Ganancia de humedad de yerba mate (Ilex paraguarensis) envasada en saquitos: estudio experimental y matemático

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1 1 Ganancia de humedad de yerba mate (Ilex paraguarensis) envasada en saquitos: estudio experimental y matemático Moisture gain in yerba mate (Ilex paraguarensis) bags: experimental and mathematical study Mg. Laura Ana Ramallo Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales Universidad Nacional de Misiones Felix de Azara 1552 (3300) Posadas, Misiones lram@fceqyn.unam.edu.ar RESUMEN Se estudió la ganancia de humedad de yerba mate destinada al consumo en infusiones envasada en saquitos ensobrados y sin ensobrar. El trabajo se llevó a cabo a dos humedades (72% y 91% RH) y dos temperaturas (30 C y 40 C). Se utilizó el modelo empírico de Page para describir la variación en el contenido de agua del producto en función del tiempo de almacenamiento y predecir el tiempo necesario para alcanzar el valor de humedad crítico (9.5% b.s.), bajo diferentes condiciones de humedad y temperatura. Los valores del error relativo porcentual de la estimación fueron inferiores al 3% en todos los casos. Los valores predichos indican tiempos de vida útil en góndola que van desde los 17 a los 150 días, en función de las variables del sistema y revelan que en las condiciones de almacenamiento más desfavorables (40ºC-91%RH) el ensobrado cumple una importante función de protección del alimento Palabras clave: ganancia de humedad, Modelo de Page, yerba mate ABSTRACT The moisture gain in yerba mate bound to consumption in infusions was studied in two types of packages: enveloped yerba mate bags and non-enveloped yerba mate bags, both packaged in boxes. The work was carried out at two humidity (72% and 91% RH) and two

2 2 temperatures (30 C and 40 C) values. Page s empirical model was used to describe the variation in moisture content of the product in function of the storage time and to predict the necessary time to reach the critical moisture content (9.5% d.b.) under different conditions of humidity and temperature. Mean relative error of the estimation were inferior to 3% in all the cases. Predicted values suggest shelf life times between 17 to 150 days and it shown that the enveloped yerba mate bags were an important protection at the most unfavorable storage conditions (40ºC-91%RH). Key words: moisture gain, Page s model, yerba mate. Recibido: 12/08/05 Aceptado: 28/12/05 INTRODUCCIÓN El contenido de agua es un factor determinante en las reacciones de deterioro de los alimentos. Las alteraciones en la yerba mate son percibidas por el consumidor a través de la reducción de la calidad sensorial del producto (Surkan et al., 2004), por lo que tiene especial interés el conocimiento de la cinética de ganancia de humedad durante el almacenamiento. En los alimentos envasados semi-secos, se puede estudiar como el resultado final de dos mecanismos acoplados: el pasaje de humedad a través del envase (permeabilidad) y la absorción de la misma por parte del alimento (fenómeno regido por la isoterma de absorción) (Robertson, 1993). La yerba mate elaborada y envasada destinada al uso tradicional (mate) se puede encuadrar perfectamente dentro de estos sistemas físicos. Así, bajo un enfoque matemático de estas características se ha estudiado la ganancia de humedad de hojas semi secas y molidas de Ilex paraguariensis Saint Hilaire (yerba mate), envasada en paquetes con diferentes barreras a la humedad, en condiciones ambientales (humedad relativa y temperatura) constantes (Ramallo, Albani, 2004)

3 3 El planteo matemático de los mecanismos de transferencia de humedad en yerba mate envasada en saquitos, es bastante más complejo ya que el sistema de envase está constituido por: un film polimérico, una caja de cartón y los saquitos de papel filtro, que a su vez pueden estar contenidos en sobres de papel calandrado. El sistema de adsorción de humedad no es menos complejo ya que cada uno de estos elementos (cartón, papel, etc) tiene su propia isoterma de sorción que se combina es estado de pseudo-equilibrio con la isoterma de la yerba mate. Es necesario además, considerar el mecanismo de difusión de agua dentro de cada saquito. Sin embargo, un modelo que incorpore tantos efectos físicos podría tornarse excesivamente complicado de aplicar desde el punto de vista matemático por la cantidad de parámetros físico-químicos requeridos a tal fin. Esto justifica la aplicación de modelos empíricos simples, tales como la ecuación de Page (1949), para predecir la ganancia de humedad de yerba mate envasada en saquitos. Se tienen antecedentes de la aplicación del modelo de Page para describir el movimiento de agua durante la deshidratación de diferentes alimentos: secado de arroz (Ramesh, Rao, 1996; Chandra, Singh, 1984); secado de semillas de girasol (Syarief et al., 1984); deshidratación osmótica de peras (Park et al., 2002). El objetivo del presente trabajo fue cuantificar la ganancia de humedad de yerba mate envasada en saquitos, expuesta a diferentes condiciones ambientales utilizando la ecuación de Page. MATERIALES Y MÉTODOS El material en estudio consistió en cajas de cartón conteniendo 25 saquitos de 3g de yerba mate cada uno. Este producto se comercializa en dos tipos de envases interiores: saquitos ensobrados (envase A) y saquitos sin ensobrar (envase B). Los saquitos se alinean dentro de una caja de cartón recubierta con un film polimérico (PVC termocontraíble de mm en las muestras analizadas y papel celofán, en otros casos). Las dimensiones de las cajas son: 15.5 cm x 8 cm x 7 cm cuando contienen saquitos ensobrados; y 14.5 cm x 6.5 cm x 6 cm cuando contienen saquitos sin ensobrar. Estas dimensiones se verificaron uniformes con cinco marcas comerciales diferentes. Las cajas se colocaron en celdas cerradas conteniendo soluciones salinas saturadas, de manera de mantener la atmósfera a humedad relativa constante (72% y 91% RH). Dichas celdas se almacenaron en estufa a temperatura controlada (30 y 40 ±2ºC). Se registró la variación experimental del peso de las muestras (sistema alimento-envase) a diferentes

4 4 tiempos de almacenamiento (P t, en g), empleándose una balanza electrónica (A&D Co) con una precisión de ± g. Por otra parte, se determinó experimentalmente el contenido de agua en la yerba mate al inicio (M 0, en g de agua/g de yerba seca) y al final del período de almacenamiento (M f, en g de agua/g de yerba seca). La humedad inicial en la yerba mate se llevó a cabo, en cada caso, seleccionando dos cajas de la misma partida: una se mantuvo cerrada y se destinó al ensayo de ganancia de humedad en condiciones de almacenamiento controladas; y de la otra se extrajo la yerba mate contenida en cinco saquitos y se cuantificó el contenido de agua en cada una de estas muestras, calificando el valor de M 0 como el promedio de cinco medidas individuales. El contenido de agua del alimento a diferentes tiempos se calculó a partir de los resultados experimentales de ganancia en peso del sistema alimento-envase y la humedad inicial de la yerba mate, de acuerdo a la siguiente expresión: t 0 P P M = W0 + (1) t P W 0 es el contenido de agua en yerba mate en base húmeda (g de agua/g de yerba) al inicio del almacenamiento; P 0 es el peso (g) del sistema alimento-envase al inicio del almacenamiento. Esta metodología de cálculo del contenido de agua del producto en función del tiempo está afectada por la consideración de que el aumento en peso (agua) se distribuye de manera uniforme en todos los componentes del sistema alimento-envase. Para analizar el error involucrado en este mecanismo de cálculo, al finalizar el período de almacenamiento se determinó experimentalmente la humedad real de la yerba mate contenida en los saquitos. La humedad de la yerba mate se determinó empleando el método gravimétrico, en estufa a 100 ±2 C durante 8 horas hasta peso constante (Normas IRAM 20503). Metodología de cálculo Se utilizó el modelo de Page (1949) para describir la variación en el contenido de agua del producto en función del tiempo de almacenamiento, en condiciones ambientales de humedad y temperatura constantes. La Ecuación (2) fue desarrollada para explicar la pérdida de agua durante el secado en capa fina (Page, 1949). MR M M e = exp M 0 M e = N ( K t ) Los valores de humedad de equilibrio (M e ) se obtuvieron de las isotermas de absorción de hojas y palos de yerba mate (Kanzig et al., 1987; Scipioni et al., 2002). (2)

5 5 M 0 representa la humedad inicial de la yerba mate (t=0) y M, el contenido de agua del alimento a cada tiempo. Las curvas de ln(mr) como una función del tiempo fueron construidas a partir de los datos experimentales y los valores de K y N se determinaron mediante análisis de regresión de la Ec. (3): ln N ( MR) = K t (3) donde K se definió como la pendiente de la recta resultante y N fue el parámetro de ajuste; resultando aquel valor de N que arrojase el mejor valor de coeficiente de correlación (r 2 ). El criterio aplicado para evaluar la bondad de la estimación fue el error promedio porcentual (Epp). 1 Epp = n n M exp M M i= 1 exp estimado (4) RESULTADOS Y DISCUSIÓN Ganancia de humedad La absorción y la difusividad del agua en el alimento junto a la permeabilidad del envase, son las propiedades que gobiernan la velocidad de transferencia de humedad en alimentos envasados. Sin embargo, en un sistema físico alimento-envase tan complejo como el de yerba mate destinada a infusiones, es difícil predecir el efecto de las propiedades aisladas y son necesarias las medidas experimentales de ganancia de humedad en función del tiempo. La Fig. 1.a representa el contenido de agua, en g/g de masa seca, de cada muestra en función del tiempo, durante el almacenamiento a 40ºC y 91%RH. En estas condiciones, se observa dependencia de la velocidad de ganancia de humedad (pendiente de las curvas) con el tipo de envase. Los ensayos de ganancia de humedad en yerba mate con diferente contenido inicial de agua (M 0 ), en envase del mismo tipo (envase B) presentan idéntica pendiente, como se muestra en la Fig. 1.a.

6 6 Fig. 1: Humedad de yerba mate en saquitos, durante el almacenamiento a 30 y 40ºC. Las líneas continuas representan los valores estimados con la Ecuación (2) y los símbolos los valores experimentales (, envase B con distinto contenido de humedad; envase A,). Por otra parte, a 30ºC y 91%RH (Fig. 1.b) la velocidad de ganancia de agua es independiente del tipo de envase, puesto que las pendientes de las curvas experimentales no presentan diferencias significativas. Una posible explicación a este hecho es que al disminuir la temperatura y con ella la velocidad de difusión efectiva del agua, la barrera al pasaje de humedad que ejerce el papel del sobre de los saquitos se torna menos importante frente a los otros mecanismos de transferencia. Ensayos realizados a la misma temperatura (40ºC) muestran un regular incremento de la ganancia de agua de yerba mate en envase A al aumentar la humedad relativa del ambiente de exposición de 72% RH a 91% RH (Fig. 2.b). Las muestras en envase B presentan un comportamiento diferente: en los primeros días de exposición la velocidad de ganancia de agua es independiente de la humedad del ambiente; el efecto de esta variable se manifiesta cuando el sistema se acerca al equilibrio (Fig. 2.a).

7 7 Fig. 2: Humedad de yerba mate en saquitos, durante el almacenamiento a: 40ºC 72%RH y 40ºC 91%RH. Las líneas continuas señalan los valores predichos por el Modelo de Page. Los valores experimentales de humedad en yerba mate que se presentan en las figuras, se determinaron como valores medios en cada muestra a partir de la humedad inicial del alimento y el aumento de peso del sistema alimento-envase (Ec. (1)). Al final de cada experiencia se cuantificó la humedad real de la yerba mate contenida en el interior del envase y el error relativo porcentual calculado a partir de estos resultados fue inferior al 8% en todos los casos, observándose que la humedad real de la yerba mate fue siempre mayor a la calculada a partir del aumento de peso del sistema. Predicción de la ganancia de humedad Conociendo la relación de humedad (MR) en función del tiempo, se determinaron los valores de K y N para los dos tipos de muestras en estudio, en diferentes condiciones ambientales. El error relativo promedio porcentual (Epp) de la estimación varió entre 0.624% y 2.02%. El parámetro N adoptó valores en rangos diferentes de acuerdo al tipo de muestras: para cajas con saquitos ensobrados (Envase A) estos valores variaron entre 1.0 y 1.19, mientras que para cajas con saquitos sin ensobrar (Envase B) los valores de N variaron de 0.76 a El parámetro K puede ser considerado como una medida de la velocidad de ganancia de humedad cuando se comparan experiencias con idénticos valores de N, puesto que N determina la escala del eje de absisas (t N ) en el análisis de regresión (Ec.(3)).

8 8 Para analizar el comportamiento del parámetro K, se recalcularon los valores considerando el valor promedio de N para cada tipo de envase. Los resultados se presentan el la Tabla 1, donde puede observarse que el parámetro K presenta variación regular con la temperatura de exposición. Tabla 1. Parámetros de la ecuación de Page y error promedio porcentual (Epp) de la estimación. Datos experimentales de ganancia de humedad en muestras del mismo tipo (N constante) que mostraron comportamiento diferente durante el almacenamiento en distintas condiciones ambientales, exhibieron valores de K aproximadamente constantes. En estos casos, la única diferencia en las ecuaciones de predicción radica en los valores de humedad de equilibrio y es determinante de la velocidad de ganancia de agua del alimento. Un modo de definir la vida útil (shelf life) de la yerba mate es el tiempo necesario para alcanzar un contenido de agua del 9.5% b.s., valor límite establecido por el Código Alimentario Argentino para yerba mate envasada. Sabiendo que las variables que inciden en el contenido de agua del alimento almacenado son la humedad inicial, las condiciones ambientales y el tipo de envase, se aplicó la Ec. (2) con el fin de predecir el tiempo necesario para alcanzar el límite legal de humedad en yerba mate (Tabla 2). Los valores predichos indican tiempos de vida útil en góndola que van desde los 17 a los 150 días, en función de las variables del sistema y revelan que en las condiciones de almacenamiento más desfavorables (40ºC-91%RH) el envase A cumple una importante función de protección del alimento.

9 9 Tabla 2. Tiempos necesarios para alcanzar humedad crítica del 9.5% b.s. en yerba mate en saquitos, estimados a partir del modelo, bajo diferentes condiciones. En condiciones de alta humedad ambiente (91%RH), los tiempos de vida útil estimados con la Ec. (2) para yerba mate comercializada en envase A son ligeramente mayores a 40ºC que a 30ºC (Tabla 2). Estos resultados, aparentemente contradictorios, son consecuencia del comportamiento de las isotermas de sorción del alimento, las que se cruzan en la zona de actividad acuosa superior a 0.5 (Kanzig et al., 1987) y cuyas diferencias se acrecientan a valores altos de a w, como se ilustra en la Figura 3. Esta gráfica fue confeccionada a partir de los datos experimentales presentados por Kanzig et al.(1987). Debido a este cruzamiento, a 30ºC y 91%RH la humedad de equilibrio del producto es de 28% mientras que a 40ºC y 91%RH su valor desciende al 24%, aproximadamente. Figura 3. Isotermas de sorción de yerba mate a 30ºC y 40ºC (Kanzig, Novo, Schmalko, 1987).

10 10 En condiciones isotérmicas de almacenamiento (T = 40ºC), el tiempo necesario para que la yerba mate en envase B alcance la humedad límite legal (9.5%) es independiente de la humedad del ambiente de exposición, en las condiciones estudiadas (Tabla 2). Esto puede deberse a que, estando lejos de los valores de humedad de equilibrio de yerba mate, prevalecen los mecanismos de transferencia de humedad que son claramente dependientes de la temperatura, como la difusión. CONCLUSIONES Ensayos experimentales de ganancia de humedad en yerba mate envasada en saquitos de 3 g en función del tiempo de almacenamiento se llevaron a cabo en condiciones controladas de humedad y temperatura ambiente. Los resultados fueron procesados aplicando el Modelo de Page. Los valores del Epp de la estimación mostraron que el modelo de Page es adecuado para predecir la ganancia de humedad en yerba mate envasada en saquitos en función del tiempo de almacenamiento. Este modelo de absorción de agua puede ser aplicado para estimar el tiempo necesario para alcanzar el valor de humedad crítico durante el almacenamiento. Valores predichos a partir del modelo propuesto indican que en las condiciones de almacenamiento más desfavorables (alta temperatura y humedad) el envase con saquitos ensobrados cumple una importante función de protección del alimento respecto del envase con saquitos sin ensobrar duplicando los tiempos de almacenamiento hasta alcanzar determinado contenido de humedad, aunque esta protección es insuficiente para garantizar contenidos de humedad inferiores al 9.5%b.s. (límite legal) durante un almacenamiento prolongado. BIBLIOGRAFÍA 1. Chandra, P.K. and Singh,R.P. (1984). Thin layer drying of parboiled rice at elevated temperatures. J. Food Sc. 49(3): Código Alimentario Argentino (1997). Art.1195, Características de la yerba mate elaborada.

11 11 3. IRAM (1996). Yerba mate: determinación de la pérdida de masa a 103ºC. Norma Buenos Aires. 4. Kanzig, R.; Novo, M. y Schmalko, M. (1987). Comparación estadística de las isotermas de porción de yerba mate. Revista de la SGCyT-UNaM 5: Page, G.E. (1949). Factors influencing the maximum of air drying shelled corn in thin layer. (M.Sc. Thesis). Purdue University, Indiana, USA. 6. Park, K.; Bin, A.; Reis Brod, F. and Park, T. (2002). Osmotic dehydration kinetics of pear D anjou (Pyrus communis L.). Journal of Food Engineering 52: Ramallo, L.A. and Albani, O.A. (2004). Prediction and determination of water uptake in packaged yerba mate. Food Science and Technology International. 10(1): Ramesh, M.N. and Rao, P.N. (1996). Drying studies of cooked rice in a vibrofluidised bed dryer. Journal of Food Engineering 27: Robertson, G. (1993). Food Packaging. Marcel Dekker Inc. New York. 10. Sciopioni, P.; Meza, B. y Arguello, B. (2002). Estudio de las humedades de equilibrio de adsorción de Ilex paraguarienses e Ilex dumosa. Libro de actas del IX Congreso CYTAL, Buenos Aires. Trabajo Nº Surkan, S.; Albani, O. y Ramallo, L. (2004). Pérdida de calidad sensorial durante el almacenamiento de la yerba mate. Congreso Internacional de Ciencia y Tecnología de los Alimentos, Córdoba, Argentina. Sección Productos Frutihortícolas, Trabajo Nº Syarief, A.M.; Morey, R.V. and Gustafson, R.J. (1984). Thin- layer drying rates of sunflower seed. Trans. ASAE. 27(1):