Estudio de incorporación de fibras en galletas por RMN Mar´ıa

Estudio de incorporacion de fibras en galletas porRMN

por

Marıa Raquel Serial

Presentado ante la Facultad de Matematica, Astronomıa y Fısica como

parte de los requerimientos para la obtencion del grado de

Licenciado en Fısicade la

Universidad Nacional de Cordoba

marzo de 2013c⃝FaMAF- UNC 2013

Director: Dr. Rodolfo Acosta

ii

Clasificacion: 76.60-k Nuclear magnetic resonance and relaxation.

Palabras clave: Ciencia en alimentos, galletas, RMN, Relajacion.

Resumen: La mayorıa de los factores de riesgo de las enfermedades cronicas no trans-misibles mas prevalentes, tales como la hipertension arterial, la hipercolesterolemia, el so-brepeso y la resistencia a la insulina, pueden ser potencialmente atenuados desde el puntode vista nutricional. Actualmente, se observa en los consumidores una creciente tendenciaa elegir los alimentos que se asocian con su salud y bienestar. En este trabajo se describe elimpacto sobre factores tecnologicos de la reduccion de azucar y/o grasa en la produccionde galletas dulces. Una estrategia para mejorar la calidad de la galleta sin disminuir suspropiedades viscoelasticas es la de incorporar distintas fibras alimentarias en su formula.En particular se estudia la influencia del reemplazo de harina por dos tipos de fibras,Inulina y Fibra de Avena. Se monitorea el proceso de coccion mediante la determinacionde tiempos de relajacion de Resonancia Magnetica Nuclear y se comparan los resultadoscon los obtenidos por otras tecnicas de medicion.

iii

Agradecimientos

Quisiera agradecer al Dr. Pablo Ribotta y a la Lic. Soledad Blanco del Instituto deCiencia y Tecnologıa de Alimentos Cordoba CONICET-UNC, por la ayuda brindadadurante la realizacion de este trabajo.

Es muy importante para mı agradecer a Rodi por su infinita paciencia y buen humoral responder a cada pregunta o problema, por explicarme las cosas las veces necesarias ydarme animo.

Tambien a toda la gente del LaNaIS que me ayudaron mucho y me hicieron sentirmuy comoda, en especial a Emi, Mariela, Andrea y a Lichi, que me dieron consejos y meensenaron mucho.

Por ultimo quiero agradecer a mi familia por todo su amor y apoyo, por animarme yacompanarme siempre.

iv

Indice general

1. Introduccion 1

2. Teorıa 5

2.1. Conceptos basicos de RMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1. Interacciones externas de espın . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. FID: Free Induction Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3. Relajacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.1. Relajacion Longitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.2. Relajacion Transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.3. Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4. FID y CPMG en muestras heterogeneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5. Transformada de Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. Experimental 15

3.1. Materiales y Metodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.1. Preparacion de Masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2. Condiciones experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1. Protocolo de Medicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4. Resultados Experimentales 25

4.1. Variacion del contenido de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2. Medicion de grasa vegetal (Margarina) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3. Variacion del contenido de grasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4. Variacion del contenido de azucares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.4.1. Incorporacion de fibras alimentarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5. Caracterizacion del proceso de coccion 39

5.0.2. Influencia de la incorporacion de fibras . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.0.3. Comentarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6. Diferentes tecnicas en el estudio del sistema 49

7. Conclusiones y perspectivas 53

v

vi INDICE GENERAL

Bibliografıa 57

Indice de figuras

2.1. Secuencia de pulsos de RMN para detectar una Free Induction Decay (FID). 7

2.2. Secuencia de pulsos Inversion-Recuperacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3. Secuencia de pulsos de un espın eco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4. Secuencia de pulsos CPMG para la determinacion de T2. . . . . . . . . . . 10

2.5. Distribucion de tiempos de relajacion en funcion del ancho de las distribu-ciones de T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1. Espectrometro BRUKER MINISPEC mq 20 utilizado para realizar los ex-perimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2. Esquema representativo del portamuestra utilizado o ‘hornito’ utilizadopara mediciones en funcion de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3. Calibracion amplitud de la senal en funcion de la temperatura . . . . . . . 19

3.4. Distribucion de T1 para masa control a 30 oC . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.5. Ajuste de la FID para masa de galletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.6. Distribucion tiempos de relajacion T2 obtenidos de la senal de CPMG . . . 22

4.1. Variacion del porcentaje movil de la FID en funcion del contenido de agua 26

4.2. Distribucion de T2 para masas con diferente contenido de agua a 30oC . . . 26

4.3. Variacion del porcentaje asociado a las poblaciones moviles de CPMG enfuncion del contenido de agua a 30oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.4. Variacion del porcentaje asociado a la poblacion Pm2 en funcion del conte-nido de agua a 30oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.5. Distribucion de T2 para margarina a tres temperaturas distintas . . . . . . 29

4.6. Variacion de T2 de la margarina utilizada para las preparaciones en el rango30-110 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7. Variacion de los modulos elastico (G’) y viscoso (G”) y la tan(δ) de lamargarina utilizada en las preparaciones, en el rango 30-110 oC . . . . . . 30

4.8. Distribucion de movilidad en la FID para la formula de control versusformula G50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.9. Distribucion de T2 para masa con un 50% menos de grasa (G50) a 30oC . 31

4.10. Distribucion de tiempos T2 para masa con 0% de grasa en comparacioncon las formulas AG6 y AG8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

vii

viii INDICE DE FIGURAS

4.11. Distribucion de movilidad en la FID para la formula de control versusformula AZ50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.12. Distribucion de T2 para masa con un 50% menos de azucar (AZ50) a 30oC 344.13. Distribucion de T2 para formula IN12 a 30oC . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.14. Distribucion de T2 para formula FA12 a 30oC . . . . . . . . . . . . . . . . 364.15. Cambios en T2m2 y en la poblacion de Pm2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.1. Poblaciones de la FID de masa control en funcion de la temperatura . . . . 405.2. Perfil de T2 para masa control a 30,110 oC y a 30 oC luego de la coccion . 415.3. Distribucion de T2 para masa control en funcion de la temperatura . . . . . 415.4. Poblaciones asociadas a tiempos de relajacion T2 en funcion de la temperatura 425.5. Poblaciones FID para 30-110-30 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.6. Distribucion de T2 para formula G50 en funcion de la temperatura . . . . . 435.7. Poblaciones asociadas a tiempos de relajacion T2 en funcion de la tempe-

ratura para formula G50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.8. Distribucion de T2 para formula IN12 en funcion de la temperatura . . . . 455.9. Distribucion de T2 para formula FA12 en funcion de la temperatura . . . . 465.10. a) Temperatura a la cual se divide la poblacion Pm2 b) temperatura y c)

diametro de maxima expansion durante el horneado para las formulas IN12,Control y FA12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Capıtulo 1

Introduccion

La mayorıa de los factores de riesgo de las enfermedades cronicas no transmisibles(ECNT) mas prevalentes, tales como la hipertension arterial, la hipercolesterolemia, elsobrepeso y la resistencia a la insulina, pueden ser potencialmente atenuados desde elpunto de vista nutricional. Actualmente, se observa en los consumidores una crecientetendencia a elegir los alimentos que se asocian con su salud y bienestar. Es por esto que lanutricion actual se orienta a proveer de alimentos que, ademas de los nutrientes, contienenotros compuestos biologicamente activos que aportan un beneficio adicional.

En Argentina se consumen anualmente alrededor de 7 kg de galletitas por habitante.Este tipo de productos son ricos en azucar y en lıpidos y son, particularmente, consumidospor ninos, por lo que las modificaciones introducidas en su composicion poseen granimpacto sobre la calidad de la alimentacion. Entre los productos a base de cereales, lasgalletas se caracterizan por ser ricas en azucares y grasas, y por su bajo contenido deagua final (1-5%). Esta composicion responde a la necesidad de obtener masas con ciertaspropiedades reologicas para la produccion industrial. La maquinaria utilizada para estetipo de trabajo fue desarrollada a lo largo de los anos a partir de la automatizacion de unaactividad realizada originalmente de forma manual. A diferencia de las tecnicas manualesla maquinaria no es capaz de adaptarse a los cambios en la consistencia del sistema,por lo que es necesaria su optimizacion para una automatizacion completa del proceso.Industrialmente se desea una masa sin propiedades elasticas, es decir se busca obteneruna masa plastica que responda a las deformaciones durante el moldeado y recorte depiezas y se adhiera a las cintas durante el transporte. Esto se logra mediante un bajocontenido de agua y un alto contenido graso. El reto en la realizacion de este tipo demasas es el de lograr una correcta distribucion de las grasas y el agua en los componentesdel harina sin producir una hidratacion de las proteınas presentes, evitando la formacionde una red de gluten, la cual provee elasticidad y consistencia a la masa. Sin embargo,debido al aumento de la demanda de productos con mejores propiedades nutricionaleses necesaria la elaboracion de galletas con un bajo contenido de grasas y de azucares,o en su defecto un reemplazo parcial de estos ingredientes mediante la incorporacion defibras dieteticas. Tanto la incorporacion de fibras como la reduccion en los ingredientesprincipales, como azucar y grasa, genera una serie de inconvenientes tecnologicos en la

2 1. Introduccion

elaboracion de galletitas, y en algunos casos, una perdida de su aceptabilidad, donde unagalletita se considera de buena calidad cuando las piezas son de gran diametro y se obtieneun patron de agrietamiento en la superficie. Estas modificaciones originan inconvenientesen los procesos productivos y en el aspecto sensorial de los productos, tanto visual comode sabor (Maache-Rezzouget al., 1998).

En paıses como Estados Unidos e Inglaterra, los productos de panificacion que norequieren de gran un gran desarrollo de gluten, principalmente de galletitas, son elaboradascon harinas provenientes de trigos blandos. Las piezas obtenidas a partir este tipo deharina son de bajo espesor, gran diametro y tiernas, mientras que las galletas hechas deharina de trigo duro, son gruesas, duras y de menor diametro debido a su alta capacidadpara la absorcion de agua. En Argentina, no existe una polıtica de clasificacion granos porlo que la industria galletitera utiliza harinas provenientes de trigo de pan de baja calidad,a la que se le incorporan aditivos especıficos para controlar la formacion de gluten, o seproducen modificaciones en los procesos de elaboracion. Esto por esto que es necesario elestudio de formulas a base de harina de trigo duro, a partir de la determinacion de loscambios producidos tanto en las propiedades reologicas de las masas como tambien en ladistribucion del agua en la red de gluten.

Actualmente en la Universidad Nacional de Cordoba principalmente en las facultadesde Agronomıa, Ciencias Quımicas e Ingenierıa, coordinados en el Instituto Superior deInvestigaciones y Desarrollos Alimenticios (ISIDSA), se estan llevando a cabo numerososestudios en esta area [1, 2, 3, 4]. Recientemente se ha abordado el estudio particular dela calidad de galletitas ante una incorporacion de fibras alimentarias de distintos tipos,reduciendo distintos componentes tales como el azucar, la grasa o el harina. Las fibras masutilizadas en la formulacion de las galletitas son: almidon de maız alto en amilosa (HM),fosfato de di-almidon fosfatado (N), fibra insoluble de avena (FA), inulina (IN) y fibrainsoluble de trigo (FT). Hasta el momento se realizaron estudios reologicos fundamentalesmediante barridos de frecuencia y de temperatura. Durante la coccion se obtuvieron filma-ciones para evaluar la expansion de las masas. Se elaboraron galletitas y se determino elfactor galletita (FG: relacion entre el ancho y el alto del producto final). La incorporacionde inulina incremento la capacidad de expansion de las masas durante el horneado. Estose reflejo en un mayor FG, lo que indica mejores parametros de calidad. La fibra de avenay trigo incrementaron la consistencia de la masa y redujeron su capacidad de expansionen el horno y la calidad de las galletitas. Los almidones resistentes solo afectaron levemen-te la calidad de las galletitas. El efecto mejorador de la inulina parece estar relacionadocon una disminucion de la consistencia y un aumento de la capacidad de lubricacion delsistema.

Las reacciones bioquımicas y fısicoquımicas presentes en la masa de galletas duranteel proceso de coccion son muy complejas. Entre ellas se encuentra la desnaturalizacionde proteınas, perdida de la estructura de los granulos de almidon, fundicion de grasa,expansion de la masa debido a evaporacion de agua y produccion y expansion termicade gases. La expansion, la cual es relevante en la formacion de textura, es limitada porlas propiedades reologicas de la masa, las que dependen del comportamiento y de lasinteracciones entre sus componentes [5, 6].

3

Queda claro que el estudio de sistemas tan complejos requiere de una interrelacion en-tre distintos grupos experimentales y el uso de diferentes tecnicas analıticas. El objetivocentral de este trabajo es encontrar un conjunto de parametros de Resonancia MagneticaNuclear (RMN) que pueda complementar dichos estudios. En este sentido cabe destacarque si bien la RMN ha sido ampliamente utilizada para el estudio de productos alimenti-cios, yendo desde el plano de investigacion basica hasta el control de calidad en plantasde produccion [7, 8] hasta el momento existen muy pocos antecedentes en el estudio demasas de galletas por RMN, y por supuesto en ninguno de ellos se utiliza harina de trigoduro.

Assifaoui et al. [9] estudia la distribucion de componentes en masa de galletas porRMN, mediante el analisis tanto de la masa estandar como tambien de sistemas modelo(harina-agua, harina-agua-azucar). Ademas se analizan las propiedades viscoelasticas me-diante mediciones reologicas relacionandolas con los resultados obtenidos por RMN [10].Aun ası este sistema no puede ser comparado directamente con el utilizado en este trabajoya que posee una proporcion distinta de los ingredientes en particular un alto porcentajede agua, harina de trigo blando y aceite de palma en lugar de grasa.

En este trabajo realizamos mediciones de tiempos de relajacion en campos magneticospoco intensos (0.5 Tesla). Dichos tiempos de relajacion son directamente proporcionalesa la movilidad del sistema. En general para sistemas tan heterogeneos como una masa degalleta se presenta una amplia distribucion de tiempos de relajacion. La primera partedel trabajo se centra en la identificacion de las poblaciones relativas de las distintascomponentes que forman la galleta a traves de variaciones en las formulaciones utilizadas.Se trabajo a partir de una muestra estandar, o de control, y se realizaron variacionessobre la cantidad de grasa y azucar. Posteriormente se redujo un porcentaje de harina y seincorporaron dos tipos de fibras alimentarias: Inulina y Fibra de Avena. Posteriormentese monitoreo el proceso de coccion para estas formulaciones en una masa de reducidotamano que fue cocinada dentro de la zona de deteccion del equipo de RMN, variandola temperatura de 30oC a 110oC. Se identifico una poblacion movil que presenta unatransicion a dos poblaciones con distinta movilidad a temperaturas que varıan entre los50oC a 70oC para la masa control y las formulaciones con adicion de fibras. Finalmentecorrelacionamos este comportamiento con el obtenido por nuestros colaboradores a travesde mediciones del factor de expansion de las galletas durante la coccion.

4 1. Introduccion

Capıtulo 2

Teorıa

2.1. Conceptos basicos de RMN

La Resonancia Magnetica Nuclear (RMN) es un fenomeno fısico que se basa en lainteraccion entre el momento angular intrınseco de los nucleos atomicos o momento deespın I y el campo magnetico externo. Cada nucleo con momento de espın no nulo poseeun momento angular total J relacionado con el momento magnetico µ de la forma:

µ = γJ

donde

J = ~I

y γ es la constante giromagnetica unica a cada tipo de atomo, por lo que resulta:

µ = γ~I

2.1.1. Interacciones externas de espın

En ausencia de un campo magnetico externo, los espines se encuentran orientadosaleatoriamente y el momento magnetico total es cero. Sin embargo, si se aplica un campomagnetico estatico B0 los momentos magneticos de los nucleos tienden a alinearse con elcampo, de manera de generar un momento magnetico total neto µ.

Si se elige por convencion la direccion del campo paralela al eje z, la energıa de inter-accion del momento magnetico µ = γ~I con un campo B0 = B0z esta dada por

H = −γ~B0Iz,

siendo las energıas asociadas

Em = −m~γB0,

6 2. Teorıa

donde m toma valores |m| ≤ I. En particular para atomos con spin I = 1/2, como ser elatomo de hidrogeno, solo dos valores para m son posibles, dando lugar a dos niveles deenergıa distanciados entre sı en una cantidad ∆E = γ~B0.

Esta expresion puede asociarse a una frecuencia ω0, conocida como frecuencia de Lar-mor, que se relaciona con el campo externo de la forma ω0 = γB0 y define la frecuenciade resonancia de un determinado atomo bajo un cierto campo magnetico. Esto tambienpuede ser entendido como la frecuencia de precesion del momento magnetico nuclear µalrededor de la direccion del campo magnetico B0.

Macroscopicamente, el campo B0 polariza la muestra siguiendo una distribucion Boltz-man, induciendo una magnetizacion neta en la direccion del campo. Con el fin de obtenersenal de RMN, es decir, para poder excitar a los espines fuera del equilibrio, es necesariala aplicacion de un campo magnetico oscilante B1 (campo de radiofrecuencia o rf) en elplano x-y (en general B esta a lo largo del eje x), sintonizado a la frecuencia de resonanciade los spines. El Hamiltoniano debido a la interaccion de radio frecuencia puede ser escritocomo

Hrf ≈ −γ~B1[cos(ωt)Ix + sen(ωt)Iy].

Con el fin de obtener una expresion independiente del tiempo para el Hamiltonianototal del sistema, se realiza una transformacion de coordenadas, pasando del sistema dereferencia del laboratorio a un sistema de referencia rotante. Este es un sistema que rotaa frecuencia ω alrededor de la direccion del campo estatico B0.

2.2. FID: Free Induction Decay

La aplicacion de un pulso de rf (B1) por un cierto tiempo tp genera un torque que rotala magnetizacion en un angulo θ respecto del eje z dependiente de la magnitud del campoy su duracion de la forma:

θ = γB1tp

Si se aplica el campo B1 tal que se rota la magnetizacion al plano (x,y), es decir

θ = 90◦, una vez que se apaga el campo de rf, el vector magnetizacion M comienza aprecesar alrededor del eje z con frecuencia de Larmor ω0. Por la Ley de Faraday estecomportamiento induce una fuerza electromotriz (fem) en la bobina de RMN (la mismautilizada para aplicar B1 ), la cual es amplificada y detectada en el espectrometro. Lasenal generada se conoce como FID.

La senal detectada luego del pulso de rf tiene en general la siguiente forma, para unlıquido:

Mx(t) = M0 sen(θ) cos((ω − ω0)t) exp−t/T ∗2

My(t) = M0 sen(θ) sen((ω − ω0)t) exp−t/T ∗2

donde T ∗2 es el tiempo caracterıstico asociado al decaimiento de la senal debido a las

inhomogeneidades de campo.

2.3. Relajacion 7

Figura 2.1: Secuencia de pulsos de RMN para detectar una Free Induction Decay (FID). Lasenal detectada despues del pulso de rf con un angulo θ a lo largo del eje y, decae con una funcionexponencial donde el tiempo de relajacion se denota por T ∗

2 . En este esquema ω ∼ ω0.

En lıquidos o en sistemas debilmente acoplados, el tiempo de relajacion T ∗2 en general

no representa interacciones internas del sistema, sino interacciones con el campo magneticoexterno. Si este presenta inhomogeneidades, tıpicamente del orden de las ppm, nucleos endistintas regiones de campo precesaran a distintas frecuencias. En el sistema rotante estoimplica un que cada nucleo tendra una fase que evolucionara a una tasa distinta al resto,lo cual redunda en una cancelacion de la senal observada. A contiuacion se describenmetodos para obtener los tiempos de relajacion del sistema.

2.3. Relajacion

Si el sistema es puesto en el campo magnetico externo durante un cierto tiempo, elmismo alcanza un estado de equilibrio termico. Esto implica que las poblaciones de losestados estan dadas por la distribucion de Boltzmann. Los pulsos de rf inducen transicionesentre los distintos niveles de energıa, haciendo que las poblaciones se desvıen de susvalores de equilibrio. El proceso por el cual se recupera el estado de quilibrio medianteinteracciones del sistema de espines con el ambiente termico se conoce como relajacionlongitudinal o proceso de relajacion espın-red y esta caracterizado por un tiempo T1,mientras que la relacion transversal, es decir la perdida de coherencia en las fases debidoa interacciones entre los mismo espines, se conoce como relajacion transversal o relajacionespın-espın caracterizado por un tiempo T2.

2.3.1. Relajacion Longitudinal

En estado de equilibrio, el sistema de espines expuesto al campo estatico B0, determi-na una magnetizacion neta en la direccion del campo, que llamamos M0. Si el sistema esperturbado mediante la aplicacion de un pulso de rf, el tiempo caracterıstico que le tomaa la magnetizacion en volver al valor M0, se denomina tiempo de relajacion longitudinalT1. Dicho tiempo de relajacion puede ser medido, por ejemplo, por un experimento de-

8 2. Teorıa

nominado Inversion -Recuperacion. La secuencia de pulsos de rf esta dada por la figura2.2. Se lleva la magnetizacion al eje −z mediante un pulso de 180◦ a lo largo del eje x, yluego esta comienza a volver a su valor de equilibrio durante un tiempo t . Finalmente, seobserva la magnetizacion longitudinal resultante (Mz(t)), rotando la misma al plano x-ymediante un pulso a lo largo del eje x de 90◦.

Figura 2.2: Secuencia de pulsos Inversion-Recuperacion. Los vectores grises representan lamagnetizacion antes del pulso, mientras que los vectores negros indican la magnetizacion despuesdel pulso.

Repitiendo el mismo experimento para varios valores de tiempo t , la amplitud de lasenal va a estar dada por:

M(t) = M0

(1− 2e

− tT1

)Ajustando los datos experimentales con la expresion anterior se puede obtener un valor

para el tiempo de relajacion T1.

2.3.2. Relajacion Transversal

La relajacion espın-espın o relajacion transversal tiene asociado un tiempo caracterısti-co T2. Este proceso es el responsable por la perdida de senal en el plano luego de un pulsode 90◦ dada por el desfasaje de los diferentes espines precesando a diferentes frecuenciasde resonancia. El fenomeno del eco de espın [11] puede ser utilizado para medir el tiempoT2. Este eco esta asociado con una inversion de las fases de los espines a un tiempo τ , lacual lleva a una reaparicion de la senal al tiempo 2τ . El eco es generado por dos pulsosde rf separados por un tiempo τ . El primero es un pulso de 90◦ que rota la magnetizacionM al eje y , originando una FID. Si luego de un tiempo τ se aplica un pulso de 180◦ queinvierte las fases de los espines se genera un eco de la senal tiempo 2τ , la refocalizacionse da sobre el eje −y . La amplitud de la senal estara dada por la expresion:

2.3. Relajacion 9

M(t) = M0e− τ

T2

Nuevamente para poder obtener un valor de T2 se debe realizar el experimento enfuncion de τ y ası ajustar los datos experimentales con la ecuacion anterior.

Figura 2.3: Secuencia de pulsos de un espın eco, la cual refocaliza la magnetizacion al tiempo2τ despues del primer pulso.

2.3.3. Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)

La secuencia del eco de espın requiere analizar multiples experimentos variando laseparacion entre los pulsos de rf. Todo este proceso es muy lento, pues antes de hacercada nueva medicion debe esperarse un tiempo del orden de cinco veces T1 para que elsistema relaje al equilibrio. Una variacion al metodo del eco de espın fue propuesta porH.Y. Carr y E.M. Purcell [12] que combina pulsos de 90◦ y 180◦ para medir el tiempode relajacion transversal T2 a partir de un unico tren de pulsos, es decir en un soloexperimento.

Como se describio en la seccion anterior, la aplicacion de un pulso de 180◦ un tiempoτ despues del pulso inicial de 90◦, lleva a la refocalizacion de los espines sobre el eje −y .Si aplicamos un pulso de 180◦ al tiempo t = 3τ , tendremos un nuevo eco formandose at = 4τ con la magnetizacion en el eje y . Ası sucesivamente, aplicamos pulsos de 180◦ cada(2n+ 1)τ y se formaran ecos cada (2n+ 2)τ con la refocalizacion de la magnetizacion enel eje −y para n par y en el eje y para valores n impares. Esta secuencia de pulsos esconocida como CP.

Una variante de esta secuencia es la secuencia Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)[13],donde se cambia la fase de los pulsos de 180o, por pulsos 180y, en la direccion y. Esto haceque la refocalizacion se de siempre sobre el eje y.

Debido a la relajacion espın-espın, la amplitud del eco al tiempo t = 2nτ estara dadapor:

10 2. Teorıa

M(2nτ) = M0 exp

(−2nτ

T2

)donde M0 es el modulo de la magnetizacion de equilibrio y n=1,2,3..

Figura 2.4: Secuencia de pulsos CPMG para la determinacion de T2

2.4. FID y CPMG en muestras heterogeneas

La movilidad del agua en sistemas heterogeneos puede ser estudiada a traves de lamedicion del tiempo de relajacion espin-espin T2. En general la relajacion de sistemascomplejos posee multiples componentes de T2, donde cada una de ellas puede ser inter-pretada como la representacion de diferentes movilidades de los protones de agua. De estaforma, la RMN es una buena herramienta para el estudio de productos alimenticios, endonde cada uno de los componentes puede ser asociado a diferentes regiones de movilidad.

En sistemas heterogeneos la senal puede no estar representada por un unico decaimien-to, sino por una distribucion de una o mas funciones. Las funciones y sus intensidadesrelativas proveen informacion acerca de la estructura y el comportamiento de las muestras.Particularmente, una funcion gaussiana es asociada a una fuerte interaccion dipolar enuna red solida, mientras que una funcion exponencial tiene su origen en las interaccionesentre grupos altamente moviles [14].

En muestras heterogeneas en donde coexisten fases moviles, solidas y fases intermedias,correspondientes a agua estructurada de diferente forma, es posible descomponer la senalde RMN, en la suma de terminos gaussianos (asociados a los protones en la fase solida) yde terminos exponenciales (asociados a los protones mas moviles)[15].

SFID(t) =∑

Asi exp

(− t

T ∗2si

)2

+∑

Amj exp

(− t

T ∗2mj

)

2.4. FID y CPMG en muestras heterogeneas 11

donde T ∗2si y T ∗

2mj son los tiempos de relajacion de la fase solida y de la fase movilrespectivamente. Asi y Ami se corresponden a la amplitud de las senales, las cuales sonproporcionales a la cantidad de protones cada fase.

De esta forma, ajustando la senal de la FID se puede determinar la fraccion movil dela muestra a estudiar, es decir:

Fmovil =

∑Amj∑

(Asi + Amj)

El principal inconveniente que se encuentra en la determinacion de las fracciones decada componente se presenta para los tiempos de relajacion mas cortos. El proceso dedeteccion de la senal implica inducir un campo magnetico alterno de gran intensidad en labobina. Previo a la deteccion de la senal es necesario aguardar un tiempo a que el circuitoresonante se descargue, este tiempo es comunmente conocido como tiempo muerto delequipo, que en nuestro caso se corresponde a 18 µs.

Como se dijo anteriormente, la senal de la FID esta limitada para medir altas movi-lidades, ya que la senal decae debido a las inhomogeneidades de campo. De esta maneralos valores de T ∗

2 del orden de los ms (alta movilidad) medidos usando una FID no re-presentan realmente la movilidad de los protones en la muestra. Una alternativa parasolucionar este problema es utilizar la secuencia CPMG, ya que la senal refocalizada encada eco esta libre de inhomogeneidades. Sin embargo, los valores de T2 medidos con estasecuencia, solo representan la fraccion movil del sistema, ya que los tiempos de relajacionasociados a la parte solida decaen muy rapido y no pueden ser detectados correctamente.

La senal resultante de la secuencia de la CPMG puede ajustarse mediante una suma determinos exponenciales, representando el decaimiento de la fase movil del sistema como:

SCPMG(t) =∑

Pmj exp

(− t

T2mj

)donde T2mj y PMj son el tiempo de relajacion y la intensidad de las diferentes poblacionesmoviles respectivamente.

La suma de las poblaciones asociadas a los diferentes T2 solo representan el porcentajemovil total de la muestra [9], obteniendo:∑

Pmj = Fmovil

En masas para manufacturacion de productos de panificacion se han reportado valoresde los tiempos de relajacion entre los 10µs hasta los 2.2 s (agua libre), los cuales suelendividirse en tres grandes rangos [15]

Sin embargo en la masa de galletas, la cual se realiza con valores de alrededor de7% de agua, no existe agua libre. La presencia de numerosos componentes en diferentesestados, y la competencia existente por el agua, hace que la misma se distribuya entrelos diferentes componentes originando zonas de agua mas o menos estructurada. En estetrabajo, el valor maximo de T2 observado fue de 1s para muestras a altas temperaturas.

12 2. Teorıa

Fase Movilidad (T2)

Solida 10-50 µsIntermedia 50-600 µsMovil 600µs - 2.2 s

De esta forma, usando SFID(t) y SCPMG(t) se puede obtener informacion acerca de laestructura de la muestra a estudiar.

2.5. Transformada de Laplace

El procesamiento de datos asociados a decaimientos multiexponenciales es llevado acabo mediante la aplicacion de la Transformada Inversa de Laplace. De la misma maneraque la transformada de Fourier permite obtener un espectro de frecuencias, la transfor-mada de Laplace determina la distribucion de los tiempos de relajacion presentes en lasenal de RMN.

La senal es descompuesta en una suma discreta de componentes exponenciales cadauna con una constante de tiempo y amplitud. A diferencia de la Transformada de Fourier,esta inversion no provee una solucion unica y estable. Por lo que la interpretacion fısicade las distribuciones obtenidas recae en el entendimiento del mecanismo y las limitacionesdel proceso de la transformada inversa de Laplace. Esta transformada se considera unproblema mal condicionado debido a que no existe suficiente informacion disponible enlos datos para la determinacion de una unica solucion que sea estable en la presencia deruido. Para mejorar esta limitacion, es necesaria una regularizacion del ajuste, con el finde estimar la distribucion mas adecuada a las amplitudes para un conjunto determina-do de componentes exponenciales. La regularizacion es llevada a cabo imponiendo trescondiciones en la solucion:

a. La distribucion debe ser no negativa.

b. El rango de la distribucion es limitado.

c. Se supone que la distribucion es suave.

La senal de RMN puede ser modelada a partir de una integral de Fredholm de primeraclase, con la forma general de:

s(t)

s(0)=

∫ ∞

0

k0(T, t)p(T )dT (2.1)

donde s(t)/s(0) es la senal normalizada sin la presencia de ruido, adquirida a un tiempot, p es la distribucion densidad en funcion de la variable T y k0 es la funcion modelo(kernel) que describe la senal. En este caso en particular asumimos que el kernel son

2.5. Transformada de Laplace 13

funciones exponenciales (k0 = exp(−t/T )), sin embargo el metodo funciona en generalpara cualquier tipo de decaimineto.

Tıpicamente la ecuacion 2.1 es resuelta en escala log10 de T , por lo que se obtiene

s(t)

s(0)=

∫ ∞

0

k0(T, t)f(T )d(log10T ). (2.2)

En un experimento de RMN la senal adquirida es de la forma S(t) = s(t)+ e(t) dondee(t) es el ruido de la misma, que se asume con una distribucion gaussiana centrada encero. Se busca invertir la integral de Fredholm en la ecuacion 2.2 con el fin de hallar ladistribucion optima f ′(T ) que mejor estima la verdadera distribucion f(T ). Uno de losmetodos numericos para realizar esta inversion de denomina regularizacion de Tikhonovque minimiza la funcion de ajuste agregando un segundo termino pesado por un factorα2 denominado factor de regularizacion, por lo que la determinacion de un valor optimode α es de gran importancia. En este trabajo se utilizo el programa 2D Laplace InversionSoftware desarrollado por SophieGodefroy, BrettRyland y P.T.Callaghan.

Con el fin de estudiar mejor el mecanismo de ajuste, se realizaron simulaciones dedecaimientos biexponenciales de T2, en donde se supone una distribucion gaussiana alre-dedor de cada valor medio de los tiempos de relajacion. A ambas distribuciones se les dioel mismo peso y un ancho del 10 %. En la figura 2.5 se muestra el perfil obtenido a travesde la aplicacion de la transformada inversa de Laplace (trazo negro). Se puede observarque la distribucion con mayor movilidad posee una amplitud menor, sin embargo de unajuste del area bajo las curvas resulta en iguales proporciones para ambas distribuciones,tal como es esperado.

La influencia del ancho de las distribuciones de T2 en la senal a analizar se muestraen traza roja en la misma figura. La segunda distribucion aumenta su ancho como es deesperarse pero debe disminuir su amplitud para conservar la misma area asociada.

14 2. Teorıa

100 101 102 103-0.005

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

T2(ms)

Figura 2.5: Distribucion de tiempos de relajacion en funcion del ancho de las distribucionesde T2: En negro se muestra el perfil de T2 para dos valores de T2 con un ancho del 10 %, enrojo se observa ambas distribuciones en donde a la segunda distribucion se le asigno un anchodel 50%

Capıtulo 3

Experimental

3.1. Materiales y Metodos

3.1.1. Preparacion de Masas

Los materiales utilizados para la elaboracion de masas de galletas se detallan en latabla 3.1. Todos los ingredientes, excepto el harina y las fibras utilizadas, son de ori-gen comercial: grasa vegetal (margarina) ‘Danica Dorada’, azucar impalpable ‘Gloria’,bicarbonato de sodio ‘Alicante’, Sal ‘Celusal’. En este trabajo se utilizo harina de trigoduro baguett para la elaboracion de las masas, con una composicion aproximada de: 70%almidon, 10-11% proteınas, 21.5% lıpidos, 2% humedad.

Las masas se elaboraron segun el Micrometodo III descripto por Finney y colabora-dores (1950) con las modificaciones realizadas en el CIMMYT (Centro Internacional deMejoramiento de Maız y Trigo) [16]. Se detallan los procedimientos a continuacion: losingredientes solidos, menos el harina, son mezclados e incorporados a la grasa vegetal.Posteriormente, se mezcla con los amasadores de una batidora electrica, por 1 minuto.Luego se agrega el agua y se mezcla nuevamente por 2 minutos. El producto final es unacrema homogenea grasa-azucar-agua.

Por ultimo se incorpora el harina y se mezcla con la batidora por 2 minutos nuevamen-te. El harina es incorporado al final de la preparacion para evitar la formacion de glutendurante el batido de la masa [17]. Durante el mezclado los lıpidos actuan como lubrican-te, compitiendo con el agua para cubrir la superficie del harina, previniendo la formacionexcesiva de gluten en la muestra [18]. Para el estudio del efecto de incorporacion de fibras,se reemplazo un porcentaje de harina por la fibra. Estas fueron mezcladas previamentede forma separada. Luego se siguen las instrucciones como en el caso estandar.

Una vez obtenida la masa, la misma se cubre con papel film y se la deja descansar auna temperatura 5oC. La elaboracion y la medicion de las muestras fueron realizadas elmismo dıa, con una diferencia menor a 6 horas.

Es importante recalcar, que el harina fue mantenido a una temperatura de -15oC antesde cada preparacion, con el fin de mantener constante el porcentaje de humedad de lamisma, evitando ası la absorcion de humedad del ambiente. Ningun tratamiento previo fue

16 3. Experimental

aplicado a la grasa vegetal antes de su utilizacion, con el fin de preservar las condicionesindustriales con las que se trabaja.

Variaciones [g]Ingredientes Control AG4 AG8 AG10 AG12 AZ50 G50 IN12 FA12

Harina 45.00 45.00 45.00 45.00 45.00 45.00 45.00 33.00 33.00Azucar impalpable 27.00 27.00 27.00 27.00 27.00 13.50 27.00 27.00 27.00

Grasa vegetal 20.20 20.20 20.20 20.20 20.20 20.20 10.10 20.20 20.20

Agua 8.00 4.00 8.00 10.00 12.00 8.00 8.00 8.00 8.00

Leche en polvo 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25 2.25

Sal 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42 0.42

NaHCO3 0.52 0.52 0.52 0.52 0.52 0.52 0.52 0.52 0.52

Fibra Inulina 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 12.00 0.00

Fibra de Avena 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 12.00

Tabla 3.1: Tabla de variaciones de masa

La masa control, es la formula que se desea estudiar con las proporciones usuales deingredientes. A partir de esta composicion, se realizaron diferentes variaciones, evaluandoluego el efecto del contenido de diferentes ingredientes, como agua, azucar y grasa vegetalen la movilidad de los protones de agua en las masas. Nueve variaciones de masas fue-ron realizadas, segun lo detalla la tabla (3.1), con el fin de entender el desarrollo de laestructura de la masa durante su elaboracion. Las variaciones del contenido de agua sedenotan como AG, seguido por la cantidad en gramos de agua utilizados en la preparacion(AG4,...AG12). Ademas se vario el contenido de grasas y sacarosa, dadas por las formulasAG50 y AZ50 respectivamente, en donde se disminuyo la cantidad de grasas y azucaresen un 50%.

Por ultimo, se evaluo el efecto de la incorporacion de fibras a la preparacion: InulinaOrafti HP (100 % inulina 0% dulzura, grado de polimerizacion (DP)>23) y fibra insolublede Avena Canadian Harvest 200(B-glucanos) (IN y FA respectivamente). En la tabla (3.1)se denota la fibra utilizada seguido por los gramos utilizados en la masa.

3.2. Condiciones experimentales

Equipo de RMN

Las mediciones se realizaron en un espectrometro BRUKER MINISPEC mq 20 de0.5T (frecuencia de Larmor de protones de 19.9 MHz), equipo que consta de un imanpermanente con temperatura de estabilizacion de 38.000±0,001◦C (figura 3.1). La formade deteccion del espectrometro es de dos canales en cuadratura, es decir, adquiere la senal

3.2. Condiciones experimentales 17

real e imaginaria (a lo largo del eje ’x’ y del eje ’y’ del sistema rotante respectivamente).La duracion del pulso de 90o es de 2.32 µs con un tiempo muerto de 18µs.

Figura 3.1: Espectrometro BRUKER MINISPEC mq 20 utilizado para realizar los experimentos

Control de Temperatura

La temperatura durante los experimentos se controlo con una unidad Bruker-VT3000.Para lograr la temperatura deseada, se hace fluir una corriente de gas alrededor del por-tamuestra. Este gas ha pasado previamente por una resistencia electrica, cuya potencia esregulada por el control de temperatura para obtener la temperatura deseada. El equipotiene una precision de 0.1 oC para el control de temperatura.

En este trabajo se adapto su uso con nitrogeno gaseoso (N2) de pureza 99.99%, paraalcanzar temperaturas mayores a los 70◦ C. Se trabajo con un flujo de gas de 800 litros/hpara el rango de temperaturas 30oC ≤T≤ 110 ◦C, con un paso de 10oC. La variacionde temperatura se hizo con una velocidad de 3◦C/min para no afectar la temperaturadel iman, y al alcanzar la temperatura deseada se espero 10 minutos a que el sistemaestabilizara. Se realizo ademas una calibracion de la temperatura en el rango 30-110 oCutilizando una termocupla colocada en la posicion de la muestra.

En este equipo se pueden introducir tubos porta-muestra de hasta 10 mm de diametro.El uso de estos tubos para analizar muestras de masas presenta diferentes complicaciones,ya que la masa puede pegarse a las paredes del tubo y esto es difıcil de limpiar debidoal alto contenido graso de la masa y a su plasticidad. Por otro lado, para compararcon el proceso real al momento de cocinar una galleta y con otras tecnicas de medicion,como la reologıa, se decidio poner la masa en contacto directo con el gas que controla latemperatura.

Con el fin de posibilitar una coccion por conveccion, se fabrico un portamuestra deteflon de 8mm de diametro, con cuatro orificios laterales y uno central en la tapa corres-pondiente (3.2). El proposito de este diseno es que el flujo del gas que regula la temperaturaentre por un orificio en la parte inferior del tubo, realice un movimiento turbulento en el

18 3. Experimental

interior del porta muestras y luego salga por el agujero central de la tapa. Este ‘horno’fue introducido en un tubo de RMN de 10 mm al cual se le practico un orificio en suparte inferior. El tubo de RMN fue dejado abierto dejando que el aire fluya mientras seaumentaba la temperatura. Se utilizaron muestras de masa de galletas de aproximada-mente 3 mg. El reducido tamano de la muestra se debe a dos razones. Por un lado estetipo de masa puede llegar a dilatarse hasta cinco veces su tamano inicial. Por otro ladolas homogeneidad de campo de rf el cual es crucial en un experimento de CPMG [19] hasido determinado en un 2 mm de alto para este equipo(Trabajo final Florencia Campise).

Figura 3.2: Esquema representativo del portamuestra utilizado o ‘hornito’ utilizado para medi-ciones en funcion de la temperatura

Calibracion de la amplitud de la senal con la temperatura

Debido a que tanto la magnetizacion de equilibrio M0 como tambien el factor decalidad Q de la bobina, dependen de la temperatura, se debe realizar una calibracion de laintensidad de la senal al momento de realizar experimentos en funcion de la temperatura.

Esto se llevo a cabo con una muestra de aceite de oliva extra-virgen, en el rango detemperatura de 30-110◦C, la utilizacion de este tipo de aceite es un estandar en la industriaya que presenta una sola fase lıquida para todo rango de temperatura. En la figura 3.3 semuestra el comportamiento de la intensidad de la senal, que disminuye hasta llegar a unvalor de 0.77 de la intensidad inicial. Todos los datos experimentales presentados en estetrabajo han sido normalizados por su correspondiente calibracion.

3.2.1. Protocolo de Medicion

Medicion de T1

El tiempo de relajacion T1 de las muestras se determino mediante la secuencia inver-sion-recuperacion (figura 2.2), en donde se midieron los primeros puntos de la intensidad


20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0.8

1.0

Intensidad FID a 18 s

Inte

nsid

ad (u

.a)

Temperatura(ºC)

Figura 3.3: Calibracion amplitud de la Senal en funcion de la temperatura, utilizando aceite deoliva. Las intensidades de los primeros puntos de la FID(T) se encuentran normalizados con elvalor de la FID a 30oC

de la senal para diferentes valores de tiempo τ entre pulsos, a temperatura ambiente de30 oC. La distribucion de los tiempos, obtenida a partir de la aplicacion de la inversa dela transformada de Laplace, muestra tres valores de T1 para la masa control (figura 3.4).El valor maximo de T1 es de aproximadamente 300 ms. De esta forma, se tomo como eltiempo entre repeticiones entre los experimentos realizados igual a 2 s, asegurando ası unarecuperacion completa de la senal. Es necesario aclarar que en este equipamiento el tiem-po de repeticion es agregado posteriormente al tiempo de adquisicion. A excepcion de losexperimentos realizados sobre margarina pura no fue necesario aumentar este tiempo enningun experimento.

Dado que los experimentos para medir T1 son bidimensionales, estos requieren deun largo tiempo de adquisicion. Los datos mostrados en la figura se adquirieron con 32promediaciones y 30 variaciones del tiempo entre pulsos de 180o y 90o, resultando enun tiempo de adquisicion total de mas de una hora (72 minutos). Estos tiempos no serealizaron sistematicamente ya que se prefirio en este trabajo monitorear el proceso decoccion en el menor tiempo posible de manera de asemejarse mas al proceso de coccionutilizado en un horno convencional.

Medicion de T ∗2

La FID fue obtenida a traves de la aplicacion de un solo pulso de rf, con un tiempomuerto de 18 µs. Se adquirio un punto cada 2µs en el rango 18-20000 µs para cada

20 3. Experimental

101 102 103

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

T1(ms)

Figura 3.4: Distribucion de T1 para masa control a 30 oC.

temperatura y se promedio la senal 128 veces, esperando 2 s entre cada experimento.Debido al reducido tamano de la muestra se debio usar valores altos de ganancia.

FID RD=2 s Adq=0.5MHz puntos=10000 scans=128CPMG RD=2 s Adq=0.5MHz ecos=15000 scans=128

Tabla 3.2: Parametros utilizados en las secuencias

Como se explico en la seccion (2.4), la FID puede expresarse como la suma de terminosgaussianos y de terminos lorentzianos.

En trabajos anteriores [9] se utiliza solamente una funcion gaussiana para las compo-nentes menos moviles del sistema, ademas de los terminos exponenciales asociados a lafase movil. En este sistema en particular, se encontro que la estructura solida de la masadebe ajustarse con dos funciones gaussianas:

SFID = As1 exp

(− t

T ∗2s1

)2

+ As2 exp

(− t

T ∗2s2

)2

+ Am exp

(− t

T ∗2m

)


Si bien el termino exponencial sigue el comportamiento de la componente movil de lasenal, una sola funcion gaussiana para las componentes solidas no alcanza a ajustar losprimeros puntos de la FID, los cuales son realmente importantes al momento de apreciarun cambio en el porcentaje movil del sistema.

Los ajustes de la FID fueron realizados en el rango 18-1000µs para todas las muestras.Las distintas componentes solidas y moviles se obtienen extrapolando las funciones a t=0.La figura 3.5 muestra un ajuste representativo. Como puede apreciarse en la figura 3.5,la primer componente solida solo puede ajustarse con pocos puntos y constituye la mayorfuente de incertidumbre en el experimento.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,010

20

30

40

50

60

708090

100

datos ajuste fgauss1

fgauss2

fexp

Inte

nsid

ad (u

.a.)

t (ms)

Figura 3.5: Ajuste de la FID para masa de galletas.

La distribucion de T ∗2 obtenida de la senal FID para la masa control (30oC), mostro tres

poblaciones (Tabla 3.3): las dos primeras estan asociadas con los protones en componentessolidos de la masa, como almidon y proteınas [17]. La tercera poblacion de la FID repre-senta un 43.26 % del total de protones en la muestra, y como fue explicado anteriormenteesta asociada a los protones mas moviles. Se determino que la incertidumbre asociada aestas mediciones es del 11% a traves de tres formulaciones realizadas en diferentes dıas.

Medicion de T2

La secuencia CPMG fue utilizada para medir tiempos T2 mayores a 600 µs. El numerode ecos en la secuencia fue de 15000 espaciados en un tiempo TE = 100µs, valor quecoincide con los utilizados en la literatura [9], y se promedio la senal mediante 128 scanes.

22 3. Experimental

T ∗2 [µs] Porcentaje[%]

As1 20 39.33As2 98 17.41Am 2000 43.26

Tabla 3.3: Valores de T ∗2 y distribucion de poblaciones de la FID para masa control a 30oC

La senal obtenida es analizada a traves de la aplicacion de una Transformada Inversade Laplace, que determina distribuciones de T2 (figura 3.6). El area total bajo la curva deesta distribucion, representa el total de protones en la fase movil (Fmovil) del sistema.

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.000

0.005

0.010

0.015

Pm4

Pm3

Pm2

T2(ms)

Masa control -30 ºC

Pm1

Figura 3.6: Distribucion tiempos de relajacion T2 obtenidos de la senal de CPMG para laformula de control, en lınea punteada se muestra un ajuste representativo

Una vez obtenida la distribucion de tiempos de relajacion, esta debe deconvolucionarsecon el fin de asignar un tiempo de relajacion y una poblacion para cada distribucion.Esto es llevado a cabo, usando el programa PeakFit 4.12, utilizando una forma de lıneagaussiana para cada pico

Los tiempos y las areas asociadas a cada poblacion se muestran en la tabla 3.4 dondela suma de los porcentajes asociados a cada poblacion es igual a la fraccion movil (Fmovil)


de la FID. Los valores obtenidos de T2 difieren ligeramente con los mostrados por Assifaoi[9], esto puede deberse a la diferencia entre los sistemas estudiados, donde el porcentajede humedad y de materia grasa de la muestra cambian sustancialmente.

T2[ms] Porcentaje [%]

Pm1 0.79 10.40Pm2 8.87 18.61Pm3 64.54 12.44Pm4 261.93 1.82

Tabla 3.4: Valores de T2 y distribucion de poblaciones de CPMG para masa control a 30oC

Con el fin de entender la contribucion de los diferentes ingredientes a la estructura dela masa de galletas, su influencia tanto en los tiempos de relajacion y las poblaciones dela senal de CPMG como tambien en la variacion de la fraccion movil Fmovil, se realizaronvariaciones de la masa control y se observaron los cambios obtenidos.

Comentarios.

Como conclusion de este capıtulo puede decirse que la adquisicion de una senal deFID permite conocer rapidamente la relacion entre las fracciones solidas y moviles de lamasa preparada. La problematica de que parte de la senal se pierde para la fraccion As1,puede solucionarse implementando tecnicas de ecos magicos, normalmente utilizadas enel estudio de materiales solidos [20]. Esto formara parte de futuros estudios.

En cuanto a los tiempos de relajacion, puede notarse que la distribucion de tiemposde relajacion de T1 difiere de la de T2, lo cual es de esperarse en materiales semi-solidos.La distribucion de T1 presenta solo tres poblaciones distinguibles, mientras que la de T2

presenta cuatro poblaciones. En el capıtulo siguiente se procede a la asignacion de cadapoblacion de T2 a una o mas componentes de la masa. En cuanto a T1, no fue utilizadoen este trabajo debido al largo tiempo experimental requerido. Sin embargo es precisodestacar que las relaciones entre T1 y T2 pueden brindar informacion extra de la que sepresenta en este trabajo. Por ejemplo, para un lıquido T1 = T2 mientras que en un solidoT1 > T2. El monitoreo de estas relaciones ha sido utilizado ampliamente en la industrialactea para determinar movilidades de distintas poblaciones [21] a traves de mapas decorrelacion bidimensionales de T1 − T2. Esto implica la realizacion de una TransformadaInversa de Laplace bidimensional que utiliza dos Kernels para cada base de funciones,algorıtmo numerico con el cual no contamos al momento.

24 3. Experimental

Capıtulo 4

Resultados Experimentales

4.1. Variacion del contenido de agua

La masa de galletas se caracteriza por la existencia de diferentes zonas de agua es-tructurada, en menor o en mayor medida. Es por esto que es importante estudiar comose redistribuyen los componentes cuando se varıa el contenido de agua en la masa. Seutilizaron porcentajes de: 4.0, 5.9, 7.7, 9.5, 11.2% del total de masa.

En la figura 4.1 se muestra el comportamiento de Fmovil en funcion del contenido deagua determinado con una FID. Se puede observar un aumento de la componente movildel sistema con el porcentaje de humedad, lo que reafirma que Fmovil esta realmente ligadoa los protones con mayor movilidad, y por lo tanto tambien al contenido de humedad enla masa. La poblacion As1 disminuye apreciablemente cuando se aumenta el contenido deagua, mientras que la segunda poblacion As2, permanece relativamente constante. Estoindica una diferencia cualitativa entre As1 y As2.

La distribucion de los tiempos de relajacion determinados por la secuencia CPMG(seccion 2.3.3) tambien fue estudiada. La evolucion de las distintas poblaciones se muestraen la figura 4.2. El area bajo la distribucion fue deconvulucionada por cuatro gaussianas,los tiempos de relajacion asociados se muestran en la tabla 4.1.

Agua [%] T2m1[ms] T2m2[ms] T2m3′ [ms] T2m3[ms]

4.03 0.78 6.63 58.02 230.555.92 0.76 7.47 59.40 234.677.74 0.70 8.58 67.07 292.119.49 0.79 11.95 89.24 302.6311.18 0.70 14.39 126.73 126.73

Tabla 4.1: Valores de T ∗2 para masas con diferente contenido de agua a 30oC

La variacion en el porcentaje de humedad, no influye en la poblacion Pm1, sin embargolas demas poblaciones se redistribuyen a medida que se aumenta el contenido de agua:

26 4. Resultados Experimentales

4 6 8 10 1215

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Asolido1

Asolido2

Amovil

Porc

enta

je (%

)

Contenido de Agua (%)

Figura 4.1: Variacion del porcentaje movil de la FID en funcion del contenido de agua

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Pm3

Pm3'

Pm2 4.03%

5.92 % 7.74 % 9.49 % 11.18 %

T2(ms)

Pm1

Figura 4.2: Distribucion de T2 para masas con diferente contenido de agua a 30oC

Pm2 aumenta significativamente [9, 17], mientras que Pm3′ y Pm3 cambian su movilidad yproporcion a partir del 9.49% de humedad hasta convertirse en una sola poblacion parael porcentaje mas alto (figura 4.3).

4.2. Medicion de grasa vegetal (Margarina) 27

3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

5

10

15

20

25

30

35 Pm2

Pm3'

Pm3

Porc

enta

je (%

)


Figura 4.3: Variacion del porcentaje asociado a las poblaciones moviles de CPMG en funciondel contenido de agua a 30oC

Estudios previos realizados por Assifaoui [9] muestran un comportamiento lineal paraPm2 para porcentajes de agua entre 16.3-23.0% y utilizando aceite de palma en lugar demargarina. Cabe destacar que debido al poco porcentaje de humedad de la masa control,las variaciones en el contenido de agua producen una redistribucion importante de loscomponentes y un cambio notable en la consistencia de la masa a partir de un 9,49%de humedad. Esto puede verse en la figura 4.4 en donde los tiempos de relajacion T2

asociados a la segunda poblacion movil (Pm2) cambian indicando un cambio de regimen.

Se denomino Pm3′ y Pm3 a la tercer y cuarta poblacion respectivamente, debido aque ambas pueden relacionarse a la margarina presente en la masa como se muestra acontinuacion.

4.2. Medicion de grasa vegetal (Margarina)

Muchos productos alimenticios son emulsiones cuyas propiedades reologicas dependende la naturaleza y proporcion de la fase dispersa (aceites), la composicion y concentracionde la fase contınua (agua o leche), y la interaccion entre dichas fases. La manteca ymargarina son descriptas como emulsiones semi-solidas [22]. Ambas estan compuestaspor una red semicontınua de agregados de grasa, donde dicha red es mas contınua en lamargarina.

La estructura de una emulsion es tambien muy sensible a los cambios de temperatura,y constituyen cambios no reversibles en el caso de la manteca y la margarina. La emulsion


3 4 5 6 7 8 9 10 11 126

8

10

12

14

16

T 2(ms)


Figura 4.4: Variacion del porcentaje asociado a la poblacion Pm2 en funcion del contenido deagua a 30oC

permanece estable hasta una temperatura crıtica, luego la estabilidad se pierde y las dosfases son divididas. La temperatura a la cual esto ocurre es crıtica, asegurando que laestructura se mantenga a temperatura ambiente y que el derretimiento se lleve a cabo enla boca, es decir a temperatura corporal. Estos factores juegan un importante rol en laaceptibilidad del producto [23].

Con el fin de obtener informacion acerca de la influencia de las grasas en la masa de ga-lletas, se midieron los tiempos de relajacion de la margarina utilizada en las preparacionesen el rango 30-110 oC.

En la figura 4.6 se muestra el perfil de T2 para 30, 110 y nuevamente 30 oC con el fin deobservar el cambio en la consistencia de la margarina debido a la variacion de temperatura.A 30 oC el perfil muestra principalmente dos distribuciones de T2, mientras que a 110 oCestas confluyen en una sola poblacion adquiriendo movilidad, lo que indicarıa que lamargarina se encuentra lıquida. Una vez que se volvio a la temperatura inicial, la muestrano presenta el mismo perfil debido al derretimiento de cristales que antes diferenciabanambas poblaciones. La figura 4.6 posibilita, a traves del seguimiento de la variacion delos tiempos de relajacion, determinar el rango de temperatura (40-50 oC) para el cual loscristales de la margarina se derriten y cambian su estructura.

Con el fin de corroborar este comportamiento, se compararon los resultados con me-diciones de reologıa realizadas para este trabajo por la Lic. Soledad Blanco (Institutode Ciencia y Tecnologıa de Alimentos Cordoba, CONICET-UNC), en donde se midio elcambio de los modulos elastico (G′) y viscoso (G′′) de la margarina en un rango de tem-peratura de 25-95 oC, esto da informacion acerca de las variaciones en la consistencia de

4.3. Variacion del contenido de grasa 29

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08 30ºC 110ºC 30ºC

T2(ms)

Margarina

Figura 4.5: Distribucion de T2 para margarina a tres temperaturas distintas

Temperatura T2m1[ms] T2m2[ms] T2m3[ms]

30oC 2.14 64.02 720.83110oC 4.75 47.31 820.2530oC 3.34 72.58 195.24

Tabla 4.2: Tiempos T2 para margarina para distintas temperaturas

la muestra a medida que se va fundiendo (capıtulo 6). La figura 4.7 muestra un intercam-bio en los modulos a 50 oC en donde la muestra se hace mas viscosa que elastica (G”>G’) y aproximadamente a 57 oC vuelve a ser mas elastica. Debido a que la margarinaesta compuesta por una mezcla de diferentes clases de cristales (trigliceridos), estas tem-peraturas pueden corresponderse a puntos de fusion de los distintos cristales presentes enla margarina.

4.3. Variacion del contenido de grasa

El papel de la grasa en la masa, es el de obstaculizar la hidratacion del harina ylubricar la estructura. Galletas con poco contenido de grasa dan como resultado galletasduras ya que el agua tiene mayor acceso a los componentes del harina y mayor contenidode agua es absorbido por el almidon Si la masa posee grasa suficiente, esta se distribuyeuniformemente generando una fase contınua, si en cambio, se disminuye notablemente su


20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

10

100

1000

Tm2

T2m3

T 2

Temperatura(ºC)

Margarina

Figura 4.6: Variacion de T2 de la margarina utilizada para las preparaciones en el rango 30-110oC

20 30 40 50 60 70 80 90 100 1101

10

100

1000

10000

100000 G' G''

Inte

nsid

ad G

' y G

''(u.a

)

Temperatura (ºC)

0

2

4

tan(

)

Figura 4.7: Variacion de los modulos elastico (G’) y viscoso (G”) y la tan(δ) de la margarinautilizada en las preparaciones, en el rango 30-110 oC

contenido, la grasa se dispersa formando partıculas aisladas sin conexion entre ellas [6].

4.3. Variacion del contenido de grasa 31

Para estudiar la distribucion de la grasa en la masa, se disminuyo su contenido enun 50%, generando una mayor proporcion de harina, agua y azucares. Las poblacionesasociadas a la FID indican un poco apreciable aumento del porcentaje de componentemoviles en la muestra G50 (figura 4.8). Si bien se ha reducido la cantidad de grasa,por unidad de volumen existe un mayor porcentaje de agua. Esto puede apreciarse masclaramente en la distribucion de poblaciones moviles determinada por una secuencia deCPMG como se muestra en la figura 4.9. El cambio en las poblaciones se detalla en latabla 4.4.

As1 39.33%

As2

17.41%

Am 43.26%

Distribución de movilidades FID Masa control - 30ºC

Masa G50 - 30ºCDistribución de movilidades FID

Am 46.07%

As1 37.42%

As2 16.51%

Figura 4.8: Distribucion de movilidad en la FID para la formula de control versus formulaG50.

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020 control con 7.74 % de humedad 50% menos de grasa

T2(ms)

Figura 4.9: Distribucion de T2 para masa con un 50% menos de grasa (G50)a 30oC versusmasa control con 7.74 % de humedad.


La poblacion asociada a Pm1 practicamente no sufre variacion, mientras que Pm2 au-menta su intensidad considerablemente. Esto esta de acuerdo con el comportamientoobservado al agregar la proporcion de agua en el sistema. Finalmente la poblacion 3(Pm3 + Pm3′) disminuye a casi el 50% tal como era de esperarse.

Formula Pm1[ms] Pm2[ms] Pm3′ [ms] Pm3[ms]

control 10,4 18,61 12,44 1,82G50 11,88 27,95 6,25

Tabla 4.3: Poblaciones de CPMG a 30oC para formula G50 versus masa control

Se preparo ademas una masa sin contenido de grasa, con un 15.6% de humedad, nofue posible mantener un porcentaje bajo similar a la masa de control (7.74%) debidoa la ausencia de lubricacion. En la figura 4.10 se muestra la distribucion de tiempos derelajacion y se compara con las formulas AG6 y AG8. Mientras que se mantiene el perfilde las dos primeras poblaciones, al no haber grasas Pm3′ y Pm3 cambian sustancialmente,surgiendo una poblacion de menor intensidad en este mismo rango de tiempo. Esta nuevapoblacion puede estar asociada al mayor contenido porcentual de azucar en la masa. Porotro lado se ha mostrado que al aumentar el porcentaje de agua puede aparecer unapoblacion con mayor movilidad [9].

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105-0,005

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

0,050

0,055

0% de grasa AG6 AG8

T2(ms)

Figura 4.10: Distribucion de tiempos T2 para masa con 0% de grasa en comparacion con lasformulas AG6 y AG8.

Es importante notar que si bien valores altos de T2 suelen asociarse inmediatamente a

4.4. Variacion del contenido de azucares 33

mayor movilidad, en el caso de las masas esto no necesariamente esta relacionado con dis-ponibilidad de agua. De hecho el agua disponible para la coccion parece estar concentradaen Pm1 y Pm2 como se ve en el siguiente capıtulo.

4.4. Variacion del contenido de azucares

La sacararosa presente en la masa brinda sabor, influencia las propiedades estructuralesy de textura y se le asigna generalmente la incorporacion de aire en la grasa durante lapreparacion de la masa.

Para estudiar la influencia del contenido azucar en la masa, se procedio de igual maneraque con el contenido de grasas, disminuyendo un 50 % los azucares (formula AZ50). Alquitar sacarosa, se produce una disminucion en la fase acuosa y se genera una masa conmayor viscoelasticidad. La funcion del azucar en la masa de las galletitas es proporcionarsuavidad, ya que absorbe agua, inhibiendo la formacion de gluten y disminuyendo lacohesion de la masa (Bure 1980; Maache-Rezzoug et al. 1998). Los porcentajes de laspoblaciones de la FID muestran un aumento de los protones asociados a As2, esto indicarıauna masa con menos humedad comparada con la masa control.

As1 39.33%

As2

17.41%

Am 43.26%

Distribución de movilidades FID Masa control - 30ºC

Am

As1

38,93%24,48%

36,58%

As2

Distribución de movilidadesMasa AZ50 - 30 ºC

Figura 4.11: Distribucion de movilidad en la FID para la formula de control versus formulaAZ50.

La distribucion de tiempos de relajacion asociados a las poblaciones moviles (CPMG)muestra un comportamiento que varıa sustancialmente con las formulas presentadas an-teriormente (figura 4.12). La mayor proporcion de agua presente hace que la movilidad dePm2 aumente, lo que concuerda con lo estudiado en la seccion (4.1), pero el contenido deazucar parece tener un efecto muy marcado en las poblaciones Pm3′ y Pm3. Debido a quelos azucares son mezclados con la margarina al momento de la preparacion de la masacreando una crema homogenea de margarina-agua-azucar, la disminucion en su contenidopuede afectar la forma en la cual se distribuye el agua en las grasas. Aun ası, se necesitaun mayor estudio para poder afirmar esto, variando gradualmente el contenido de azuca-res y/o mediante el estudio de sistemas modelos ya que el contenido de azucar influyefuertemente en la consistencia de la masa y en la distribucion de componentes.


10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0,000

0,005

0,010

0,015 masa control 7.74 % agua AZ50

T2(ms)

Figura 4.12: Distribucion de T2 para masa con un 50% menos de azucar (AZ50) a 30oC versusmasa control con 7.74 % de humedad

Formula Pm1[ms] Pm2[ms] Pm3′ [ms] Pm3[ms]

control 10,4 18,61 12,44 1,82AZ50 13.89 15.70 9.28

Tabla 4.4: Poblaciones de CPMG a 30oC para formula AZ50 versus masa control

4.4.1. Incorporacion de fibras alimentarias

Como ultima implementacion, se estudio el agregado de fibras nutricionales en lamasa de galletas: Inulina y fibra insoluble de avena. La incorporacion de fibra inulinaa la preparacion es de especial interes ya que es comunmente utilizada como sustitutode grasas y modificador de textura en una gran variedad de alimentos como productossimilares a la manteca, quesos crema, postres congelados, productos de carne, salsas ysopas [6]. El uso en productos con bajo contenido graso se debe a que contribuye a unaumento en la sensacion de textura y sabor en la boca, donde este comportamiento pareceestar ligado al grado de polimerizacion de la fibra [24].

La inulina es un polisacarido con interesantes propiedades funcionales y probioticas yes derivada de la raız de la chicoria, ajo, trigo y bananas. Quımicamente esta formadapor una molecula de sacarosa a la que se unen sucesivas moleculas de fructosa por enlacesβ2 − 1 o β2 − 6. Preparaciones comerciales de inulina contienen polımeros con diferentegrado de polimerizacion (DP entre 2-60), donde en este trabajo se tiene un grado de


polimerizacion >23.El comportamiento de los distintos tipos de fibras en relacion al agua es muy diverso

y depende de muchos factores, entre ellos la estructura de la cadena de polımeros segunesta sea lineal o mas o menos ramificada, los tipos de enlace entre las cadenas polimericas,etc. Eso hace que se hable de fibras solubles (inulina por ejemplo) o insolubles (la fibra deavena por ejemplo) las cuales se comportan de manera distinta en relacion al agua. Comoes de esperarse, la capacidad de las fibras solubles para retener agua es muy grande encomparacion con las insolubles.

En la tabla 4.5 se detallan los porcentajes asociados a las poblaciones de la FID para lasformulas IN12 y FA12 y se compara con la formula de control a 30oC. Se puede observar unaumento en la fraccion movil de las masas con reemplazo de fibras. Sin embargo debido alerror asociado del 11% en las preparaciones, no es posible obtener informacion apreciablede estos resultados.

IN12 [%] Control [%] FA12 [%]

As1 35.85 39.33 37.79As2 15.16 17.41 17.77Am 48.99 43.26 47.45

Tabla 4.5: Poblaciones FID para las formulas IN12, FA12 y control a 30oC

Por otra parte, en la figura 4.13 se muestra el perfil de T2 para la formula IN12. Enprimer lugar puede observarse que T2m2 disminuye y aumenta su poblacion de 18.6 %(control) a 20.8% (Tabla 4.6), esto puede relacionarse a la propiedad de las fibras deabsorber agua, es decir que al incorporar inulina existe mas agua ligada a las proteinas.Esto genera una disminucion en la movilidad del agua y un aumento para la su poblacioncorrespondiente (Pm2). Un comportamiento similar se presenta para la formula FA12, enla cual se reemplaza 12% de harina por fibra de avena 4.14.

Nuevamente hay que recordar que la amplitud de la transformada inversa de Laplacepuede resultar enganosa y hay que refererirse a la Tabla 4.6 para la referencia exacta dela distribucion de poblaciones.

Formula Pm1[ %] Pm2[ %] Pm3′ [ %] Pm3[ %]

IN12 11.46 20.82 12.51 4.19Control 11.96 18.38 14.11 2.5FA12 11.13 22.18 10.96 3.18

Tabla 4.6: Poblaciones moviles para las formulas IN12, FA12 y control a 30oC

Los resultados obtenidos muestran que la tecnica implementada es capaz de percibirlos cambios en los tiempos de relajacion T2 debido a la absorcion de agua por parte las


10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020 IN12 BIS CONTROL 8% AGUA

T2(ms)

100 pts

Figura 4.13: Distribucion de T2 para formula IN12 a 30oC versus formula de control

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

FA12 Control

T2(ms)

Figura 4.14: Distribucion de T2 para formula FA12 a 30oC versus formula de control

fibras, tanto de avena como tambien de inulina (figura 4.15). En particular la figura 4.15muestra como la poblacion de Pm2 aumenta con la incorporacion de fibras mientras que lamovilidad asociada (T2m2) disminuye. La textura de las masas IN12 y FA12 es mas dura yseca al tacto, sin embargo en el capıtulo siguiente se muestra que esto no necesariamente


redunda en una galleta mas dura luego del horneado.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Control FA12

T2m2

Pm2

IN12

Figura 4.15: Cambios en la movilidad y en la poblacion de Pm2


Capıtulo 5

Caracterizacion del proceso decoccion

Las reacciones bioquımicas y fısicoquımicas presentes en la masa de galletas duranteel proceso de coccion son muy complejas. Entre ellas se encuentra la desnaturalizacion deproteınas, perdida de la estructura de los granulos de almidon, fundicion de grasa, reac-ciones de Maillard, expansion de la masa debido a evaporacion de agua y produccion yexpansion termica de gases. La expansion, la cual es relevante en la formacion de textura,es limitada por las propiedades reologicas de la masa, las que dependen del comporta-miento y de las interacciones entre sus componentes, y por la solubilidad de los gases enla fase continua [5].

En este capıtulo se estudio el comportamiento en la masa control en funcion de la tem-peratura y se comparo con las formulas G50, IN12 y FA12. Como se describe en detalleen el capıtulo siguiente, la incorporacion de fibras suele generar una serie de inconvenien-tes tecnologicos en la elaboracion de los productos, y en algunos casos, una perdida deaceptabilidad de los alimentos. Sin embargo estudios reologicos realizados sobre la mis-ma preparacion utilizada en este trabajo, han concluido que la adicion de inulina mejoranotablemente la calidad de las galletas, simulando el comportamiento de una masa conun mayor contenido de grasas, mientras que la incorporacion de otras fibras, como fibrainsoluble de avena (formula FA12), dan como resultado galletas duras y de menor calidad.Por otro lado la reduccion de grasas en un 50% resulta en una galleta de menor calidad,es decir de una expansion menor y de mayor firmeza. Basandose en esta informacion, seprocedio a estudiar si la tecnica de RMN es capaz de identificar estos cambios reologicosen la masa.

Se vario la temperatura en un rango 30-110 oC midiendo FIDs y CPMGs cada 10 oC.Como tambien es de interes la estructura de la galleta una vez cocida se enfrio el sistemanuevamente a 30oC y se observaron los cambios producidos.

Para cada temperatura, las poblaciones As1,s2,m fueron normalizadas a la intensidadde la FID, la cual va disminuyendo debido a la evaporacion de agua durante la coccion.De la misma manera, las poblaciones moviles asociadas a los tiempos T2 de la secuenciaCPMG fueron normalizados a la fraccion movil de la masa para cada temperatura.

40 5. Caracterizacion del proceso de coccion

Las diferentes poblaciones asociadas a la FID en funcion de la temperatura se muestranen la figura 5.1 para la formula de control. En el rango de 30-60 oC las poblaciones Am y As2

aumentan a expensas de As1 indicando el lubricamiento del sistema debido a la fundicionde la materia grasa. Luego a 60 oC la poblacion Pm decae abruptamente, coincidiendocon un aumento proporcional de la poblacion solida, que permanece hasta el final delproceso. Esta temperatura coincide con el momento en el cual comienza la expansion delas galletas en el horno y se desarrolla el proceso de coccion.

20 40 60 80 100 120

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

FID As1

As2

Amovil

Inte

nsida

d (u

.a)

Temperatura (ºC)

Figura 5.1: Poblaciones de la FID de masa control en funcion de la temperatura, todas laspoblaciones se encuentran normalizadas a la intensidad de la FID durante el proceso de coccion

Como se vio en la figura 5.1, la poblacion movil disminuye con la temperatura, res-pondiendo a la coccion de la masa y por lo tanto a un cambio en la estructura del sistema,mediante las poblaciones de la CPMG es posible conocer como varıa la distribucion delporcentaje movil durante la coccion.

En la figura 5.2 se muestra el perfil de distribuciones de T2 a 30,110 oC y nuevamentea 30 oC luego de ser enfriada. Un seguimiento del cambio en las movilidades puede verseen la figura 5.3. Las poblaciones Pm3′ y Pm3 muestran un comportamiento similar al de lostiempos T2 observados en la margarina en funcion de la temperatura (figura 4.6), dondeambas poblaciones se unen a 50 oC. Esto, junto a los resultados obtenidos en la variaciondel porcentaje de grasa, nos dice que estas poblaciones responden a los cambios en lamateria grasa del sistema.

La figura 5.2 indica que la segunda poblacion movil (Pm2) es la mas afectada durantela coccion ya que su intensidad no solo disminuye sino que la distribucion en T2 cambianotablemente. Por otro lado Pm1 tan solo varıa su intensidad. La segunda poblacion movilse divide en una poblacion de menor y otra de mayor movilidad a los 60oC, esto indica la

41

division de dos fases que puede estar relacionada a los cambios quımicos que tienen lugaren la coccion.

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020 30 ºC 110 ºC 30 (cocida) ºC

T2(ms)

Figura 5.2: Perfil de T2 para masa control a 30,110 oC y a 30 oC luego de la coccion

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1

10

10013.2 %

2.8 %

Pm2

Pm1

Pm31.8 %

12.4 %

18.6 %

5.3 %

11.9 %

T2

(ms)

Temperatura(ºC)

10.4 %

Figura 5.3: Distribucion de T2 para masa control en funcion de la temperatura. Los porcentajesindican los porcentajes asociados a cada poblacion a una temperatura determinada


20 40 60 80 100 1200.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Amovil

Pm1

Pm2

Pm3

Inte

nsid

ad (u

.a)

Temperatura (ºC)

Figura 5.4: Poblaciones asociadas a tiempos de relajacion T2 en funcion de la temperatura

En el grafico 5.5 se observa claramente el cambio tanto en la intensidad de la FIDdebido a la evaporacion de agua como tambien en el porcentaje movil a 30-110-30 oC.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Intensidad FID A

s1

As2

Am

Am

As2

As1

30 ºC30 ºC 110 ºC

Int. FID

Figura 5.5: Poblaciones FID para 30-110-30 oC

Como una de las variables importantes a durante el proceso de coccion es la lubricacion

43

del sistema, se realizo el mismo experimento para la formula G50. En la figura 5.6 secomparan la distribucion de tiempos de relajacion con los de la masa control. Como sevio en la seccion anterior, al disminuir el contenido de grasa del sistema, Pm2 crece debido auna mayor cantidad de agua externa a los granulos de almidon. Muchos autores relacionanuna mayor expansion de la galleta a un alto contenido de grasas, esto es debido al aumentode la movilidad en el sistema cuando la grasa funde durante la coccion. Mayores contenidosde grasa llevan a una mayor fase de aceite durante la coccion, aumentando la movilidaddel sistema, y por lo tanto en una mayor expansion de la galleta [25]. Los resultadosobtenidos (figura 5.6) muestran un comportamiento similar de las poblaciones Pm1. En laevoulucion de Pm3 no es posible observar el proceso de fusion de los cristales de margarina.Esto se debe principalmente a que la escasa poblacion de la grasa no permite una correctadeconvolucion de los datos.

La prinicipal diferencia con la masa control es el cambio de comportamiento en Pm2.Esto parece indicar que el proceso relacionado con el cambio de movilidades en Pm2 a60oC contribuye a la posibilidad de la galleta de expandirse, y resulta en un productofinal mas blando.

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1

10

10010..3 %

20..5 %

11.6 %

11.8 %

28.9 %Pm2

Pm1

Pm3

T 2 (ms)

Temperatura(ºC)

5.4 %

Figura 5.6: Distribucion de T2 para formula G50 en funcion de la temperatura, en lınea pun-teada corresponde a la formula de control. Los porcentajes indican los porcentajes asociados acada poblacion a una temperatura determinada

5.0.2. Influencia de la incorporacion de fibras

Con respecto a la incorporacion de fibras a la preparacion, no se observo un cambionotable en la variacion de las poblaciones de la FID en funcion de la temperatura en


20 40 60 80 100 1200.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Amovil

Pm1

Pm2

Pm3

Inte

nsid

ad (u

.a)

Temperatura (ºC)

Figura 5.7: Poblaciones asociadas a tiempos de relajacion T2 en funcion de la temperatura paraformula G50

relacion a la distribucion para la masa control. La distribucion de T2 en funcion de latemperatura para la formula IN12 se muestra en la figura 5.8, en donde en lınea punteadase compara con la formula de control. Sabiendo que el rango donde hay cambios debidoa la expansion de la galleta se encuentra antes de los 70 oC se agrego mayor cantidad depuntos en este rango y luego se midio para la temperatura final (110 oC).

El comportamiento entre los 70-110 oC muestra una tendencia muy similar a la masacontrol, sin embargo la division de la segunda poblacion movil se da a una temperaturamenor (50 oC). Esto puede deberse a la alta solubilidad de la inulina en agua (Tabla 5.1),lo que produce un aumento de la fase acuosa.

Por otro lado durante la coccion se lleva a cabo el proceso de desnaturalizacion de lasproteınas presentes en la masa. Durante este proceso las mismas cambian su estructuray al plegarse y/o romperse, liberan el exceso de agua del sistema. Este fenomeno ademasdepende fuertemente de la temperatura. Adicionalmente puede estar relacionado con elporcentaje de agua de manera similar a las transiciones vıtreas (Tg) [5].

Tambien se estudio la incorporacion de fibra de avena a la preparacion. La distribucionde tiempos de T2 (figura 5.9) para la fibra de avena posee un comportamiento similarmostrando un aumento de la poblacion Pm2 debido a la absorcion de agua, mientras quela separacion de la segunda poblacion movil ocurre para una temperatura aun mayor ala de control, a los 70oC. Como se explico anteriormente las galletas obtenidas con estaformula mostraron una disminucion en la expansion durante el horneado.

45

Agua retenida Solidos solubilizados(g de agua/g solidos secos) (g solidos solubles/100 g de muestra)

Harina de trigo 1.25±0.02 8.82±0.77IN 3.75±0.11 60.10±0.52FA 2.94±0.10 1.46±0.02

Tabla 5.1: Capacidad de retencion de Agua en fibras analizadas. Datos cedidos por Lic. SoledadBlanco

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1

10

100

7.9 %

12.5 %

15.8 %

6.5 %

5.5 %11.5 %

20.8 %

Pm2

Pm1

Pm3

T 2 (ms)

Temperatura(ºC)

4.2 %

Figura 5.8: Distribucion de T2 para formula IN12 en funcion de la temperatura, en lıneapunteada se compara con la formula de control

5.0.3. Comentarios.

De los procesos de coccion de las cuatro formulas seleccionadas (Control, G50, IN12 yFA12) puede observarse que la mayor diferencia se produce en la temperatura en la cualPm2 se divide en dos poblaciones. Este comportamiento se compara con la expansion delas galletas durante el horneado medidas por Lic. Soledad Blanco (Instituto de Ciencia yTecnologıa de Alimentos Cordoba CONICET-UNC). Las tecnicas utilizadas se detallanen el siguiente capıtulo.

En la figura 5.10a) se muestran las temperaturas en las cuales Pm2 se divide para cadamuestra. Esta temperatura es inversamente proporcional a la temperatura de maximaexpansion determinada por la licenciada Soledad Blanco en un experimento de tomade imagenes, durante el horneado de galletas en un horno convencional. Es decir que


20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

1

10

10011.0 %

16.0 %

15.0 %

8.7 %11.1 %

22.18 %Pm2

Pm1

Pm3

T2

(ms)

Temperatura(ºC)

3.2 %

Figura 5.9: Distribucion de T2 para formula FA12 en funcion de la temperatura, en lıneapunteada se compara con la formula de control

disponer de componentes de mayor movilidad a menores tiempos en el proceso de coccion,posibilitarıa que el proceso de expansion de las galletas se prolongara hasta temperaturasmas altas (5.10b)). El aumento maximo en el diametro se pueden observar en la figura5.10c).

Esto ademas podrıa relacionarse a la diferencia en el grado de solubilidad y absorcionque poseen el harina y las fibras utilizadas en este trabajo (Tabla 5.1) donde se puede verque la inulina es altamente soluble. Este hecho podrıa ser el responsable de los grandescambios en la viscoelasticidad de la masa durante la coccion en la formula IN12.

47

a)

IN12 Control FA120

20

40

60

Tem

pera

tura

(ºC

)

b)

IN12 Control FA120

20

40

60

80

100

Tem

pera

tura

(ºC

)

c)

IN12 Control FA120.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Expa

nsió

n en

diá

met

ro (c

m)

Figura 5.10: a) Temperatura a la cual se divide la poblacion Pm2 b) temperatura y c) diametrode maxima expansion durante el horneado para las formulas IN12, Control y FA12


Capıtulo 6

Diferentes tecnicas en el estudio delsistema

El estudio de masas de galletas forma parte de la tesis doctoral de la Lic. SoledadBlanco (Instituto de Ciencia y Tecnologıa de Alimentos Cordoba CONICET-UNC). Seanalizan las propiedades fısico-quımicas, reologicas y estructurales de las masas de ga-lletitas y los cambios producidos en dichas propiedades durante el proceso de coccion.Ademas se determinan factores de calidad en galletas ya horneadas, mediante la medicionde caracterısticas como color, firmeza, estructura e irregularidad superficial.

A continuacion se da un breve resumen de las diferentes tecnicas de medicion.

Mediciones reologicas

Los materiales viscoelasticos se caracterizan por dar una respuesta elastica y viscosaante la aplicacion de esfuerzo o deformacion. Con el fin de separar dichos efectos, serealizan mediciones dinamicas: la muestra es puesta entre platos paralelos, y uno de elloses hecho oscilar a una determinada frecuencia ω, donde el esfuerzo y la deformacionaplicada a su vez oscila a dicha frecuencia, de la forma:

Esfuerzo : ϵ = ϵ0sen(tω)

Deformacion : σ = σ0sen(tω + δ)

donde ω es la frecuencia de oscilacion y δ es el angulo de desfasaje entre el esfuerzo ydeformacion aplicados.

Las propiedades reologicas dinamicas de las masas son determinadas utilizando unreometro dinamico (AntonPaar, Alemania). De esta forma se puede obtener informacionacerca de la energıa almacenada representada por el modulo elastico G’ y de la energıadisipada como calor, representada por el modulo viscoso G”. A su vez es posible medir elangulo de desfasaje entre ellos (tan(δ)).

50 6. Diferentes tecnicas en el estudio del sistema

G′ =σ0

ϵ0cos(δ)

G′′ =σ0

ϵ0sen(δ)

Se realizan barridos de frecuencia (0,01 - 20 Hz) a temperatura (25oC) y deformacionconstante (0.05%) (rango de viscoelasticidad lineal) y a continuacion barridos de tem-peratura desde 25 hasta 100 oC a frecuencia constante (10 Hz) y deformacion constante(0.05%) para analizar el comportamiento viscoelastico de las masas.

Medicion de diametro y expansion

Una galletita se considera de buena calidad cuando las piezas son de gran diametro. Lacalidad de galletas producidas es determinada mediante el factor galletita (FG), obtenidode la relacion entre el diametro y la altura de cuatro galletitas orientadas al azar [9].

Como se explico en capıtulos anteriores, durante la coccion debido a la fundicion degrasas y la disolucion de los azucares presentes en la masa, se produce la expansion de laspiezas de galletas. El rango de temperatura en cual se produce este fenomeno puede serdeterminado mediante imagenes tomadas durante el horneado, como tambien el coeficientede expansion en funcion de la temperatura. Al mismo tiempo, se toma la temperatura enel centro de la galleta durante todo el proceso.

Determinacion de firmeza y textura

La textura es una sensacion subjetiva provocada por el comportamiento mecanico yreologico del alimento durante la masticada y la deglucion. La textura de los alimentosse halla principalmente determinada por el contenido en agua y grasa y por los tipos yproporciones relativas de algunas proteınas y carbohidratos estructurales. Los cambios enla textura estan producidos por la perdida de agua o grasa, la formacion o rotura de lasemulsiones, la hidrolisis de los carbohidratos polimericos y la coagulacion o hidrolisis delas proteınas.

La dureza de las galletas es determinada mediante un texturometro INSTRON (Uni-versal Testing Machine, modelo 3342, EUA) el cual consta de una una barra y soportesparalelos en donde se apoya el producto. La barra es desplazada verticalmente ejerciendouna fuerza de compresion hasta producir un quiebre en la estructura del producto. Losresultados de las experiencias instrumentales se expresan mediante graficos de fuerza vs.deformacion. Los valores de fuerza maxima se relacionan con la dureza de las galletitas.

Determinacion de estructura superficial

Las galletitas dulces tienen como requisito de calidad, ademas de piezas de gran diame-tro, un alto grado y un patron uniforme de agrietamiento en la superficie. La estructurasuperficial de las galletas se evalua a traves de analisis de imagen. Las galletitas son esca-neadas con un escaner fotografico (HP Scanjet G3010, EUA). El analisis de las imagenes

51

permite obtener la fraccion de Area (FA) que corresponde a una grieta en la superficiede la galletita. La irregularidad superficial de las galletas es caracterizada a traves dela dimension fractal de la textura superficial (D), este parametro es una medida de lacomplejidad de la textura y es relevante cuando las dimensiones euclidianas tales comodiametro y longitud no son buenos descriptores de la complejidad.

Determinacion de color

Muchos de los pigmentos naturales de los alimentos se destruyen durante el tratamientotermico, por transformaciones quımicas que tienen lugar como consecuencia de cambiosen el pH, o por oxidaciones durante el almacenamiento. Como consecuencia de ello, elalimento elaborado pierde su color caracterıstico y por tanto, parte de su valor. Lospigmentos sinteticos son mas estables, por lo que a menudo se agregan al alimento antes dela elaboracion. En las galletas, la determinacion del color superficial se realiza mediante lautilizacion de un espectrofotametro de reflectancia (CM-700d/600d KONICA MINOLTA,Ramsey, EUA).

52 6. Diferentes tecnicas en el estudio del sistema

Capıtulo 7

Conclusiones y perspectivas

Se estudiaron las masas de galletitas de la formula de control y las variaciones reali-zadas (AG4-12, AZ50, G50, IN12 y FA12) por medio de experimentos de relajacion deRMN (FID y CPMG). Se identificaron rangos de tiempos para las distintas componentesy variaciones en las poblaciones de cada una.

Posteriormente se evaluo el comportamiento del sistema ante la sustitucion de unabajo porcentaje de harina por fibras dieteticas, en particular de Inulina y fibra de avena.Se determino que en la masa a temperatura ambiente estas absorben agua (aumento enPm2) y disminuyen su movilidad, lo que tambien se pudo observar al tacto al momento dela preparacion. Por otra parte, se monitoreo el proceso de coccion para la masa control,G50, IN12 y FA12, en donde se encontro que la poblacion correspondiente al agua masmovil sufre un cambio de movilidad entre los 50-70oC para las variaciones analizadas.Este fenomeno podrıa estar relacionado con la desnaturalizacion de las proteınas durantela coccion y a la diferencia en el grado de solubilidad y absorcion que poseen el harina ylas fibras utilizadas en este trabajo.

Corroborar estas hipotesis serıa de gran importancia para los estudios que se vienenrealizando en el area de la UNC. Desde el punto de vista de la espectroscopıa por RMN,este es un problema extremadamente complejo. Aun no se cuenta en el paıs con equipa-miento capaz de realizar espectroscopıa de alta resolucion en proteınas en estado solido.

Un primer paso es el de estudiar las propiedades de mezclas de fibra con agua enfuncion de la concentracion por DSC.

54 7. Conclusiones y perspectivas

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Documents

Estudio de incorporación de fibras en galletas por RMN Mar´ıa