Determinación de tasas de respiración

Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y AgroindustrialIngeniería Agroindustrial

Laboratorio de PoscosechaQuito, Pichincha, Ecuador

Septiembre, 2012

RESUMEN

Dentro del campo de la conservación de alimentos se han desarrollado un sinfín de tecnologías que hacen posible que la vida útil, en especial de alimentos sensibles (como frutas, verduras, etc.) se vea extendida y de esta manera sea fácilmente disponible para el consumo humano, y es por tal motivo, que la respiración que tienen estos alimentos, aun después de haber sido separados de su planta madre, juega un rol muy importante para la futura aplicación de técnicas de preservación. La respiración es un proceso que involucra un deterioro progresivo de los alimentos por el gasto de su contenido nutricional en forma de calor vital; el objetivo de esta práctica es determinar esa tasa de respiración de ciertas frutas climatéricas y no climatéricas gracias a la aplicación de una corriente de aire de composición conocida y luego se extraerán muestras de las corrientes de salida para su posterior cuantificación en el analizador de gases.

Debido a la presencia de luz solar se pudo comprobar la influencia de este factor sobre la tasa de respiración donde se registró una alta tasa de respiración del tomate de árbol, el cual, al ser un fruto no climatérico debería presentar una tasa de respiración menor a la pitajaya (fruto climatérico), donde queda demostrado que a altas temperaturas los frutos tienden a deteriorarse con más velocidad que si se aplicara un tratamiento poscosecha donde se garantiza que el alimento tendrá un largo tiempo de vida útil.

ABSTRACT

Within the field of food preservation have developed a host of technologies that make life possible, especially sensitive foods (such as fruits, vegetables, etc..) Extended display and thus is readily available for consumption human, and it is for that reason that breathing with these foods, even after being separated from their mother plant, plays a very important role for the future application of preservation techniques. Respiration is a process that involves a progressive deterioration of food by spending their nutritional content as vital heat, the purpose of this lab is to determine the rate of respiration of certain climacteric and non-climacteric fruits by applying a air stream of known composition and then have samples of the output currents for subsequent quantification in the gas analyzer.

Due to the presence of sunlight we noted the influence of this factor on the rate of respiration where there was a high rate of respiration of tamarillo, which, being a non-climacteric fruit should present a lower respiration rate to the pitajaya (climacteric fruit), where it is shown that at high temperatures the fruits tend to deteriorate faster than if applied postharvest treatment which guarantees that the food will have a long shelf life.

INTRODUCCIÓN

La respiración es un proceso por el cual se consume oxígeno del medio ambiente y sustrato del órgano vegetal para producir CO2, agua y energía. En frutas y hortalizas luego de la cosecha a cusa de la respiración existen perdidas de sustrato dando inicio al proceso de deterioro del producto, por lo que la tasa de respiración es usada para determinar el tiempo de vida útil. (Montes J., 2001)

Tasa de respiración: es aquella que indica la rapidez con la cual se producen los cambios en la composición de un producto y se determina por la tasa de producción de dióxido de carbono, el cual se reporta como peso de CO2 producido por unidad de peso y tiempo (mgCO2/Kg h). El patrón de respiración indica el cambio en la tasa de respiración con el tiempo y se describe gráficamente como una curva. (López L. et al, 2006).

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En nuestro estudio vamos a determinar experimentalmente la tasa de respiración de tomate de árbol, pitahaya y lechuga de los cuales bibliográficamente tenemos que la tasa de respiración: de la pitahaya va de 20 - 80 mg CO2/ Kg – h , en la lechuga a 0°C ,10°C,20 °C tiene una tasa de respiración de 3-8,11-20, y 25-30 mg CO2/ Kg – h ( FAO.,2006), y en el tomate de árbol a 0°C ,20 °C tiene una tasa de respiración de 4-6,10-60 mg CO2/ Kg – h respectivamente. (Gallo,1996).

Para la determinación cuantitativa de la tasa de respiración existen métodos de medida en sistema abierto y sistema cerrado. El sistema abierto consiste en una cámara de respiración en donde se encuentra el producto y se hace fluir aire sin C02

de forma continua, mientras que en el sistema cerrado no hay un flujo de aire continuo en donde el C02 producido es absorbido por una solución y se cuantifica el 02 consumido. En nuestro estudio trabajamos en un sistema de flujo continuo de aire, en donde para determinar la cantidad de CO2

producida se utilizará un analizador de CO2. (Osuna T, et al, 2011).

La tasa de respiración es obtenida a través de la formula siguiente:

TR=0.6∗f∗( LCAM−LE )∗CSTD∗δCO 2

m∗LSTD

Donde:

TR = tasa de respiración (mg CO2/kg.h).f = flujo de gas a la cámara (ml/min).m = masa del producto en la cámara (kg).Lcam = medida de CO2 del registrador en la salida de la cámara (cm).E = medida de CO2 del registrador en la entrada de la cámara (cm).LSTD = medidas de CO2 del registrador del estándar usado (cm).

δ CO2 = densidad del CO2 a la presión y temperatura de trabajo (g/L).CSTD = concentración de CO2 en el estándar usado (%Molar o % Volumen).0.6 = factor de conversión de unidades.

Factores que influyen en la tasa de respiración

Temperatura: En la respiración, la temperatura puede interferir directamente en la velocidad de reacción de los procesos metabólicos. Cuanto más elevada sea la temperatura, la crisis climatérica es muy acentuada. (Montes J., 2001).Frutos Climatéricos: Son aquellos en donde existe un aumento de la producción  de etileno lo que provoca una crisis climatérica(aumento de la respiración) y conduce irreversiblemente a la maduración, aunque el fruto esté en el árbol. La magnitud del pico climatérico puede variar enormemente entre frutos. Frutos no Climatéricos: Son aquellos, que no presentan crisis climatérica. Los cambios en la composición química son graduales y no van acompañados por aumentos de la respiración o por una intensa producción de etileno. La aplicación exógena de etileno, no altera su maduración, pero sí produce un aumento de la respiración. (Blank R. et al, 1987)

NOMENCLATURACrisis climatérica: aumento de la respiración en productos climatéricos.Pico climatérico: es el punto en donde se tiene la tasa de respiración más alta.

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EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS

Tabla 1. Equipos y materiales

Equipos Materiales

Sistemas de alimentación de aire seco Producto: Tomate de árbol

Tablero de mezcla y tablero de distribución Lechuga

Cámaras de refrigeración Pitahaya

Humidificadores Agua: 85-90% HR

Jarra hermética Agua destilada

Flujómetro CO2 estándar (0.24%)

Jeringuillas

Analizador de CO2

DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL

a) Aspectos técnicos

- El día anterior a la práctica se armó las cámaras de respiración, se utilizó cuatro jarras herméticas, debidamente desinfectadas.

- Pesar cada una de las frutas y colocarlos en las jarras, cerrarlas correctamente.

- Controlar el ingreso y salida de aire de las cámaras de respiración.

- El ingreso de aire se controla mediante un compresor y un tablero de mezcla, del cual se selecciona el CO2.

- Conectar las mangueras de ingreso con el tablero de distribución.

- Conectar las mangueras de salida de las cámaras de respiración.

- Para la toma de las muestras de aire a la entrada y a la salida se utilizan jeringuillas de 1 ml.

- Utilizar jeringuillas que no estén dobladas.- Tomar muestras por duplicado de la

entrada y salida de la cámara de respiración de cada fruta y vegetal.Es necesario tomar primero una muestra por jeringuilla y desecharla, para posteriormente tomar la definitiva.

- Colocar cada muestra identificada sobre la plancha portadora de jeringuillas.

- Es recomendable analizar las muestras en un lapso máximo de 20-30 minutos, ya que la composición de los gases puede cambiar.

- Inyectar las muestras en el Analizador de CO2, el cual dará resultados gráficos inmediatamente.

- Controlar que el Analizador de CO2

comience a graficar en cero.

b) Datos experimentalesTabla 2. Datos experimentales de respiración de cada fruta

Estándar Tomate de árbol Lechuga Pitahaya49 Entrada 1 Entrada 2 Entrada 1 Entrada 2 Entrada 1 Entrada 2

44 10.5 11.75 12 11.75 10.5 11

52.75

53 Salida 1 Salida 2 Salida 1 Salida 2 Salida 1 Salida 2

73 71.75 14.75 14.25 43 46.5

49.75 50.5

Cálculos y Resultados

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Tabla 3 .Tasas de respiración de referencia a 20 °C de los alimentos usados en la práctica.

Producto Tasa de respiración (mLCO2/Kg*h)

Tasa de respiración

(mLCO2/Kg*h)Tomate de

árbol11 (Kader, UC Davis) 14

Lechuga 27 (Cantwell, Suslow, UC Davis) 35Pitahaya 60 (De Freitas, Mitchan, UC Davis) 78

http://postharvest.ucdavis.edu/pfvegetable/LettuceCrisphead/ (Septiembre 2012).

Tabla 4 .Flujos calculados para la alimentación de aire

Producto masa (Kg) tR(mg

CO2/Kg*h)

f (mL/min)

Tomate de árbol 1,033 14 90,21Lechuga 0,713 35 152,85

Pitahaya 1 0,314 78 115,19

Pitahaya 2 0,315 78 115,50

Tabla 5 .Tasas de respiración obtenidos experimentalmente.

Producto LE (cm) LCAM (cm) TR (mg CO2/Kg*h) tR (mg CO2/Kg*h)

Tomate de árbol 2,8 18,325 19,41 14Lechuga 2,875 3,95 3,30 35

Pitahaya 1 2,7 11,15 44,32 78

Pitahaya 2 2,75 12,5 51,14 78

Discusión de resultados

Según datos bibliográficos el tomate de árbol presenta una tasa de respiración menor que la lechuga. Este análisis no concuerda con los resultados obtenidos experimentalmente, debido a que en estos a la lechuga le corresponde la menor tasa de respiración igual a 3,3 mg CO2/Kg*h, lo que demuestra un posible error en la toma de muestras en la manguera de salida de dióxido de carbono, ya que los valores obtenidos en la entrada de aire a la jarra, estos son similares tal como se esperaba en el caso de todos los productos. En otro posible caso pudo intervenir un incorrecto flujo de gas en la jarra correspondiente.

En el caso del tomate de árbol, la tasa de respiración experimental es superior a la referencia bibliográfica lo cual pudo ser debido al estado de madurez del fruto y la incidencia de luz solar sobre la jarra, lo cual aumentó la temperatura del medio y por lo tanto la tasa de respiración.

Las pitahayas, con masas similares, difieren entre sí en las tasas de respiración, y sus valores son menores a los de referencia. La tasa de respiración correspondiente a la pitahaya 1 presenta un menor

valor que la 2, debido posiblemente al número de frutos. En el caso de la pitahaya 1 la masa fue completada con 2 frutos, mientras que en la 2 esto fue realizado con 3 frutos. Al existir una mayor superficie de contacto, el proceso de respiración es mayor.

Tomando en cuenta que la lechuga presenta resultados erróneos, el producto que presenta mayor perecibilidad en función de la tasa de respiración es la pitahaya, ya que presenta la mayor tasa de respiración, y la menor en el caso del tomate de árbol. Según datos bibliográficos la lechuga presenta una tasa de respiración media en comparación con el tomate de árbol y la pitahaya.

Considerando que los tres productos utilizados en la práctica son no climatéricos, la tasa de respiración irá disminuyendo con la senescencia y desarrollo de los mismos, pero esto no se pudo demostrar con la práctica ya que se requiere la toma de diferentes muestras en un período de tiempo mayor.

Entre otros factores, los que más influenciaron en los resultados son la temperatura que con el tiempo iba variando, ya que la referencia tomada para los

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cálculos y referencias bibliográficas es 20 °C, también el correcto desenvolvimiento del equipo, especialmente con los flujos de entrada de los gases que no se pudo mantener desde el inicio.

Conclusiones

La pitahaya presenta una mayor tasa de respiración en comparación con la lechuga y el tomate de árbol.

La temperatura es un factor ambiental muy importante con respecto a la tasa de respiración y no es controlable.

La pitahaya es más perecible que el tomate de árbol y la lechuga con respecto a la tasa de respiración.

Nomenclatura

P: Presión de dióxido de carbono a las condiciones de trabajo.

PM CO2:Peso molecular del dióxido de carbono.

δCO2: Densidad de dióxido de carbono a una

temperatura de 20 °C y presión de 0,71 atm.

R: Constante universal de los gases.

T: Temperatura de dióxido de carbono en condiciones de trabajo.

f: flujo de alimentación del aire.

f 1:flujo de alimentación de aire en la jarra con el tomate de árbol.

f 2:flujo de alimentación de aire en la jarra con la lechuga.

f 3:flujo de alimentación de aire en la jarra con la pitahaya 1.

f 4:flujo de alimentación de aire en la jarra con la pitahaya 2.

f T:flujo de alimentación de aire de todas las jarras.

F:flujo de alimentación de aire en el tablero de distribución.

m: masa de producto.

tR: tasa de respiración de referencia del producto.

CSTD:Concentración de dióxido de carbono en el estándar a usarse.

CE:Concentración de dióxido de carbono en el gas de entrada.

T R:Tasa de respiración del producto.

LCAM: Promedio de dióxido de carbono del registrador en la salida a la jarra.

LCAM1: Medida 1 de dióxido de carbono del

registrador en la salida a la jarra.

LCAM 2: Medida 2 de dióxido de carbono del

registrador en la salida a la jarra.

LE: Promedio de dióxido de carbono del registrador en la entrada a la jarra.

LE1: Medida 1 de dióxido de carbono del

registrador en la entrada a la jarra.

LE2: Medida 2 de dióxido de carbono del

registrador en la entrada a la jarra.

LSTD: Promedio de dióxido de carbono del registrador del estándar usado.

BIBLIOGRAFÍA

Blank R, Dance R, Hampton M, Olson H and P.T. Holland. (1987). Tamarillo (Cyphomandra betacea): Effect of field-applied fungicides.

Cantwell, M. Suslow, T. Lettuce, Crisphead. Recommendations for Maintaining Postharvest Quality. Department of Plant Sciences, University of California, Davis. http://postharvest.ucdavis.edu/pfvegetable/LettuceCrisphead/ (Septiembre 2012).

De Freitas, S. Mitcham, N. Pitaya. Recommendations for Maintaining Postharvest Quality. Department of Plant Sciences, University of California, Davis. http://postharvest.ucdavis.edu/PFfruits/Pitaya/ (Septiembre 2012).

FAO, (2006), lechuga ( Lactuca sativa L.)http://www.fao.org/inpho_archive/content/documents/vlibrary/AE620s/Pfrescos/LECHUGA.HTM, (Septiembre del 2012)

Gallo. P, “Manual de fisiología, patología, poscosecha y control de calidad de frutas y hortalizas” 2da Edic., Edit. KINESIS, 1997. Pág: 86

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Kader, A. Tamarillo. Recommendations for Maintaining Postharvest Quality. Department of Plant Sciences, University of California, Davis.http://postharvest.ucdavis.edu/PFfruits/Tamarillo/ (Septiembre 2012).

López L, Pacheco W, Yuber U, Ruiz A, (2006), Medición de la respiración y transpiración Pimentel, (Septiembre del 2012)

Montes J; Arévalo S, (2001), Determinación del calor de respiración de frutas por el método de titulación p. 27- 37 Perú, ,recuperado el 24 de septiembre del 2012

Osuna T, Ibarra M, Rangel M , J, Valdez B, Villarreal M, Hernández S, (2011), calidad postcosecha de frutos de pitahaya (Hylocereus undatus Haw.) Cosechados en tres estados de madurez, México, (Septiembre del 2012).

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ANEXOS

Ejemplo de cálculo de densidad de dióxido de carbono

P∗PM CO2=δCO2

∗R∗T

δCO2=

P∗PMCO2

R∗TEcuación1

Si las condiciones de trabajo son a la presión atmosférica de Quito y la temperatura es de aproximadamente 20 °C:

P=0,71 atm; PM CO2=44

gmol

; R=0,082L atmKmol

;T=293 K

Reemplazando los datos en la ecuación 1:

δCO2=

0,71atm∗44g

mol

0,082L atmKmol

∗293 K

δ CO2=1,3

gL

Ejemplo de cálculo de flujo de alimentación de aire en las jarras.

f =1,667∗m∗tR

δCO2∗( CSTD−CE )

Ecuación2

Para el tomate de árbol:

m=0,71315 Kg ;tR=35mg CO2

Kg∗h;CSTD=0,24 % ;CE=0,03 %

Reemplazando los datos en la ecuación 2:

f 1=90,21 mL /min

Ejemplo de cálculo de flujo de alimentación de aire en el tablero de distribución

f T=f 1+ f 2+ f 3+ f 4 Ecuación3

Reemplazando los respectivos valores de f en la ecuación 3:

f T= (9,21+152,85+115,19+115,50 ) mL /min

f T=392,75 mL/min

F=f T+0,3∗f T Ecuación4

Reemplazandof Ten ecuación 4:

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F=392,75+(0,3∗392,75)

F=510,57 mL /min

Cálculo de tasa de respiración experimental

T R=0,6∗f∗( LCAM−LE )∗CSTD∗δCO2

m∗LSTD

Ecuación5

Para el tomate de árbol:

LE=LE1

+LE2

2Ecuación6

LCAM=LCAM1

+LCAM 2

2Ecuación7

LSTD=LSTD1

+LSTD 2

2Ecuación8

De datos experimentales:

LE1=2,65 cm ;LE2

=2,95cm ; LCAM 1=18,4 cm ; LCAM 2

=18,25 cm ; LSTD1=13,15cm; LSTD 2

=13,0 cm

Reemplazando en la ecuación 6:

LE=2,65+2 , 95

2=2,8 cm

Reemplazando en ecuación 7:

LCAM=18,4+18,252

=18,32 cm

Reemplazando en ecuación 8:

LSTD=13,15+13,0

2=13,07 cm

Reemplazando los datos y valores calculados anteriormente:

Los valores de tR para los diferentes productos se los obtuvieron realizando un promedio del rango encontrado en bibliografía y transformando las unidades de mg CO2/Kg/h a mLCO2/Kg/h.

T R=0,6∗90,21

mLmin

∗(18,32 cm−2,8 cm )∗0,24 %∗1,3gL

0,71315 Kg∗13,07 cm

T R=28,12mg CO2

Kg∗h

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