Universidad Peruana Unión

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

EAP de Ingeniería de Alimentos

MONOGRAFÍA

Propiedades acústicas de los alimentos

Presentado en cumplimiento parcial del curso de Fisicoquímica

Autores:

Bartolo Estrella, Dolly

Medina Hoyos, Elena

Pinedo Delgado, Angel

Profesor del curso:

PhD. Sócrates Quispe Condori

Ciclo: IV

Lima, Octubre del 2010

PROPIEDADES ACÚSTICAS DE LOS ALIMENTOS

I. INTRODUCCIÓN.

En el estudio de materiales se han desarrollado diferentes métodos dinámicos

para la determinación de las propiedades elásticas de muestras homogéneas constituidas

como una alternativa de los métodos estáticos de compresión o similares (Lemmens

citado por Wolfenden A. 1990). Para objetos homogéneos y con geometría simples, es

posible relacionarlo con la las frecuencias resonantes con las propiedades del material

(Blevins, 1993).

Ya en los siglos pasados por medio de la investigación se consideraban la

posibilidad de emplear las propiedades acústicas de los productos hortofrutícolas como

indicadores de sus características texturales (Diezma y Ruiz, 2001).

La emisión acústica (EA) generada durante la masticación de un alimento es un

atributo importante de la textura de los alimento. Las propiedades acústicas de alimentos

de tipo snack así como frutas y vegetales frescos son importantes desde el punto de vista

de calidad. El crujido y la frescura son atributos sensoriales preferidos por los

consumidores y son considerados señales de frescura y eficacia del proceso. La falta de

estos atributos demuestra baja calidad y es en parte, el causante del rechazo del producto

por los consumidores.

El crujido y la frescura es una evaluación subjetiva de la calidad y es hasta ahora

un tema de discusión debido a que hay divergencias en la descripción y definición de este

atributo sensorial. Desde el punto de investigación, analizar el sonido de crujido y frescura

por un oído humano es considerado como el principal índice físico influenciado en los

consumidores para el atributo de calidad. Las ondas elásticas generadas durante la

desintegración de alimentos pueden ser utilizadas para identificar las propiedades

acústicas del producto. Por otra parte, el análisis del sonido emitido puede ser usado para

seguir cambios en la textura del alimento, causadas durante el almacenamiento o por

modificaciones de recetas o parámetros de procesamiento.

Por último, las propiedades acústicas de alimentos pueden ser usadas para

expresar numéricamente uno de sus atributos de calidad importante, a saber, el crujido y

frescura.

II. MARCO TEÓRICO

II.1. Propiedades acústicas

Las propiedades acústicas son aquellas que gobiernan como los materiales

responden al sonido de ondas, el cual son lo que percibimos como sonido

II.2. Fundamentos de emisión acústica

Una falta de homogeneidad inicial de distribución interior de energía puede

aparecer en cualquier gaseoso, sólido, o cuerpo líquido. En los materiales reales,

las características de falta de homogeneidad se deben a defectos estructurales,

las impurezas, tensiones internas, y otros factores y puede ser micro o

macroscópico. Los siguientes elementos de la estructura son ejemplos de cuerpos

no homogéneos: (1) la superficie entre las diferentes fases del material, (2) las

paredes celulares y objetos intercelulares, y gaseosos (3) poros en los polímeros

de almidón, formando los productos de cereales.

Introducción de estímulos externos, tales como fuerza externa, reacciones

químicas, o excitación térmica, altera el estado de equilibrio y causa la aparición

de vibraciones de las partículas en el volumen del cuerpo. La vibración puede

permanecer activa y propagarse a través del medio, incluso después de la

decadencia de los estímulos (Shafiur R. 2009).

La razón de la reacción extendida del medio puede ser explicado por las

propiedades de elasticidad e inercia de la mayoría de cuerpos. Las propiedades

elásticas son responsables de la reacción contra la alteración del equilibrio. Las

propiedades de inercia, sin embargo, son la fuente de las fuerzas oponentes a

cualquier cambio en el estado de la cuestión, es decir, oponiéndose a la

disminución de la actividad de pendiente cinética, incluso cuando el equilibrio local

se logra. Por lo tanto, el movimiento de las partículas de un cuerpo resulta en una

serie de transformaciones, de la energía cinética con el apoyo de la inercia, a la

energía potencial apoyada con las fuerzas elásticas (Shafiur R. 2009).

La alteración del equilibrio que aparece en un tiempo t0, en un determinado

lugar del cuerpo, cubre todo el cuerpo después de un período de tiempo suficiente.

Este efecto se debe a que cada partícula del cuerpo interactúa con sus vecinos y

les pasa una parte de su energía cinética. Este fenómeno se denomina

propagación de la onda [2,3]. Dos modos básicos de propagación de la onda

puede producir: (1) una onda longitudinal, que hace que los elementos del medio

avancen en dirección de la propagación de la onda, (2) una onda transversal, con

el movimiento de vibración perpendicular a la dirección de la propagación de la

onda (Figura 24.1).

II.3. Cálculo de los descriptores de emisión acústica en los alimentos

La actividad acústica de los alimentos puede ser expresada por varios

descriptores. Estos incluyen la energía de la señal de la emisión acústica, el número

de eventos de emisión acústica, energía del evento de emisión acústica, entre otros.

La energía de la de EA se calcula sobre la base de la señal de emisión acústica

registrada en función del tiempo. El cálculo se realiza de acuerdo con la ecuación 2.1.

E=∑m=1

N

v (m.T1)

Donde :

m es un índice de una muestra almacenada de la señal

T1 es la inversa de una frecuencia de muestreo (s)

Figura 1 - Vibraciones de un elemento en (A) onda longitudinal y (B) onda transversal. (Sliwinski, 2001 y Malecki, 1969)

(2.1)

En la siguiente tabla se muestran algunos parámetros acústicos de alimentos.

Parámetros acústicos Productos Rango de frecuencia analizada

Amplitud Zanahoria, almendras, pan extraído, galletas secas

10 Hz–10 kHz,20 Hz–20 kHz

Alimentos Snack 1 Hz–10 kHzManzana Seca, zanahoria seca

1 Hz–15 kHz

Copos de cereales [19] 0–10 kHz

Galletas [20] 1 Hz–12 kHzPan crujiente[38,44,48] 1 Hz–15 kHz

Copos de cereales [63] 1 Hz–15 kHz

Manzana, papas [57] 100 Hz–1 MHzCopos de maíz [62] 1 Hz–15 kHz

Numero de ráfagas de sonido

Apio, nabos, wafer [60]

Numero de eventos acústicos

Galletas [20] 1 Hz–12 kHz

Pan crujiente[44,48] 1 Hz–15 kHzCopos de cerales [63] 1 Hz–15 kHzManzanas, papas [57] 100 Hz–1 MHz

Copos de maíz [62]1 Hz–15 kHz

Energía Esponja dedos, galletas de la oblea, barquillos para helados [15]

25 Hz–20 kHz

Pan crujiente [21,45] 1 Hz–15 kHz

Pan, galletas, tortas 1 Hz–15 kHz [43,48]

II.4. Frecuencia audible, para la determinación de las características

texturales de los productos hortofrutícolas

Tradicionalmente se ha empleado la práctica de golpear algunas frutas y

hortalizas y atender al sonido que se produce para tener una idea de su estado de

madurez. Tratando de emular esta práctica algunos autores han desarrollado

dispositivos basados en la llamada técnica de “impulso acústico” o “respuesta

Shafiur R. 2009

acústica al impacto”, en los que la excitación de la muestra se produce cuando

ésta es golpeada de forma controlada por un cuerpo impactante. Atendiendo a

esta división, a continuación se describen diferentes aplicaciones de estos

métodos (Diezma y Ruiz, 2001).

Diferentes factores, como el estado del agua, las propiedades físicas de las

paredes de las células y la estructura de los tejidos, actúan conjuntamente para

determinar la resistencia, firmeza y elasticidad, características que, conforman la

textura. Dicha característica es un atributo que ha sido desarrollado por diferentes

investigadores esto métodos destructivo y no destructivos para la caracterización

de la textura (Diezma y Ruiz, 2001).

II.5. Vibración forzada

Los primeros trabajos se centraron en el estudio de manzanas (Abbott et al.

1968), en ellos la muestra era suspendida de un hilo y una varilla metálica en

contacto con la superficie de la fruta era excitada a unas frecuencias

determinadas (de 50 a 2.200 Hz) y transmitía esa excitación a la manzana, la cual

se puede observar en la figura 1. La vibración era recogida con otra varilla muy

ligera, uno de cuyos extremos descansaba sobre la región superior de la fruta y

en el lado opuesto a la excitación, y el otro contactaba con un material

piezoeléctrico que transmitía la señal mecánica a señal eléctrica, la cual era

representada como una amplitud, se obtenía así una representación de la

frecuencia frente a la amplitud (Abbott y otros, 1968).

Figura 2. Esquema del dispositivo de vibración forzada desarrollado por Abbott en

1968

Con las experiencias y conocimiento previos se desarrollan otras

investigaciones en las que se avanzó tanto en la implementación y los equipos,

este método fue aplicado a otros productos, por ejemplo los melocotones. (Finney,

1970).

La tendencia apunta para sustituir los acelerómetros, que precisan estar en

contacto directo con la muestra, por vibrómetros laser por efecto Doppler (LDV),

que son instrumentos óptimos que permiten establecer contacto con muestra. Para

captar las vibraciones producidas de las frutas sometidas a una excitación

vibratoria; la frecuencia de la onda del laser reflejado por la superficie varía en

función de la velocidad de vibración (Muramatsu, 1999).

II.6. Respuesta acústica al impacto

Una de las primeras aplicaciones de la respuesta acústica al impacto la

desarrolló (Saltveit y otros. 1975) En este trabajo se intentó relacionar el sonido

que produce un tomate al ser golpeado con el dedo índice y el tiempo necesario

para que alcance el estado de viraje. Para ello se golpeó las muestras y se grabó

el sonido producido. A pesar de que las señales acústicas mostraron ciertas

tendencias que permitieron marcar diferencias entre lotes en lo que se refiere al

estado de madurez, la dispersión de los datos fue tal que dio lugar a numerosos

errores en la clasificación de individuos.

En la mayor parte de estas aplicaciones se ha implementado la adquisición

de la señal utilizando un micrófono situado a unos milímetros de la superficie de la

muestra a estudiar. Una característica ventajosa del empleo de micrófonos lo

constituye el hecho de que no se precisa contacto entre la fruta y el transductor,

incluso que se produzca este contacto es un factor de distorsión en señal. Dada

esta ventaja se facilito la adaptación de un dispositivo de respuesta acústica al

impacto para su instalación en una línea rotativa ubicada en el indicador de una

cámara frigorífica de almacenamiento, con el fin de contra con un sistema

automatizado de control de la evolución de la firmeza durante el almacenamiento,

el cual se verá el la figura 3 (Sugiyama y otros, 1998).

Figura 3. Dispositivo de respuesta acústica al impacto portátil dotado de dos micrófonos situados

en las proximidades del punto de impacto (Sugiyama, 1998)

Figura 4. Esquema de dispositivo de respuesta acústica al impacto

con película piezoeléctrica flexible como elemento sensor (Shmulevich, 1994)

Otros investigadores (Shmulevich, Galili, y Rosenfeld 1994, Shmulevich I., y

Benichou N. 1998) han implementado elementos sensores constituidos por una

película piezoeléctrica flexible (lámina de polivinilideno fluorado recubierta con dos

capas de conductores), para la determinación de la firmeza de nectarinas, mangos

y aguacates entre otros productos, lo cual se mostrará en le figura 4.

Los acelerómetros, elementos frecuentemente en las técnicas de vibración

forzada, se han introducido en algunas aplicaciones de la respuesta acústicas a

impacto cuando el ensayo se ha realizado sobre el producto en árbol para medir el

estado de firmeza del mismo y así estimar la fecha óptima de recolección en la

figura 5.

Han implementado elementos sensores constituidos por una película

piezoeléctrica flexible (lámina de polivinilideno fluorado recubierta con dos capas

de conductores), para la determinación de la firmeza de nectarinas, mangos y

aguacates entre otros productos. Un dispositivo portátil basado también en la

recogida de la señal mediante un sensor piezoeléctrico fue diseñado por Farabee

and Stone 1991 y aplicado a dos productos tan diferentes como sandías y

melocotones.

Figura 5. Dispositivo con sensor piezoeléctrico y excitación mediante Impacto desarrollado

por Farabee, 1991.

Figura 5. Dispositivo portátil para ensayo de respuesta acústicaal impacto en fruta en árbol (De Belie, 2000)

III. APLICACIÓN EN LA INGENIERÍA DE ALIMENTOS

III.1. Dispositivo utilizado para la determinación de la calidad interna de las

sandias

Para eso de diseñó un dispositivo que se denominó de ensayo acústico.

Básicamente este dispositivo está construido por un sistema de adquisición de la

señal de salida, un sistema excitador de la muestra, elementos estructurales de

soporte y sistemas de almacenamiento y análisis de la señal (Diezma B,.Ruiz M,

2004).

Las sandias son colocadas sobre un soporte de madera en cuyo interior se

encuentra un receptáculo (elementos estructurales) que aloja un micrófono

(sistema de adquisición), de tal manera que el micrófono se sitúa milímetros de la

superficie de la sandía, dentro de una cavidad aislada delimitada por la propia

sandía y el receptáculo cuyos bordos se encuentran recubiertos por un material

amortiguador y flexible. Con un sistema pendular se excita la fruta mediante un

impacto controlado (sistema de excitación) (Diezma B,.Ruiz M, 2004).

El sonido que se produce cuando la sandía es golpeada, es recogida por el

micrófono; la señal debidamente acondiciona es conducida hasta un PC, a través

del cual el usuario puede guardar y analizar la seña para obtener los llamados

parámetros acústicos (Diezma B,.Ruiz M, 2004).

III.2. Aplicaciones más detalladas

De acuerdo a conceptos físicos vinculados al comportamiento dinámico de

un cuerpo que es sometido a una reacción forzada, con sus características

estructurales sean propuestas diversas soluciones para establecer las

características texturales de numerosos productos hortofrutícolas.

Por esto, se utilizado parámetros acústicos para analizar la evolución del

modulo de elasticidad de manzanas y peras en el árbol y almacenamiento.

También se utilizo en los tomates para determinar el coeficiente de firmeza.

En el melón se ah echo evaluaciones sensoriales midiendo la velocidad de

transmisión de la onda acústica y se ah relacionado con la firmeza de la pulpa.

Utilizando los datos experimentales se ha hecho un modelo del valor del

coeficiente de firmeza utilizable para las ciruelas, nectarinas, mangos y paltas

durante los días de almacenamiento.

Se ha dado cálculo a coeficientes de firmeza de productos tan dispares

como melocotones y sandías. En las últimas investigaciones se desarrollo el efecto

del estado del agua en el grado de elasticidad de los tejidos de rabanitos

analizando el espectro de este. (Herppich et al. 2003).

El coeficiente de rigidez de un alimento cabio de ser un parámetro derivado

de un método de estudio a ser una medida de referencia, como lo atestigua el

hecho de que se ha empleado para aceptar o rechazar hipótesis referidas a otras

técnicas o prácticas, por ejemplo, la respuesta acústica al impacto se ha utilizado

para evaluar la evolución de la firmeza en almacenamiento de manzanas

procedentes de parcelas con sistemas de producción orgánico e integrado

respectivamente (Róth, Kovács, and Felföldi 2003).

Además de la determinación de características relacionadas con la textura

de frutas y hortalizas, se ha estudiado la viabilidad de estas técnicas para la

detección de unidades afectadas de problemas de calidad interna como

magulladuras sin síntomas externos evidentes (Armstrong, Stone, y Brusewitz

1997), o fisiopatías como pardeamiento interno en peras (Schrevens et al. 2001) o

ahuecados en sandías (Diezma, Ruiz-Altisent, and Orihuel 2002).

REFERENCIAS

Abbott J., Bachman G, Childers R., Fitzgerald J., y Matusik F. Sonic techniques for

measuring texture of fruits and vegetables. 1968. Food Technology 22: 635-46

Blevins R. 1993. Formulas for natural frequency and mode shapes. Florida, USA: Krieger

Publishing Company.

Diezma B., Ruiz M. Calidad interna en sandías y métodos acústicos. 2004

Diezma B., Ruiz M. 2001. Propiedades acústicas aplicadas a la determinación de los

parámetros de calidad interna de producto hortofrutícolas. Revista Acústica. Vol.

35. Españal.

Finney E. 1970. Mechanical resonance within Red delicious apples and its relation to fruit

texture. Transactions of the ASAE 13: 177-80.

Muramatsu N., Sakurai N., Wada N., Yamamoto R., Takahar T., Ogata T., Tanaka K,

Asakura T, Y. Ishikawa-Takano Y, y Nevins D. Evaluation of fruit tissue texture and

internal disorders by laser Doppler detection. 1999. Postharvest Biology and

Technology 15: 83-88.

Saltvei M., Upadhyaya J., Happ R., Cavaletto and O’- Brien M. Maturity determination of

tomatoes using acoustic methods. 1975.

Sugiyama J., Katsurai T, Hong J., Koyama H., y Mikuriya K. Melon ripeness monitoring by

a portable firmness tester. 1998. Transactions of the ASAE 41(1): 121-27.

Shafiur R. 2009. Acustic Properties of food. Food properties handbook. Segunda edición.

ISBN: 0849350050, 9780849350054. 861 pp.

Wolfenden A. 1990. Impulse excitation: A technique for dynamic modulus measurement.

Dynamic Elastic Modulos Meassurements in materials. Philadelphia: American

Society for Testing and Materials. 90-99 pp.