Microstructure and transport phenomena in deep-fat fried formulated products

Abstract

Los productos fritos son apetecidos y consumidos en grandes cantidades en todo el mundo. Durante el proceso de fritura, el alimento retiene aceite, el cual puede llegar a ser uno de los principales componentes del producto final. Desafortunadamente, el consumo de grasas y aceites se considera un factor de riesgo para la salud de la población. Debido a eso, el fenómeno de absorción de aceite en alimentos fritos ha sido objeto de varios estudios. Pese a ello, aún no ha sido completamente elucidado. Se ha establecido que los esfuerzos deben orientarse a entender lo que ocurre a nivel microscópico, ya que la microestructura de los alimentos podría ser de vital relevancia para la absorción de aceite. Es por ello que existe la necesidad de caracterizar matrices alimentarias fritas a través de la utilización de parámetros microestructurales para dilucidar el efecto real de la microestructura en el fenómeno de transporte de aceite. Este conocimiento permitiría mejorar el diseño de los futuros alimentos fritos. Para ello, un enfoque ingenieril sustentado en la construcción de estructuras controladas a través de la formulación de productos, mediante la comprensión de la funcionalidad de los elementos estructurales, o ingredientes, podría permitir comprender con mayor precisión este fenómeno.

En concordancia, la hipótesis de esta tesis es que a través del conocimiento de la funcionalidad de los ingredientes alimentarios y su comportamiento durante el procesamiento, es posible generar alimentos con microestructuras controladas para ser fritos, con diferentes propiedades físicas y capacidades de absorción de aceite, para mejorar la comprensión de la relación que existe entre la microestructura y los fenómenos de transporte involucrados, especialmente el de absorción de aceite. En consecuencia, el objetivo principal de este trabajo es generar diferentes microestructuras controladas en base de la formulación de productos y fritura por inmersión, con el fin de comprender y describir la relación entre la microestructura desarrollada y la absorción de aceite.

Para ello se generó diferentes microestructuras mediante formulación de productos. Dos categorías de productos fueron desarrolladas, una basada en hojuelas de papa (productos en base a PF), y otra en gluten de trigo y almidón (productos en base a G). Ambos tipos de productos se elaboraron con un contenido de humedad de 40% (base húmeda), fueron laminados, fritos a 170 ° C hasta un contenido de humedad de 2% (base húmeda) y fueron analizados. Las formulaciones no solamente se basaron en PF y G, sino que también se utilizó metilcelulosa (MC) y se añadió almidón nativo de trigo (NS).

La cinética de absorción de aceite fue analizada. Dos fracciones de aceite, aceite penetrado y aceite superficial, se determinaron en diferentes etapas después de la fritura, y se encontró que los productos en base a G absorben la mayor parte del aceite durante la fritura, mientras que los productos en base PF absorben el aceite principalmente durante el enfriamiento. Con el objetivo de entender mejor el rol de las características superficiales, la relación entre la rugosidad superficial y la absorción de aceite se estudió midiendo la topografía de la superficie de los productos utilizando un microscopio láser de barrido (SLM). Se obtuvo diferentes parámetros derivados de un análisis fractal sensible a la escala, tales como el límite liso-rugoso y la dimensión fractal, sin embargo, el parámetro denominado área relativa fue seleccionado para caracterizar las topografías medidas, ya que es sensible a la escala de observación y se demostró que permite discriminar entre diferentes superficies. Los principales resultados obtenidos indican que, dentro de cada categoría de productos, los productos con mayor rugosidad superficial retuvieron más aceite. Sin embargo, los productos basados en PF eran más rugosos que los productos basados en G, pero no retuvieron más aceite.

Con el objetivo de entender mejor la relación entre la microestructura interna y la absorción de aceite, se examinó la microestructura interna mediante microscopía confocal de barrido láser (CSLM). Se desarrolló un procedimiento no invasivo de doble tinción para llevar a cabo una observación de dos canales en el microscopio. Las masas se tiñeron directamente durante la preparación con fluoresceína-5-isotiocianato (FITC), se laminaron y se frieron en aceite teñido con rojo Nilo. Posteriormente, las muestras se observaron sin intrusión adicional. Mediante la utilización de análisis de imágenes se determinó tamaño de poro, porosidad y contenido de aceite. Se detectó una relación directa entre la porosidad y la absorción de aceite en los productos basados en G, pero no se detectó relación alguna en los basados en PF. Además, los productos basados en G eran menos porosos que los productos basados en PF, pero no retuvieron menos aceite.

Ciertamente, la rugosidad superficial y la microestructura interna son factores clave en la absorción de aceite, pero otras propiedades relacionadas a los alimentos pueden explicar las diferencias entre diferentes categorías de productos. Para entender mejor las diferencias, los productos se caracterizaron adicionalmente a través de su geometría, su afinidad química con el aceite (medida a través del ángulo de contacto), y su dureza (por mediciones de fuerza de fractura). Adicionalmente, se desarrolló un protocolo de captura de imágenes digitales, a través del cual se demostró que la expansión de los productos ocurre durante los primeros 15-20 s en ambas categorías de productos. Sin embargo, los productos en base a G desarrollan una delgada costra externa, la cual se puede distinguir claramente del interior del producto, mientras que los productos en base a PF desarrollan una costra gruesa que engloba al producto completo. No existe una relación clara entre la cantidad de aceite retenido por los productos y su geometría, pero algunos cambios durante la fritura podrían ser relevantes para la dinámica de penetración de aceite.

Puede haber una relación entre la dureza de los productos y el mecanismo de absorción de aceite, ya que productos más duros tienden a retener menos aceite. La medición del ángulo de contacto permitió discriminar entre los productos bajo estudio, y ayudó a explicar por qué los productos en base a PF retienen menos aceite a pesar del ser más rugosas y más porosas, pues tenían menor afinidad química con el aceite.

En general, se desarrollaron diferentes técnicas no-invasivas de análisis microscópico, las cuales en conjunto con métodos analíticos permitieron entender los parámetros más importantes para la absorción de aceite. Como se muestra a lo largo de este trabajo, fue posible distinguir de forma adecuada la mayoría de los factores importantes que afectan a la absorción de aceite, dentro de una categoría específica de producto o cuando se comparan diferentes categorías, a la luz de ecuaciones fenomenológicas, que ayudan a comprender el comportamiento de diferentes formulaciones.