Revista Iberoamericana de Tecnología Postcosecha ISSN: 1665-0204 [email protected] Asociación Iberoamericana de Tecnología Postcosecha, S.C. México

Castellanos, Diego A.; Algecira, Néstor A.; Villota, Claudia P. Aspectos relevantes en el almacenamiento de banano en empaques con atmósferas modificadas Revista Iberoamericana de Tecnología Postcosecha, vol. 12, núm. 2, 2011, pp. 114-134 Asociación Iberoamericana de Tecnología Postcosecha, S.C. Hermosillo, México

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Aspectos relevantes en el almacena… Diego A. Castellanos y cols. (2011)

ASPECTOS RELEVANTES EN EL ALMACENAMIENTO DE BANANO EN EMPAQUES CON ATMÓSFERAS MODIFICADAS

Diego A. Castellanos1*; Néstor A. Algecira1; Claudia P. Villota2

1Universidad Nacional de Colombia. Bogotá D. C. [email protected] 2Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria. Regional Tibaitatá. [email protected]; *[email protected]

Palabras clave: madurez, atmósfera modificada, vida útil, banano

RESUMEN Para el diseño de un sistema de empaque en atmósfera modificada (MAP) con películas con o sin micro-perforaciones, es necesario conocer la cinética de la respiración del producto y el intercambio de gas a través del empaque, procesos que afectan el contenido de gases de la atmósfera interna que rodea el producto de forma dinámica. En el caso del almacenamiento de banano el factor correspondiente a la respiración es muy relevante debido al carácter climatérico de estos frutos. En este documento son mencionados los aspectos que deben ser tenidos en cuenta en el uso de empaques con atmósferas modificadas para el almacenamiento de banano, son presentadas las ecuaciones de diseño para el sistema de almacenamiento en atmósferas modificadas considerando la dependencia de la atmósfera interna de la tasa de respiración del fruto, la permeabilidad del empaque, la presión y la temperatura, y finalmente se describen propiedades que indican la calidad y la madurez del producto, como el color y la firmeza que pueden considerarse funciones de las condiciones de almacenamiento (p. Ej. concentración de gases, temperatura y tiempo).

RELEVANT ASPECTS IN STORAGE OF FRUIT IN MODIFIED ATMOSPHERE PACKAGING

Key words: ripening, modified atmosphere packaging, shelf life, banana

ABSTRACT For design of a modified atmosphere packaging system (MAP) with micro-perforated or non perforated films, it is necessary to know the respiration kinetic of the product and the gas exchange through the film, processes that affect the gas levels of the internal atmosphere that surrounds the product dynamically. In the case of packaging of banana the factor corresponding to respiration is very relevant due to the climacteric character of these fruit. In this paper are mentioned the aspects that should be taken into account in the use of modified atmosphere packaging for banana, are presented the design equations for the system of modified atmosphere packaging considering the dependence of the internal atmosphere of the rate of respiration of the fruit, permeability of the packing, pressure and temperature, and finally it describes properties that indicate the quality and the fruit maturity, like color and firmness that can be considered functions of the storage conditions (e. g. concentration of gases, temperature and time).

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1. INTRODUCCIÓN de oxido-reducción donde una variedad de El banano ( paradisiaca) es la fruta sustratos presentes en las células de la planta más importante en el comercio internacional. son oxidados hasta CO2 (Kays, 1991). Este El valor del comercio mundial de banano es proceso, contribuye en gran manera a las mayor que el de todas las demás frutas pérdidas en la postcosecha de frutas y tropicales juntas, representando el 23% de la vegetales. La respuesta respiratoria de los producción mundial de frutas. Para el año 2009 productos frescos en la postcosecha depende el volumen total de embarques de banano fue de la temperatura de la atmósfera que rodea el de 13.800 millones de toneladas (FAO, 2010). producto almacenado así también como de la En el caso de Colombia la producción de composición de los gases de esta banano fue de 264.726 toneladas para el año principalmente de O2, CO2 y de etileno. 2008 con una superficie cultivada de 29.286 El empaque en atmósferas modificadas hectáreas. (MADR, Agronet, 2009). (MAP, Modified Atmosphere Packaging) de El banano bocadillo ( AA) productos frescos involucra la modificación de ocupa una parte importante y cada vez la atmósfera interna del empaque creciente de la producción de musas consecuencia de la interacción dinámica de dos comestibles en Colombia en donde se le procesos, la respiración del producto y la destina mayormente al mercado de transferencia de gases a través del empaque, lo exportación por cuanto resulta muy agradable cual lleva a la reducción de la composición de a los consumidores en Europa y en Norte oxígeno y al aumento en la composición de América principalmente. dióxido de carbono. Si el producto está En el año 2006 la exportación de banano empacado en una película con una baja bocadillo reportó ingresos para Colombia por permeabilidad, los niveles de oxígeno en el 3.597.000 dólares, con un peso total exportado interior podrían descender a concentraciones de 2.236 toneladas. De estas exportaciones un muy bajas inferiores al 1% favoreciendo el 54% fue a países de la Unión Europea, con desarrollo de reacciones anaerobias; como cerca de un 90% para Francia (lo que resultado de estas reacciones aparecen representa un 44,6 % del total de compuestos indeseables como alcoholes, exportaciones del 2005) y un 44 % fue a los aldehídos y ácidos orgánicos responsables de Estados Unidos. (MADR, Agronet, 2009) malos olores y sabores. La atmósfera (FUPAD, BSD, 2009). modificada en los niveles de gases apropiados, Frutos frescos como el banano siempre puede potencialmente reducir la tasa de tienen una alta demanda en el mercado. Sin respiración, la producción y actividad del embargo, los productos hortofrutícolas son etileno (C2H4), la oxidación, el proceso de bienes perecederos que generalmente tienen maduración y el deterioro del producto (Gorris una corta vida de anaquel. Los procesos de y Tauscher, 1999; Kader et al. 1989; Saltveit, deterioro en las frutas están asociados con la 1997). actividad fisiológica y bioquímica propia de Bajas concentraciones de O2 y elevadas cada fruto y dan comienzo una vez que este es concentraciones de CO2 reducen la tasa de separado de la planta (Kader, 1986; Kays, respiración del producto (Watada et al. 1996), 1991). Las células vivas de las plantas que han mientras que la acumulación de CO2 en el sido cosechadas continúan con su actividad interior del empaque favorece la inhibición del respiratoria, utilizando oxígeno (O2) de la crecimiento de microorganismos responsables atmósfera alrededor del producto y liberando del deterioro del producto (Bennik et al. 1998). dióxido de carbono (CO2). El proceso de respiración involucra una serie de reacciones

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La temperatura es el factor extrínseco más evite el desarrollo de procesos anaeróbicos y importante en la disminución del proceso de desordenes fisiológicos. maduración del fruto dada la influencia que • El nivel de dióxido de carbono más alto tiene en la cinética de las reacciones posible para disminuir la tasa de respiración y metabólicas y de deterioro; debe tenerse en de producción de etileno sin incurrir en daño cuenta que la velocidad de maduración y de por un nivel de CO2 más allá de lo adecuado. producción de etileno se incrementan al • La humedad relativa más alta posible aumentar la temperatura; así, para retrasar el en el interior del empaque que impida la proceso de maduración los frutos deberían ser pérdida de agua y de frescura en el fruto. mantenidos tan cerca a 0 °C como sea posible, • El nivel de etileno más bajo posible pero no debe bajarse la temperatura más allá para retardar la maduración al máximo de la temperatura crítica de almacenamiento (Dilley, 1990). para no ocasionar daño por frio (DF) al fruto. Este artículo fue hecho con el fin de En el caso del Banano la temperatura mínima describir la influencia de las variables de almacenamiento está entre 12-14 °C (Artes, relevantes en el almacenamiento de frutos de 2001). banano en sistemas de empaque con El uso de atmósferas modificadas sumado a atmósferas modificadas y seguido a esto la disminución de la temperatura de establecer los puntos a tener en cuenta para el almacenamiento del producto con el objeto de diseño adecuado de un sistema MAP para el retrasar la maduración, permite un manejo almacenamiento de banano e incluso para menos agresivo con el producto respecto a otras frutas mostrando las ecuaciones de daños por frío. Reduciendo la concentración de diseño requeridas en el proceso de modelado. O2 por debajo de 8 % y aumentando la de CO2 por encima de 1 %, se retarda el proceso de 2. ALMACENAMIENTO DE BANANO CON maduración. No es recomendable que la MAP concentración de O2 sea inferior a 1 % porque Los bananos son frutos climatéricos puesto da lugar a procesos anaeróbicos que generan que muestran un apreciable incremento en la cambios indeseables (Sandhya, 2009). velocidad de producción de dióxido de carbono La actividad enzimática se ve reducida al y etileno que coincide con el desarrollo de la disminuir la temperatura, la composición de maduración (comercial o de consumo); tienen oxígeno y de etileno y aumentar ligeramente la una vida postcosecha bastante corta, la cual es composición de CO2; consecuencia de lo afectada por varios factores que contribuyen a anterior, en general, se reduce la tasa de su deterioro. Al ser productos de exportación, consumo de sustratos (carbohidratos, ácidos deben ser trasportados grandes distancias, orgánicos y otras reservas celulares) e generalmente en barco, esto exige usar incrementa la vida postcosecha del producto técnicas que aseguren el mantenimiento de la en comparación con las condiciones calidad luego de los largos periodos de ambientales (Kader, 1986; Saltveit, 2004). transporte. Estas técnicas buscan reducir la En general, unas condiciones aceptables de tasa de respiración del fruto, retardar la almacenamiento postcosecha deben maduración y prevenir desordenes fisiológicos considerar lo siguiente (Jayas y Jeyamkondan, (Brackmann, et al. 2006). 2002): Después de la cosecha, los bananos • El nivel de oxígeno más bajo posible presentan modificaciones químicas, teniendo para disminuir la tasa de respiración y una continuidad de los procesos metabólicos, retrasar la senescencia, aunque se debe tener siendo la hidrólisis del almidón el cambio que en cuenta el nivel mínimo de oxígeno que caracteriza la llegada del climaterio. Además de

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la hidrólisis del almidón, la maduración está comportamiento de banano. La acumulación relacionada con otras modificaciones de un 10 % de CO2 o más, especialmente del complejas, entre las cuales están: el aumento día 3 al día 6, y una concentración de O2 por de la tasa de respiración, de la producción de debajo de 2 % en las bolsas, causa una etileno, de la concentración de azúcares, la maduración anormal, después cuando la fruta solubilización de las sustancias pécticas, la es madurada al aire y en temperatura degradación de la clorofila, el aumento en la ambiente. La fruta presenta oscurecimiento, y concentración de ácidos orgánicos, la un ablandamiento de la porción interior de la producción de volátiles, variaciones en la pulpa, mientras la porción exterior permanece actividad de enzimas, vitaminas, minerales y dura. Las protopectinas insolubles en agua cambios en la permeabilidad de los tejidos decrecen, y las pectinas y pectatos solubles (Silva, et al. 2006). aumentan en la fruta empacada. Un mínimo de Las atmósferas modificadas y controladas 10 % de CO2 es necesario para causar daño en pueden extender la vida útil en las frutas "Emas" y daño con un 10 % de CO2 almacenamiento de bananos verdes (Satyan, et también es reportado para los bananos "Mas". al. 1992a, 1992b). La atmósfera óptima a emplear, depende de los diferentes tipos de 2.2. Acción del Etileno cultivares estando entre 2 - 5 % de O2 y 2 - 5 % La aparición de etileno en el proceso de de CO2 para la temperatura más adecuada de respiración del banano puede llevar al 12-13 °C sumando una humedad relativa de 90 desarrollo de efectos indeseables en el – 96 % (Smith y Ramaswamy, 1996). Estas producto como un excesivo ablandamiento. En atmósferas retrasan el proceso de maduración atmósferas modificadas, uno de los efectos del banano sin causar efectos de deterioro. primarios es la depresión de la tasa de Silva y colaboradores (2006) investigaron el respiración, lo cual reduce a su vez la tasa de efecto de emplear atmósferas modificadas consumo de sustrato. El etileno es una para almacenar banano ‘Prata Ana’, emplearon hormona natural en el fruto y juega un rol bananos verdes (estado de madurez 2 de 7) y central en la iniciación de la maduración, obtuvieron que aquellos almacenados en estando fisiológicamente activa en cantidades atmósferas modificadas (2 kPa de O2 + 4 kPa de del orden de 0,1 ppm. La generación de etileno CO2 y 4 kPa de O2 + 7 kPa de CO2) a se ve reducida cerca de la mitad con niveles de temperatura de 12.5 °C y humedad relativa de O2 de 2,5 %. Un bajo nivel de oxigeno retarda la 98 % vieron retrasada su maduración maduración por inhibir tanto la acción como la considerablemente, alcanzando el estado de generación de etileno (Satyan et al. 1992a; madurez 6 (color amarillo en toda la corteza) Sandhya, 2009). hacia el día 40. La temperatura, la humedad relativa y la 2.3. Efecto de la temperatura de almacén concentración de gases de interés como el CO2, La temperatura tiene un efecto de gran O2 y C2H4 son las variables más relevantes en el importancia en el almacenamiento de banano. almacenamiento en atmosferas modificadas y Trakulnaleumsai y colaboradores (2006) han están estrechamente relacionadas con el estudiado el efecto de la temperatura en la tiempo de vida útil y la calidad del producto generación de manchas oscuras (pardeamiento almacenado. enzimático) en la corteza del banano bocadillo (‘sucrier’, Musa acuminata AA) encontrando 2.1. Influencia del CO2 que una temperatura de 12°C en el Abd Shukor y colaboradores (1987) almacenamiento es suficiente para anular la evaluaron la influencia en el nivel de CO2 en el aparición de manchas en la corteza del banano

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resultando en una reducción del nivel de propiedades sensoriales que los frutos fenoles libres totales aunque no se observa un empacados sin atmósfera modificada. efecto en la actividad de las enzimas Fenil Nguyen y colaboradores (2003) también han Analina Liasa (PAL) y Polifenol Oxidasa (PPO). estudiado la relación en la actividad de las La prevención en la aparición de manchas solo enzimas PAL y PPO en el pardeamiento de la se mantiene mientras el fruto se conserva a 12 corteza de banano en el almacenamiento a °C acelerándose el proceso de pardeamiento baja temperatura. Almacenando el fruto a una vez que el fruto se deja a temperatura más temperaturas que inducen el daño por frío (DF) elevada. La influencia de la temperatura ha entre 6 y 10 °C encontraron que el desarrollo sido modelada en el almacenamiento de del pardeamiento esta correlacionado con un banano para determinar su influencia en la tasa aumento en la actividad de la enzima PPO y de de respiración del fruto. Bhande y la PAL en la corteza y una disminución de los colaboradores (2008) desarrollaron un modelo fenoles libres totales. con base en la cinética enzimática dependiente de la temperatura mediante una relación de 2.4. Influencia del Oxígeno Arrhenius, en un intervalo de temperatura de Choehom y colaboradores (2004) reportan 10 a 30 °C y que fue validado a 12°C y muestra que el nivel de oxígeno es el factor de mayor que el modelo puede predecir bien la tasa de relevancia en el proceso de pardeamiento de la respiración de banano en estas condiciones. corteza del banano. Estos autores reportan que El daño por frío es un problema que debe la aparición de manchas en la corteza no se ve ser tratado cuidadosamente, puesto que afecta influenciada en una medida apreciable por el sensiblemente la calidad del producto. Como nivel de CO2, Etileno y la humedad relativa y se mencionó anteriormente la temperatura que este pardeamiento puede ser controlado crítica de almacenamiento para el banano es con un bajo nivel de oxígeno en el empaque, 12 °C (Artes, 2001); Por debajo de esta que resulta también en un incremento de la temperatura el banano puede presentar actividad de la enzima PPO aunque el nivel de fluctuaciones de la intensidad respiratoria, oxígeno es el factor determinante en el bajos niveles de ácidos carboxílicos y azúcares, pardeamiento. Ellos concluyen que a niveles manchas oscuras en los haces vasculares, inferiores de 5% de O2 se inhiben las reacciones encharcamiento y cristalización en algunas de pardeamiento enzimático. Con relación a lo zonas de la corteza, alta contaminación anterior, Maneenuama y colaboradores (2007) fúngica, pérdida de sabor y aroma, probaron altos niveles de oxígeno (90±2 kPa pardeamiento y falta de la transición de color con un control a 18±2 kPa) en el pardeamiento verde a amarillo en la corteza (Díaz y Porras, de banano. Encontraron que un alto nivel de 1998). Nguyen y colaboradores (2004) oxígeno aumenta el pardeamiento en la investigaron el efecto del almacenamiento en corteza del banano y que aparentemente no atmósferas modificadas en el daño por frió y el tiene una relación con la actividad in vitro de pardeamiento en banano. Haciendo un ensayo PPO y PAL que parecen ser menores en niveles de almacenamiento de banano bocadillo a 10°C más altos de oxígeno. Los fenoles libres totales empacado con y sin atmósfera modificada fueron más altos en los frutos sometidos a (12% de O2 y 4 % de CO2) encontraron una niveles más elevados de oxígeno. disminución en los efectos del daño por frío en los frutos empacados en atmósfera modificada 2.5. Humedad Relativa resultando en un menor pardeamiento, menor En cuanto a la humedad relativa se refiere, actividad de PAL y PPO y mayor nivel de Ahmad y colaboradores (2006) estudiaron el fenoles libres totales en la corteza y mejores efecto de tres niveles de humedad relativa en

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el color, la firmeza de la corteza y pérdida de participación de dos procesos: por un lado la peso del fruto de banano (Grupo Musa AAA, transferencia de masa de gases a través de la subgrupo Cavendish) a una humedad relativa película de empaque y por otro lado el proceso baja de 60-65%, una media de 80-85% y a una de respiración del fruto empacado, lo que alta de 90-95%, por un tiempo de 24 horas generalmente conduce a una atmosfera exponiendo la mitad de las muestras al interna rica en CO2 y escasa en O2 (Saltveit, contacto con etileno; encontraron los frutos 1993) almacenados a la humedad relativa baja, tuvieron una maduración más rápida que los correspondientes a las humedades relativas media y alta los cuales no tuvieron diferencias significativas en el tiempo de maduración, esto para los frutos sin exposición a etileno. En cuanto al color de la corteza no encontraron diferencias significativas relacionadas con las diferentes humedades relativas, mientras que para la firmeza de la pulpa los frutos Figura 1. Intercambio de gases en un sistema de almacenados a baja humedad relativa empaque con atmosfera modificada (Mahajan et registraron valores inferiores a los al. 2007). almacenados a las humedades relativas media y alta los cuales no tuvieron diferencias significativas. En cuanto a la percepción El material de empaque es de vital sensorial los frutos a baja humedad relativa importancia puesto que en primera medida es mostraron significativamente menos flavor que la barrera contra compuestos indeseados, pero los almacenados a las otras humedades. Xue y aun más, se desea que el material de empaque colaboradores (1995) observaron para bananos tenga una permeabilidad tal, que asegure un (Grupo Musa AAA, subgrupo Cavendish) cierto equilibrio en la composición de la almacenados a una baja humedad relativa atmósfera interior compensando los procesos (65%) una pérdida rápida de la firmeza de la metabólicos del fruto. pulpa, que está correlacionada con el aumento En cuanto a la temperatura, un incremento de la actividad de la Poligalacturonasa (PG) que de esta significa un incremento en la actividad es la enzima que degrada la pared celular. Los metabólica del fruto y consecuentemente una resultados de estas investigaciones sugirieron mayor necesidad de oxígeno; Lleva entonces a que la humedad relativa influye en las un declive del nivel de O2 y un aumento del características del fruto. Kader (1985) indica nivel de CO2 producto de las reacciones que la humedad relativa debe mantenerse metabólicas (Beaudry et al. 1992; Cameron et entre 85-95% durante el almacenamiento, al. 1994). El incremento de la temperatura debido a que una humedad relativa por debajo también lleva a un incremento en la provoca la deshidratación de los frutos y por permeabilidad del material de empaque, sin supuesto la consiguiente pérdida de peso, embargo este mayor aporte de oxígeno no mientras que las altas humedades relativas llega a compensar el que es consumido en el podrían acelerar la pudrición del fruto. proceso respiratorio. Un sistema de atmósferas modificadas que 3. DISEÑO DEL SISTEMA MAP no tenga en cuenta estos factores En un sistema de almacenamiento con apropiadamente (ver figura 2), puede llegar a atmósferas modificadas habrá siempre una ser inefectivo en su función o incluso a dañar el

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fruto que está almacenado acortando su vida tipo de material de empaque y de la útil (Mahajan et al. 2007; Fonseca et al. 2002). temperatura de almacenamiento apropiada. La respiración es un proceso metabólico que provee la energía requerida para los procesos bioquímicos de la planta. Varios sustratos utilizados en importantes rutas metabólicas son formados durante la respiración (Meyer et al. 1973). La respiración aerobia, consiste en la degradación oxidativa de reservas orgánicas hasta moléculas simples, entre ellas CO2 y agua, con la liberación de energía. Los sustratos orgánicos consumidos en este proceso incluyen carbohidratos, lípidos y ácidos orgánicos. El proceso consume también oxígeno en una serie de reacciones enzimáticas. La glucolisis, el Figura 2. Variables importantes en el uso de MAP ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de

Krebs), y el sistema de transporte de electrones El diseño de sistemas de empaque en son las principales rutas de la respiración atmósferas modificadas (MAP) para frutas y aerobia. vegetales requiere el entendimiento de la La relación de CO producido a O dinámica de las interacciones establecidas 2 2 consumido conocida como cociente de entre el producto, la atmósfera generada respiración (RQ), es normalmente asumida dentro del empaque y el empaque mismo (Yam igual a 1 si los sustratos metabólicos son y Lee, 1995). Un gran número de variables carbohidratos. La total oxidación de 1 mol de deben ser relacionadas: la tasa de respiración Hexosa consume seis moles de O y produce 6 del producto como una función de la 2 moles de CO . Si el sustrato es un lípido el RQ temperatura, la composición óptima de los 2 es menor que la unidad, porque la relación gases y sus límites de tolerancia por el entre C y O en los lípidos es más baja que para producto, la transferencia de los gases a través los carbohidratos. Si el sustrato es un acido, el de la película de empaque dependiente de la RQ es mayor que 1. Teniendo en cuenta lo temperatura, el área de intercambio de gases, anterior puede verse que los valores de RQ el volumen libre dentro del empaque (espacio reportados en la literatura para productos de cabeza), el peso del producto, etc. El hortofrutícolas están entre 0,7 y 1,3 (Kader, desarrollo de modelos matemáticos a partir de 1987) y en el caso de banano un valor cercano las ecuaciones de balances de materia y a 1 a 21°C (Heydari et al. 2010). transferencia de masa son herramientas útiles Teniendo en cuenta la importancia que para definir las características que el sistema tiene el conocimiento de la tasa respiratoria y de empaque debería tener y para predecir la el comportamiento de la composición de O y evolución de la composición de los gases 2 CO en la atmosfera interna de empaque, han durante la conservación del producto. 2 sido desarrollados modelos matemáticos que

intentan predecir el comportamiento de estos 3.1. Respiración gases en función del tiempo y de los La tasa de respiración del fruto es de vital parámetros relevantes de almacenamiento importancia en la búsqueda de sistemas de (temperatura, fruto, permeabilidad del almacenamiento en atmósferas modificadas. empaque, etcétera). De este valor depende tanto la selección de la mezcla de gases a utilizar como la selección del

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La simulación previa de los sistemas con 3.2. Micro-perforaciones atmosferas modificadas apunta a ser el camino La alta tasa de respiración de algunos más apropiado para lograr un acertado diseño productos (como el banano) requiere una del sistema MAP y consecuentemente llegar a permeabilidad mucho mayor que la que obtener un producto que pueda ser pueden proveer los empaques no perforados. aprovechado comercialmente. Mahajan y Además los empaques perforados tienen un colaboradores (2007) por ejemplo, cociente de permeabilidad, β = QCO2/QO2 desarrollaron un Software de nombre cercano a 1 (Brody, 2005; QCO2 y QO2 son los PACKinMAP que selecciona los parámetros de coeficientes de permeabilidad de la película de empaque en atmosfera modificada adecuados empaque de los gases dióxido de carbono y para 38 productos enteros o seccionados oxígeno respectivamente) y esto permite que incluyendo Banano. Este software ya ha sido las concentraciones requeridas de CO2 sean probado en algunos productos como Mango logradas sin que se den reacciones anaerobias, dando resultados satisfactorios. teniendo en cuenta que el coeficiente de El diseño del modelo implica considerar el respiración del producto puede fluctuar entre sistema de almacenamiento como un sistema 0,7 y 1,3 (Kader, 1987); esto justifica el interés inestable en donde las composiciones internas en el uso de los empaques perforados y micro- de O2 y CO2 varían con el tiempo en función de perforados. Es importante cuantificar la la permeabilidad del empaque y de la tasa de influencia del tamaño de la micro-perforación, respiración del producto. En muchos modelos el área total de intercambio, el radio se considera que la respiración del fruto puede equivalente y el espesor de la película en la ser representada por una ecuación del tipo tasa de transferencia de gas. González y Michaelis-Menten. La dependencia de la colaboradores (2008), desarrollaron una temperatura tanto de la permeabilidad del ecuación empírica que relaciona el área de una empaque como de la tasa de respiración es micro-perforación con la tasa de transmisión representada a través de un modelo de de oxígeno y de dióxido de carbono a partir de Arrhenius (Bhande et al. 2008; Lakakul et al. datos experimentales; los resultados fueron 1999). comparados con otros datos experimentales González-Buesa y colaboradores (2009) (Ghosh y Anantheswaran, 2001) y con otros también desarrollaron un modelo matemático modelos (Heiss, 1954; Becker, 1979; Emond et para determinar el cambio en la composición al. 1991; Fishman et al. 1996; Fonseca et al. de los gases dentro de un sistema MAP para el 1996). Las tasas de intercambio de O2 y CO2 empaque de durazno mínimamente procesado obtenidas de la ecuación empírica fueron muy (cultivares ‘Andross’ y ‘Calante’) y coliflor cercanas a aquellas obtenidas de la ecuación cortada y entera con siete tipos de empaques modificada de Fick en la cual longitud total de poliméricos. Encontraron que los datos paso difusivo de una perforación es experimentales obtenidos y aquellos predichos considerada como la suma de la longitud de la por el modelo muestran una concordancia perforación y un factor de corrección, que es satisfactoria para el oxígeno, mientras que para aproximadamente 0,5 veces el diámetro de la el CO2 las concentraciones predichas son perforación. A diferencia de otras ecuaciones inferiores a las obtenidas experimentalmente propuestas, esta ecuación puede ser utilizada en el caso de productos con un coeficiente de en un amplio rango de condiciones (diámetros respiración RQ < 1 pero concuerdan para entre 40 µm y 10 mm y espesores entre 30 µm productos con RQ > 1. y 1,5 mm.

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3.3. Ecuaciones de diseño coeficiente de permeabilidad del gas i en la La figura 1 presenta esquemáticamente el película de empaque (m2/Pa*s) y L es el proceso de respiración y de trasferencia de espesor de la película. masa en el empaque con atmosfera modificada. El proceso consiste en que el film de empaque El flujo del gas i a través de la perforación Jhi ejerce un efecto regulador para el oxígeno que ha sido considerado como la suma de dos entra al sistema y el dióxido de carbono que sale mecanismos (Hernandez, 1997; Del-Valle et al. de él. En las ecuaciones de diseño que son 2003): difusión ordinaria (d/λ≥ planteadas, el volumen libre en el interior del 100) en donde d es el empaque es considerado como prácticamente diámetro de la micro-perforación en µm y λ, constante (Mahajan et al. 2007; González et al. es el recorrido libre molecular promedio en 2009). Son planteados dos procesos: la actividad metros y el flujo fluidodinámico, denotado Jpi, fisiológica del producto representada en la resultado de los cambios en presión causados respiración y el intercambio de gases a través de por un coeficiente de respiración (RQ) distinto la película de empaque; estos dos procesos de 1. El flujo difusivo, es en sí mismo resultado contribuyen al cambio en la cantidad de moles de dos magnitudes: el flujo molar resultante para un gas i (ni) de la siguiente forma: del movimiento total del fluido y el flujo resultante de la difusión superimpuesta en el flujo total (Bird et al. 2007):

(1)

Donde Ri es la tasa de respiración para el (4) gas i, W es el peso del producto empacado, P

es la presión total, T la temperatura de En donde TRi es la tasa de transmisión del almacenamiento, R es la constante de gas gas i (en m3/s) la cual González y ideal y Ji es el flujo total de permeación a colaboradores (2008) de acuerdo a un estudio través de la película (mol/s). previo expresa como sigue: Para películas micro-perforadas este J tendrá dos componentes: i (5)

(2) A es el área de micro-perforación, y a , a h 1 2 constantes para cada gas i. Los valores de las En donde J es el flujo de gas a través de las hi constantes son determinados de datos microperforaciones y J es la transmisión de fi experimentales obtenidos a 23 °C (a = 0.880 ± gas a través de la película que puede 1 0.111, a = 0.577 ± 0.0132 con r2 = 0.988 para expresarse de la siguiente forma (Geankoplis, 2 O2; a1 = 0.830 ± 0.111, a2 = 0.569 ± 0.0140 con 1993): 2 r = 0.986 para CO2 and a1 = 1.169 ± 0.253, a2 = 2 0.558 ± 0.0195 con r = 0.984 para N2). Para su uso a otra temperatura, con respecto a la difusión ordinaria, la tasa de (3) transmisión puede ser considerada 3/2 proporcional a T . La validez de la ecuación En donde p y p son las presiones parciales (5) (Experimental-mente determinada para L < i out -6 -8 2 60 x 10 m and Ah< 3.8 x10 m) ha sido del gas i dentro y fuera del empaque, Qi es el

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-3 -5 evaluada para L < 1.5 x10 m y Ah< 7.8 x 10 m2, comparándola con las ecuaciones empíricas propuestas por otros autores (González et al. 2008) en este intervalo. (9) El flujo fluidodinamico de gas i, puede ser descrito por la ley de Poiseuille en condiciones de flujo laminar:

Si Pout > P entonces:

(10) (6) Dado que el volúmen libre dentro del empaque ha sido considerado constante Si Pout < P entonces: entonces la presión en el interior será igual a:

(7) (11)

Donde d es el diámetro de la micro- Mahajan y colaboradores (2007) han perforación (µm), P – P es la presión out empleado un modelo simplificado a partir de diferencial y µ es la viscosidad del gas (Pa/s). las ecuaciones anteriores. Este modelo Asume

también volumen libre constante, que no hay Después de lo anterior es posible plantear una estratificación del gas en el interior del las ecuaciones que describen la variación con empaque y que la presión total permanece el tiempo de las moles de O , CO y N dentro 2 2 2 aproximadamente constante (consideran 1 del empaque micro-perforado, siendo estas atm) y es la misma dentro y fuera del ecuaciones: empaque.

Luego el término Jpi = 0 para cada gas (P = Pout). Así mismo ha despreciado el

término

correspondiente al flujo molar resultante del (8) movimiento total del fluido. Luego el término Jhi queda reducido a:

(12)

La permeabilidad de las películas de empaque es una variable que depende de la

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temperatura de almacenamiento y esta dependencia puede ser representada mediante una relación de Arrhenius (16) considerando el coeficiente de per-

meabilidadQ ,como función de la temperatura i (Yam y Lee, 1995; Exama et al.1993): 2.1. Tasa de respiración

Recientemente la dependencia de la tasa (13) de respiración en la concentración de Oxígeno

ha sido ampliamente expresada por una Donde es un coeficiente de relación de Michaelis-Menten la cual es el más permeabilidad de referencia para el gas i a una simple mecanismo de cinética enzimática: temperatura Tr y Eaiuna energía de activación para i y R es la constante de gases ideales.

Las ecuaciones de balance de materia para (17) cada gas se presentan a continuación: En este caso, corresponde a la tasa de respiración, es la tasa

máxima de consumo de O2 o producción de

CO2, la presión parcial de Oxígeno y es la constante de disociación del complejo enzima-sustrato o la concentración correspondiente a la mitad de la máxima tasa (14) de respiración. Lee y colaboradores (1991) y En la ecuación (8) se reemplaza a n por Maneerat y colaboradores (1997) han sugerido PV/RT y se hacen las simplificaciones la aplicación de este modelo en el caso de correspondientes. De la misma forma en las Banano. ecuaciones 9 y 10 para obtener las ecuaciones En cuanto al CO2 ha sido sugerido que tiene 15 y 16: un efecto inhibitorio en el proceso de respiración siendo representada la relación de Michaelis-Menten de acuerdo a esto, así:

Competitiva

(15)

(18)

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No competitiva en la enzima, competitiva La inhibición competitiva ocurre cuando en el complejo enzima-sustrato inhibidor (CO2) y sustrato compiten por el (Uncompetitive) mismo sitio activo en la enzima. Así, la máxima tasa de respiración es más baja a altas

concentración es de CO2; es la constante competitiva de Michaelis-Menten. La inhibición no competitiva en la enzima (Uncompetitive) ocurre cuando el inhibidor reacciona con el complejo enzima-sustrato; es la constante no competitiva (Uncompetitive) de Michaelis-Menten. Así, la máxima tasa de respiración no es muy influenciada a altas concentraciones de CO2. La inhibición no competitiva ocurre cuando el (19) inhibidor reacciona tanto con la enzima como con el complejo enzima sustrato (Lee et al. No competitiva (Non-competitive) 1991; Lee et al. 1996; Maneerat et al. 1997).

MODELADO DE VARIABLES ASOCIADAS A LA MADUREZ Y CALIDAD

Poder determinar el cambio en el estado de madurez y de la calidad a través de variables asociadas, como la textura, el color o la pérdida de peso como funciones dependientes de las condiciones de almacenamiento constituye una útil herramienta para predecir el comportamiento del producto almacenado ante distintos escenarios y condiciones (20) cambiantes y tener una idea de cuánto estas condiciones y escenarios afectaran la vida útil y Una mezcla de no competitiva y la calidad sin llegar al almacenamiento real. competitiva en el complejo enzima-sustrato Incluso conociendo los limites adecuados de las variables de almacenamiento para el producto es posible establecer modelos de control dinámico (Lewis, 1986) para optimizar el manejo de estas variables y que la calidad del producto almacenado cambie en la medida deseada. Un limitado número de modelos de cambio en las propiedades de calidad de productos (21) vegetales han sido desarrollados (Hertog et al. 2003a; 2003b; Lukasse y Polderdijk, 2002; Verdijck y Lukasse, 2000; Verdijck et al.1999) aunque pocos tienen en cuenta la interacción

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de todas las variables importantes del almacenamiento (Temperatura, composición (22) de la atmosfera de almacenamiento, humedad relativa, tipo de empaque y madurez del En donde k es la tasa constante y C producto almacenado). representa la propiedad de calidad. En el momento de desarrollar un modelo Lenz y Lund (1980) han reportado que para que pretenda representar propiedades de la mayoría de los alimentos esta dependencia calidad de un producto almacenado en función del tiempo puede ser representada por un de las condiciones dinámicas del modelo de orden cero o de primer orden. Al almacenamiento deben tenerse en cuenta resolver las ecuaciones para n = 0 y n = 1 se algunos puntos mencionados por Lukasse y llega a: Polderdijk (2002): (23) • Predecir la evolución futura de las propiedades de calidad como una función de (24) las actuales condiciones de almacenamiento y

del cambio de estas en el futuro. • Ser causal (las condiciones actuales son (25) independientes de las condiciones futuras). • Ser valido a temperatura variante con el tiempo. • Tener en cuenta la irreversibilidad en el En donde C0 es el valor de la propiedad en cambio de las propiedades del producto. el tiempo cero, Cf es el valor de la propiedad en • Ser estable en el avance del tiempo. un tiempo de equilibrio y k es la constante dependiente de las variables de Cada fruto y vegetal en particular tiene un almacenamiento. La dependencia de la pequeño número de propiedades con las que temperatura ha sido representada es posible representar el cambio en la calidad y generalmente mediante una ecuación de la madurez; generalmente se busca escoger Arrhenius: propiedades que sean fáciles de medir, que sean representativas a lo largo de la vida del producto, en lo posible que medirlas no (26) implique la destrucción del producto y que sean claramente influenciadas por las variables de almacenamiento. Para muchos productos el Donde kref es el factor de frecuencia, Tref es color, la textura, los sólidos solubles totales, la la temperatura de referencia Ea es una energía acidez titulable y la pérdida de peso son las de activación y R es la constante de los gases más utilizadas (Lee, 1981). ideales. La ecuación (25) representa la Para determinar la velocidad de cambio de conversión fraccional para la cinética de un atributo de calidad como función de primer orden. variables de almacenamiento tales como la En productos como el banano dos temperatura varios autores (Ramaswamy et al. propiedades representan claramente el 1989, 1990; Avila y Silva, 1999) han cambio en la madure del producto: el color de representado este cambio mediante una la corteza y la firmeza de la pulpa. ecuación diferencial como la siguiente: Otro modelo que debe ser considerado es el modelo logístico desarrollado por Nedler

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(1962). Un caso especial del modelo logístico para ΔE mediante el modelo logístico de es el siguiente: decremento (27). Los valores de los coeficientes de regresión (R2) que obtuvieron fueron en todos los casos mayores a 0,96. (27) Jha y colaboradores (2005) han definido un índice de madurez Independiente de las Donde U0 es un valor constante relacionado coordenadas de color medidas para el caso del al valor inicial de la propiedad, U es un valor Mango teniendo en cuenta el índice de madurez relacionado al valor de la propiedad en el que es obtenido mediante la determinación de equilibrio y t0 corresponde al tiempo para el los sólidos solubles totales y el valor optimo o cual el valor de la propiedad se incrementa o 100 % maduro que se ha establecido en 8 disminuye a la mitad del valor en el equilibrio. (grados brix o % de SST). El uso de la ecuación (27) implica que los Ellos encontraron que para el caso del parámetros de la ecuación deben encontrarse mango el índice de madurez puede considerarse a través de regresiones no lineales. como una función de las coordenadas a y b de color de la siguiente forma: Cambio de color Los cambios en la madurez en frutas y en (29) banano asociados al color han sido reportados por muchos autores (Francis y Clydesdale, En donde C1, C2, C3 y C4 son constantes. 1975; Ramaswamy y Richards, 1980; Medlicott et al.1990; Li et al. 1997). Los valores de a y b serán considerados Chen y Ramaswamy (2002) han dependientes de las variables de desarrollado un modelo que relaciona los almacenamiento mediante alguna de las cambios en el color de la corteza (y a su vez de ecuaciones 23, 24, 25 y 27. madurez) usando la escala HunterLab en coordenadas L, a, b en función de la Cambio de firmeza temperatura de almacenamiento. Un valor La firmeza también puede indicar la calidad especial denominado ΔE es utilizado para y madurez del producto puesto que la variación medir la lejanía de la madurez actual con de esta, está estrechamente relacionada con el respecto a la madurez optima. Este se cambio en las variables de almacenamiento representa mediante la siguiente ecuación: como la temperatura y la composición de la atmósfera. Hertog y colaboradores (2001) encontraron una cinética común entre la (28) perdida de firmeza y el intercambio de gas para

manzanas ‘Braeburn’ almacenadas a 0 ºC. En donde ΔL, Δa y Δb corresponden a las Hertog y colaboradores (2003a) también han diferencias de las coordenadas L, a y b con encontrado relaciones cuantitativas entre la respecto a los valores para el fruto tasa de intercambio de gas y el cambio de completamente maduro. propiedades como el peso (perdida), color y Chen y Ramaswamy (2002) en su trabajo, firmeza para aguacate y en otro artículo para representaron cada coordenada al igual que ΔE Kiwi (Hertog et al.2003b). de forma independiente a través de los modelos La tasa de consumo de oxígeno es descritos; para la coordenada L mediante el representada como se ha descrito modelo logístico de incremento (27), para a anteriormente mediante una sencilla relación mediante un modelo de orden cero (23), para b de Michaelis-menten (17, 30) y la tasa de mediante un modelo de primer orden (24, 25) y

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producción de CO2 involucra la respiración anaerobia fermentativa mediante una relación establecida por Peppelenbos y colaboradores (1996):

(32) (30)

(31) En esta ecuación, y son las tasas máximas de

pérdida de firmeza relacionadas a los procesos fermentativo y oxidativo; es la En estas ecuaciones y constante de Michaelis-Menten para la son la tasa máxima de inhibición de la perdida de firmeza relacionada

consumo de oxígeno y la tasa máxima de al proceso oxidativo por CO2. y producción fermentativa de CO2 siendo KmO2 y KmCO2(f) las constantes de Michaelis-Menten son funciones de la temperatura para respiración e inhibición de la mediante una relación de Arrhenius (26). fermentación por O2 respectivamente. RQox es Hertog y colaboradores (2003b) propusieron el cociente de respiración para respiración también una relación útil para calcular el tiempo oxidativa que para la mayoría de las frutas está de vida útil de almacenamiento (vida de entre 0,8 y 1,2 (Beaudry et al. 1992; Cameron anaquel, shelflife en ingles) manipulando la et al. 1994; Peppelenbos et al. 1996; Yearsley ecuación 25 para despejar t: et al. 1997; Hertog et al. 1998, 1999, 2001, 2003; Petracek et al. 2002). y son funciones de la temperatura mediante una relación tipo (33)

de Arrhenius (26). El valor de KmCO2(f) que representa la inhibición de la fermentación por Aquí, F0 es la firmeza inicial, Ffix es la O2 generalmente esta alrededor de 1 kPa firmeza de equilibrio y Fcrit se refiere a una (Peppelenbos et al. 1996; Hertog et al. 1998, firmeza crítica que debe ser lograda y que 1999, 2001). puede ser estimada dependiendo de que se El cambio en la firmeza con el tiempo ha desee para el producto. sido representado mediante un modelo de Los modelos desarrollados hasta el primer orden de conversión fraccional momento, pueden predecir de una manera (ecuación 25) en donde F(t) es la propiedad de aceptable los cambios de calidad en banano calidad en este caso representa la firmeza almacenado bajo diferentes condiciones (Benge et al. 2000); k denota la tasa de además de que podrían proveer algunas pérdida de firmeza y es dependiente del nivel herramientas en el diseño para el control del de oxígeno y CO2 otra vez mediante relaciones sistema. Sin embargo algunos autores (Chen y de Michaelis-Menten que consideran la Ramaswamy, 2002; Ramaswamy y Tung 1980) respiración oxidativa y fermentativa (Hertog, apuntan a que es necesario realizar et al. 2003b):

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experimentos de escalado, puesto que los • En el futuro los modelos que sean modelos desarrollados hasta el momento, desarrollados deben tener en cuenta la nueva están basados en experimentos de pequeño generación de empaques activos donde los tamaño. contenidos de agua, O2, CO2 y C2H4 pueden ser modificados y regulados incluso, mediante 4. CONCLUSIONES agentes emisores o secuestrantes y • Los sistemas de atmósferas retenedores de estas sustancias. modificadas se han constituido en una alternativa viable para el almacenamiento de productos frescos y en este caso particular de BIBLIOGRAFÍA musas comestibles (banano), pues se ha Abd Shukor, M. A. Rohaya, P. Mohd Salleh. probado su efectividad en la extensión de la (1987). Carbon Dioxide Injury in Banana vida útil y el mantenimiento de la calidad de los (Musa sp. cv. Mas) during storage under productos almacenados. modified atmosphere. MARDI Annual Senior • Un sistema MAP postergará Staff Conference, Univ. Malaysia, Kuala apreciablemente la vida útil de un producto Lumpur, Jan. 14 - 17, 1987. fresco como el banano, manteniendo la Ahmad, S., Z. Ahmad, M. Akram, A. Aziz, M. concentración más baja posible de oxigeno sin Mohson. (2006). Effect of Relative Humidity llegar a inducir la respiración anaerobia. on the Ripening Behaviour and Quality of • La temperatura de almacenamiento es Ethylene Treated Banana Fruit. Journal of el factor más importante en el diseño de un Agriculture and Social Sciences. 1813–2235. sistema MAP, al controlar la velocidad de los 02–1–54–57. procesos de respiración del producto Artés, F. (2001). Conservación de Productos empacado (y en consecuencia el consumo de Hortofrutícolas en atmósferas Controladas y O2 y la generación de CO2, C4H4 y agua) y de los Modificadas. VII Curso Superior de procesos de maduración, y del intercambio de Ingeniería y Aplicaciones del Frió en gases con el exterior por la variación de la Conservación de Vegetales. CTC, UPTC, permeabilidad de la película de empaque. CEBAS-CSIC. • Un diseño adecuado de un sistema Avila, I. M. L. B., C. L. M. Silva. (1999). Modeling MAP debe llegar en un tiempo corto a un kinetics of thermal degradation of color in estado de equilibrio en los procesos descritos peach puree. Journal of Food Engineering, antes, tal que la concentración de los gases se 39, 161–166 mantenga constante en los valores más Beaudry, R. M., A. C. Cameron, A. Shirazi, D. L. favorables para el almacenamiento del Dostal-Lange. (1992). Modified atmosphere producto (un nivel bajo de O2 y moderado-alto packaging of blueberry fruit: effect of de CO2). temperature on package O2 and CO2. • Los modelos para la determinación del Journal of the American Society for comportamiento de variables asociadas al Horticultural Science, 117, 436–441. cambio de madurez y de calidad como la Becker, K. (1979). Water-vapor permeability of textura o el color en función de las variables de open pores and other open holes in almacenamiento del sistema MAP son y serán packages. Verpackungs Rundschau, 30(12), herramientas útiles para predecir el 87–90. comportamiento del producto almacenado Benge, J. R., H. N. De Silva, N. H. Banks, P. S. ante distintos escenarios y condiciones Jeffery. (2000). Empirical modelling of cambiantes sin llegar al almacenamiento real. postharvest changes in the firmness of

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