INTRODUCCIÓN

La palma de Iraca (Carludovica palmata), también conocida como paja toquilla, lucaica, jipijapa, lucualahuma o anacuma (^{Jiménez-Méndez et al. 2023}), es una planta de la familia de las Cyclanthaceae, con una altura aproximada entre 1,5 y 4,0 m y aprovechada, principalmente, para la producción de artesanías (^{Becerra et al. 2004}); sin embargo, los cogollos frescos de la palma de Iraca (CFPI) son comestibles, cuando los tallos están alrededor de 0,5 a 0,7 m. Su uso alimenticio se compara con los palmitos y espárragos y representa un alimento ancestral con muchas alternativas, para el desarrollo de nuevos alimentos innovadores (^{Becerra et al. 2004}).

Los alimentos con características funcionales han tomado gran interés en pro de proveer dietas energéticamente complementarias y saludables que, sin cambiar, en gran medida, sus propiedades sensoriales, promuevan la absorción de componentes fisiológicamente activos (CFA) (^{Salvatori et al. 1998}). Así, los estudios en impregnación a vacío (IV) utilizan soluciones isotónicas con actividad de agua, similar a la de la matriz alimentaria, ya que garantiza una apropiada transferencia de masa entre la matriz y la solución, al mismo tiempo, que funciona como vehículo para el transporte de otras sustancias (^{Ossa Montoya et al. 2023}).

La ingeniería de matrices utiliza la técnica de IV, como mecanismo de incorporación de componentes, como los CFA, al interior de los alimentos porosos (^{Derossi et al. 2012}), aprovechando la composición y la estructura de la matriz, de manera que se puedan obtener alimentos mejorados, modificando su composición para proveerles, tanto propiedades funcionales como sensoriales, de una manera rápida y simple, sin la ruptura de la estructura celular (^{Mierzwa et al. 2023}). El proceso IV consiste en el intercambio del gas o del líquido ocluido en los poros o espacios extracelulares por una disolución externa, mediante la acción del mecanismo hidrodinámico (MHD) (^{Fito et al. 1996}), debido a la diferencia de presiones que se presentan en el sistema, que provocan la expansión del gas y el ingreso de un considerable volumen de solución a la estructura del alimento (^{Fito & Pastor, 1994}). El sistema durante la acción del MHD experimenta cambios estructurales y fisiológicos, indicando que, conjuntamente, se pueden presentar.

La IV está afectada por diversos factores: composición del tejido, la estructura del tejido (tamaño y distribución de poros), el tiempo de relajación de la matriz sólida, el tamaño y forma de la muestra y de la velocidad de flujo del gas y del líquido durante la acción del MHD que, a su vez, depende de la estructura del tejido y de la viscosidad de la solución (^{Thakur & Modi, 2020}). La IV promueve cambios composicionales muy rápidos en frutas y vegetales por adición a la solución de impregnación de componentes, que aseguran una mejor estabilidad del producto, al disminuir el pH y la incorporación de agentes antimicrobianos o antipardeantes (^{Thakur & Modi, 2020}; ^{Rezende Abrahão & Gomes Corrêa, 2021}; ^{Cortez‐Latorre et al. 2021}; ^{Santarelli et al. 2021}) o la mejora de algunos atributos de calidad (^{Derossi et al. 2012}; ^{Assis et al. 2019}; ^{Luo et al. 2019}; ^{Derossi et al. 2021}). La IV promueve, igualmente, cambios en las propiedades mecánicas, estructurales, ópticas y térmicas, que afectan la calidad del producto final (^{Neri et al. 2019}; ^{Panayampadan et al. 2022}). Cambios estructurales en fresa, en piña y en otras frutas promovidas por la IV han sido reportados por ^{Duarte-Correa et al. (2020)}.

La IV ha sido aplicada con resultados positivos en procesos de fortificación de frutas y hortalizas con CFA hidrosolubles y liposolubles (^{Derossi et al. 2012}; ^{Assis et al. 2019}; ^{Cortez-Latorre et al. 2021}; ^{Panayampadan et al. 2022}; ^{Kręcisz et al. 2023}), en procesos de salado de quesos (^{Gonzalez et al. 1999}; ^{Pavia et al. 2000}; ^{González-Martínez et al. 2002}; ^{Le & Konsue, 2021}), en productos cárnicos (^{Aykın-Dinçer, 2021}; ^{Chiralt et al. 2001}; ^{Ramírez et al. 2021}) y en pescados (^{Tomac et al. 2020}; ^{Marchetti et al. 2022}). La IV, como proceso previo a la deshidratación osmótica, aporta cambios estructurales en el tejido y modificaciones en la transferencia de masa (^{Le & Konsue, 2021}; ^{Mierzwa et al. 2022}) y, además, la incorporación de crioprotectores, a partir de la IV en el proceso de congelación, contribuye a la reducción de los cambios de textura estructura y composición química (^{Pandiselvam et al. 2022}; ^{Panayampadan et al. 2022}). Bajo este contexto, el objetivo de la investigación fue evaluar la respuesta a la IV del cogollo de la palma de Iraca, utilizando una solución isotónica a la matriz alimentaria.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizaron CFPI extraídos de 50 plantas cultivadas en la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín (6°15′44′′ N 75°34′37′′ O, altitud 1.495 m s.n.m., a una temperatura promedio entre 28 /17 °C y 65,0 % de HR). Se seleccionaron tallos de 0,5 a 0,7 m de longitud, tomadas desde la parte basal del tallo halando hacia arriba, para no provocar rupturas en los cogollos tiernos, que fueron recortados con una altura de 0,04 m, para las pruebas de impregnación, tomando de cada tallo solo un cogollo. La preparación de la solución isotónica de impregnación se preparó con NaCl (0,6 %p/p), que corresponde a una actividad de agua (a_w), similar a los cogollos. Los diámetros se codificaron en tres rangos de tamaños: 1) 10,0 - <11,6 mm, 2) >11,6 - < 13,3 mm y 3) >13,3 - 15,0 mm.

Caracterización del CFPI. El contenido de humedad (Xw) fue determinado según el método descrito por la ^{AOAC (1990)}, secando las muestras en una estufa de aire forzado, a una temperatura 105 ºC, hasta alcanzar peso constante, aproximadamente, 24 horas después. Actividad de agua (a_w): se determinó con un higrómetro con punto de rocío, a 25 °C (marca Aqualab Decagón modelo CX3±0.03, Pullman, WA, USA). °Brix: se determinó según el método ^{AOAC (1990)}, en un refractómetro (Atago, Tokyo, Japón), a 20 ºC.

Proceso de impregnación al vacío. El proceso de IV fue realizado en una cámara de impregnación en acero inoxidable, que cuenta con una bomba de vacío Dosivac DVR 140. El proceso, se llevó a cabo con una presión de vacío de 4,06 kPa (P₁) y una presión barométrica, para la ciudad de Medellín, correspondiente a 85,32 kPa (P₂) y la evolución del peso de la muestra durante todo el proceso se registró con una balanza con una precisión de ± 0,01g. El proceso IV consistió en sumergir la muestra en la solución isotónica de NaCl al 0,6% p/p; luego, el sistema fue sometido a la P₁ durante el tiempo aplicado en la etapa de vacío, de 3 - 5 minutos; posteriormente, se restableció la P₂, manteniéndose sumergidas durante el tiempo aplicado en esta etapa, de 3 - 5 minutos.

Los CFPI impregnados fueron caracterizados en función de los parámetros de IV y de acuerdo con el proceso de transferencia de masa, descrito según el modelo matemático, propuesto por ^{Fito (1994)} y ^{Fito et al. (1996)}. La determinación experimental de los parámetros de impregnación se realizó según la metodología descrita por ^{Martínez Navarrete et al. (1998)} y el proceso de transferencia de masa de los PI, se realizó teniendo en cuenta el modelo matemático descrito por ^{Fito et al. (1996)}, expresado en las ecuaciones 1, 2, 3, 4 y 5 (X₁, g₁, X, g y Ee, respectivamente).

ecuación 1

ecuación 2

ecuación 3

ecuación 4

ecuación 5

Donde, m₀ (kg) es la masa inicial del CFPI; m₁ (kg), la masa del líquido impregnado del CFPI al final de la etapa de vacío; m₂ (kg), la masa de líquido impregnado en el CFPI al final del proceso de IV; es la densidad de la solución hipotónica de impregnación; V₀, el volumen inicial de la muestra; V₁ (m³) es el volumen de la muestra al final de la etapa de vacío; V2 (m³), el volumen del CFPI al final del proceso de IV y r, la relación de compresión (r = P2 / P1).

Los resultados se analizaron a partir del análisis de la varianza ANOVA, aplicando el método LSD (mínimas diferencias significativas), con un nivel de significancia del 95 % (α=0,05) (15 experimentos) y se utilizó el paquete estadístico Statgraphics Centurión XVII. Las variables dependientes asociadas a la IV se reportaron como valores medios más la desviación estándar, a partir de 3 repeticiones. Se aplicó una optimización experimental de múltiples respuestas para definir el rango de diámetro y los tiempos óptimos, lo que permitió obtener una mejor respuesta a la impregnación al vacío.

Las variables dependientes se modelaron mediante un modelo polinomial de segundo orden (ecuación 6), donde Y es la variable dependiente, β₀ es constante y β_A, β_B y β_C son los coeficientes lineales; β_AB, β_AC y βBC son los coeficientes de interacción de los factores lineales y β_A ², β_B ² y β_C ² son los coeficientes cuadráticos. El modelo se ajustó mediante el método de falta de ajuste y el coeficiente de regresión (R²). Las variables dependientes para cada experimento se obtuvieron por triplicado. Por otro lado, se realizó una optimización experimental de múltiples respuestas, teniendo en cuenta los resultados del ANOVA y fijando criterios, pesos e impactos en las variables dependientes que favorezcan la calidad. La validación de los modelos se realizó a partir del error medio relativo (EMR) (Ecuación 7), comparando los valores de la variable dependiente predicha y la experimental a la condición óptima. Los valores experimentales, en condiciones óptimas, se obtuvieron de 3 repeticiones.

ecuación 6

ecuación 7

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización del cogollo fresco. Las características fisicoquímicas del CFPI presentaron valores de Xw de 93,0 ± 1,1 %; a_w: 0,993 ± 0,001 y °Brix = 4,6±0,1%, pH= 5,8±0,0. Estos resultados demuestran que la matriz de estudio presenta altos niveles de Xw, lo cual, es correspondiente a un alto valor de aw, que la hace un sustrato favorable al crecimiento microbiológico, que se favorece por ser un producto con un pH de baja acidez. El contenido de sólidos solubles fue bajo y es conferido, principalmente, por carbohidratos solubles y sales minerales presentes.

Proceso de impregnación al vacío. La tabla 1 presenta los valores medios y la desviación estándar de los parámetros de IV (X₁, g₁, X, g y Ee) del proceso de IV del CFPI. Los resultados del ANOVA se resumen como sigue: g₁ presentó diferencias estadísticas significativas (p<0,05) respecto a las variables independientes T1 y T2 y con las interacciones lineales diámetro-T1 y diámetro-T2; la X₁ presentó diferencias estadísticas significativas (p<0,05) con respecto a la interacción lineal T1-T2; la g presentó diferencias estadísticas significativas (p<0,05) respecto a la variable independiente T2 y con las interacciones lineales diámetro-T2 y T1-T2; la Ee presentó diferencias estadísticas significativas (p<0,05) respecto a la interacción lineal de las variables independientes T1-T2. Por otro lado, la X no presentó diferencias significativas (p>0,05) respecto a ninguna de las variables independientes, ni con las interacciones lineales o cuadráticas.

En general, se observa una influencia importante de las variables independientes seleccionadas sobre la matriz porosa CFPI. La variable g₁ presentó fluctuaciones entre -1,5 y 1,8 %; sin embargo, los resultados identifican que durante la etapa de vacío a P₁ se ejerce, principalmente, una expansión volumétrica (valores positivos) en el CFPI, debido a que la fuerza externa aplicada genera un incremento en mayor o menor medida del volumen de la estructural y, por ende, de la porosidad. Esta expansión volumétrica dependerá de la resistencia mecánica (firmeza) que ofrece la estructura durante el tiempo de aplicación en la etapa de vacío (T1) o del estado de maduración del CFPI. Los valores medios de X₁ fluctuaron entre 2,5 y 13,0%, lo que denota ingreso de la solución isotónica de impregnación en la etapa de vacío. Este ingreso de líquido es la resultante entre las fuerzas capilares que actúan hacía el interior de la estructura, la cual, ahora, se comporta con mayor porosidad, debido a la expansión volumétrica y la fuerza que actúa en sentido contrario, hacía el exterior debido al vacío a P₁.

La figura 1 presenta los gráficos volumen de respuesta de la g1 y X1, que muestran que no existe una tendencia definida de g₁ con respecto a T1 y T2; existe una dependencia de estas con el diámetro, generando una interacción diámetro-T1 positiva y una interacción diámetro-T2 negativa. Esto implica que, la g₁ se incrementa a T1 bajos y este disminuye cuando T1 es alto; mientras que, g₁ a T2 bajos disminuye y a T2 altos incremente. En la figura 1, también se identifica el efecto de la interacción negativa T1-T2 sobre la X₁, observándose una tendencia de mayor ingreso de líquido de impregnación a bajos T1 y altos T2.

Dentro de los criterios favorables para la aplicación de la técnica de IV en una matriz porosa, se desea que los niveles de g₁ y g sean lo menor posible; sin embargo, para este caso al ser g₁ positivo y el valor de X₁ positivo, implica que la deformación volumétrica favorece la transferencia de masa hacia el interior en la etapa de vacío; por lo que, un criterio óptimo podría ser un valor intermedio, que contribuya un ingreso y deformación intermedio.

Bajo este contexto, el gráfico de volumen de respuesta identifica la zona verde, donde g₁ = 0,1535; además, se observa que la dirección de las flechas identifica el comportamiento que experimenta la estructura, yendo desde una contracción hacía una expansión volumétrica. Por otro lado, el gráfico de volumen de respuesta identifica la zona roja, como es espacio operativo más favorable para X₁, donde esta se maximiza y, al mismo tiempo, contribuye a una mayor transferencia de masa del líquido de impregnación. Esta condición operativa a menores diámetros del CFPI, T2 mayores a 3,4 min y T1 entre 3,0 y 4,6 min. Este comportamiento afianza lo mencionado inicialmente; el impacto de la fuerza hacia el exterior que experimenta el CFPI durante la etapa de vacío, produce un ablandamiento considerable e incremento de la porosidad de estructura, que termina expandiendo la matriz, principalmente, cuando el sistema opera a T2 altos, debido a que, en esta etapa, la presión positiva del líquido de impregnación contribuye a la mayor expansión y el mayor ingreso del líquido en la estructura.

Los valores medios de g fluctuaron entre 4,5 y 1 %, lo que denota un incremento de la expansión volumétrica del CFPI, lo cual, se atribuye al cambio de presión en la etapa a la P₂, que acelera el líquido hacía el interior y al acoplamiento del MHD y los fenómenos de deformación-relajación (FDR) que ocurren en un estado de equilibrio al final del proceso, como consecuencia del estrés mecánico ante el , en el proceso IV (^{Fito et al. 1996}). Los valores medios de X fluctuaron entre 8,0 y 17,8 %, lo cual, indica que la estructura del CFPI es adecuada para la incorporación del líquido isotónico, causado exclusivamente por el MHD, impuesto por los cambios de presión, que induce a los procesos de transferencia de masa en ambas etapas. Se aclara que este argumento se soporta, debido a que la solución isotónica garantiza que no haya otros mecanismos de transferencia de masa, por ejemplo, aquellos debido a la diferencia del potencial químico del agua entre los CFPI y el líquido de impregnación.

La figura 2 presenta los gráficos de volumen de respuesta de g y X, donde se identifica un efecto importante de T2, sin llegar a estar bien definido su comportamiento, sino que existe una dependencia con respecto con diámetro y T1, lo cual, se refleja por la interacción negativa diámetro-T2 y por interacción positiva T1-T2. La mayor expansión del CFPI (> g) se potencia cuando la interacción diámetro-T2 ocurre con mayor diámetro y menor T2; mientras que, con la interacción T1-T2 ocurre a menores T1 y T2. Esta complejidad en la dinámica de la IV sobre los cambios volumétricos se explica por diversos factores, que incluyen la misma naturaleza porosa y firmeza de la estructura, el tamaño y la distribución de los poros al interior de la estructura, el tamaño de la muestra y la velocidad de ingreso del líquido de impregnación (^{Duarte-Correa et al. 2020}).

En el contexto de un producto impregnado, una g mínima garantiza un menor stress mecánico y una estructura similar al producto original, lo que contribuye a una mayor retención del líquido incorporado en su interior; sin embargo, para el CFPI, al presentar g y X1 valores positivos, resulta favorable a la transferencia de masa hacia su interior, por lo que un criterio óptimo para esta matriz resulta un valor intermedio (2,73 %). Bajo esta circunstancia, el gráfico de volumen de respuesta identifica la zona de color verde cuando g es 2,73 %, ubicándose, principalmente, en rangos de diámetros entre 10,8 - 12,5 mm, T1 entre 3 - 4 min y en todo rango de T2.

La X, a pesar de no presentar diferencias estadísticas, es uno de los parámetros más importantes en los procesos IV, ya que está directamente relacionado con el líquido de impregnación que se incorpora al interior de la estructura; en la figura 2, se ilustra el comportamiento general de la X, donde se observa que una mayor X se alcanza cuando el sistema opera con diámetros de CFPI bajos, en todo el rango de T1 y T2.

Finalmente, los resultados de la Ee fueron coherentes con los resultados encontrado en la X, fluctuando los valores medios entre 6,7 y 17,4%, lo cual, garantiza la eficacia del proceso IV, ya que representa el porcentaje volumétrico disponible para el proceso IV (^{Kręcisz et al. 2023}). En este contexto, la figura 3 presenta los gráficos de superficie y volumen de respuesta de la Ee del CFPI, durante el proceso IV. Los efectos individuales de T1 y T2 son dependientes, que hace que la interacción lineal observada de T1-T2 fue negativa, donde los mayores valores se observan a T1 bajos y T2 altos y a T1 altos y T2 bajos. El efecto de las tres variables independiente se observa mejor en el gráfico de volumen de respuesta, similar al comportamiento de X, lo cual, revalida los mayores valores de Ee, cuando el sistema opera con diámetros bajos y en todo el rango de T1 y T2.

Optimización del proceso IV. La optimización experimental de múltiples respuestas del proceso IV del CFPI se realizó con base en los resultados estadísticos y fijando ciertos criterios que favorezcan los atributos de calidad del cogollo impregnado. La tabla 2 resume las condiciones fijadas de las variables dependientes, bajo las cuales, se realizó la optimización; además, los pesos y el impacto dado a cada variable dependiente, donde el valor de deseabilidad fue del 89,6 %, donde se buscó maximizar X, X₁ y Ee, con el fin de aumentar la cantidad de líquido impregnado y retenido. La aplicación del Software Statgraphics Centurión XV I.I generó, como condiciones óptimas del proceso de impregnación del CFPI, con solución isotónica de NaCl: diámetro 10,83, T1: 4,47 min y T2: 3,97 min, donde los modelos matemáticos definieron los valores teóricos. Adicionalmente, los valores teóricos obtenidos a las condiciones óptimos fueron: g₁ 0,45 %, X₁ 11,46 %, g 2,57 %, X 17,39 % y Ee 17,04 %. Los valores experimentales reales bajo las condiciones óptimas fueron: g₁ 0,51 %, X₁ 17,03 %, g 1,40 %, X 19,15 % y Ee 20,40 %, siendo estos valores similares a los teóricos.

La tabla 3 presenta los coeficientes de regresión estimados del modelo polinómico cuadrático y sus respectivos R². Se observa que los valores R², para la mayoría de las variables, fueron relativamente altos, siendo los valores mostrados superiores a 83,3 %, mientras que, la prueba de falta de ajuste permitió determinar que el modelo muestra una aceptabilidad, para predecir la variación de estas. Además de lo anterior, los resultados no mostraron significancia estadística relevante (p>0,05) en las variables dependientes, lo que indica que el modelo es adecuado para describir el comportamiento de los datos experimentales.

Los resultados permiten concluir que la aplicación de la ingeniería de matrices utilizando la técnica de IV identificó al CFPI como una estructura alimentaria adecuada y efectivas, para permitir la incorporación de diversos componentes en los espacios intercelulares, contribuyendo a la generación de valor de la agrocadena de la Palma de Iraca, como producto mínimamente procesado. Por otro lado, la dinámica de la IV del CFPI está influenciada por las variables independientes seleccionadas (diámetro, T₁, T₂) y por sus interacciones lineales. Se resalta, principalmente, que el proceso de IV del CFPI comporta una expansión volumétrica durante todo el proceso, la cual, finalmente, contribuye al proceso de transferencia de masa del líquido isotónico al interior de la estructura. La microestructura porosa del CFPI es muy compatible con el proceso de IV, permitiendo valores altos de X y Ee. Los resultados alcanzados son 100% satisfactorios para la proyección futura de incorporación de los componentes activos de interés seleccionados, para la continuación de la investigación. Por otro lado, se provee un buen resultado de la integración del proceso IV y liofilización, lo que fortalecerá, aún más, la generación de valor con productos innovadores que ofrecen potenciales beneficios a los consumidores.