Modelado Matemático de la Transferencia de Energía en el Procesamiento de Alimentos. Determinación de Parámetros Cinéticos de Inactivación Enzimática y su relación con características Organolépticas en Vegetales Pre-Cocidos Congelados.

M. V. SANTOS; A. CALIFANO; J. PEREZ; N. ZARITZKY

La Plata

Jornada; IV Jornadas de Ciencia y Técnica de la Facultad de Ciencias Exactas 2016.; 2016

Facultad de Ciencias Exactas

Los vegetales brindan en la dieta humana minerales, nutriente y energía. El consumo de éstos gracias a sus compuestos ayuda a prevenir enfermedades como el cáncer y diferentes cardiopatías. La ingesta insuficiente de vegetales es uno de los 10 factores de riesgo principales que contribuyen a la mortalidad. Dentro de la familia de las Brassicacea conocidas comúnmente como crucíferas se encuentra una gran cantidad de especies las cuales tienen un alto impacto debido a que son extensamente cultivadas y consumidas como alimento fresco e industrializado, Los repollitos de Bruselas (Brassica oleracea gemmifera) son crucíferas con un alto contenido de compuestos anti-cancerígenos y beneficios nutricionales. Dentro de los vegetales preparados para el consumo (?Ready to eat?) aquellos pre-cocidos congelados tienen gran aceptación. Estos vegetales contienen enzimas responsables de su deterioro aun cuando sean conservados congelados. Durante el procesamiento industrial de los vegetales la etapa de pre-cocción inactiva enzimas como la peroxidasa (POD) y lipoxigenasa (LOX), ambas presentes en crucíferas. POD es utilizada frecuentemente como indicadora del proceso dada su estabilidad térmica, por otro lado la presencia de LOX está asociada a modificaciones indeseables de olor y sabor. La completa inactivación de estas enzimas implica pérdida de atributos de calidad debido a una sobre-cocción. Para establecer tiempos adecuados de pre-cocción a nivel industrial, la simulación computacional aplicada a procesos de transferencia de energía es fundamental para la optimización del proceso. Las constantes cinéticas de inactivación enzimática y sus energías de activación son parámetros necesarios para determinar tiempos óptimos de tratamiento térmico. En este sentido los objetivos del trabajo son: a) determinar la cinética de inactivación de las enzimas POD y LOX, b) acoplar las cinéticas de inactivación a modelos numéricos de transferencia de energía para simular computacionalmente la etapa de pre-cocción, c) establecer los cambios en parámetros de calidad luego del almacenamiento congelado d) analizar la relación que existe entre los atributos de calidad y la actividad enzimática residual para optimizar el proceso. Para determinar las cinéticas de inactivación enzimática se preparó un extracto enzimático a partir del vegetal fresco, se homogeneizaron en un buffer de fosfato de potasio (0.2 M pH 6.5 a 4°C) y dispusieron en microtubos de plástico de 2 µL. Para el ensayo de la cinética de inactivación se sumergieron los microtubos en un baño termostático a diferentes temperaturas de calentamiento (70-90ºC) extrayéndolos cada 10-20 segundos (tiempo máximo 400s); las muestras retiradas del calentamiento se enfriaron rápidamente en un baño hielo-agua (0ºC). Se midió la Actividad Enzimática (AE) por espectrofotometría, mezclando el extracto enzimático con un sustrato específico de acuerdo a la enzima estudiada; para POD se usó como sustrato guayacol y para la LOX ácido linoleico. La AE se midió a través del cambio de la absorbancia a 470 nm para POD y 234 nm para LOX. Se simularon los procesos de transferencia térmica durante el calentamiento y la congelación resolviendo la ecuación diferencial a derivadas parciales en estado no estacionario y aplicando el método de los elementos finitos (COMSOL Multiphysics), acoplando la cinética de inactivación térmica de POD y LOX al programa principal.Se determinaron los cambios de calidad (variación del color, textura, y sabor) luego de un almacenamiento congelado en cámaras a -20ºC durante 4 meses. Asimismo se midió la cantidad de ácido ascórbico y el %AE de POD y LOX antes y después del almacenamiento congelado. Se obtuvieron las curvas de %AE vs tiempo a distintas temperaturas de calentamiento, detectando la presencia de isoenzimas termo-lábiles y termo-resistentes tanto para POD y LOX. Mediante regresiones no lineales se encontró para POD que las constantes cinéticas de la fracción resistente (kR) tienen valores entre 3.85x10-3s-1 (0.36x10-3) (valores en paréntesis corresponden a la desviación estándar) y 7.47x10-3s-1 (0.24x10-3) entre 75-90ºC. Las constantes cinéticas de la fracción lábil (kL) estuvieron entre 3.11x10-2 s-1 (0.21x10-2) y 7.87x10-2 s-1 (0.18x10-2); las energías de activación fueron 5.63x104 J/mol (2.98x103) y 6.25x104 J/mol (1.87x103) para la isoenzima termolábil y resistente, respectivamente. Para el caso de la LOX los valores de kR estuvieron entre 0.80x10-4s-1 (0.04x10-4) y 2.14x10-4s-1 (0.18x10-4) entre 75-90ºC. Las kL estuvieron entre 1.85x10-2 s-1 (0.02x10-2) y 2.80x10-2 s-1 (0.06x10-2). Las energías de activación fueron 6.58x104 J/mol (4.5x103) y 6.37x104 J/mol (2.8x103) para la isoenzima termolábil y resistente respectivamente.Los repollitos de Bruselas tienen una geometría irregular que puede asimilarse a un sólido de revolución. El modelo numérico permitió predecir las variaciones de la concentración media de las enzimas POD y LOX en todo el vegetal y sus fracciones lábil y resistente en función del tiempo de calentamiento a distintas temperaturas (entre 75 y 90 ºC). Se evaluaron cambios en los atributos de calidad y contenido de ácido ascórbico luego de la pre-cocción y almacenamiento congelado en la zona apical y en la capa exterior del vegetal. Se relacionaron estos cambios con los %AE residual, observando que a tiempos cortos de pre-cocción existe un fenómeno de reactivación enzimática, siendo más pronunciado en la zona apical donde la penetración térmica fue menor. Se detectó mediante la evaluación sensorial y de atributos de calidad que la óptima condición de precocción corresponde a un tiempo de 6 minutos a 90°C. Esta línea de trabajo permite acoplar la simulación computacional de perfiles de temperatura durante procesos de transferencia de energía, con cinéticas de inactivación enzimática. Para ello se determinaron experimentalmente los parámetros cinéticos de inactivación enzimática en repollitos de Bruselas para la POD y LOX detectando un comportamiento bifásico (fracción termolábil y termo-resistente). A partir de estos resultados se calcularon las constantes de inactivación de cada fracción en ambas enzimas y mediante regresiones no-lineales se obtuvieron las energías de activación y la fracción inicial de cada isoenzima. Se modeló matemáticamente y se simuló computacionalmente mediante elementos finitos el proceso de calentamiento en Repollitos de Bruselas acoplando las cinéticas de inactivación enzimática, lo cual permitió el cálculo de la concentración media de las enzimas después de distintos tratamientos térmicos, con el fin de obtener la optimización del proceso global. Se observó la presencia del fenómeno de reactivación enzimática, siendo más marcado a tiempos cortos de calentamiento. Mediante estudios sensoriales y de parámetros de calidad, se determinó que el tiempo óptimo de pre-cocción de 6 minutos a 90°C logra una inactivación enzimática adecuada para obtener un vegetal pre-cocido congelado de alta calidad.