Estudio de la relación estructura-propiedadproceso en cinco variedades de patata (Solanum tuberosum) durante el proceso de fritura

Abstract

Les propietats dels aliments estan en funció de la seva estructura i els canvis generats pel processament. No obstant això, resulta impossible predir les alteracions que sofreix un aliment al llarg de la cadena de producció; més si es desconeixen com es troben relacionades les propietats i l'estructura d'un aliment. Per tant, és necessari desenvolupar models capaços de predir aquests comportaments al llarg dels processos de producció. Aquests nous models han de ser capaços de predir els canvis en les propietats de l'aliment pel fet que utilitzen relacions simplificades i no tenen en compte l'efecte del procés sobre l'estructura i sobre les propietats macroscòpiques. Conscients d'aquest fet, la present tesi genera una proposta amb l'interès d'aportar avanços en el coneixement i interpretació de les relacions estructura-propietat-procés de teixits vegetals en cinc varietats de patata (varietat Única, varietat Liberteña, varietat Yungay, varietat Amarilis i varietat Huevo de Indio). La recerca va tenir com a objectiu identificar i analitzar les característiques microestructurals de 5 varietats de patata (Solanum tuberosum) en material fresc i en un procés de fritada usant un arranjament factorial de temperatura (170 – 180 –190)°C i temps (1.0 – 2.5 – 4.0) minuts, es va mesurar dos tipus de característiques, les primeres de tipus microestructural (àrea, perímetre, longitud d'eix major, longitud d'eix menor, rodonesa, elongació i compactació) i la segona de tipus fisicoquímic (L*, a*, b*. ΔE, concentració d'acrilamida, percentatge de greix, percentatge d'humitat i textura). Per a això, es va implementar un programari de caracterització microestructural de patata, desenvolupant algorismes per al processament i anàlisi d'imatges i per a la classificació de característiques estructurals amb el programari Matlab (versió 2019a), obtenint com a indicadors la distribució estadística dels paràmetres de grandària i forma de cadascun dels elements estructurals del teixit vegetal en estudi. Es va generar els histogrames dels paràmetres de compactació, elongació, rodonesa, longitud d'eix major, longitud d'eix menor, perímetre i àrees cel·lulars per als valors de les patates fregides de les varietats estudiades, on es va poder observar que la grandària i forma de les corbes és similar per als paràmetres d'àrea, perímetre, longitud d'eix major, longitud d'eix menor i compactació. Es va avaluar l'efecte sobre les característiques microestructurals en funció de varietats de patata, temperatura i temps de fritada, on es va determinar que la varietat de patata és la que exerceix un major efecte significatiu en els paràmetres microestructurals d'àrea, perímetre, longitud d'eix major, longitud d'eix menor, rodonesa, i compactació (p<0.05). El temps és la segona variable amb un elevat efecte, sent significatiu (p<0.05) per als paràmetres microestructurals d'àrea, perímetre, longitud d'eix major, longitud d'eix menor i compactació. Finalment, la temperatura només exerceix un efecte significatiu (p<0.05) en els paràmetres de rodonesa i elongació. Els coeficients de determinació (R2) per a les respostes àrea, perímetre, longitud d'eix major, longitud d'eix menor, rodonesa, elongació i compactació són 73.1%, 73.9%, 73.4%, 71.8%, 71.3%, 77.1% i 81.3%, respectivament. De la mateixa forma es va avaluar l'efecte de les varietats de patata, temperatura i temps de fritada sobre les característiques fisicoquímiques, trobant-se els coeficients de determinació (R2) per a les respostes L*, a*, b*, ΔE, acrilamida, greix i humitat són 76.13%, 86.9%, 82.5%, 78.3%, 94.2%, 96.4% i 98.6%, respectivament. Els valors són bastant alts per a les superfícies de resposta i van indicar que els models quadràtics ajustats van representar valors en el rang de 71,1% al 81.3% de la variància en les dades experimentals, que van resultar ser significatius. Per a observar la relació entre els paràmetres microestructurals i fisicoquímics es va utilitzar una correlació de Pearson, on s’observa que les correlacions entre les variables fisicoquímiques avaluades generen correlacions de mitjana a forta, de la mateixa forma succeeix entre les variables del tipus microestructural. Però, en avaluar les correlacions entre variables fisicoquímiques i microestructurals es pot trobar que en la majoria s’aconsegueixen valors baixos i mitjans de correlació, sent la variable elongació la que menys correlació té amb variables del tipus fisicoquímic i les variables de longitud d'eix major, longitud d'eix menor, perímetre i àrees cel·lulars els que tenen una major correlació lineal amb les variables fisicoquímiques. Finalment, es va realitzar una espectroscòpia Raman amb l'objectiu d'avaluar la presència d'oli i la seva influència en els canvis del procés de fritada, trobant que el contingut d'oli dins del nucli i l'escorça de la patata fregida depèn de la varietat de la patata.

Las propiedades de los alimentos están en función de su estructura y los cambios generados por el procesamiento. Sin embargo, resulta imposible predecir las alteraciones que sufre un alimento a lo largo de la cadena de producción; más si se desconocen cómo se encuentran relacionadas las propiedades y la estructura de un alimento. Por tanto, es necesario desarrollar modelos capaces de predecir dichos comportamientos a lo largo de los procesos de producción. Estos nuevos modelos deben ser capaces de predecir los cambios en las propiedades del alimento debido a que utilizan relaciones simplificadas y no tienen en cuenta el efecto del proceso sobre la estructura y sobre las propiedades macroscópicas. Conscientes de este hecho, la presente tesis genera una propuesta con el interés de aportar avances en el conocimiento e interpretación de las relaciones estructura-propiedad-proceso de tejidos vegetales en cinco variedades de patata (variedad Única, variedad Liberteña, variedad Yungay, variedad Amarilis y variedad Huevo de Indio). La investigación tuvo como objetivo identificar y analizar las características microestructurales de 5 variedades de patata (Solanum tuberosum) en material fresco y en un proceso de fritura usando un arreglo factorial de temperatura (170 – 180 – 190)°C y tiempo (1.0 – 2.5 – 4.0) minutos, se midió dos tipos de características, las primeras de tipo microestructural (área, perímetro, longitud de eje mayor, longitud de eje menor, redondez, elongación y compactación) y la segunda de tipo fisicoquímico (L*, a*, b*. ∆E, concentración de acrilamida, porcentaje de grasa, porcentaje de humedad y textura). Para ello se implementó un software de caracterización microestructural de patata, desarrollando algoritmos para el procesamiento y análisis de imágenes y para la clasificación de características estructurales con el software Matlab (versión 2019a), obteniendo como indicadores la distribución estadística de los parámetros de tamaño y forma de cada uno de los elementos estructurales del tejido vegetal en estudio. Se generó los histogramas de los parámetros de compactación, elongación, redondez, longitud de eje mayor, longitud de eje menor, perímetro y áreas celulares para los valores de las patatas fritas de las variedades estudiadas, donde se pudo observar que el tamaño y forma de las curvas es similar para los parámetros de área, perímetro, longitud de eje mayor, longitud de eje menor y compactación. Se evaluó el efecto sobre las características microestructurales en función a variedades de patata, temperatura y tiempo de fritura donde se determinó que la variedad de patata es la que ejerce un mayor efecto significativo en los parámetros microestructurales de área, perímetro, longitud de eje mayor, longitud de eje menor, redondez, y compactación (p<0.05). El tiempo es la segunda variable con un elevado efecto, siendo significativo (p<0.05) para los parámetros microestructurales de área, perímetro, longitud de eje mayor, longitud de eje menor y compactación. Finalmente, la temperatura solo ejerce un efecto significativo (p<0.05) en los parámetros de redondez y elongación. Los coeficientes de determinación (R2) para las respuestas área, perímetro, longitud de eje mayor, longitud de eje menor, redondez, elongación y compactación son 73.1%, 73.9%, 73.4%, 71.8%, 71.3%, 77.1% y 81.3%. De la misma forma se evaluó el efecto de las variedades de patata, temperatura y tiempo de fritura sobre las características fisicoquímicas, encontrándose los coeficientes de determinación (R2) para las respuestas L*, a*, b*, ∆E, acrilamida, grasa y humedad son 76.13%, 86.9%, 82.5%, 78.3%, 94.2%, 96.4% y 98.6% respectivamente. Los valores son bastante altos para las superficies de respuesta e indicaron que los modelos cuadráticos ajustados representaron valores en el rango de 71,1% al 81.3% de la varianza en los datos experimentales, que resultaron ser significativos. Para observar la relación entre los parámetros microestructurales y fisicoquímicos se usó una correlación de Pearson donde observamos que las correlaciones entre las variables fisicoquímicas evaluadas generan correlaciones de media a fuerte, de la misma forma sucede entre las variables del tipo microestructural. Pero al evaluar las correlaciones entre variables fisicoquímicas y microestructurales podemos encontrar que en la mayoría alcanzan valores bajos y medios de correlación, siendo la variable elongación la que menos correlación tiene con variables del tipo fisicoquímico y las variables de longitud de eje mayor, longitud de eje menor, perímetro y áreas celulares los que tienen una mayor correlación lineal con las variables fisicoquímicas. Finalmente, se realizó una espectroscopía Raman con el objetivo de evaluar la presencia de aceite y su influencia en los cambios del proceso de fritura, encontrando que el contenido de aceite dentro del núcleo y la corteza de la patata frita depende de la variedad de la patata.

The properties of foods depend on their structure and the changes generated by processing. However, it is impossible to predict the alterations that a food undergoes along the production chain, even more so if the relationship between the properties and structure of a food is unknown. Therefore, it is necessary to develop models to predict these behaviors throughout the production process. These new models must be able to predict changes in food properties because they use simplified relationships and do not consider the effect of the process on the structure and macroscopic properties. Being aware of this fact, this thesis proposes to contribute to the knowledge and interpretation of the structure-property-process relationships of plant tissues in five potato varieties (Única, Liberteña, Yungay, Amarilis, and Huevo de Indio). The objective of the research was to identify and analyze the microstructural characteristics of 5 varieties of potato (Solanum tuberosum) in fresh material and a frying process using a factorial arrangement of temperature (170 - 180 - 190°C) and time (1.0 - 2.5 - 4.0 minutes). Two types of characteristics were measured: the first of microstructural type (area, perimeter, major axis length, minor axis length, roundness, elongation, and compaction); and the second of physicochemical type (L*, a*, b*. ∆E, acrylamide concentration, fat percentage, moisture percentage, and texture). For this purpose, potato microstructural characterization software was implemented, developing algorithms for image processing and analysis, and for the classification of structural characteristics with Matlab software (version 2019a), obtaining the statistical distribution of the size and shape parameters of each of the structural elements of the plant tissue under study as indicators. Histograms of the parameters of compaction, elongation, roundness, major axis length, minor axis length, perimeter, and cell areas were generated for the values of the fries of the varieties studied, where it could be observed that the size and shape of the curves are similar for the parameters of area, perimeter, major axis length, minor axis length, and compaction. The effect on the microstructural characteristics was evaluated according to potato variety, temperature, and frying time, where it was determined that the potato variety has the greatest significant effect on the microstructural parameters of area, perimeter, major axis length, minor axis length, roundness, and compaction (p<0.05). Time is the second variable with a high effect, being significant (p<0.05) for the microstructural parameters of area, perimeter, major axis length, minor axis length, and compaction. Finally, the temperature only has a significant effect (p<0.05) on the parameters of roundness and elongation. The coefficients of determination (R2) for area, perimeter, major axis length, minor axis length, roundness, elongation, and compaction responses are 73.1%, 73.9%, 73.4%, 71.8%, 71.3%, 77.1%, and 81.3%, respectively. In the same way, the effect of potato varieties, temperature, and frying time on physicochemical characteristics was evaluated, finding that the coefficients of determination (R2) for L*, a*, b*, ∆E, acrylamide, fat, and moisture responses are: 76.13%, 86.9%, 82.5%, 78.3%, 94.2%, 96.4%, and 98.6%, respectively. The values are quite high for the response surfaces and indicate that the fitted quadratic models accounted for values ranging from 71.1% to 81.3% of the variance in the significant experimental data. A Pearson correlation was used to observe the relationship between the microstructural and physicochemical parameters, where medium to strong correlations were found to be generated between the physicochemical variables evaluated. The same happens between the microstructural variables, but, when evaluating the correlations between physicochemical and microstructural variables, it was found that most of them reach low and medium correlation values, being the elongation variable the least correlated with physicochemical variables; and the major axis length, minor axis length, perimeter, and cellular areas variables, the ones that have a higher linear correlation with physicochemical variables. Finally, Raman spectroscopy was performed to evaluate the presence of oil and its influence on the changes in the frying process, revealing that oil content within the core and rind of the fried potato depends on the potato variety.