propiedades acÚsticas de los alimentos
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Universidad Peruana Unión
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
EAP de Ingeniería de Alimentos
MONOGRAFÍA
Propiedades acústicas de los alimentos
Presentado en cumplimiento parcial del curso de Fisicoquímica
Autores:
Bartolo Estrella, Dolly
Medina Hoyos, Elena
Pinedo Delgado, Angel
Profesor del curso:
PhD. Sócrates Quispe Condori
Ciclo: IV
Lima, Octubre del 2010
PROPIEDADES ACÚSTICAS DE LOS ALIMENTOS
I. INTRODUCCIÓN.
En el estudio de materiales se han desarrollado diferentes métodos dinámicos
para la determinación de las propiedades elásticas de muestras homogéneas constituidas
como una alternativa de los métodos estáticos de compresión o similares (Lemmens
citado por Wolfenden A. 1990). Para objetos homogéneos y con geometría simples, es
posible relacionarlo con la las frecuencias resonantes con las propiedades del material
(Blevins, 1993).
Ya en los siglos pasados por medio de la investigación se consideraban la
posibilidad de emplear las propiedades acústicas de los productos hortofrutícolas como
indicadores de sus características texturales (Diezma y Ruiz, 2001).
La emisión acústica (EA) generada durante la masticación de un alimento es un
atributo importante de la textura de los alimento. Las propiedades acústicas de alimentos
de tipo snack así como frutas y vegetales frescos son importantes desde el punto de vista
de calidad. El crujido y la frescura son atributos sensoriales preferidos por los
consumidores y son considerados señales de frescura y eficacia del proceso. La falta de
estos atributos demuestra baja calidad y es en parte, el causante del rechazo del producto
por los consumidores.
El crujido y la frescura es una evaluación subjetiva de la calidad y es hasta ahora
un tema de discusión debido a que hay divergencias en la descripción y definición de este
atributo sensorial. Desde el punto de investigación, analizar el sonido de crujido y frescura
por un oído humano es considerado como el principal índice físico influenciado en los
consumidores para el atributo de calidad. Las ondas elásticas generadas durante la
desintegración de alimentos pueden ser utilizadas para identificar las propiedades
acústicas del producto. Por otra parte, el análisis del sonido emitido puede ser usado para
seguir cambios en la textura del alimento, causadas durante el almacenamiento o por
modificaciones de recetas o parámetros de procesamiento.
Por último, las propiedades acústicas de alimentos pueden ser usadas para
expresar numéricamente uno de sus atributos de calidad importante, a saber, el crujido y
frescura.
II. MARCO TEÓRICO
II.1. Propiedades acústicas
Las propiedades acústicas son aquellas que gobiernan como los materiales
responden al sonido de ondas, el cual son lo que percibimos como sonido
II.2. Fundamentos de emisión acústica
Una falta de homogeneidad inicial de distribución interior de energía puede
aparecer en cualquier gaseoso, sólido, o cuerpo líquido. En los materiales reales,
las características de falta de homogeneidad se deben a defectos estructurales,
las impurezas, tensiones internas, y otros factores y puede ser micro o
macroscópico. Los siguientes elementos de la estructura son ejemplos de cuerpos
no homogéneos: (1) la superficie entre las diferentes fases del material, (2) las
paredes celulares y objetos intercelulares, y gaseosos (3) poros en los polímeros
de almidón, formando los productos de cereales.
Introducción de estímulos externos, tales como fuerza externa, reacciones
químicas, o excitación térmica, altera el estado de equilibrio y causa la aparición
de vibraciones de las partículas en el volumen del cuerpo. La vibración puede
permanecer activa y propagarse a través del medio, incluso después de la
decadencia de los estímulos (Shafiur R. 2009).
La razón de la reacción extendida del medio puede ser explicado por las
propiedades de elasticidad e inercia de la mayoría de cuerpos. Las propiedades
elásticas son responsables de la reacción contra la alteración del equilibrio. Las
propiedades de inercia, sin embargo, son la fuente de las fuerzas oponentes a
cualquier cambio en el estado de la cuestión, es decir, oponiéndose a la
disminución de la actividad de pendiente cinética, incluso cuando el equilibrio local
se logra. Por lo tanto, el movimiento de las partículas de un cuerpo resulta en una
serie de transformaciones, de la energía cinética con el apoyo de la inercia, a la
energía potencial apoyada con las fuerzas elásticas (Shafiur R. 2009).
La alteración del equilibrio que aparece en un tiempo t0, en un determinado
lugar del cuerpo, cubre todo el cuerpo después de un período de tiempo suficiente.
Este efecto se debe a que cada partícula del cuerpo interactúa con sus vecinos y
les pasa una parte de su energía cinética. Este fenómeno se denomina
propagación de la onda [2,3]. Dos modos básicos de propagación de la onda
puede producir: (1) una onda longitudinal, que hace que los elementos del medio
avancen en dirección de la propagación de la onda, (2) una onda transversal, con
el movimiento de vibración perpendicular a la dirección de la propagación de la
onda (Figura 24.1).
II.3. Cálculo de los descriptores de emisión acústica en los alimentos
La actividad acústica de los alimentos puede ser expresada por varios
descriptores. Estos incluyen la energía de la señal de la emisión acústica, el número
de eventos de emisión acústica, energía del evento de emisión acústica, entre otros.
La energía de la de EA se calcula sobre la base de la señal de emisión acústica
registrada en función del tiempo. El cálculo se realiza de acuerdo con la ecuación 2.1.
E=∑m=1
N
v (m.T1)
Donde :
m es un índice de una muestra almacenada de la señal
T1 es la inversa de una frecuencia de muestreo (s)
Figura 1 - Vibraciones de un elemento en (A) onda longitudinal y (B) onda transversal. (Sliwinski, 2001 y Malecki, 1969)
(2.1)
En la siguiente tabla se muestran algunos parámetros acústicos de alimentos.
Parámetros acústicos Productos Rango de frecuencia analizada
Amplitud Zanahoria, almendras, pan extraído, galletas secas
10 Hz–10 kHz,20 Hz–20 kHz
Alimentos Snack 1 Hz–10 kHzManzana Seca, zanahoria seca
1 Hz–15 kHz
Copos de cereales [19] 0–10 kHz
Galletas [20] 1 Hz–12 kHzPan crujiente[38,44,48] 1 Hz–15 kHz
Copos de cereales [63] 1 Hz–15 kHz
Manzana, papas [57] 100 Hz–1 MHzCopos de maíz [62] 1 Hz–15 kHz
Numero de ráfagas de sonido
Apio, nabos, wafer [60]
Numero de eventos acústicos
Galletas [20] 1 Hz–12 kHz
Pan crujiente[44,48] 1 Hz–15 kHzCopos de cerales [63] 1 Hz–15 kHzManzanas, papas [57] 100 Hz–1 MHz
Copos de maíz [62]1 Hz–15 kHz
Energía Esponja dedos, galletas de la oblea, barquillos para helados [15]
25 Hz–20 kHz
Pan crujiente [21,45] 1 Hz–15 kHz
Pan, galletas, tortas 1 Hz–15 kHz [43,48]
II.4. Frecuencia audible, para la determinación de las características
texturales de los productos hortofrutícolas
Tradicionalmente se ha empleado la práctica de golpear algunas frutas y
hortalizas y atender al sonido que se produce para tener una idea de su estado de
madurez. Tratando de emular esta práctica algunos autores han desarrollado
dispositivos basados en la llamada técnica de “impulso acústico” o “respuesta
Shafiur R. 2009
acústica al impacto”, en los que la excitación de la muestra se produce cuando
ésta es golpeada de forma controlada por un cuerpo impactante. Atendiendo a
esta división, a continuación se describen diferentes aplicaciones de estos
métodos (Diezma y Ruiz, 2001).
Diferentes factores, como el estado del agua, las propiedades físicas de las
paredes de las células y la estructura de los tejidos, actúan conjuntamente para
determinar la resistencia, firmeza y elasticidad, características que, conforman la
textura. Dicha característica es un atributo que ha sido desarrollado por diferentes
investigadores esto métodos destructivo y no destructivos para la caracterización
de la textura (Diezma y Ruiz, 2001).
II.5. Vibración forzada
Los primeros trabajos se centraron en el estudio de manzanas (Abbott et al.
1968), en ellos la muestra era suspendida de un hilo y una varilla metálica en
contacto con la superficie de la fruta era excitada a unas frecuencias
determinadas (de 50 a 2.200 Hz) y transmitía esa excitación a la manzana, la cual
se puede observar en la figura 1. La vibración era recogida con otra varilla muy
ligera, uno de cuyos extremos descansaba sobre la región superior de la fruta y
en el lado opuesto a la excitación, y el otro contactaba con un material
piezoeléctrico que transmitía la señal mecánica a señal eléctrica, la cual era
representada como una amplitud, se obtenía así una representación de la
frecuencia frente a la amplitud (Abbott y otros, 1968).
Figura 2. Esquema del dispositivo de vibración forzada desarrollado por Abbott en
1968
Con las experiencias y conocimiento previos se desarrollan otras
investigaciones en las que se avanzó tanto en la implementación y los equipos,
este método fue aplicado a otros productos, por ejemplo los melocotones. (Finney,
1970).
La tendencia apunta para sustituir los acelerómetros, que precisan estar en
contacto directo con la muestra, por vibrómetros laser por efecto Doppler (LDV),
que son instrumentos óptimos que permiten establecer contacto con muestra. Para
captar las vibraciones producidas de las frutas sometidas a una excitación
vibratoria; la frecuencia de la onda del laser reflejado por la superficie varía en
función de la velocidad de vibración (Muramatsu, 1999).
II.6. Respuesta acústica al impacto
Una de las primeras aplicaciones de la respuesta acústica al impacto la
desarrolló (Saltveit y otros. 1975) En este trabajo se intentó relacionar el sonido
que produce un tomate al ser golpeado con el dedo índice y el tiempo necesario
para que alcance el estado de viraje. Para ello se golpeó las muestras y se grabó
el sonido producido. A pesar de que las señales acústicas mostraron ciertas
tendencias que permitieron marcar diferencias entre lotes en lo que se refiere al
estado de madurez, la dispersión de los datos fue tal que dio lugar a numerosos
errores en la clasificación de individuos.
En la mayor parte de estas aplicaciones se ha implementado la adquisición
de la señal utilizando un micrófono situado a unos milímetros de la superficie de la
muestra a estudiar. Una característica ventajosa del empleo de micrófonos lo
constituye el hecho de que no se precisa contacto entre la fruta y el transductor,
incluso que se produzca este contacto es un factor de distorsión en señal. Dada
esta ventaja se facilito la adaptación de un dispositivo de respuesta acústica al
impacto para su instalación en una línea rotativa ubicada en el indicador de una
cámara frigorífica de almacenamiento, con el fin de contra con un sistema
automatizado de control de la evolución de la firmeza durante el almacenamiento,
el cual se verá el la figura 3 (Sugiyama y otros, 1998).
Figura 3. Dispositivo de respuesta acústica al impacto portátil dotado de dos micrófonos situados
en las proximidades del punto de impacto (Sugiyama, 1998)
Figura 4. Esquema de dispositivo de respuesta acústica al impacto
con película piezoeléctrica flexible como elemento sensor (Shmulevich, 1994)
Otros investigadores (Shmulevich, Galili, y Rosenfeld 1994, Shmulevich I., y
Benichou N. 1998) han implementado elementos sensores constituidos por una
película piezoeléctrica flexible (lámina de polivinilideno fluorado recubierta con dos
capas de conductores), para la determinación de la firmeza de nectarinas, mangos
y aguacates entre otros productos, lo cual se mostrará en le figura 4.
Los acelerómetros, elementos frecuentemente en las técnicas de vibración
forzada, se han introducido en algunas aplicaciones de la respuesta acústicas a
impacto cuando el ensayo se ha realizado sobre el producto en árbol para medir el
estado de firmeza del mismo y así estimar la fecha óptima de recolección en la
figura 5.
Han implementado elementos sensores constituidos por una película
piezoeléctrica flexible (lámina de polivinilideno fluorado recubierta con dos capas
de conductores), para la determinación de la firmeza de nectarinas, mangos y
aguacates entre otros productos. Un dispositivo portátil basado también en la
recogida de la señal mediante un sensor piezoeléctrico fue diseñado por Farabee
and Stone 1991 y aplicado a dos productos tan diferentes como sandías y
melocotones.
Figura 5. Dispositivo con sensor piezoeléctrico y excitación mediante Impacto desarrollado
por Farabee, 1991.
Figura 5. Dispositivo portátil para ensayo de respuesta acústicaal impacto en fruta en árbol (De Belie, 2000)
III. APLICACIÓN EN LA INGENIERÍA DE ALIMENTOS
III.1. Dispositivo utilizado para la determinación de la calidad interna de las
sandias
Para eso de diseñó un dispositivo que se denominó de ensayo acústico.
Básicamente este dispositivo está construido por un sistema de adquisición de la
señal de salida, un sistema excitador de la muestra, elementos estructurales de
soporte y sistemas de almacenamiento y análisis de la señal (Diezma B,.Ruiz M,
2004).
Las sandias son colocadas sobre un soporte de madera en cuyo interior se
encuentra un receptáculo (elementos estructurales) que aloja un micrófono
(sistema de adquisición), de tal manera que el micrófono se sitúa milímetros de la
superficie de la sandía, dentro de una cavidad aislada delimitada por la propia
sandía y el receptáculo cuyos bordos se encuentran recubiertos por un material
amortiguador y flexible. Con un sistema pendular se excita la fruta mediante un
impacto controlado (sistema de excitación) (Diezma B,.Ruiz M, 2004).
El sonido que se produce cuando la sandía es golpeada, es recogida por el
micrófono; la señal debidamente acondiciona es conducida hasta un PC, a través
del cual el usuario puede guardar y analizar la seña para obtener los llamados
parámetros acústicos (Diezma B,.Ruiz M, 2004).
III.2. Aplicaciones más detalladas
De acuerdo a conceptos físicos vinculados al comportamiento dinámico de
un cuerpo que es sometido a una reacción forzada, con sus características
estructurales sean propuestas diversas soluciones para establecer las
características texturales de numerosos productos hortofrutícolas.
Por esto, se utilizado parámetros acústicos para analizar la evolución del
modulo de elasticidad de manzanas y peras en el árbol y almacenamiento.
También se utilizo en los tomates para determinar el coeficiente de firmeza.
En el melón se ah echo evaluaciones sensoriales midiendo la velocidad de
transmisión de la onda acústica y se ah relacionado con la firmeza de la pulpa.
Utilizando los datos experimentales se ha hecho un modelo del valor del
coeficiente de firmeza utilizable para las ciruelas, nectarinas, mangos y paltas
durante los días de almacenamiento.
Se ha dado cálculo a coeficientes de firmeza de productos tan dispares
como melocotones y sandías. En las últimas investigaciones se desarrollo el efecto
del estado del agua en el grado de elasticidad de los tejidos de rabanitos
analizando el espectro de este. (Herppich et al. 2003).
El coeficiente de rigidez de un alimento cabio de ser un parámetro derivado
de un método de estudio a ser una medida de referencia, como lo atestigua el
hecho de que se ha empleado para aceptar o rechazar hipótesis referidas a otras
técnicas o prácticas, por ejemplo, la respuesta acústica al impacto se ha utilizado
para evaluar la evolución de la firmeza en almacenamiento de manzanas
procedentes de parcelas con sistemas de producción orgánico e integrado
respectivamente (Róth, Kovács, and Felföldi 2003).
Además de la determinación de características relacionadas con la textura
de frutas y hortalizas, se ha estudiado la viabilidad de estas técnicas para la
detección de unidades afectadas de problemas de calidad interna como
magulladuras sin síntomas externos evidentes (Armstrong, Stone, y Brusewitz
1997), o fisiopatías como pardeamiento interno en peras (Schrevens et al. 2001) o
ahuecados en sandías (Diezma, Ruiz-Altisent, and Orihuel 2002).
REFERENCIAS
Abbott J., Bachman G, Childers R., Fitzgerald J., y Matusik F. Sonic techniques for
measuring texture of fruits and vegetables. 1968. Food Technology 22: 635-46
Blevins R. 1993. Formulas for natural frequency and mode shapes. Florida, USA: Krieger
Publishing Company.
Diezma B., Ruiz M. Calidad interna en sandías y métodos acústicos. 2004
Diezma B., Ruiz M. 2001. Propiedades acústicas aplicadas a la determinación de los
parámetros de calidad interna de producto hortofrutícolas. Revista Acústica. Vol.
35. Españal.
Finney E. 1970. Mechanical resonance within Red delicious apples and its relation to fruit
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Muramatsu N., Sakurai N., Wada N., Yamamoto R., Takahar T., Ogata T., Tanaka K,
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ISBN: 0849350050, 9780849350054. 861 pp.
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