Introducción

La cordillera andina es el sistema montañoso más largo del planeta. Alberga los mayores glaciares tropicales y provee una cantidad considerable de recursos de agua dulce en el mundo (^{Escobar-Mamani et al., 2020}). Al este de los Andes se encuentra la Amazonía peruana, la mayor selva del mundo, conformada por un mosaico de paisajes y ecosistemas que albergan rica biodiversidad, la cual debe ser conocida, preservada y utilizada de manera correcta para posibilitar el desarrollo sostenible. Además, los Andes proveen a las fuentes hídricas del Amazonas los sedimentos, nutrientes y material orgánico que hacen de la región amazónica una de las más productivas del planeta (^{Dunne et al., 1998}).

Entre la variedad de recursos alimentarios naturales de la Amazonía peruana, se encuentran los frutos de la cocona (Solanum sessiliflorum). Esta especie pertenece a la familia Solanaceae y es apreciada por sus deliciosos frutos, que son muy utilizados para la preparación de jaleas, jugos, mermeladas, pastas, encurtidos y dulces (^{Jiménez, 2018}; ^{Quispe-Herrera et al., 2022}). Por otro lado, la producción agroindustrial de pulpas en la región amazónica empieza a tener preponderancia gracias a la reciente presencia de plantas agroindustriales modernas. Las pulpas de frutas como la cocona son sometidas a diversos procesos y esfuerzos físicos, como la concentración y la temperatura, con fin de mejorar los costos de empaque, transporte y almacenamiento (^{Salehi, 2020}). Estas pulpas tienen un comportamiento de flujo diferente ante cada proceso. Por lo tanto, se requiere de estudios científicos sobre la pulpa de cocona con la finalidad de obtener productos procesados de muy buena calidad.

La reología de los alimentos nos permite estudiar la deformación y las propiedades de flujo de las materias primas sin procesar, los productos intermedios o semielaborados y los productos finales (^{Salehi, 2020}). La concentración y la temperatura tienen influencia en las propiedades físicas de los alimentos, como en las propiedades reológicas y sensoriales (textura) (^{Zheng, 2019}). Los parámetros reológicos son de especial importancia en las líneas de proceso, condicionando la circulación por diversos equipos; y deben tenerse en cuenta al aplicar tratamientos térmicos de conservación (^{Shinwari & Rao, 2020}). Además, las propiedades reológicas ayudan a comprender el comportamiento de flujo de la pulpa de fruta mediante varios parámetros de flujo, como tensión de corte, velocidad de corte, velocidad de corte-viscosidad (^{Nath et al., 2020}). El conocimiento adecuado de las propiedades reológicas de los alimentos se aplica en numerosas etapas del procesamiento y como parámetro de control de calidad (^{Barbieri et al., 2018}); sin embargo, estas propiedades no se han estudiado en la pulpa de cocona concentrada. Por lo tanto, para que la pulpa de cocona se procese en condiciones adecuadas se debe conocer parámetros reológicos como su índice de consistencia (K) y de flujo (n).

El presente estudio científico tuvo como objetivo evaluar la influencia de la temperatura y concentración de sólidos solubles en el comportamiento reológico de la pulpa de cocona, mediante el modelo de Ley de la Potencia para la determinación de sus parámetros reológicos (K y n).

Materiales y métodos

Los frutos maduros de cocona (Solanum sessiliflorum) ecotipo esferoide alto fueron adquiridos en un mercado local de Pucallpa (Ucayali, Perú). Los frutos maduros de una coloración amarillo anaranjado fueron transportados hacia el Laboratorio de Frutas y Hortalizas de la Universidad Nacional Intercultural de la Amazonía (Ucayali, Perú).

Las mediciones se realizaron conforme al manual de instrucciones de cada equipo. Para el peso se utilizó una balanza analítica digital Dakota 3102 (Dakota Import EIRL, Lima, Perú). Para los diámetros axial y ecuatorial se utilizó un calibrador digital (INSIZE Electronic, USA). Para el color de los frutos se utilizó un colorímetro CR-400 (Konica Minolta, USA) y los valores se expresaron de acuerdo al sistema CIELab.

La pulpa de cocona fue obtenida de acuerdo al flujograma mostrado en la Figura 1. Los frutos fueron seleccionados (por una misma coloración), lavados con agua corriente, sanitizados con agua clorada (150 ppm/15 minutos), enjuagados y escurridos durante 5 min. Después, se pelaron utilizando una solución de NaOH al 2,5% (m/v) por 10 min; transcurrido el tiempo, los frutos fueron enjuagados en abundante agua para retirar la cáscara y los residuos de la solución de NaOH. Luego, los frutos sin cáscara fueron despulpados en una despulpadora de frutas Ep-9 (Kamplex, Hungría) con malla de 0,5 mm de abertura. La pulpa obtenida se almacenó hasta su posterior análisis.

La caracterización fisicoquímica de la pulpa se realizó de acuerdo con los métodos oficiales de la AOAC (2005). Los sólidos solubles fueron medidos de acuerdo con el índice de refracción (método 983.17). El pH fue determinado utilizando un potenciómetro previamente calibrado (método 981.12). La humedad fue determinada por estufa a 105 °C hasta un peso constante (método 920.151). La acidez fue determinada por titulación con solución de hidróxido de sodio al 0,1 N y fenolftaleína como indicador (método 942.15).

La pulpa de cocona se concentró con azúcar blanca comercial, a diferentes niveles para lograr las concentraciones deseadas en cada tratamiento (Figura 1). Las muestras con diferente grado de concentración fueron almacenadas para su posterior evaluación.

Los parámetros reológicos fueron obtenidos en un reómetro de Brookfield RVD III+ (Brookfield Engineering Labs., USA). La pulpa de cocona (10 mL) fue colocada dentro del contenedor del reómetro y se procedió a medir la viscosidad (h) utilizando un spindle número 7. Las medidas en estado estacionario se realizaron con una velocidad de deformación (γ) de 0 a 100 s^-1, con un rango de torque entre 10 - 100%. Los datos obtenidos se ajustaron al modelo de Ley de la Potencia (ecuación 1).

Donde: τ es el esfuerzo de corte (Pa), K es el índice de consistencia (Pa·sⁿ), γ es la velocidad de deformación (s^-1) y n es el índice de flujo (adimensional, n ≠ 1). El análisis fue realizado por triplicado para cada tratamiento.

Para el cálculo de la energía de activación (Ea) se utilizó la relación entre el índice de consistencia (K) con la inversa de la temperatura (1/T) a través del modelo matemático de Arrhenius (ecuación 2):

Donde K y K ₀ son los índices de consistencia (Pa·sⁿ) de las pulpas concentradas; Ea es la energía de activación (kJ/mol); R es la constante de los gases (8,314 J/mol·K) y T es la temperatura absoluta (K).

Todos los resultados fueron expresados como medias ± desviación estándar. Se utilizó un diseño factorial 4 × 4 con tres repeticiones. Las variables de estudio fueron la temperatura (T _p : 30 - 60 °C) y la concentración (C _p : 10 - 25 °Brix) (Figura 1). Se utilizaron análisis de regresión no lineal (ecuación 1) y lineal (ecuación 2) para estimar los coeficientes de los modelos matemáticos con un buen ajuste (R² > 0,9) para fines predictivos, bajo el dominio estudiado. Fueron realizados análisis de variancias (ANVAs) seguidos de la prueba de Fisher (p < 0,05). Todos los análisis de datos fueron realizados con el software Statistica versión 12 (StatSoft Inc., Tulsa, OK).

Resultados

Los resultados de las características biométricas de los frutos de cocona ecotipo esferoide alto se presentan en la Tabla 1. El peso promedio de 20 frutos de cocona evaluada fue de 210,2 g. Los diámetros axial y ecuatorial de los frutos fueron: 8,57 cm y 6,58 cm, respectivamente. El reporte de las coordenadas colorimétricas muestra la coloración del fruto maduro, cuya tendencia es levemente al claro (L*: 39,33), con tendencia ligera hacia el rojo (a*: 11,34) y con tendencia a un amarillo pálido (b*: 41,96).

En la Tabla 1 se muestra los resultados de las características fisicoquímica de la pulpa. Se puede observar que el valor de los sólidos solubles fue 6,51 °Brix y pH de 3,62. La acidez fue 1,42 g de ácido cítrico/100 g de pulpa. La humedad de la pulpa fue 86,57%.

La Figura 2 muestra las curvas donde se midió la (1: lado izquierdo) viscosidad (h) en función de la velocidad de deformación (g) y (2: lado derecho) el esfuerzo cortante (t) en función de g. Los valores de h variaron de 260,5 a 3920,0 cP y los valores de t variaron de 87,0 a 395,3 Pa, a diferentes g (4,7 a 93 s^-1). Con los valores de t y g se realizaron los reogramas (Figura 2) y después se procedió a calcular el índice de consistencia (K) e índice de flujo (n) de las pulpas, mediante el modelo reológico de Ley de la Potencia. Los valores de K variaron de 48,63 a 111,14 Pa·sⁿ y mostraron diferencia significativa (p < 0,05) entre los tratamientos. Por otro lado, los valores de n variaron de 0,271 a 0,353 y mostraron diferencia significativa (p < 0,05) entre las muestras, según la prueba de Fisher (LSD) (Tabla 2). Los coeficientes de determinación (R²) obtenidos demuestran que la pulpa de cocona, para las condiciones de estudio (C _p y T _p ), se ajustaron adecuadamente al modelo de Ley de la Potencia (R² > 0,997) y se pueden usar para fines predictivos. La pulpa de cocona en todas las condiciones mostró un comportamiento reológico no newtoniano del tipo pseudoplástico (0 < n < 1). Además, se observó en las curvas (reogramas), que conforme se incrementa T _p , la pulpa pierde ligeramente pseudoplasticidad (adelgazamiento por cizallamiento), en donde aumenta n y disminuye K, en todos los tratamientos. Por otro lado, C _p afectó negativamente K, es decir, a medida que aumenta los sólidos solubles en la pulpa los valores de K disminuyen ligeramente (Tabla 2).

Mediante el modelo de Arrhenius se pudo correlacionar linealmente el logaritmo natural de K en función de la inversa de la temperatura absoluta (Figura 3) con buenos ajustes de regresión (R²: 0,9706 a 0,995). En la Tabla 3 se puede ver los valores de Ea que variaron de 11,55 a 14,81 kJ/mol.

Discusión

Los valores de la caracterización biométrica son similares a los trabajos reportados por Contreras et al. (2018) y ^{Obregón-La Rosa et al. (2021}). El peso promedio del fruto de cocona fue mayor a lo reportado por ^{Sereno et al. (2018}). Características biométricas como el tamaño y peso de los frutos se relacionan con la variedad, aplicación de buenas prácticas agrícolas, tipo de suelo y condiciones ambientales (Obregón-La Rosa et al., 2021). Por otro lado, la coordenada colorimétrica de L* mostró ser similar a lo reportado por Sereno et al. (2018), pero en las coordenadas de a* y b* mostraron diferencias; incluso nuestros resultados fueron inferiores. Varios estudios correlacionan el color con el contenido de pigmentos de las frutas y hortalizas. En el caso de los frutos de cocona, el color amarillo indica la presencia de carotenoides (^{Yuan et al., 2015}).

La cantidad de sólidos solubles y pH fueron superiores a lo reportado por ^{Obregón-La Rosa et al. (2021}) pero inferiores en el contenido de acidez de la pulpa. ^{Contreras Gutiérrez et al. (2018}) reportaron el contenido de humedad (93,05%) y pH (4,58) en la pulpa de cocona ecotipo ovalada. Estos resultados fueron superiores a los valores obtenidos en el experimento. Por otro lado, la acidez titulable fue inferior a lo reportado en nuestro estudio. Estas diferencias pueden deberse a la etapa de maduración, variedad de ecotipos y factores ambientales de los frutos. Además, los resultados de solidos solubles fueron similares a lo indicado por Contreras Gutiérrez et al. (2018) y ^{Sereno et al., (2018}). Estas características fisicoquímicas hacen que la pulpa de cocona sea un excelente ingrediente para la elaboración de jaleas, jugos, mermeladas, entre otros (^{Furlaneto et al., 2015}; ^{Jiménez, 2018}).

En los reogramas de nuestro experimento se pueden observar una relación negativa entre T _p y t. A medida que aumenta T _p los valores de t y h disminuyen. Además, los valores de h están en función de sus fuerzas intermoleculares que restringen el movimiento molecular, estas fuerzas dependen de los espacios intermoleculares, los cuales determinan el volumen libre, afectado por los cambios de temperatura (^{Barbosa-Cánovas et al., 1993}). Por otro lado, diversos trabajos reportaron una relación directa entre C _p y h de los alimentos fluidos (^{Bustamante et al., 2016}; ^{Dak et al., 2007}; ^{Salehi, 2020}). Este fenómeno no ocurrió en nuestro experimento, dado que C _p afectó negativamente h y K en las pulpas concentradas. Estos cambios fueron ligeros y podrían deberse a la actividad de enzimas pectinolíticas en la muestra provocando un ligero cambio en los sólidos solubles, el valor de pH, la acidez y la viscosidad aparente (^{Sharoba & Ramadan, 2011}), así como también en K. El manejo y procesamiento de pulpas de frutas favorece a reacciones de pardeamiento enzimático y cambios fisicoquímicos mediados por polifenol oxidasa, pectina metilesterasa y peroxidasa, entre otros (^{Barrón-García et al., 2021}). Por tanto, se sugiere aplicar un método de inactivación de estas enzimas para no alterar las propiedades de la pulpa.

El modelo matemático de Ley de la Potencia describe mejor la pseudoplasticidad de los productos elaborados con frutas (^{Sorour et al., 2015}). A partir de los reogramas se obtuvieron los parámetros reológicos de K y n a través del modelo reológico Ley de la Potencia, mostrando buenos ajustes (R²) que variaron entre 0,992 y 0,999, confirmando que el modelo reológico es adecuado para describir el flujo de la pulpa de cocona. Durante algunas operaciones en la industria de los alimentos los valores de h y K varían significativamente, en particular en aquellos procesos que implican calentamiento y enfriamiento (^{Lewis, 1993}). Además, los valores de K y n de este estudio fueron similares para pulpas de frutas y sus concentrados (^{Bustamante et al., 2016}; ^{Diamante & Umemoto, 2015}; ^{Salehi, 2020}). ^{Dak et al. (2007}), estudiaron el comportamiento reológico del jugo de mango de la variedad “Kesar” a diferentes concentraciones (7,6 - 26%) y temperaturas (20 - 70 °C), y obtuvieron valores de K y n de 0,32 - 80,09 Pa·sⁿ y 0,20 - 0,33, respectivamente, revelando un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento del jugo. La medición de las propiedades de flujo en un producto es importante para establecer un parámetro de control de calidad para los cálculos de procesamiento y desarrollo del producto (^{Barbieri et al., 2018}).

El modelo matemático de Arrhenius permitió correlacionar linealmente el logaritmo de K (Pa·sⁿ) contra la inversa de la temperatura absoluta (1/K) con buenos ajustes de regresión (R²) que variaron de 0,9706 a 0,995. Estos valores permitieron determinar la energía de activación de la pulpa de cocona. La energía de activación (Ea) es la energía mínima para iniciar un proceso de reacción en función de la temperatura y es útil en el control de calidad de los productos preparados (^{Silva et al., 2017}; ^{Sonawane et al., 2020}). Los valores de Ea obtenidos en el experimento fueron superiores a las pulpas concentradas de aguaymanto, que variaron de 3,88 a 4,43 kJ/mol (^{Bustamante et al., 2016}). Pero inferiores con algunos jugos de frutas y sus concentrados, como cerezas (22,44 a 73,49 kJ/mol), uvas (13,95 a 24,88 kJ/mol), níspero (9,59 a 43,39 kJ/mol), granada (9,07 a 24,05 kJ/mol) y frutos de bael (23.83 kJ/mol) (^{Salehi, 2020}; Sonawane et al., 2020).

Conclusión

Al este de los Andes se encuentran los frutos de la cocona, ricos en nutrientes que son ampliamente utilizados en la preparación de alimentos. Para el procesamiento de pulpas es necesario conocer sus características reológicas. El comportamiento reológico de la pulpa de cocona fue afectado por la concentración de los sólidos solubles y la temperatura. El índice de consistencia (K) e índice de flujo (n) variaron de 48,63 a 111,14 Pa·sⁿ y 0,271 a 0,353, respectivamente. El modelo de Ley de la Potencia mostró ser adecuado (R² > 0,997). La pulpa fue caracterizada como un fluido no newtoniano con un comportamiento pseudoplástico (0 < n < 1), común en las pulpas de frutas. El modelo de Arrhenius fue adecuado (R²: 0,9706 - 0,995) para describir el efecto de la temperatura sobre K y permitió obtener la energía de activación de las pulpas concentradas, que variaron de 11,55 a 14,81 kJ/mol. Estos resultados pueden usarse para futuros trabajos, parámetros de calidad y diseño de equipos.