los recubrimientos

879195

101 105

VIII. CONCLUSIONES 111

X. LITERATURA CITADA 113

ANEXOS 124


______________________________________________________________________________________

xiii

INDICE DE FIGURAS Pgina

Fig. 3.1. Funciones selectivas y activas de pelculas y recubrimientos. 9Fig. 3.2. Recubrimiento o pelcula en bicapa (a) y emulsificada (b) 15Fig. 3.3. Regiones en las que se distribuyen los ingredientes en una emulsin 18Fig. 3.4. Mecanismos fsicos de inestabilidad de las emulsiones 22Fig. 3.5. Mecanismos de transferencia de molculas de vapor en recubrimientos emulsificados

25

Fig. 3.6. Posicin de diferentes tipos de surfactantes adsorbidos en la interfase 28Fig. 3.7. Adsorcin competitiva entre surfactantes y biopolmeros 32Fig. 3.8. Proceso de difusin activada. 43Fig. 3.9. Modelo estructural Wattle blossom segn Garti y Reichman (1993). 50Fig. 3.10. Ubicacin de los constituyentes ms importantes del limn. 60Fig. 3.11. Intercambio gaseoso y de vapor de agua en el tejido vegetal. 64Fig. 3.12. Intercambio gaseoso y de vapor de agua en el tejido vegetal con recubrimiento.

65

Fig. 6.1. Aspecto de las pelculas-recubrimientos obtenidas y las muestras circulares

76

Fig. 6.2. Esquema de la celda de prueba empleada para determinar la permeabilidad al vapor de agua.

82

Fig. 7.1. Curvas de flujo de emulsiones de mezquite con diferente fraccin volumtrica de cera de candelilla

89

Fig. 7.1a Distribucin del tamao de particula de las formulaciones emulsificadas despus de 24 h , y (b) 1 ao de envejecimiento.Fig. 7.1b Distribucin del tamao de particula de las formulaciones emulsificadas despus de1 ao de envejecimiento

93

94

Fig. 7.2 (a). Relacin entre la permeabilidad al vapor de agua y el grosor de las pelculas comestibles MCO y MCOM.

97

Fig. 7.2 (b). Relacin entre la permeabilidad al vapor de agua y el grosor de las pelculas comestibles MC y MCB.

98

Fig. 7.3 Efecto de los recubrimientos en la cintica de prdida de peso de los frutos de limn persa (Citrus latifolia Tanaka) .

102

Fig. 7.4. Aspecto de los limones persa tratados con las diferentes formulaciones, despus de 25 das de almacenamiento a 25C 2C, 80 % HR

103

Fig. 7.5. Microfotografas de la topografa exhibida por las pelculas emulsificadas de las diferentes formulaciones.

107


______________________________________________________________________________________

xiv

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1. Usos Posibles de Pelculas Comestibles y Recubrimientos 8Tabla 3.2. Influencia de las tcnicas de preparacin en la eficiencia contra la transferencia de agua de las pelculas comestibles.

41

Tabla 3.3. Composicin de la Goma de mezquite (Prosopis laevigata) 49Tabla 3.4. Composicin aproximada de la cera de candelilla 51Tabla 3.5. Composicin aproximada de la cera de abeja. 52Tabla 3.6. Propiedades de algunas ceras 53Tabla 3.7. Azcares totales y Acidez del Limn 58Tabla 3.8. Composicin proximal del jugo de limn (g/100 g) 59Tabla 6.1. Formulaciones con fase interna (cera de candelilla) variable 72Tabla 6.2. Composicin y punto de fusin de la fase hidrofbica dispersa de las emulsiones

74

Tabla 6.3. Punto de fusin de los materiales hidrofbicos 73Tabla 7.1. Caractersticas de las emulsiones goma de mezquite- candelilla 87Tabla 7.2 Tamao de Partcula y Tasa de Coalescencia de las Emulsiones 92Tabla 7.3. Grosor, Permeabilidad al vapor de agua y brillo de recubrimientos a base de goma de mezquiteTabla 7.4. Permeabilidad al vapor de agua (g.mm.kPa-1.d-1.m-2) en funcin del grosor, estimadas con los modelos de regresin no-lineales

96

Tabla 7.4. Composicin Qumica de los Frutos de Limn Persa 104Tabla 7.5. Efecto de los recubrimientos comestibles en el color de limn persa (Citrus latifolia Tanaka)Tabla 7.6. Relacin entre la permeabilidad, microestructura de las pelculas y prdida de peso de los limones recubiertos.

105

108

Elaboracin de recubrimientos comestibles formulados con goma de mezquite y cera de candelilla para reducir la cintica de deterioro en fresco del limn persa (Citrus latifolia Tanaka) ______________________________________________________________________________________

1

I. INTRODUCCION

El creciente inters por el desarrollo de pelculas y cubiertas comestibles para

incrementar la conservacin de alimentos se debe fundamentalmente a las

exigencias, cada vez mayores, de reducir el impacto en la contaminacin ambiental

que se ha producido con el incremento de desechos generados por el uso de

envases y plsticos de origen sinttico o no biodegradables para el empacado y

distribucin de alimentos.

La alternativa ms viable para solucionar esta problemtica, la constituye el

desarrollo de materiales biodegradables con propiedades funcionales como empaque

y que ofrezcan costos competitivos a los materiales de empaque plsticos actuales.

De acuerdo con Krochta y De Mulder-Johnston (1997), una pelcula comestible se

define como aquella capa delgada de material comestible formada sobre un alimento

como un recubrimiento, o colocada (lo que implica que debe ser pre-formada) sobre

o entre los componentes de los alimentos. Su propsito es el de inhibir o reducir la

migracin de humedad, oxgeno, dixido de carbono, aromas, lpidos, pigmentos,

etc.; servir como vehculo para aditivos alimentarios (antioxidantes, antimicrobianos,

saborizantes, colorantes); y/o mejorar la integridad mecnica o caractersticas de

manejo del alimento en cuestin. En algunos casos las pelculas comestibles con

buenas propiedades mecnicas pueden llegar a sustituir las pelculas de empaque

sintticas.


2

Actualmente las pelculas y cubiertas comestibles encuentran una amplia variedad de

aplicaciones: cubiertas de chocolate para nueces y frutas, cubiertas de cera para

frutas y hortalizas, fundas para salchichas, etc. Los retos tcnicos involucrados en

producir alimentos y conservarlos con calidad estable, indican que el uso de este tipo

de recubrimientos y pelculas ser mayor de lo que actualmente es. Sin embargo, a

pesar de que la informacin tcnica disponible para la elaboracin de pelculas

comestibles es amplia, no es universal para todos los productos, lo que implica un

reto para el desarrollo de recubrimientos y pelculas especficas para cada alimento.

En el caso particular de frutas y hortalizas para consumo en fresco, los

recubrimientos comestibles proporcionan una cubierta protectora adicional cuyo

impacto tecnolgico es equivalente al de una atmsfera modificada, por lo tanto

representan una alternativa a este tipo de almacenamiento ya que es posible reducir

la cintica de los cambios de calidad y prdidas en cantidad a travs de la

modificacin y control de la atmsfera interna en estos productos vegetales (Park,

1999).

Sin embargo, aunque estas cubiertas pueden incrementar el periodo de vida til y

mejorar el aspecto del producto, el cual resulta con ms brillo y por ello ms atractivo

para algunos consumidores, tambin tienen sus limitantes pues entre las principales

desventajas que se han reportado de las formulaciones actuales, se encuentra el

hecho de que pueden generar el desarrollo de sabores y olores desagradables como

resultado de la induccin de anaerobiosis, o que la cubierta se vuelve quebradiza


3

proporcionando un aspecto desagradable a la superficie del producto (Nussinovitch y

Lurie, 1995).

De aqu se desprende que la conservacin de un fruto sano y fresco, cubierto con

una formulacin cerosa, depender, en gran medida, del tipo y proporcin de los

materiales empleados en la formulacin, as como de la tcnica de preparacin, que

en el caso de la tcnica de emulsificacin es importante caracterizar las propiedades

reolgicas y de estabilidad de la emulsin de la que se obtendr la pelcula o

recubrimiento ya que esto permitir, por un lado, evaluar sus bondades como

cubriente (grosor, homogeneidad del recubrimiento, rendimiento, etc.), y por otro, es

determinante de las propiedades funcionales de la pelcula cubriente formada

(permeabilidad al vapor de H2O, O2, CO2, y C2H4, , brillo, aspecto, etc.) (Hagenmaier

y Shaw, 1991a, b, 1992; Baldwin y col., 1997).

II. JUSTIFICACIN

Mxico ocupa el quinto lugar como productor de ctricos a nivel mundial, con una

superficie cultivada de 450,000 hectreas, siendo la naranja la de mayor importancia,

con ms del 60% de la superficie cultivada, seguida del limn, toronja y mandarina

(Mata, 1996).

El estado de Veracruz es el principal productor, ocupando una superficie de 153,000

hectreas cultivadas por 54,000 productores, con rendimientos entre 12 y 13

toneladas por hectrea, y cuenta con 80 empacadoras y 9 jugueras.

En 1995 se produjeron en el mundo 87.5 millones de toneladas de ctricos, el 65% de

ellas correspondi a naranja, 6% a toronja y el 4% restante a otras especies. Mxico


4

contribuye con el 5% de la produccin mundial de ctricos y con el 3% de la

industrializacin.

Cabe sealar que la exportacin en fresco de limn persa y toronja est adquiriendo

un potencial econmico importante (comunicacin personal con productores y

comercializadores de la zona productora, 2001). Segn datos econmicos recientes,

la exportacin de limones en total ascendi de 129 284 toneladas en 1994 a 155 241

toneladas en 1995, y el de las toronjas y pomelos de 498,568 Kg en 1994 a 1.744 ton

en 1995 (Curti, 1996; Bancomext,1998).

En base a lo anterior, es necesario reducir las prdidas de ctricos cosechados y

conservar su calidad mediante la aplicacin de tecnologas postcosecha adecuadas

que a su vez permitan garantizar una capacidad competitiva a nivel de mercados

internacionales.

En este orden de ideas, la tecnologa de recubrimientos comestibles biodegradables

ofrece grandes alcances ya que es compatible con las actuales necesidades para

reducir las consecuencias ambientales de los envases y embalajes de materiales

sintticos utilizados en la comercializacin y conservacin de la calidad de productos

vegetales frescos (Nussinovitch y Lurie, 1995). Por otro lado, se dispone de

diferentes materiales naturales que ofrecen nuevas oportunidades para el desarrollo

de cubiertas y pelculas comestibles que pueden implementar e incluso sustituir

muchas de las tcnicas utilizadas actualmente en la preservacin de frutas y

hortalizas frescas, tales como las atmsferas modificadas o controladas y la

refrigeracin.


5

Es un hecho que las emulsiones desarrolladas a base de cera de candelilla (de

composicin no reportada), tienen ventajas sobre otras ceras para mantener la

calidad de frutas frescas por periodos prolongados (3 meses en el caso de ctricos),

tanto a temperatura ambiente como en refrigeracin (Paredes-Lpez y col., 1974.

Lakshminarayana, y col., 1974; Saucedo y col., 1978; Chvez y col., 1993); y esto

aunado al potencial que ofrece la goma de mezquite como agente estabilizador de

emulsiones acuosas, plantea la posibilidad de obtener formulaciones a base de 2

ingredientes naturales producidos en Mxico, con mejores propiedades para su

aplicacin como recubrimientos comestibles en frutas.

Cabe enfatizar que la cera de candelilla est considerada como GRAS (Generally

Recognized as Safe), y por lo tanto est aprobada por la FDA (Food and Drug

Administration) para su uso en cubiertas de frutas y hortalizas, bebidas, confitera y

salsas (Code of Federal Regulations Title 21, part 172.735.1990.U.S. Government

Print Office. Washington,D.C., citado por Hernndez y Baker, 1991).

En el caso de la goma de mezquite (Prosopis laevigata), sta se encuentra registrada

y aprobada a nivel nacional para su uso en alimentos y actualmente se encuentra en

tramitacin su registro y aprobacin en la FDA (Vernon-Carter y col., 2000)

As tambin, hay que sealar que la importancia econmica y social de una

explotacin integral del cultivo de la cera de candelilla (Euphorbia antisiphylitica)

radica en que esta actividad representa una fuente de ingresos para amplios

sectores rurales en zonas ridas y semiridas del noroeste del pas (Pozas y col.,

1975; Bsquez y col., 1993). Una situacin similar se tendra para el caso de la

goma de mezquite.


6

III. ANTECEDENTES

3.1 ANTECEDENTES TCNICO-CIENTFICOS

3.1.1. PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS COMESTIBLES

3.1.1.1. Historia de los recubrimientos

El uso de recubrimientos para frutas y hortalizas es una prctica antigua que se

desarroll para imitar las cubiertas naturales de los productos vegetales comestibles.

Existen reportes que datan de los siglos XII y XIII en los que se menciona que en

China se realizaba la inmersin en cera de naranjas y limas para retardar la prdida

de agua (Kaplan, 1986; Greener y Fennema,1994). Durante el S. XVI se practicaba

en Inglaterra el enmantecado, esto es, el recubrimiento con grasa de productos

alimentarios para prevenir tambin la prdida de humedad de stos. En el S. XIX se

emplearon pelculas a base de gelatina para la preservacin de carnes y otros

alimentos, alrededor de los 30s ya se encontraban comercialmente disponibles ceras

parafnicas que se derretan con calor para el recubrimiento de ctricos (Nussinovich

y Lurie, 1995), y en los comienzos de los aos 50s se desarrollaron emulsiones

aceite-agua con cera de carnauba para el recubrimiento de frutas frescas y hortalizas

(Kaplan, 1986; Kester y Fennema, 1986). De mediados de los 50s a mediados de los

80s se realiz bastante trabajo orientado al uso de pelculas y recubrimientos para

extender la vida de anaquel y mejorar la calidad de alimentos frescos, congelados y

procesados, el cual se ha reportado tanto en la literatura cientfica como de patente.

Desafortunadamente, la mayor parte de este trabajo es de valor limitado debido a la

carencia de datos cuantitativos de las caractersticas de barrera de los

recubrimientos.


7

Se ha reportado que las ceras fueron las primeras cubiertas comestibles empleadas

en frutas y en los aos 1930s se dispona comercialmente de ceras de parafina

derretidas en caliente para su aplicacin como recubrimiento de manzanas y peras.

En aos recientes, se ha reportado que es posible conseguir efectos similares de

barrera al vapor de agua y gases en productos tropicales utilizando diferentes

mezclas de aceites, ceras y celulosa (Nsperos-Carriedo y col., 1990, Baldwin y col.,

1995a, b).

3.1.1.2. Importancia y funciones

Las pelculas o recubrimientos comestibles pueden cumplir muchos de los requisitos

involucrados en la comercializacin de alimentos entre los que destacan el valor

nutricional, la sanidad, alta calidad, estabilidad y economa, al realizar una o ms de

las funciones indicadas en la Tabla 1.

Pueden emplearse como barrera a gases y vapor de agua, para este propsito se

aplican sobre la superficie del alimento como es el caso en el recubrimiento de frutas

y hortalizas frescas, en donde la funcin primordial es la de restringir la prdida de

humedad de la fruta hacia el ambiente y reducir la absorcin de oxgeno por la fruta

para disminuir la tasa de la actividad respiratoria (Fig. 3.1) (Kester y Fennema, 1986,

1989; Hagenmaier y Baker, 1996; Debeaufort y col., 1998).


8

TABLA 3.1. Usos Posibles de Pelculas Comestibles y Recubrimientos

FUNCIN /APLICACIN TIPO ADECUADO DE PELCULA

Retardar migracin de humedad

Retardar migracin de gas

Retardar migracin de aceite y grasa

Retardar migracin de soluto

Mejorar la integridad estructural o

propiedades de manejo.

Retener compuestos voltiles del sabor

Vehculo de aditivos alimentarios

Lpido, compuestoa

Hidrocoloide, lpido, o compuesto

Hidrocoloide





a Una pelcula compuesta consiste de una combinacin de componentes lipdicos e hidrocoloides para formar una bicapa o conglomerado.

Fuente: (Greener y Fennema, 1994).

Una de las ventajas de esta tecnologa es el hecho de que estos materiales pueden

servir como vehculos de otros ingredientes con un propsito especfico diferente,

as por ejemplo, se han incorporado en las formulaciones agentes antimicrobianos,

saborizantes, antioxidantes y pigmentos.

Tambin pueden mejorar las propiedades de manejo-mecnico o integridad

estructural de un producto alimentario, como sucede en productos compuestos de

muchas partculas discretas. Tal es el caso de la parte de encima de una pizza en

donde podra utilizarse una pelcula para mantener sus componentes en su lugar

durante la distribucin del producto; las cubiertas pueden ofrecer alguna proteccin

fsica en productos que son susceptibles a daos fsicos durante el transporte como

en frutas y hortalizas frescas.


9

Adicionalmente, las pelculas y recubrimientos representan una alternativa a los

materiales comerciales de empaque que se emplean en los productos alimentarios,

pues desde el punto de vista de proteccin del ambiente, se conciben como menos

costosos que los plsticos por lo que su uso con este propsito reducira

significativamente la basura del envasado asociada con los alimentos frescos y

procesados.

Fig. 3.1. Funciones selectivas y activas de pelculas y recubrimientos.

Es claro que las pelculas y recubrimientos comestibles en frutas y hortalizas frescas

proporcionan el mismo efecto de una atmsfera modificada, por lo que en muchos

casos no son exitosas, y de hecho la calidad del producto vegetal se puede

empeorar; de aqu que, el xito de los recubrimientos comestibles para productos

frescos, depender del adecuado control que ejerzan en la composicin gaseosa

interna (Park, 1999).

VaporH2O

AromaVoltilesC2 H4

O 2 CO 2

Recubrimiento o Pelcula Comestible Aditivos

(Fungicidas, Reg. Crec.Pigmentos)

Reduccin de la

cintica de

maduracin y deterioro

Calor


10

3.1.1.3. Materiales y propiedades

Las pelculas y recubrimientos comestibles se elaboran con biopolmeros naturales

de alto peso molecular que proporcionan una matriz macromolecular con resistencia

cohesiva alta. Los tipos de macromolculas que se emplean para este propsito son

hidrocoloides (protenas, polisacridos) los cuales debido a su naturaleza hidroflica,

son muy sensibles al agua. Los otros componentes mayoritarios en la formulacin lo

constituyen los lpidos y resinas; pero las formulaciones pueden incluir plastificantes,

emulsificantes, agentes de superficie activa (surfactantes), agentes de liberacin

especfica de compuestos, lubricantes, etc., por lo que realmente se trata de

formulaciones multicomponentes (Gennadios y Weller, 1990; Baldwin y col., 1995b).

3.1.1.3.1 Hidrocoloides: Polisacridos y protenas

Los biopolmeros de alto peso molecular y solubles en agua son denominados

comnmente hidrocoloides. Las pelculas o recubrimientos formulados con

hidrocoloides tienen aplicaciones en los casos en los que el control de la migracin

del vapor de agua no es el objetivo, ya que stas son excelentes como barrera para

la difusin del O2, CO2 y lpidos. La mayora de estas pelculas tambin tienen

propiedades mecnicas y estructurales deseables que las hace tiles para mejorar la

integridad estructural de productos frgiles. Los hidrocoloides utilizados para la

elaboracin de recubrimientos se clasifican de acuerdo con su composicin, carga

molecular y solubilidad en agua (Kester y Fennema., 1986, 1989; Bosquez y col.,

2000).


11

Polisacridos. Entre los carbohidratos formadores de pelculas estn incluidos la

celulosa, pectinas, almidn, almidones qumicamente modificados, alginatos,

quitosano, carragenina y gomas vegetales. Las pelculas formuladas con

polisacridos ofrecen buena barrera a los gases y se adhieren bien a las superficies

cortadas de frutas y hortalizas. Sin embargo, su funcionalidad como barrera contra la

prdida de humedad es pobre debido a su naturaleza hidroflica (Baldwin y col.,

1995a). Hay gran disponibilidad, generalmente son de bajo costo y no son txicos

(Nisperos-Carriedo, 1994). Entre las ventajas potenciales de los recubrimientos a

base de polisacridos se pueden mencionar que no son grasosos, son pelculas de

bajas caloras y pueden emplearse para extender la vida de anaquel de frutas y

hortalizas sin alto riesgo de desarrollar condiciones de anaerobiosis, por lo que su

aplicacin en la agricultura se ha vuelto popular debido a sus propiedades para

modificar la atmsfera interna de una manera similar a las atmsferas controladas

(Nisperos-Carriedo, 1994).

Protenas. Las protenas como la casena, gelatina, protena de soya, zena,

albmina de huevo, etc., son buenas formadoras de pelculas y se adhieren a las

superficies hidroflicas pero en la mayora de los casos no resisten la difusin al

vapor de agua. Los recubrimientos a base de protenas para productos vegetales, no

han tenido mucho xito. Sin embargo, el desarrollo de cubiertas compuestas en las

que se combinan protenas con materiales hidrofbicos, ofrecen muchas

oportunidades para este propsito (Kester y Fennema, 1989; Gennadios y col.,

1994). Se ha reportado que la pegajosidad que comnmente se observa en frutos

como los dtiles, higos, pasitas, ciruelas pasas y chabacanos deshidratados, se


12

reduce notablemente con recubrimientos formulados con cera de carnauba, un aceite

vegetal, zena de maiz y un agente humectante (Gunnerson y Bruno, 1990; citado

por Gennadios y col., 1994). Otro estudio revel que la calidad de algunos productos

mnimamente procesados se mejora con recubrimientos que contienen casena en su

formulacin (Avena-Bustillos y col., 1993).

3.1.1.3.2. Lpidos y resinas

Los recubrimientos a base de estos componentes como ingredientes mayoritarios se

elaboran con ceras y aceites como la cera o aceite de parafina, cera de abejas, cera

de carnauba, cera de candelilla, aceite mineral, aceite vegetal, monoglicridos

acetilados, cido esterico, cido lurico, o steres de cidos grasos-sacarosa.

Generalmente, estas cubiertas son barreras efectivas contra la humedad, mientras

que las que contienen resinas (shellac, rosin de madera, etc.) son ms permeables al

vapor de agua aunque en menor grado que algunos recubrimientos de polisacridos

(Hagenmaier y Shaw, 1991b). Estos recubrimientos se han experimentado en frutas

y hortalizas enteras. Se ha reportado que algunos lpidos y la mayora de las

cubiertas de resinas, pueden generar condiciones anaerbicas debido a sus

caractersticas de baja permeabilidad a gases; adems no se adhieren a superficies

cortadas de naturaleza hidroflica (Hagenmaier y Shaw, 1992; Baldwin, 1995b). Entre

los materiales lipdicos que se han empleado para la elaboracin de formulaciones

destinadas a productos ligeramente procesados, se encuentran la cera de abejas,

monoglicridos acetilados, cido esterico, cido lurico y steres de cidos grasos-

sacarosa (Avena-Bustillos y col., 1994; Wong y col., 1994).


13

3.1.1.3.3. Multicomponentes

Con la intencin de aprovechar las ventajas de los diferentes componentes, las

formulaciones se elaboran combinando los materiales mencionados en diferentes

proporciones. En estas cubiertas compuestas, el uso de 2 ms materiales

simplemente combinados o laminados permiten mejorar las propiedades de

intercambio gaseoso, adherencia y permeabilidad al vapor de agua. Las pelculas

compuestas de quitosano y algunos cidos grasos de punto de ebullicin alto

producen una sal de cido graso-quitosano, en donde la transmisin del agua

depende de la hidrofobicidad de la cadena del cido graso, encontrndose que con la

pelcula de cido lurico-quitosano se obtiene una estructura nica de placas

sobrepuestas que mejoran la propiedad de resistencia al agua de la cubierta,

mientras que la tasa de difusin gaseosa no se afecta por la hidrofobocidad de la

pelcula (Wong y col., 1992). Este tipo de recubrimientos tienen potencial para cubrir

productos vegetales enteros o mnimamente procesados.

Otros ingredientes. Ciertos componentes se adicionan, en menores cantidades, a las

formulaciones de los recubrimientos para modificar las propiedades mecnicas; a

estos compuestos se les clasifica como plastificantes o emulsificantes (Baldwin y

col., 1997).

Los compuestos lipoflicos se usan frecuentemente para ambos propsitos, e incluso

pueden utilizarse como el principal ingrediente formador de la pelcula. Los

plastificantes incrementan la flexibilidad de la cubierta, mejorando la dureza y

funcionamiento disminuyendo la formacin de escamas y grietas. A nivel molecular,


14

estos compuestos debilitan las fuerzas intermoleculares entre las cadenas

adyacentes del polmero, disminuyendo la fuerza tensil e incrementando

simultneamente la flexibilidad de la pelcula. Los plastificantes lipdicos ms

comnmente empleados incluyen aceites, lecitina, ceras, cidos grasos y derivados

(Kester y Fennema, 1989; Cuppett, 1994; Greener y Fennema, 1994).

Debido a la inherente flexibilidad de los monoglicridos acetilados, algunas veces se

incorporan en la formulacin de una cubierta a base de ceras para impartir

plasticidad adicional sin disminuir materialmente la resistencia de la cubierta a la

transferencia de humedad (Kester y Fennema, 1986).

Cualquiera que sea el propsito del aditivo, es importante considerar que siempre

existe la posibilidad de que puede alterar adversamente las propiedades de

resistencia al vapor de agua, gases o transporte de solutos. La influencia de un

aditivo dado depender de su concentracin, estructura qumica, grado de dispersin

en la pelcula y grado de interaccin con el polmero (Kester y Fennema, 1986).

Las formulaciones actuales, demandadas por una industria dinmica como la de

frutas y hortalizas frescas, contienen una variedad de ingredientes GRAS o

ingredientes aprobados por la FDA, que se aplican en una gran variedad de formas

(Baldwin, 1997).


15

3.1.1.4. Formulacin de pelculas y recubrimientos

Los recubrimientos y pelculas desarrollados con la combinacin de sustancias

hidrofbicas y sustancias hidroflicas bsicamente pueden tener dos formas: una

cubierta en bicapa o un recubrimiento emulsificado (Fig. 3.2)

a

b

Fig. 3.2. Recubrimiento o pelcula en bicapa (a) y emulsificada (b)

Se ha reportado que las pelculas laminadas en bicapa son ms eficaces como

barrera contra la transferencia de agua (Kester y Fennema, 1989; Greener y

Fennema, 1989; Martin-Polo y col., 1992a; Debeaufort y Voilley, 1995). Sin embargo

la principal desventaja de las pelculas o recubrimientos en bicapa es que su

preparacin requiere de 4 pasos: 2 aplicaciones y 2 etapas de secado; siendo esta la

razn por la cual la industria alimentaria se inclina por el uso de formulaciones

emulsificadas en las que los lpidos (aceites o ceras) y las sustancias formadoras de

matrices estructurales estn asociadas en una emulsin. En este caso el

recubrimiento se aplica sobre la superficie del alimento y slo se requiere una etapa


16

de secado. Es importante sealar que la tcnica de preparacin de la formulacin

afecta la estructura final de la pelcula o recubrimiento formado.

3.1.2. EMULSIONES

3.1.2.1. Concepto y clasificacin

Una emulsin es un sistema que contiene por lo menos dos lquidos no miscibles

(generalmente agua y aceite) con uno de ellos disperso en forma de pequeos

glbulos esfricos en el otro. En la mayora de los alimentos, los dimetros de los

glbulos generalmente varan entre 0.1 a 100 m.

Las gotas de la emulsin se refieren a la fase dispersa o fase interna y el lquido

circundante se denomina fase continua o fase externa (Zografi, 1970; Mc

Clements, 1999).

Las emulsiones se clasifican de acuerdo a la forma en que se encuentran distribuidas

las fases en el sistema; as entonces, un sistema en el que las gotas de aceite se

encuentran dispersadas en una fase acuosa se le denomina emulsin aceite en agua

(O/W emulsin, por sus siglas en ingls), mientras que un sistema que consiste en

gotas de agua dispersadas en una fase oleosa es denominada emulsin agua en

aceite (W/O emulsin, por sus siglas en ingls).

De acuerdo con la concentracin de fase dispersa, las emulsiones se pueden

clasificar en tres clases:

a) Emulsiones con menos del 30% de fase dispersa (baja relacin).1a. Categora.

b) Emulsiones entre 30-70% de fase dispersa (media relacin). 2a. Categora

c) Emulsiones con ms del 74% de fase dispersa (alta relacin). 3a. Categora


17

Por otro lado, de acuerdo con Lissant (1974), las propiedades de una emulsin

pueden ser en muchos casos ms dependientes de su configuracin fsica y

topolgica que de las propiedades qumicas de los constituyentes. As por ejemplo,

en el caso de la categora 1, las gotas individuales no se interfieren unas con otras

apreciablemente y las propiedades fsicas del sistema completo estarn

determinadas principalmente por la naturaleza de la fase externa o continua.

Conforme aumente la fase dispersa, mayor interferencia habr entre las gotas, lo

cual ocasiona un aumento en la viscosidad del sistema completo. Cuando la fase

dispersa alcanza aproximadamente un 50-52% en volumen, esto correspondera con

una relacin de esferas uniformes empacadas en un arreglo cbico. A relaciones

mayores, las partculas de la fase dispersa son forzadas a un contacto ntimo, y, a

menos que la formulacin sea polidispersa, la emulsin mostrar una viscosidad alta

y un comportamiento de flujo no-newtoniano.

Con una fase dispersa aproximada del 68%, se obtiene otra forma de

empaquetamiento, las esferas uniformes se acomodan en un arreglo

tetradecahdrico; sin embargo las emulsiones en este rango usualmente no son

estables, a menos que se empleen emulsificantes especiales. Cabe mencionar que

la mayora de los emulsificantes convencionales y tradicionales pierden eficacia a, o

por encima de este rango de tal manera que las emulsiones se invierten, es decir, la

fase dispersa (antes menor) se convierte en externa.

3.1.2.2. Particionamiento o distribucin de ingredientes en la emulsin


18

Para propsitos prcticos las emulsiones pueden considerarse como sistemas

constitudos por tres regiones con propiedades fisicoqumicas diferentes: el interior

de los glbulos, la fase continua y la interfase (Fig. 3.3).

Fig. 3.3. Regiones en las que se distribuyen los ingredientes en una emulsin.

Las molculas de los componentes en una emulsin se distribuyen entre estas tres

regiones de acuerdo a su concentracin y polaridad. Las molculas no polares

tienden a localizarse principalmente en la fase oleosa, las molculas polares en la

fase acuosa y las molculas amfiflicas en la interfase.

Es importante sealar que an en el equilibrio existe un intercambio continuo de

molculas entre las tres diferentes regiones a una tasa que depende del transporte

de masa de las molculas a travs del sistema; y esto tambin puede presentarse

cuando se produce alguna alteracin en las condiciones ambientales de la emulsin

(cambio en la temperatura, dilucin, etc.).

El hecho ms relevante radica en que tanto la ubicacin como el transporte de masa

de las molculas dentro de la emulsin, tienen una influencia significativa tanto en las

propiedades sensoriales como en la estabilidad fisicoqumica de los productos finales


19

emulsificados (Dickinson y Stainby, 1982; McClements, 1999). Lo que en el caso

particular de las pelculas y recubrimientos emulsificados se refleja en sus

propiedades de barrera y mecnicas.

3.1.2.3. Complejidad de las emulsiones

Las emulsiones son mucho ms complejas que los sistemas simples de tres

componentes mencionados ya que pueden contener una gran variedad de

ingredientes como los que se mencionan a continuacin:

Fase acuosa: azcares, sales, cidos, bases, surfactantes, protenas y

carbohidratos.

Fase oleosa: mezclas complejas de compuestos solubles en lpidos como

triglicridos, diglicridos, cidos grasos libres, ceras, esteroles, y vitaminas.

Regin interfacial: puede contener una mezcla de varios compuestos de superficie

activa, incluyendo protenas, fosfolpidos, surfactantes, alcoholes y partculas slidas.

Por otro lado, la interaccin entre estos componentes da origen a varias entidades

estructurales en cada regin: cristales de grasa, cristales de hielo, agregados

proteicos, burbujas de aire, cristales lquidos y micelas de surfactantes.

Otro factor adicional que complica an ms el comportamiento de estos sistemas son

las variaciones de temperatura, presin y agitacin mecnica durante su elaboracin,

manejo y almacenamiento, lo cual provoca alteraciones significativas en sus

propiedades en general.


20

3.1.2.4. Formacin de emulsiones

Al proceso de conversin de lquidos inmiscibles en una emulsin, o de reducir el

tamao de las gotas de una emulsin pre-existente se le conoce como

homogeneizacin. Este proceso se realiza utilizando homogeneizadores que

someten ambos lquidos a una intensa agitacin mecnica.

La emulsin ms sencilla podra formarse homogeneizando aceite puro con agua

pura, pero las dos fases se separaran rpidamente dado que las gotas tienden a

unirse con gotas vecinas cuando colisionan entre ellas, conduciendo eventualmente

a una separacin completa de las fases, as entonces, las emulsiones son sistemas

termodinmicamente inestables debido a que el contacto entre las molculas de

agua y aceite no son favorables energticamente, sin embargo, es posible formar

emulsiones que son cinticamente estables (metaestables) por un periodo razonable

(algunos das, semanas, meses, o aos) mediante la incorporacin de un tercer

componente previo a la homogeneizacin; el tercer componente est conformado por

sustancias conocidas como emulsificantes y/o agentes espesantes .

Los emulsificantes son molculas superficialmente activas, es decir, que se adsorben

en la superficie de las gotas, formando una membrana protectora que retarda la

aproximacin de las gotas y su agregacin. Por lo general son molculas amfiflicas

(contienen grupos polares y no polares en la misma molcula). Los espesantes son

sustancias que se adicionan para aumentar la viscosidad de la fase continua

disminuyendo el movimiento de las gotas. Un estabilizante es cualquier sustancia


21

que pueda aadirse para favorecer la estabilidad de una emulsin ya sea que se

trate de un emulsificante o un espesante (McClements, 1999).

La estabilidad a largo plazo de las emulsiones aceite en agua puede lograrse

mediante el engrosamiento de la fase acuosa o adsorbiendo una pelcula de

molculas de polmeros sobre el lado acuoso de la interfase aceite-agua. La mayora

de los polisacridos actan como estabilizadores modificando las propiedades

reolgicas del medio de dispersin (Dickinson y Stainsby, 1988).

3.1.2.4.1. Mecanismos de inestabilidad en emulsiones

A la habilidad que posee una emulsin para resistir cambios en sus propiedades a

travs del tiempo se le denomina estabilidad de una emulsin. Sin embargo, hay una

variedad de mecanismos de tipo fisicoqumico que pueden ser responsables de

alteraciones en las propiedades de una emulsin y por lo tanto es necesario

identificar cules de ellos son importantes en el sistema bajo consideracin. Los

mecanismos fsicos de inestabilidad ms importantes se ilustran en la Figura 3.4.

El cremado y la sedimentacin son formas gravitacionales de separacin; en el

primer caso se debe al hecho de que las gotas tienen una densidad menor que el

lquido de la fase continua, y en la sedimentacin las gotas poseen mayor densidad.

La floculacin y la coalescencia son mecanismos de separacin debido a la

agregacin de las gotas o partculas. En la floculacin se observa la reunin de dos o

ms gotas pero cada una de ellas conserva su integridad individual, mientras que en

la coalescencia el proceso involucra la fusin de dos o ms gotas para formar una


22

gota de mayor tamao. Los 2 tipos ltimos de inestabilidad mencionados son los ms

comnmente asociados con una emulsin (sistema multicomponente).

Fig. 3.4. Mecanismos fsicos de inestabilidad de las emulsiones

3.1.2.5. PROPIEDADES DE LAS EMULSIONES

Los factores que determinan las propiedades de las emulsiones y cmo stas

pueden alterarse por cambios en la formulacin, permiten en cierto grado, describir y

predecir el comportamiento de las emulsiones (McClements, 1999).

3.1.2.5.1. Fraccin volumtrica de la fase dispersa ()

La concentracin de las gotas o partculas en una emulsin est dada por la fraccin

volumtrica de la fase dispersa (), que equivale al cociente del volumen de las gotas

de la emulsin (VD) entre el volumen total de la emulsin (VE):

= volumen de glbulos (VD) volumen total

emulsin (VE)

El conocimiento del valor de es muy importante ya que la concentracin de las

gotas o partculas tiene una influencia determinante en la apariencia, textura,

estabilidad y costos de los productos elaborados por emulsificacin. En el caso

particular de las formulaciones desarrolladas para la obtencin de recubrimientos o

pelculas comestibles la homogeneidad de la distribucin y el tamao de las

Emulsin Cinticamente

Estable

Inversin de Fases

Cremado Sedimentacin Floculacin Coalescencia

Separacin gravitacional

Separacin por agregacin


23

partculas hidrofbicas dispersas se reflejar en las propiedades de barrera finales

como la permeabilidad al vapor de agua y gases. En algunas situaciones es ms

conveniente expresar la composicin de una emulsin en trminos de la fraccin de

masa dispersada (m), la cual est relacionada con la fraccin de volumen por la

siguiente ecuacin:

m = 2 / 2 + (1 - )1

en donde 1 y 2 son las densidades de las fases continua y dispersa,

respectivamente. Cuando las densidades de las dos fases son iguales, la fraccin de

masa es equivalente a la fraccin volumtrica.

Normalmente la de una emulsin es un valor conocido ya que la concentracin de

los ingredientes para prepararla se conocen; sin embargo se presentan variaciones

cuando los glbulos se acumulan en el fondo o en la superficie de la emulsin debido

al cremado o sedimentacin, por lo que es importante contar con tcnicas analticas

para medir esta caracterstica.

3.1.2.5.2. Distribucin del tamao de partcula

El tamao de las partculas (glbulos) que contiene una emulsin determina muchas

de sus propiedades ms importantes, por lo cual es importante tener un control

confiable que permita medir y predecir el comportamiento de las partculas

(Dickinson y Sainsby, 1982). Si todas las gotas o glbulos en una emulsin son del

mismo tamao, caracterizada por un parmetro (v. gr. radio o dimetro), se le


24

denomina monodispersa, pero si hay una rango de tamaos entonces se le

denomina polidispersa.

En la realidad, la mayora de las emulsiones contienen gotas ampliamente dispersas

en tamao, con una variacin que puede ser desde 0.1 m a 10 m en cualquier

sistema; por lo que con la caracterizacin apropiada de esta polidispersin es posible

obtener el tamao promedio y la amplitud de la distribucin. Esta caracterizacin de

las emulsiones es importante ya que la mayora de los tipos de inestabilidad

usualmente se manifiestan primero en el comportamiento de las gotas grandes.

En las pelculas y recubrimientos comestibles obtenidos por emulsificacin, la

transferencia de masa ocurre a travs de la matriz estructural, la cual constituye la

fase continua en la emulsin, as que el material permeante (gases o vapor de agua)

seguir una trayectoria que estar determinada por el tamao y la forma en que se

encuentren dispersadas las partculas hidrofbicas en el sistema. En la Fig.3.5 se

ilustran los posibles mecanismos de permeacin a travs de un recubrimiento

emulsificado. Cuando el tamao de las partculas hidrofbicas es pequeo y su

distribucin es homognea, entonces la tortuosidad del recubrimiento es mayor

ofreciendo una mayor resistencia a la permeacin, dado que las molculas tendrn

que recorrer un camino ms complejo (Fig . 3.5a); cuando la distribucin no es


25

( a ) ( b ) ( c ) ( d )

Fuente: Debeaufort y Voilley, 1995.

Fig. 3.5. Mecanismos de transferencia de molculas de vapor en

recubrimientos emulsificados

homognea y la emulsin presenta inestabilidad de floculacin o coalescencia (Fig.

3.5b), entonces se forman zonas altamente hidroflicas en donde la difusin del

permeante encuentra poca resistencia, es decir, la permeabilidad es mayor y, debido

a la hidratacin, aumenta la probabilidad de una prdida de estabilidad estructural

del recubrimiento. Lo mismo ocurrira en el caso en donde se tienen partculas

hidrofbicas grandes con distribucin heterognea (Fig. 3.5c). Otra forma en la que

puede incrementarse la permeabilidad ocurre cuando se presentan fenmenos de

cremado y coalescencia durante el secado o deshidratacin de la emulsin, dando

lugar a la formacin de un recubrimiento con bi-capa (Fig. 3.5d), es decir, con una

cara hidrofbica y una hidroflica, con altas probabilidades de prdida estructural de

sta ltima por ser fcilmente hidratable.

3.1.2.5.3. Propiedades interfaciales

La regin interfacial es una regin muy angosta (generalmente de unos pocos

nanmetros de grosor) que rodea a la gota de la emulsin y contiene una mezcla de

aceite, agua y molculas de emulsificante. Solo representa una pequea fraccin del

volumen total de una emulsin pero desempea un importante papel en la


26

determinacin de las propiedades fisicoqumicas y sensoriales ms importantes de

toda la emulsin. Por esta razn hay un inters particular en investigacin para

elucidar los factores que determinan la composicin, estructura, grosor, reologa y

carga de esta regin.

La composicin y estructura de la regin interfacial est determinada por el tipo y

concentracin de las especies de superficie activa presentes, as como por los eventos que

ocurren durante y despus de la formacin de la emulsin. Tanto el grosor como la reologa

de la regin interfacial influyen en la estabilidad de las emulsiones y determinan la difusin

de las molculas (entran o salen de las gotas).

3.1.2.5.4. Carga y cristalinidad de las gotas

Carga elctrica. Muchas de las propiedades fisicoqumicas y sensoriales de las

emulsiones estn gobernadas por la magnitud y signo de la carga elctrica de las

gotas. El origen de esta carga se debe a las molculas del emulsificante adsorbido

que pueden estar ionizadas o son ionizables (Dickinson y Stainsby, 1982;

McClements, 1999). Esta carga elctrica determina la naturaleza de las interacciones

con otras especies cargadas o el comportamiento en un campo elctrico; si la carga

es grande, se evita la agregacin de las gotas por la repulsin electrosttica que se

establece entre ellas; por otro lado, las emulsiones estabilizadas con emulsificantes

ionizados son particularmente sensibles al pH y fuerza inica de la fase acuosa. Es

importante recordar que las interacciones con otras especies como biopolmeros,

surfactantes, vitaminas, antioxidantes, sabores y minerales pueden tener

implicaciones en la calidad general de un producto emulsificado.


27

La acumulacin de especies cargadas sobre la superficie de las gotas y la tasa a la

que ocurre esta acumulacin depender del signo de la carga de las especies, la

fuerza de la interaccin electrosttica, la concentracin de las especies y la presencia

de cualquier otra especie cargada que pudiera competir por la superficie.

Cristalinidad. El estado fsico de las gotas en una emulsin tambin puede influir en

las propiedades ms importantes de las emulsiones incluyendo su apariencia,

reologa sabor, aroma, y estabilidad. De aqu que sea importante tener un

conocimiento de los factores que determinan tanto la cristalizacin como el derretido

(fundido) y las fases de transicin de las sustancias emulsificadas, ya que stas

usualmente se presentan durante su elaboracin, almacenamiento o manejo de las

emulsiones O/W.

3.1.2.5.5. EmulsificantesLa naturaleza fsica de la regin interfacial es crucial para

obtener una emulsin de alta calidad y para conseguirla frecuentemente se adicionan

emulsificantes; la funcin principal de estos compuestos es la de promover y/o

estabilizar una emulsin (Dickinson, 1993; Stauffer, 1999; McClements, 1999).

En la industria alimentaria, el trmino emulsificante hace referencia a los

surfactantes de molculas pequeas, pero las protenas y algunos polisacridos

pueden actuar como agentes emulsificantes polimricos y estas macromolculas

pueden actuar tambin como estabilizantes (Dickinson, 1993; Stauffer, 1999). En

otras palabras, un emulsificante no necesariamente confiere estabilidad duradera,

sino simplemente tiene la capacidad de adsorberse rpidamente en la interfase


28

recin creada durante la emulsificacin (Fig.3.6); mientras que la estabilidad a largo

plazo usualmente es conferida por las protenas y polisacridos.

Para que estos compuestos sean efectivos deben reunir tres caractersticas

principales: Primero, debe adsorberse rpidamente en la superficie de las gotas de la

emulsin durante la homogeneizacin. Segundo, debe reducir la tensin interfacial

en forma significativa. Tercero, debe formar una capa interfacial que evite el

agregado de las gotas (McClements, 1999).

LECITINA

Q

Protenas y polisacridos como emulsificantes

Las protenas son emulsificantes polimricos naturales, la fuerza termodinmica que

impulsa la adsorcin de las protenas en la interfase es la remocin de los residuos

de aminocidos no polares del ambiente de puentes de hidrgeno de la solucin

acuosa y el desplazamiento simultneo de las molculas de agua vecinas hacia fuera

del ambiente hidrofbico de la interfase aceite-agua. Posteriormente a la adsorcin,

las protenas forman una barrera molecular que protege a las gotas o glbulos contra

la floculacin y coalescencia. Todas las protenas solubles pueden emplearse como

ESTER DE ACIDO GRASO

PROTEINA

MONOGLICRIDO

GOTA

Fig.3.6 Posicin de diferentes tipos de surfactantes adsorbidos en la interfase


29

emulsificantes, siendo una caracterstica favorable su facilidad de desdoblamiento en

la interfase. Las protenas adsorbidas pueden adoptar un amplio rango de

configuraciones macromoleculares, esto es, pueden ser completamente extendidas

(-casena) y acomodarse en forma plana en la interfase, o bien globulares

compactas (-lactoglobulina) permaneciendo en su estado enrrollado nativo. El

grado de desdoblamiento depender del rea superficial disponible, el tiempo que

permanecer en contacto con la interfase y la estructura molecular previa a la

adsorcin (Dickinson, 1993).

Por lo que respecta a los polisacridos, hay que sealar que contribuyen de una

manera importante en el control de la estabilidad y textura de productos

emulsificados. Los polisacridos son hidrocoloides con actividad de superficie

relativamente baja en las interfaces aceite-agua, esto quiere decir que no se puede

esperar que formen capas principales de adsorcin en sistemas que contengan

tambin surfactantes o protenas. El papel principal de los polisacridos se debe a

que estabilizan las emulsiones mediante la modificacin de las propiedades

reolgicas de la fase acuosa continua. Sin embargo hay hidrocoloides naturales que

funcionan exitosamente como emulsificantes, tal es el caso de la goma arbiga, el

exudado natural de Acacia senegal. Los estudios fisicoqumicos de la goma arbiga

reportan que es un heteropolisacrido inico ramificado de alto peso molecular que

se encuentra combinado con una pequea cantidad de protena ( 2%, w/w). Sus

propiedades especiales emulsificantes se deben precisamente a la presencia de


30

esta pequea fraccin proteica. La goma de mezquite (Prosopis laevigata) tambin

posee propiedades sobresalientes para la formacin de emulsiones y pelculas; sus

principales caractersticas se abordan en la seccin 3.1.3.1.

Cabe sealar que los polisacridos que estn completamente libre de material

protenico, tambin pueden tener propiedades emulsificantes si el polisacrido

contiene suficientes grupos hidrofbicos (metil, acetil, etc.), los derivados modificados

qumicamente como la metilcelulosa altamente sustituda dan actividades de

superficie similares a las de los mejores emulsificantes alimentarios. Entre los

polisacridos naturales libres de protena que tienen propiedades para formar

emulsiones gruesa se encuentran las galactomananas: goma guar y goma de

algarroba (Dickinson, 1993).

3.1.2.5.6. Adsorcin competitiva

Cualquiera que sea el mtodo utilizado para preparar una emulsin, existe la

posibilidad de competencia entre los diferentes compuestos de superficie activa para

adsorberse en la interfase recin creada (Fig.3.7) y las dos clases de molculas que

tienen una fuerte tendencia a ser adsorbidas en la interfase aceite-agua en la

emulsiones alimenticias aceite-agua (O/W) son las protenas y los surfactantes de

bajo peso molecular (Dziezak, 1988; Stauffer, 1999; McClements, 1999). Hay

competencia, primero, entre los diferentes surfactantes de bajo peso molecular, ya

sea que se hayan aadido deliberadamente o que estn inevitablemente presentes

en el aceite; y, segundo, entre estos surfactantes y los componentes

macromoleculares que pueden diferir en composicin, tamao molecular o estado de

agregacin.


31

Los surfactantes pueden afectar las propiedades de las emulsiones estabilizadas con

protenas de diferentes maneras, una de ellas es produciendo una membrana

adsorbida ms gruesa y resistente; al rebasar las concentraciones de formacin de la

monocapa es posible obtener una estabilizacin adicional debida a la formacin de

cristales lquidos en la interfase o en la fase continua entre las gotas. En contraste, la

adicin del surfactante puede causar la desestabilizacin de la emulsin induciendo

una agregacin de las gotas debido a una desorganizacin o rompimiento de las

capas de protena adsorbidas durante la emulsificacin por la incorporacin de aire.

Esta situacin se complica an ms cuando se tiene una mezcla de diferentes

protenas y surfactantes en donde todos compiten por un espacio en la interfase

(Courthaudon y Dickinson; 1991; Courthaudon y col., 1991; McClements, 1999).

De acuerdo con lo anterior, la composicin qumica de la interfase raramente se

ajustar a la de los ingredientes previos a la emulsificacin. Esto afecta de manera

significativa la formacin, estabilidad y reologa de las emulsiones, ya que la

distribucin de las protenas y surfactantes entre la superficie de la gota y las dos

fases principales de la emulsin depende del tamao molecular, concentracin y

naturaleza qumica de las molculas estabilizantes adsorbidas, as como del tipo de

interacciones tanto en la superficie de la gota como en la fase acuosa, determinada

por la composicin y la estructura de la capa estabilizante (Fig. 3.7) (Fisher y Parker,

1988).

biopolmero surfactante


32

Fig. 3.7. Adsorcin competitiva entre surfactantes y biopolmeros

Concretando, el grueso de las propiedades fisicoqumicas y sensoriales de los

productos elaborados mediante emulsificacin, van a estar determinadas por la

concentracin, dimensiones, interacciones y dinmica de los diferentes tipos de

entidades estructurales presentes en ellos y la forma en que interaccionan unas con

otras para formar las gotas de la emulsin, la regin interfacial y la fase continua

(tomos, molculas, agregados moleculares, cristales, micelas, glbulos, burbujas de

aire y fases individuales); por consiguiente, el estudio de las propiedades de una

emulsin puede realizarse a diferentes niveles de organizacin estructural

(subatmica, atmica, molecular, coloidal, microscpica, macroscpica y sensorial)

dependiendo de lo que interese en una investigacin dada (McClements, 1999).

3.1.2.6. IMPORTANCIA DE LAS PROPIEDADES QUMICAS DE LOS

COMPONENTES DE LA FORMULACIN Y TCNICA DE PREPARACIN EN LA EFICIENCIA FUNCIONAL DE PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS

El carcter funcional de una pelcula o recubrimiento comestible depende

fuertemente de la naturaleza de sus componentes, proporcin en la formulacin y

estructura final obtenida.


33

3.1.2.6.1. Influencia de las propiedades qumicas de los componentes

Las investigaciones reportadas indican que la seleccin de una substancia formadora

de pelcula y del aditivo selectivo o activo est en funcin del objetivo, la naturaleza

del producto y el mtodo de preparacin y aplicacin (Kester y Fennema, 1986;

Debeaufort y col., 1998).

As entonces, para el caso de frutas y hortalizas frescas, las propiedades de

transferencia de masa selectiva deseadas de una pelcula comestible tendran que

permitir el desarrollo normal de la maduracin y respiracin de estos productos sin

riesgos de anaerobiosis (intercambio gaseoso de O2, CO2 , C2H4), limitando en gran

medida y al mismo tiempo su deshidratacin durante el almacenamiento.

Componentes principales. Considerando el propsito anterior, las sustancias

hidrofbicas como las ceras y resinas y algunas protenas no solubles en agua

resultan ser los componentes ms eficientes para retardar la transferencia de

humedad; sin embargo si se emplean como componente nico o principal, se

obtienen pelculas gruesas y quebradizas.

Los cidos grasos y alcoholes como formadores de pelculas carecen de integridad

estructural y durabilidad en su forma libre, por lo tanto requieren de una matriz

estructural. Los cristales lipdicos en cubiertas de ceras son excelentes barreras

contra la humedad y los gases pero sus propiedades de permeabilidad dependen del

empaquetamiento de los cristales lipdicos y su orientacin en la direccin del

permeado; y en lo que respecta a los aceites, stos no son tan resistentes a los


34

gases y vapor de agua como las ceras en estado slido. Se ha observado que la

permeabilidad al vapor de agua de las pelculas cerosas aumenta al aumentar la

polaridad, insaturacin y ramificacin de los lpidos, o, de la forma como el agua sea

absorbida en la porcin polar de la pelcula (Hernndez, 1994).

Por otro lado, la permeabilidad a gases de los biopolmeros como las protenas y

polisacridos es mucho ms baja que la que proporcionan las pelculas plsticas

sintticas y, adems, imparten mejores propiedades mecnicas (Krochta y De

Mulder-Johnstone, 1997; Debeaufort y col., 1998).

Dado que las propiedades de las diferentes sustancias pueden aprovecharse, es

comn elaborar formulaciones compuestas para obtener pelculas o recubrimientos

con estructura heterognea.

Actualmente la mayora de las pelculas y recubrimientos comestibles que se

formulan contienen al menos un componente capaz de formar una matriz estructural

con suficiente cohesividad (protena, o polisacrido). Se ha reportado que la fuerza

cohesiva de la pelcula est asociada a la qumica y estructura del biopolmero, as

como al tipo de solvente, presencia de agentes plastificantes y condiciones

ambientales durante la formacin de la pelcula. Una mayor cohesin estructural

genera una menor flexibilidad, menor porosidad y menor permeabilidad a gases,

vapores y solutos sldos. Conforme aumenta la longitud y polaridad de la cadena

del polmero, se incrementa la cohesividad; si adems existe una distribucin

uniforme de los grupos polares a lo largo de la cadena del polmero, la probabilidad


35

de formacin de enlaces por puente de hidrgeno intercatenarias es mayor y por

consiguiente tambin la cohesin (Banker, 1966; Kester y Fennema, 1986).

De acuerdo con Banker (1966), un factor importante es el solvente que se emplea

para la formacin de la matriz ya que influye en las caractersticas del recubrimiento

o pelcula terminada, pues con una mxima solvatacin y extensin de las molculas

del polmero se producirn pelculas con estructuras ms cohesivas. Los solventes

empleados para pelculas y recubrimientos comestibles estn limitados al agua,

etanol o una combinacin de stos.

Generalmente, la transferencia de agua ocurrir a travs de la porcin hidroflica de

la pelcula, por lo tanto, la permeabilidad del vapor de agua tambin depender de la

relacin contenida de los materiales hidroflicos/hidrofbicos en la formulacin

(Hernndez, 1994).

La hidratacin de las pelculas est, a su vez, afectada por la temperatura, por

consiguiente, la permeabilidad se ver tambin afectada por este factor, por el % de

humedad relativa (HR) y el gradiente de humedad relativa a travs de la cubierta.

Aditivos en la formulacin. Son varios los materiales que pueden incorporarse en las

formulaciones para conseguir propiedades mecnicas, de barrera, sensoriales o

nutricionales deseables en las pelculas terminadas; entre stos, los ms usuales son

los denominados plastificantes, los cuales son compuestos de baja volatilidad que se

adicionan para conferir flexibilidad a una pelcula o recubrimiento polimrico

induciendo un debilitamiento de las fuerzas intermoleculares entre las cadenas

adyacentes del polmero (Kester y Fennema, 1986; Shaw y col., 2002).


36

Se han propuesto 3 hiptesis para e

elaboracion de recubrimientos comestibles … · hortalizas destinadas al consumo en fresco lo...

Documents