Construcción y caracterización de un sistema de alta sensibilidad para la medición de rotación óptica para aplicación en la industria alimenticia

Abstract

RESUMEN: Muchos de los compuestos en alimentos procesados son ópticamente activos, debido a la quiralidad de su estructura química. Si estos compuestos cambian de manera apreciable en su concentración durante la producción de un alimento líquido, el proceso puede ser monitoreado de manera conveniente, in situ y en tiempo real, esto monitoreando la rotación óptica del producto en alguna longitud de onda apropiada. Para la medición del parámetro rotación óptica se han desarrollado diferentes sistemas o instrumentos llamados polarímetros. Durante este trabajo, se construyó y caracterizó un sistema de alta sensibilidad cuyo objetivo es medir la rotación óptica en compuestos ópticamente activos en función de la longitud de onda, del tiempo y en función de la temperatura de la muestra. Para el logro de este objetivo fue necesario evaluar de manera metrológica el sistema así como demostrar que su capacidad efectuando mediciones en experimentos conocidos y relacionados con el área alimenticia usando muestras afines y ejecutando los experimentos en condiciones similares a las de un proceso real. El sistema usa un modulador fotoelástico y una fuente láser de bajo costo (diodo láser semiconductor), o de manera alternativa una fuente de luz para barridos en longitud de onda usando un monocromador. Se determinó el procedimiento para el cálculo de la función instrumental en mediciones ORD y un factor instrumental para mediciones OR, lo cual permitió convertir la señal en grados de rotación óptica. Se obtuvo un coeficiente de correlación de 0.99 para un ajuste lineal de medidas a diferentes concentraciones de sucrosa desde 0.01% (p/v) a 30% (p/v). Se probó su estabilidad obteniéndose un error no mayor al 1% en el intervalo de 550nm a 800nm, y una reproducibilidad de las mediciones con un error no mayor a 1.5% en el intervalo de 550nm a 800nm. La sensibilidad obtenida de 0.0025o de rotación óptica en concentraciones de hasta 0.01% (p/v) en soluciones de sacarosa, es del orden de sistemas comerciales que trabajan con partes móviles. El instrumento fue probado en sistemas muy cercanos a los procesos reales en la industria alimenticia: mutarotación, la inversión de la sacarosa, el calentamiento de jugo de manzana y procesos de fermentación, demostrándose la factibilidad para su aplicación en procesos industriales reales.

ABSTRACT: Many of the components of industrially processed foods are optically active, due to the chiral character of their chemical structure. If these components change appreciably in their concentration during the production of a liquid food, the process can be conveniently followed, in situ and in real time, by monitoring the optical rotation of the system at some appropriate wavelength. To measure optical rotation different equipments have been built, and they are called polarimeters. During this work, it was built and characterized a high sensitivity system to measure optical rotation in compounds optically active as a function of wavelength, time and temperature. To achieve this objective it was necessary a metrological evaluation of the system, and also to show its capability, measuring well known experiments related to food processes under similar environmental conditions. The system uses a photoelastic modulator and low-cost laser light sources (semiconductor diode lasers) or, alternatively, a halogen light source in combination with a monochromator to perform wavelength scans. It was determined a method to obtain an instrumental function for ORD measures and an instrumental factor for OR measurements, so it is possible to change signal measured to degrees of optical rotation. A linear fit was obtained for different concentrations of sucrose solutions ranging from 0.01% weight per volume (w/v) to 60% (w/v) with a correlation factor of 0,99. The system stability was evaluated getting an error below 1% in the range from 550nm to 800nm. Also the system reproducibility was evaluated showing an error below 1,5% in the same range. A system sensibility of 0,0025 degrees measuring aqueous solutions with concentration around 0,01% was achieved. The system was used successfully in experiments simulating industrial conditions: Mutarotation of sucrose in aqueous solution, hydrolysis, apple juice pasteurization, and fermentation. The results show the system capability to be applied and used in industrial processes.