Embed Size (px)
Citation preview
RESPIRACIÓN E INTERCAMBIO DE GASES EN ENVASES DE ATMOSFERA MODIFICADA (MAP)
Ing. Agro. Gerardo Díaz Romeo
1. INTRODUCCIÓN Este informe desarrolla los conceptos básicos que deben manejarse en el
empaque de frutas en envases de atmósfera modificada (MAP, por sus
siglas en inglés) y forma parte del estudio que efectuáramos durante el
2006, en el marco de la investigación para extender la vida poscosecha de
los melones de exportación, en Panamá.
La respiración suele describirse como un conjunto de reacciones en las
cuales los azúcares sintetizados en la fotosíntesis, y en menor medida los
ácidos grasos y las proteínas, son oxidados a dióxido de carbono (CO2) y
agua, liberando energía que es almacenada principalmente como ATP.
El fenómeno respiratorio celular ha tenido una importancia sin igual en la
configuración de la vida tal como hoy la conocemos. La respiración se
produce en el interior de la
doble membrana de las
mitocondrias alojadas en el
citoplasma celular. Las
mitocondrias son las usinas
generadoras de energía (y
también de los nocivos
radicales libres) de las células
eucariotas. Lynn Margulis, del Instituto Tecnológico de Massachussets,
propuso en 1980 la teoría de la endosimbiosis para explicar el origen de las
mitocondrias y cloroplastos. Hoy se considera un hecho probado que, en
algún momento, hace 700 a 1500 millones años, un procariota grande, o
quizás un primitivo eucariota, fagocitó o rodeo a una pequeña bacteria
(procariota).
Figura 1: Esquema de la endosimbiosis. Tomado de la Universidad Nacional del Nordeste, Argentina
Ambos organismos iniciaron una simbiosis en el cual el organismo grande
obtuvo un excedente de ATP y a cambio la "proto-mitocondria"
endosimbionte recibió un medio ambiente estable y material nutritivo.
Con el tiempo esta unión se convirtió en algo tan estrecho que las células
eucariotas heterotróficas no pueden sobrevivir sin mitocondrias ni los
eucariotas fotosintéticos sin cloroplastos. La membrana que rodea al
protoplasto del eucariota no dispone de los componentes de la cadena de
transporte de electrones, y el endosimbionte no puede sobrevivir fuera de
la célula huésped.
La obtención de esta usina respiratoria interna, que conocemos como
mitocondria, fue lo que permitió el desarrollo de los agrupamientos
policelulares que derivaron en la especialización de los tejidos y órganos, y
culminaron con la aparición de los vegetales y animales superiores.
También fue el origen del envejecimiento y la muerte.
2. VÍAS METABÓLICAS DE LA RESPIRACIÓN
La respiración es manejada por un elaborado sistema de control
retroalimentado que coordina la glucólisis, la vía de oxidación de las
pentosas fosfato, el Ciclo de Krebs y la cadena de transporte electrónico.
En la glucólisis los monosacáridos de 6 carbonos obtenidos en la
degradación de las sustancias de reserva (almidón y sacarosa) son
convertidos en ác. pirúvico (tres carbonos) y málico (4 carbonos).
El ác. pirúvico es el principal sustrato del Ciclo de Krebs, el cual cumple con
dos funciones principales : sintetizar NADH y la formación de los
precursores de los aminoácidos. En el ciclo de Krebs (o de los ác.
tricarboxílicos) una molécula de ác. pirúvico se convierte en tres moléculas
de CO2, 4 moléculas de NADH y una molécula de ATP.
La cadena de transporte electrónico tiene como principal función convertir el
poder reductor del NADH en energía (ATP) utilizable para las diversas
necesidades celulares. El proceso se realiza por las proteínas redox, en el
interior de la membrana mitocondrial, que traslocan protones (H+) al
espacio externo. En los vegetales existen 2 vías terminales de oxidación:
la vía citocrómica y la llamada vía alternativa. La vía citocrómica comprende
al complejo citocromo b/c1 (complejo III) y al complejo citocromo c oxidasa
(complejo IV). La molécula de oxígeno es adsorbida en los sitios activos del
complejo citocromo c oxidasa, reduciéndose para formar 2 moléculas de
agua. La energía asociada al transporte de protones hacia el exterior de la
membrana es aprovechada para formar ATP. En cambio en la vía
alternativa no hay transporte de protones hacia el exterior de la membrana
mitocondrial y la energía se pierde como calor.
En resumen: “los flujos metabólicos que convergen en la mitocondria para la
síntesis de ATP, dan pie a la emisión de dióxido de carbono (CO2),
consumo de oxígeno (O2), además de producir agua y calor”1.
3. SUSTRATO Y COEFICIENTE RESPIRATORIO (RQ)
La cantidad de CO2 producido en relación al O2 consumido es un indicador
del tipo de sustrato oxidado en el proceso respiratorio. Tal indicador se
conoce con el nombre de Coeficiente Respiratorio (RQ).
El RQ se puede calcular como el cociente entre el CO2 producido (p.ej. en
ml ) y el O2 consumido.
Cuando el sustrato es la glucosa y se produce la oxidación completa de la
misma, RQ vale 1, tal como se observa en la siguiente ecuación:
C6H1206 + 6O2 6CO2 + 6H2O + ENERGÍA (Oxidación de la Glucosa)
RQ = 6CO2/6O2 = 1.0
Sin embargo la glucosa no es el único sustrato respiratorio. Las vacuolas de
las frutas contienen grandes cantidades de ác. orgánicos que pueden ser
1 Miquel Ribas-Carbó, Miquel A. González, “ Fisiología de la respiración de las plantas”, p. 217-233,
Fundamentos de Fisiología Vegetal, Mc Graw Hill, 2000.
utilizados a nivel de las mitocondrias en el ciclo de Krebs. En este caso el
RQ tendrá un valor mayor que 1 puesto que el grado de oxidación de estos
compuestos es mayor que el de los azúcares.
C4H6O5 +3O2 4CO2 + 3H2O (Oxidación del malato)
RQ = 4CO2/3O2 = 1.3
Los ácidos grasos de cadena larga como el esteárico o el oleico tienen
menos átomos de oxígeno por átomo de carbono que los azúcares por lo
que el RQ es menor a 1.
C18H34O2 +25.5O2 18CO2 + 17H2O (Oxidación del oleico)
RQ = 18CO2/25.5O2 = 0.7
4. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES DE LA RESPIRACIÓN
El oxígeno es un gas inodoro, insípido e incoloro. Su peso molecular es de
32 uma. Su densidad es 1.428 g/l a TPE2. Su punto de fusión es de 50.35
K y el de ebullición de 90.18 K. La molécula de oxígeno es biatómica, es
decir está compuesta por dos átomos de oxígeno, aunque también existe la
molécula triatómica del ozono. Su concentración en el aire es de 20.9%
en volumen.
El oxígeno posee, como ya vimos, una gran importancia pues es usado
tanto por los tejidos vegetales para oxidar los sustratos de reserva y generar
energía, como por los microorganismos aeróbicos que provocan
pudriciones. Por esta razón en el envasado de atmósfera modificada se
busca reducir su concentración, sin llegar a la anaerobiosis que podría
provocar reacciones fermentativas. Según Trevor Suslow et al, de la UC
Davis, los efectos de la modificación de la atmósfera de empaque en los
melones se manifiestan en un retraso de la maduración, una reducción de
2 TPE (STP en inglés) = temperatura y presión estándar, 0ºC, 1 atm. de presión, 1 mol de un gas ideal en
estas condiciones ocupa 22.4 litros.
la respiración y la inhibición de mohos y pudriciones. Para estos autores, la
concentración de O2 más adecuada para un empaque de mayor duración
es de 3% de O2. Concentraciones menores al 1% son consideradas
peligrosas3. Nazir Mir y Randolph Beaudry de la Universidad de Michigan
recomiendan valores similares a los expuestos por Suslow y otros autores
señalan que los valores ideales podrían ubicarse entre 3 y 5%
El anhídrido carbónico es un gas incoloro compuesto por dos átomos de
oxígeno y uno de carbono. Su peso molecular es de 44 uma, sublima a -
78ºC y se licúa bajo grandes presiones a -57ºC. Su densidad es de 1.96 g/l
a 0ºC y 1 atm de presión. Es altamente soluble en agua. A TPE su
solubilidad es máxima (77mmol/kg de agua).
La solubilidad del CO2 en los sistemas acuosos desciende al
incrementarse la temperatura. Su concentración en la atmósfera es
pequeña, no mayor a un 0.04%.
El dióxido de carbono posee un fuerte efecto inhibidor del crecimiento
microbiano y aunque no debe ser confundido con un bactericida o
fungicida, posee propiedades fungistáticas y bacteriostáticas que provocan
una extensión de la fase lag de desarrollo y una reducción de la fase
logarítmica de crecimiento. Es particularmente efectivo contra bacterias
aeróbicas gram-negativas como las Pseudomonas. Su efecto inhibidor se
incrementa a bajas temperaturas debido al aumento de la solubilidad
señalado.
Las causas por las que el CO2 inhibe el desarrollo microbiano aún no están
totalmente claras. Daniels et al 4 resumen las teorías al respecto en:
a) alteración de las funciones de membrana de las células, incluyendo
efectos sobre la nutrición y absorción;
b) inhibición de enzimas o reducción de las tasas de reacción enzimática;
3 Trevor Suslow et al, Postharvest Technology : Melon Cantaloupe, and Honey Dew. UC Davis
4 Daniels, J.A., Krishnamaurthy R y Rizvi s, 1985, A Review of effects of CO2 on Microbial Growth and
food Quality.
c) penetración de las membranas bacteriales y cambios en el pH
intercelular;
d) cambios en las propiedades físico-químicas de las proteínas.
La concentración recomendada por Suslow et al. en envases MAP es del
10%. Concentraciones mayores al 20% pueden ocasionar efervescencia de
la pulpa y sabores carbonatados.
5. DINAMICA DE LOS GASES EN EL EMPAQUE
La película de la bolsa es una barrera permeable al intercambio con el
ambiente externo que posibilita que las frutas modifiquen la atmósfera como
consecuencia natural de la respiración y la transpiración. La reducción de
los niveles de O2 e incremento de los de CO2, etileno y vapor de agua,
disparan una respuesta de autorregulación que enlentece los procesos
respiratorios y transpiratorios que los originaron.
De esta forma se crea un equilibrio dinámico regulado por las
concentraciones diferenciales de los gases, las características de las
películas empleadas y del producto empacado, las variables físicas, etc….
Si los melones se almacenan en una bolsa de película muy poco
permeable, los niveles de oxígeno en el interior podrían caer hasta generar
condiciones de anaerobiosis y los de CO2 y vapor de agua exceder los
recomendables generando malos sabores y condensación. Si por el
contrario la película fuera excesivamente permeable, no se generaría una
modificación importante en la atmósfera de empaque.
Para tratar de entender este difícil equilibrio se han propuesto numerosos
modelos matemáticos con diverso grado de complejidad, como los de
Rijgersberg et al, Makino Yoshio, Enrique Fuentes et al, Cazier o Cedeño et
al 5. La mayor parte de estos modelos parten de las leyes de difusión de los
5 Cazier, J. Baptiste. Mathematical modeling of gas exchanges in film wrapped cucumbers. Swedish
University of Agricultural Sciences.
Rijgersberg H, Top J. An engineering model of modified atmosphere packaging for vegetables.
Mathematics & Computer Science, Amsterdam.
gases de Fick y la cinética de Michaelis y Menten, e introducen el efecto de
activación de la temperatura de Arrhenius.
La permeabilidad es la propiedad de las membranas (películas plásticas en
el caso de los empaques MAP) de permitir el paso de fluidos, ya sean
gases, vapores o líquidos a través de su estructura molecular sin alterarla.
Es un fenómeno intramolecular que implica un proceso de difusión, es
decir, el gas, vapor o líquido se disuelve en el material de la membrana y de
allí se desplaza a lugares de menor concentración.
Valores de permeabilidad y difusión de diferentes materiales
Condiciones Experimentales
Temperatura: 25 º Celsius (298 Kelvin) 1 Bar 1
Presión:
Actividad permeante
Polímero Gas Solubilidad Difusividad Permeabilidad**
[-] [-] m3 stp / m3
x bar m2 / s
[m3 stp / m3 x bar] x [m2/s]
gram / m s
PET (Poli-Etilen- Tereftalato)
CO2 1.4 5.4 E-14 7.6 E-14 1.5 E-10
O2 0.091 5.6 E-13 5.1 E-14 7.2 E-11
N2 0.032 1.4 E-13 3.6 E-15 4.4 E-12
PP (Poli-Propileno)
CO2 0.17 1.4 E-11 2.4 E-12 4.7 E-9
O2 0.029 2.5 E-11 7.4 E-13 1.0 E-9
N2 0.17 1.1 E-12 1.9 E-13 2.3 E-10
HDPE (Polietileno de Alta
Densidad)
CO2 0.29 1.2 E-11 3.5 E-12 6.8 E-9
O2 0.046 1.7 E-11 7.8 E-13 1.1 E-9
N2 0.025 9.3 E-12 2.3 E-13 2.8 E-10
LDPE (Polietileno de Baja Densidad)
CO2 0.25 3.7E-11 9.4 E-12 1.8 E-8
O2 0.050 4.6 E-11 2.3 E-12 3.2 E-9
N2 0.021 3.2 E-11 6.4 E-13 7.9 E-10
PC (Poli Carbonato)
CO2 5.0 9.6 E-13 4.8 E-12 9.3 E-9
O2 0.36 4.2 E-12 1.5 E-12 2.1 E-9
N2 0.077 2.6 E-12 2.0 E-13 2.5 E-10
PS (Poli-estireno)
CO2 0.80 5.8 E-12 4.6 E-12 8.9 E-9
O2 0.15 1.1 E-11 1.7 E-12 2.4 E-9
N2 0.021 9.6 E-12 2.0 E-13 2.5 E-10
PVC (Poly Vinil Cloride)
CO2 0.47 2.5 E-13 1.2 E-13 2.4 E-10
O2 0.029 1.2 E-12 3.5 E-14 4.9 E-11
N2 0.023 3.8 E-13 8.7 E-15 1.1 E-11
Fuente: Diffusion-Polymers.com. Independent Agency.
Lemus E, Ramírez J. Modelado dinámico del intercambio de gases en el envase de frutas y vegetales bajo
atmósferas modificadas.
Cedeño L, Yahia E. Desarrollo de un modelo matemático para predecir la atmósfera en empaques de
alimentos. Universidad Nacional Autónoma de México.
La difusión es una propiedad de los gases como consecuencia del
movimiento continuo y elástico de las moléculas. Gases diferentes poseen
diferentes velocidades de difusión.
De acuerdo a la Ley de Graham : “la velocidad de difusión de un gas es
inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su densidad”. En base a
este enunciado podemos calcular la velocidad de difusión relativa entre dos
gases (por ej el O2 y el CO2) en condiciones de igual temperatura y presión:
d1
d2
v2
v1 (1 ) Ley de Difusión de Graham
En condiciones TPE un mol de cualquier gas ideal ocupa un volumen
idéntico. Como la densidad es el cociente entre la masa y el volumen,
podemos eliminar los volúmenes y trabajar únicamente con la masa, de
manera que:
17.132
44
2
2
2
2 O
CO
CO
O
m
m
v
v lo que significa que el oxígeno, en
condiciones TPE, difunde a una velocidad 1.17 veces superior al CO2.
Para que se produzca la difusión debe darse la ausencia de un equilibrio
químico y la existencia de una interfase (película) en el sistema.
En forma esquemática, la permeabilidad de un gas a través de una película
comprende las siguientes etapas (ver también Fig 2):
1.) solución (absorción) del gas o vapor en la superficie de la
película
2.) difusión a través de la película;
3.) evaporación (desorción) desde capa externa de la película6
6 Simpson R, Envasado en atmósfera modificada (MAP) para pescados :_ Aplicaciones tecnológicas y
transferencia de masa, Universidad Técnica Federico Santa María, Chile.
El sistema tenderá a evolucionar hacia el equilibrio, transportando
moléculas desde la fase más concentrada a la menos concentrada. A éste
transporte se lo conoce como DIFUSION y la velocidad con que se realiza,
se estima mediante una ley empírica conocida como primera Ley de Fick
de difusión molecular:
dq / dt = DA (-∆c/X) (2) Primera Ley de Fick
Donde: dq/dt = es el flujo de gas
A = es el área
D = es el coeficiente de difusión para el gas en la membrana
X = es el espesor de la membrana
c = es la concentración del gas en la membrana
∆c = es el gradiente de concentración
Según Simson, es de esperarse que después de un corto período se
alcance el estado estacionario y el gas atraviese la película a una velocidad
constante siempre que la diferencia de presión a ambos lados se mantenga.
ABSORCIÓN = dq/dt
DESORCIÓN = dq/dt
C1
C2
PELÍCULA
P1 P2
FIGURA 2: Permeabilidad de los films
X
DIFUSIÓN = dq/dt
∆p = p1 – p2
∆c = c1 – c2
Fuente: Enric Riera, “Durabilidad y envasado de alimentos”. Universidad de Barcelona
En esta condición estacionaria se cumple que dq/dt de la absorción,
difusión y desorción tiene el mismo valor para los tres fenómenos. De
acuerdo a la Ley de Henry la concentración C se puede calcular como el
producto entre la solubilidad y la presión parcial:
C = S * p (3) (Ley de Henry, absorción, deserción)
De ésta forma la ecuación (2) puede expresarse de la siguiente manera:
dq / dt = D S A ∆p / X (4)
A su vez, si consideramos que la permeabilidad (B) es igual al producto de la
difusión (D) por la solubilidad (S), la ecuación (4) puede escribirse como:
dq / dt = B A ∆p / X (5)
Aquí debemos anotar un aspecto importante. Al ser el CO2 una molécula
más grande que el O2, el coeficiente de difusión es menor y por lo tanto se
esperaría que su coeficiente de permeabilidad también lo sea, pero debido
a su alta solubilidad en los polímeros, su permeabilidad es mayor a la del
O2, como puede verse en el Cuadro 1 para el polietileno de baja densidad
(LDPE). El LDPE es la base de muchos materiales de empaque MAP.
Si consideramos que en el equilibrio el producto entre la tasa de
producción / consumo del gas (R) y el peso fresco (W) es igual al flujo dq/dt,
se puede despejar la permeabilidad B en la ecuación (5) y expresarla
como:
p)(*A
X*W*RB
(6)
Donde:
R = Tasa respiratoria
W = peso fresco de la fruta
A partir de la ecuación (5) podemos describir los cambios en la atmósfera
de un sistema MAP como:
O2O2O2O2 WRpX
AB
dt
dq (6) Oxígeno
CO2CO2CO2CO2 WRpX
AB
dt
dq (7) Dióxido de carbono
Es decir, las concentraciones de los gases de respiración dentro del sistema
se deben a la diferencia entre lo producido o consumido, menos el
intercambio con el exterior a través de las membranas del polímero.
El CO2 y el O2, poseen comportamientos de gases ideales, por lo que la
permeabilidad puede considerarse independiente de la concentración, pero
dependiente de la temperatura. A éste último aspecto se refiere el concepto
de “activado” de los empaques MAP, es decir a la asociación transitoria de
las moléculas que caracterizan el estado intermedio denominado complejo
activado, que se caracteriza a través de la ecuación de Arrhenius:
Ed/RT
0eBB
Donde:
R = constante de los gases ideales
T= temperatura absoluta
Ed = energía de activación 7
B0= constante
Llegado a éste punto los modelos matemáticos que se emplean para el
estudio del los empaques MAP deben echar mano de la cinética de
Michaelis- Menten para explicar la variación de las tasas respiratorias como
consecuencia de la saturación de los sitios activos mitocondriales. Si bien
el modelo puede describirse en función del consumo del oxígeno, para
7 Energía de activación: es la energía necesaria para que los reactivos formen el complejo
activado y representa la barrera de energía que han de salvar las moléculas para que tenga lugar la reacción. En el caso del LDPE el O2 se requiere de una energía de activación de 10 kcal/mol y el CO2 de 9 Kcal/mol.
caracterizarlo más correctamente debe incorporarse el efecto inhibitorio del
CO2 sobre la tasa respiratoria.
Este ha sido el enfoque que se ha seguido en nuestro trabajo de
caracterización de la dinámica de los gases en los envases de atmósfera
modificada (MAP).
