UNIVERSIDAD DE MURCIA FACULTAD DE VETERINARIA CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS ALIMENTOS

CONSTITUYENTES

AROMTICOS

DEL

ZUMO

DE

NARANJA. EFECTO DEL PROCESADO INDUSTRIAL

Memoria presentada por D. MARA JOS JORDN BUESO, para optar al grado de Doctor en Ciencias Qumicas

MURCIA, JUNIO 1999

UNIVERSIDAD DE MURCIADepartamento de Anatoma, Anatoma Patolgica Comparadas y Tecnologa de los Alimentos

JOS LAENCINA SNCHEZ, CATEDRTICO DE TECNOLOGIA DE LOS ALIMENTOS DE LA FACULTAD DE VETERINARIA DE LA UNIVERSIDAD DE MURCIA.

INFORMA:

Que D. MARA JOS JORDN BUESO, Licenciada en Ciencias Qumicas ha realizado bajo mi direccin y asesoramiento el presente trabajo sobre CONSTITUYENTES AROMTICOS DEL ZUMO DE NARANJA. EFECTO DEL PROCESADO INDUSTRIAL, el cual considero rene las condiciones y calidad cientfica deseadas para su defensa por parte de la interesada, con vistas a optar al Grado de Doctor en Ciencias Qumicas.

Para que as conste y surta los efectos oportunos, lo firmo autorizando su presentacin.

Murcia, Junio 1999

UNIVERSIDAD DE MURCIADepartamento de Anatoma, Anatoma Patolgica Comparadas y Tecnologa de los Alimentos

D. ANTONIO BERNAB SALAZAR, DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE ANATOMIA, ANATOMIA PATOLGICA COMPARADAS Y TECNOLOGA DE LOS ALIMENTOS

INFORMA:

Que en Junta de Departamento se acord por unanimidad la tramitacin de la Tesis Doctoral titulada Constituyentes aromticos del zumo de naranja. Efecto del procesado industrial, presentada por la Licenciada en Ciencias Qumicas D Mara Jos Jordn Bueso.

Lo que se hace constar a efectos oportunos, en Murcia y Junio de 1999.

ILMO. SR. PRESIDENTE DE LA COMISIN DE DOCTORADO DEL GRUPO REAS DE CIENCIAS DE LA SALUD

A quienes han hecho posible alcanzar este punto del camino, mis padres A Jess

AGRADECIMIENTOS- Al Prof. D. Jos Laencina Snchez, por confiar en mis posibilidades y brindarme la oportunidad de realizar esta Tesis Doctoral, bajo su direccin. Gracias por su apoyo y orientacin en lo que es hoy mi vocacin profesional. - A Barbara Mucci, por su ayuda, apoyo y amistad, especialmente, por los momentos compartidos delante del cromatgrafo de gases. - A todos mis compaeros de la U.D. de Tecnologa de Alimentos, especialmente a, Queru, Mavi, Pilar, Manuel, Jos Mara, Mariola, Beln, Jos Mara, M Dolores, Sancho y Antonio, por su apoyo incondicional. - A Carlos de Jodar, por su inestimable ayuda en el campo informtico - A la empresa Rivervend Espaa por facilitarme las muestras de zumo de naranja analizadas y en especial a M Paz y Nieves, por su disponibilidad y predisposicin en todo momento. - Al personal del Servicio de Instrumentacin Cientfica de la Facultad de Veterinaria, en especial a M Dolores Alczar, Jos Rodrguez e Isabel Buendia, por sus consejos y amistad. - A la Comunidad Econmica Europea, que a travs del proyecto AIR me ha sido concedida una beca de investigacin bajo la cual se ha realizado esta Tesis Doctoral.

ABREVIATURAS

atm GC FID HS min. MS mV N.D. PA PDMS ppb ppm ppt p.eb. SDE SPME tr

atmsfera fsica Cromatografa gaseosa Detector de ionizacin de llama Espacio de cabeza Minutos Espectrometra de masas miliVoltios No detectado Poliacrilato Polidimetilxilosano Partes por billn Partes por milln Partes por trilln Punto de ebullicin Destilacin-Extraccin simultnea Microextraccin en fase slida Trazas

INDICE

OBJETO

1

I.- INTRODUCCIN I.1.- PRODUCCIN E INDUSTRIALIZACIN DE LA NARANJA EN LA REGIN DE MURCIA I.2.- TRANSFORMACIN INDUSTRIAL DE LA NARANJA I.2.1.- Naranja. Materia prima para la industria ctrica I.2.2.- Elaboracin de zumos ctricos I.2.2.1.- Tratamiento del fruto I.2.2.2.- Extraccin del zumo I.2.2.3.- Tratamiento del zumo I.2.2.4.- Concentracin y enfriamiento final del zumo ctrico I.2.3.- Aprovechamiento de subproductos ctricos

7 11

15 17 22 24 24 25 27 28

II.-COMPONENTES VOLTILES EN ZUMOS CTRICOS II.1.- IMPORTANCIA DEL AROMA EN LA CALIDAD DEL ZUMO INDUSTRIAL II.2.- COMPONENTES VOLTILES CARACTERSTICOS DEL ZUMO DE NARANJA II.3.- MTODOS ANALTICOS DE EXTRACCIN E IDENTIFICACIN DE COMPONENTES VOLTILES II.3.1.- Anlisis de componentes voltiles II.3.1.1.- Inyeccin directa de la muestra en cromatografa de

29

31 37

47 49 50

gases II.3.1.2.- Extraccin directa con disolvente en muestras acuosas II.3.1.3.- Destilacin de la muestra seguida de extraccin con disolvente II.3.1.4.- Destilacin-Extraccin simultnea II.3.1.5.- Concentracin de los componentes voltiles II.3.2.-. Determinacin de componentes voltiles en espacio de cabeza II.3.2.1.- Espacio de cabeza esttico II.3.2.2.- Espacio de cabeza dinmico / Purga y Trampa II.3.3.- Microextraccin en fase slida II.3.3.1.- Naturaleza del recubrimiento de la fibra II.3.3.2.- Mecanismo del proceso en SPME II.3.3.3.- Efecto de la agitacin en SPME por inmersin II.3.3.4.- Anlisis de componentes voltiles en espacio de cabeza mediante SPME II.3.3.5.- Optimizacin de SPME en espacio de cabeza II.3.3.5.1.- Efecto de la agitacin de la fase acuosa II.3.3.5.2.- Efecto de la temperatura II.3.3.5.3.- Efecto de la adicin de sal II.3.3.6.- Naturaleza del recubrimiento y manipulacin de la fibra II.3.3.7.- Anlisis cuantitativo en SPME II.3.4.- Separacin e identificacin de componentes voltiles II.3.4.1.- Cromatografa de gases multidimensional II.3.4.2.- Captura inica - Espectrometra de masas II.3.4.3.- Cromatografa de gases olfatomtrica II.3.4.4.- Nariz electrnica, instrumentos sensoriales que emulan la nariz humana II.3.4.5.- Determinacin de enantimeros y su importancia en el anlisis de alimentos 100 87 89 90 93 94 99 80 80 81 82 84 64 65 69 71 72 75 76 57 60 62 54 51

II.3.4.6.- Cromatografa lquida de alta presin II.4.- ALTERACIN QUMICA DE LOS COMPONENTES VOLTILES DURANTE EL PROCESADO Y EL ALMACENAMIENTO II.4.1.- Alteracin del aroma durante el procesado industrial II.4.2.- Alteracin del aroma durante el almacenamiento

102 103 104 112

III.- MATERIAL Y MTODOS III.1.- ZUMO DE NARANJA III.2.- TOMA DE MUESTRAS III.3.- EXTRACCIN DE COMPONENTES VOLTILES III.3.1.- Destilacin-extraccin simultnea III.3.2.- Concentracin de componentes voltiles totales III.4.- COMPONENTES VOLTILES EN ESPACIO DE CABEZA. MICROEXTRACCIN EN FASE SLIDA III.4.1.- Optimizacin de la extraccin III.4.1.1.- Aumento de la temperatura III.4.1.2.- Aumento de la fuerza inica III.4.1.3.- Agitacin de la muestra III.4.2.- Determinacin de los tiempos de equilibrio III.4.3.- Preparacin de la muestra III.5.- CROMATOGRAFA GASEOSA. ESPECTROMETRA DE MASAS III.5.1.- Anlisis cualitativo y cuantitativo de componentes Voltiles. SDE III.5.1.1.- Identificacin de componentes III.5.1.2.- Valoracin cuantitativa de voltiles mediante SDE

123 125 127 128 128 131 132 138 139 139 140 140 141 142 142 143 144

III.5.1.3.- Recuperacin de componentes voltiles en SDE III.5.2.- Anlisis cualitativo y cuantitativo de componentes voltiles en espacio de cabeza. SPME III.5.2.1.- Identificacin de componentes III.5.2.2.- Valoracin cuantitativa

145 148 149 149

IV.RESULTADOS Y DISCUSIN IV.1.-. RECUPERACIN DE COMPONENTES VOLTILES MEDIANTE DESTILACIN-EXTRACCIN SIMULTNEA IV.2.- DETERMINACIN DE COMPONENTES VOLTILES MEDIANTE HS-SPME. OPTIMIZACIN Y TIEMPOS DE EQUILIBRIO IV.2.1.- Efecto de la Temperatura IV.2.2.- Efecto de la adicin de NaCl IV.2.3.- Efecto de la Agitacin IV.2.4.- Tiempos de Equilibrio IV.2.4.1.- Tiempos de equilibrio en PDMS IV.2.4.2.- Tiempos de equilibrio en PA IV.2.5.- Tiempos de adsorcin

153 155

162 163 166 171 174 175 183 188

IV.3.- ANLISIS DE COMPONENTES VOLTILES EN ZUMO DE NARANJA IV.3.1.- Componentes voltiles .SDE IV.3.1.1.- Zumo de naranja exprimido a mano IV.3.1.2.- Zumo de naranja comercial V.3.1.3.- Anlisis estadstico IV.3.2.- Componentes voltiles. HS-SPME IV.3.2.1.- Zumo de naranja exprimido a mano

190 190 191 196 203 204 205

IV.3.2.1.1.- Extraccin mediante PDMS IV.3.2.1.2.- Extraccin mediante PA IV.3.2.2.- Zumo de naranja comercial IV.3.2.2.1.- Extraccin mediante PDMS IV.3.2.2.2.- Extraccin mediante PA IV.3.2.3.- Anlisis estadstico IV.3.2.3.1.- Extraccin mediante PDMS IV.3.2.3.2.- Extraccin mediante PA IV.4.- EFECTO DEL PROCESADO SOBRE LOS COMPONENTES VOLTILES DEL ZUMO IV.4.1.-. Efecto de la centrifugacin. Separacin de pulpa fina IV.4.1.1.- Componentes voltiles. SDE IV.4.1.2.- Anlisis estadstico IV.4.1.3.- Componentes voltiles. HS-SPME IV.4.1.3.1.- Extraccin mediante PDMS IV.4.1.3.2.- Extraccin mediante PA V.4.1.4.- Anlisis estadstico IV.4.2.- Efecto del desaireado-desaceitado IV.4.2.1.- Componentes voltiles. SDE IV.4.2.2.- Anlisis estadstico IV.4.2.3.- Componentes voltiles. HS-SPME IV.4.2.3.1.- Extraccin mediante PDMS IV.4.2.3.2.- Extraccin mediante PA IV.4.2.4.- Anlisis estadstico IV.4.3.- Efecto de la pasteurizacin IV.4.3.1.- Componentes voltiles. SDE IV.4.3.2.- Anlisis estadstico IV.4.3.3.- Componentes voltiles. HS-SPME IV.4.3.3.1.- Extraccin mediante PDMS IV.4.3.3.2.- Extraccin mediante PA

205 210 214 214 219 223 223 224 229 230 230 237 238 239 245 251 255 255 260 261 262 266 271 274 274 276 277 277 278

IV.4.3.4.- Anlisis estadstico IV.4.3.4.1.- Extraccin mediante PDMS IV.4.3.4.2.- Extraccin mediante PA IV.4.4.-.Efecto global del procesado sobre los componentes voltiles. Zumo refinado-Zumo pasteurizado. IV.4.4.1.- Componentes voltiles. SDE IV.4.4.2.- Componentes voltiles. HS-SPME IV.4.4.2.1.- Extraccin mediante PDMS IV.4.4.2.2.- Extraccin mediante PA IV.5.-. DISTRIBICIN DE VOLTILES ENTRE PULPA Y SUERO EN EL ZUMO DE NARANJA IV.5.1.- Distribucin de componentes voltiles. SDE IV.5.2.- Distribucin de componentes voltiles. HS-SPME IV.6.-.COMPONENTES VOLTILES TOTALES EN SUBPRODUCTOS. PULPA GRUESA

278 278 279 280 281 284 285 288 290 290 296 305

IV.7.-. INFLUENCIA DE LA ESTACIONALIDAD SOBRE LA FRACCIN AROMTICA DEL ZUMO DE NARANJA IV.7.1.- Evolucin de los componentes voltiles. SDE IV.7.2.- Evolucin de los componentes voltiles. HS-SPME

309 310 312

V.- CONCLUSIONES VII.- BIBLIOGRAFIA RESUMEN

315 323 343

INDEX

OBJETIVES

1

I.- BACKGROUND I.1.- PRODUCTION AND INDUSTRIAL TRANSFORMATION OF THE ORANGE FRUIT AT THE REGION OF MURCIA

7

11

I.2.- INDUSTRIAL PROCESSING OF ORANGE FRUIT I.2.1.- Orange fruit. Raw material for citrus industry I.2.2.- Citrus juices processing I.2.2.1.- Orange fruit handling I.2.2.2.- Juice extraction I.2.2.3.- Orange juices technological treatment I.2.2.4.- Concentration and final cooling of the orange juice I.2.3.- Use of wasting citrus products

15 17 22 24 24 25 27 28

II.-VOLATILE COMPONENTS IN CITRUS JUICES II.1.- IMPORTANCE OF THE AROMA IN THE INDUSTRIAL JU ICE QUALITY II.2.- CHARACTERISTIC ORANGE JUICE VOLATILE COMPONENTS

29 31

37

II.3.- ANALYTICAL METHODS FOR ISOLATION AND IDENTIFICATION OF VOLATILE COMPONENTS 47

II.3.1.- Volatile components analysis II.3.1.1.- Direct sample injection in gas chromatography II.3.1.2.- Direct solvent extraction from aqueous samples II.3.1.3.- Sample distillation followed by solvent extraction II.3.1.4.- Simultaneous Distillation-Extraction II.3.1.5.- Volatile components concentration II.3.2.-. Determination of headspace volatile components II.3.2.1.- Static headspace II.3.2.2.- Dynamic headspace /Purge and Tramp

49 50 51 54 57 60 62 64 65

II.3.3.- Solid phase Microextraction II.3.3.1.- Polymeric fibre coating II.3.3.2.- SPME mechanism process II.3.3.3.- Effect of stirring by immersion on SPME II.3.3.4.- Analysis of headspace volatile components by SPME II.3.3.5.- Headspace SPME optimization II.3.3.5.1.- Effect of the aqueous phase stirring II.3.3.5.2.- Temperature effect II.3.3.5.3.- Salt addition effect II.3.3.6.- Fibre handling and polymeric coating nature II.3.3.7.- SPME quantitative analysis II.3.4.- Volatile components isolation and identification II.3.4.1.- Multidimensional gas chromatography II.3.4.2.- Ionic capture. Mass spectrometry II.3.4.3.- Olfactometryc gas chromatography II.3.4.4.- Electronic nose, sensorial instruments which emulate Human nose II.3.4.5.- Enantiomer determinations and their importance in food analysis

69 71 72 75 76 80 80 81 82 84 87 89 90 93 94 99 100

II.3.4.6.- High performance liquid chromatography II.4.- CHEMICAL MODIFICATIONS OF VOLATILE COMPONENTS DURING INDUSTRIAL PROCESSING AND STORAGE CONDITIONS II.4.1.- Aroma modifications during industrial processing II.4.2.- Aroma modifications during storage

102 103 104 112

III.- MATERIAL AND METHODS III.1.- ORANGE JUICE III.2.- ORANGE JUICE SAMPLES III.3.- VOLATILE COMPONENTS EXTRACTION III.3.1.- Simultaneous Distillation Extraction III.3.2.- Volatile components concentration III.4.- HEADSPACE VOLATILE COMPONENTS. SOLID PHASE MICROEXTRACTION III.4.1.- Optimization of the Extraction III.4.1.1.- Increase of temperature III.4.1.2.- Increase of ionic strength III.4.1.3.- Stirring of the sample III.4.2.- Equilibrium time determinations III.4.3.- Sample preparation III.5.- GAS CHROMATOGRAPHY. MASS SPECTROMETRY

123 125 127 128 128 131 132 138 139 139 140 140 141 142

III.5.1.- Qualitative and quantitative analysis of volatile components. 142 SDE III.5.1.1.- Identification of volatile components III.5.1.2.- Quantitative analysis of volatile components by SDE 143 144

III.5.1.3.- Volatile components recovery using SDE III.5.2.- Qualitative and quantitative analysis of headspace volatile components. SPME III.5.2.1.- Qualitative analysis III.5.2.2.- Quantitative analysis

145

149 149

IV. RESULTS AND DISCUSSION IV.1.-.VOLATILE COMPONENTS RECOVERY USING SIMULTANEOUS DISTILLATION EXTRACTION IV.2.- VOLATILE COMPONENTS DETERMINATION BY HS-SPME. OPTIMIZATION AND EQUILIBRIUM TIMES IV.2.1.- Temperature effect IV.2.2.- NaCl addition effect IV.2.3.- Stirring effect IV.2.4.- Equilibrium times IV.2.4.1.- PDMS equilibrium times IV.2.4.2.- PA equilibrium times IV.2.5.- Adsorption times

153 155

162 163 166 171 174 175 183 188

IV.3.- VOLATILE COMPONENTS ANALYSIS IN ORANGE JUICE IV.3.1.- Volatile components .SDE IV.3.1.1.- Hand squeezed orange juice IV.3.1.2.- Commercial orange juices V.3.1.3.- Statistical analysis IV.3.2.- Volatile components. HS-SPME IV.3.2.1.- Hand squeezed orange juice

190 190 191 196 203 204 205

IV.3.2.1.1.- Extraction using PDMS IV.3.2.1.2.- Extraction using PA IV.3.2.2.- Commercial orange juices IV.3.2.2.1.- Extraction using PDMS IV.3.2.2.2.- Extraction using PA IV.3.2.3.- Statistical analysis IV.3.2.3.1.- Extraction using PDMS IV.3.2.3.2.- Extraction using PA IV.4.- EFFECT OF THE INDUSTRIAL PROCESSING ON THE ORANGE JUICE VOLATILE COMPONENTS IV.4.1.-. Effect of the centrifugation process. Pulp separation IV.4.1.1.- Volatile components. SDE IV.4.1.2.- Statistical analysis IV.4.1.3.- Volatile components. HS-SPME IV.4.1.3.1.- Extraction using PDMS IV.4.1.3.2.- Extraction using PA V.4.1.4.- Statistical analysis IV.4.2.- Effect of the deareation process IV.4.2.1.- Volatile components. SDE IV.4.2.2.- Statistical analysis IV.4.2.3.- Volatile components. HS-SPME IV.4.2.3.1.- Extraction using PDMS IV.4.2.3.2.- Extraction using PA IV.4.2.4.- Statistical analysis IV.4.3.- Effect of the pasteurization process IV.4.3.1.- Volatile components. SDE IV.4.3.2.- Statistical analysis IV.4.3.3.- Volatile components. HS-SPME IV.4.3.3.1.- Extraction using PDMS

205 210 214 214 219 223 223 224 229

230 230 237 238 239 245 251 255 255 260 261 262 266 271 274 274 276 277 277

IV.4.3.3.2.- Extraction using PA IV.4.3.4.- Statistical analysis IV.4.3.4.1.- Extraction using PDMS IV.4.3.4.2.- Extraction using PA IV.4.4.-.Global effect of the industrial processing on the volatile fraction. Finished juice-Pasteurized juice. IV.4.4.1.- Volatile components. SDE IV.4.4.2.- Volatile components. HS-SPME IV.4.4.2.1.- Extraction using PDMS IV.4.4.2.2.- Extraction using PA IV.5.-. VOLATILE COMPONENTS DISTRIBUTION BETWEEN PULP AND YIELD IN ORANGE JUICE IV.5.1.- Volatile components distribution. SDE IV.5.2.- Volatile components distribution. HS-SPME IV.6.-.VOLATILE COMPONENTS IN WASTE INDUSTRIAL PRODUCTS. THICK PULP

278 278 278 279 280 281 284 285 288 290 290 296 305

IV.7.-. SEASON INFLUENCE ON THE ORANGE JUICE AROMATIC FRACTION IV.7.1.- Evolution of total volatile components. SDE IV.7.2.- Evolution of volatile components. HS-SPME

309 310 312

V.- CONCLUSIONS VII.- BIBLIOGRAPHY SUMMARY

315 323 343

OBJETO

2

Objeto

El estudio de los constituyentes aromticos en alimentos ha sido un desafo para numerosos investigadores durante las ltimas cuatro dcadas y su desarrollo unido al del anlisis instrumental, concretamente la cromatografa gaseosa, ha permitido la apertura de un nuevo campo de investigacin con numerosas posibilidades de aplicacin en la industria alimentaria. Desde la introduccin en 1950 de la cromatografa gaseosa, esta ha sido la piedra angular en el campo del anlisis de componentes voltiles (Wright, 1997). El primer anlisis de componentes voltiles en zumo de naranja dulce empleando cromatografa gas-lquido fue realizado en 1961 por Wolford y Attaway, desde entonces numerosos trabajos se han realizado con diferentes objetivos, tales como conocer la calidad del aroma en la fruta fresca o en los productos derivados, el estudio de la calidad tecnolgica y prevenir las reacciones de degradacin de los mismos (Pino et al., 1981).

3

Actualmente el anlisis de los componentes responsables del aroma, abarca a todos los productos alimenticios e incluye una cantidad considerable de campos de investigacin entre ellos el rea de las frutas ctricas. De la totalidad de bebidas de frutas, la naranja es la ms popular dado su delicado y complejo aroma ctrico (Shaw et al. 1993), por lo que el desarrollo de nuevas y ms eficientes tcnicas para la determinacin de componentes voltiles aromticos resulta esencial. Estos mtodos son cruciales para la investigacin de efectos tales como el procesado, el tiempo de almacenamiento y empaquetado, la vida media..., al actuar como monitores de la calidad del zumo. Las caractersticas de los zumos presentan grandes variaciones a lo largo del periodo de produccin citrcola debido a las diferentes variedades de naranja utilizadas y a los cambios de atributos sensoriales que experimentan durante la maduracin, haciendo difcil la preparacin de productos de calidad uniforme durante todo el ao . El tema referente al deterioro de los zumos de naranja durante el procesado y el almacenamiento, constituye uno de los tpicos ms abordados en Tecnologa de Alimentos, tanto por su impacto como por sus derivaciones nutricionales, econmicas, etc... La industria alimentaria es particularmente consciente de la importancia del aroma en la aceptacin de los alimentos por parte del consumidor, principalmente en regiones mediterrneas altamente productoras como es el caso de la Regin de Murcia. Por este motivo en esta memoria de Tesis doctoral abordamos el estudio de la fraccin aromtica total y en espacio de cabeza de zumo de naranja, aplicando para ello diferentes tcnicas analticas contrastadas entre s. Considerando el efecto de las distintas etapas del procesado industrial, as como el grado de madurez del fruto sobre la fraccin aromtica del zumo.

4

Objeto

Los objetivos establecidos para el desarrollo de este trabajo son: 1.- Optimizacin y adecuacin de las tcnicas analticas empleadas en la determinacin de los constituyentes voltiles de la naranja. 2.- Efecto de las diferentes etapas del procesado industrial sobre la fraccin aromtica. 3.- Componentes voltiles presentes en la pulpa gruesa extrada del zumo de naranja y su posible aplicacin como fuente aromtica. 4.- Efecto del grado de madurez del fruto sobre la composicin aromtica del zumo.

5

I.- INTRODUCCIN

8

Introduccin

Los frutos ctricos, de entre los que se destaca la naranja, se incluyen dentro de la clasificacin botnica de las Rutceas, subfamilia Aurantioideas, en la que se incluye el gnero Citrus del que se deriva su nombre genrico y cuyas especies ms importantes se especifican en la Tabla I.-1. Aparte de la taxonoma Botnica los ctricos pueden clasificarse por su inters para el hombre en tres categoras o grupos (Fernndez, 1995). El primer grupo comprende las naranjas, tangerinas, mandarinas y tipos similares, el segundo grupo limones y limas, y por ltimo el tercer grupo, con los pomelos. El grupo primero es el ms importante y alcanza un 80% de la produccin, siendo las naranjas dulces la especie ms destacada dentro del mismo. En efecto, dentro del conjunto de todos los frutos ctricos la naranja ocupa un 67% de la produccin mundial.

9

Tabla I.-1.- CLASIFICACIN DE LOS FRUTOS CTRICOS

NARANJAS

Naranja Dulce Naranja Amarga Mandarina Clementina Satsuma Tangerina Pomelo Toronja Limn Lima Cidra Fortunela Kumcuat

Citrus sinensis L. Citrus aurantium L. Citrus reticulata Citrus reticulata Citrus unshiu Citrus deliciosa Citrus grandis Citrus paradisi Citrus limonum Citrus aurantifolia Citrus medica L. Fortunella japonica

MANDARINAS

POMELOS

LIMONES OTROS CITRICOS

10

Introduccin

I.1.- PRODUCCIN E INDUSTRIALIZACIN DE LA NARANJA EN LA REGIN DE MURCIA El cultivo de los ctricos en general, se efecta en todas las zonas tropicales y subtropicales y constituye un sector importante de la economa frutcola mundial. Se cultivan en ms de cien pases siendo slo unos cuantos los que dominan la produccin; segn datos de la F.A.O. Brasil, Estados Unidos, Espaa, Mjico e Italia son los principales pases productores por orden decreciente de importancia. En Espaa, dentro de la zona denominada del Mediterrneo, el cultivo de los ctricos se realiza principalmente en las zonas costeras del Este y Sureste (Levante) y en la regin Sur de la pennsula, Andaluca, desde Almera hasta Huelva y se localiza sobre todo en lugares prximos al litoral y en los valles de los ros. La zona citrcola de Levante comprende las provincias de Tarragona, Castelln, Valencia, Alicante y Murcia. La superficie dedicada al cultivo de naranjos en la Regin de Murcia ha evolucionado desde 8551 Hectreas cultivadas en 1990, hasta 9502 Ha en 1996 (Anuario estadstico de la Regin de Murcia, 1996). As, segn los datos obtenidos por el Departamento de Estadstica Agraria, de la Conserjera de Medio Ambiente, Agricultura y Agua de la Regin de Murcia, la produccin de naranja por variedades, desde la campaa de 1991-1992, hasta la de 1997-1998, ha modificado su volumen producido de 111.650 a 85.872 Toneladas, segn se muestra en la Tabla I.1.-1. El contraste que supone la diferencia de los datos obtenidos entre el crecimiento de la superficie dedicada al cultivo de naranja y la disminucin de la produccin, est relacionada con una importante renovacin de arboleda, por lo que los naranjos no se encuentran en su mximo nivel de produccin.

11

Por otro lado, en la actualidad se ubican en la Regin de Murcia catorce industrias dedicadas a la transformacin de frutos ctricos, principalmente extraccin de zumos y elaboracin de otros derivados; su capacidad media puede situarse en torno a las 179.323 Toneladas por campaa. Este dato no informa de la cantidad del fruto que en nuestra Regin se destina a la industria, ya que al no existir hasta el momento en Espaa barreras controladas de comercio entre las regiones productoras, se desconoce que parte de esta cantidad procede de otras Comunidades Autnomas, en las que los periodos de produccin no coinciden totalmente con los nuestros por motivos climatolgicos. A nivel nacional, los datos accesibles en la actualidad corresponden a la campaa de 1993-1994, en los que la produccin total de naranja dulce fue de 2.697.543 Toneladas, de ellas 1.337.733 se dedicaron a la exportacin, 972.419 Tm al consumo interior en fresco y 387.391 Tm a su transformacin industrial, por lo que aproximadamente un 13 % de la produccin total se destina hacia la industria. Refirindonos a las Comunidades autonmicas productoras, la Regin de Murcia uniprovincial se sita en el tercer lugar, con un 3% de la produccin total de naranja espaola. En la Tabla I.1.-2., quedan reflejados los datos elaborados por el Servicio de Estadstica, de la Consejera de Medio Ambiente, Agricultura y Agua, correspondientes a la produccin en Toneladas mtricas de cada una de las Comunidades Autnomas espaolas dedicadas al cultivo del naranjo, siendo la Comunitat Valenciana la primera productora de naranja a nivel nacional.

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Introduccin

Tabla I.1.-1. EVOLUCION DE LA PRODUCCIN DE NARANJA POR VARIEDADES EN LA REGION DE MURCIA (Tm)

Variedades

Campaa 1991-92 1992-93 80.000 54.000 13.900 12.100 9.850 9.300 550 250 3.700 41.900 13.100 28.800 1993-94 1994-95 55.970 35.000 10.050 10.920 8.610 8.400 210 490 3.185 34.860 9.360 25.500 43.040 27.350 8.250 7.440 6.970 6.520 450 140 1.360 22.250 5.500 16.750 73.760 1995-96 43.120 23.340 8.200 11.580 6.540 6.330 210 100 1.580 26.850 7.150 19.700 78.190 1996-97 1997-98 34.720 18.300 6.200 10.220 5.620 5.500 120 60 1.100 22.600 5.100 17.500 64.100 49.097 25.892 7.629 15.576 6.160 6.028 132 70 1.010 29.535 4.660 24.875 85.872

Navel Navelina y New-Hall Navel Navelate Blancas selectas Salustiana Otras Blancas comunes Sanguinas Tardas Verna Valencia late

62.600 39.750 15.050 7.800 10.120 9.400 720 480 4.350 34.100 13.050 21.050 111.650

Total

135.700 103.115

Consejera de Medio Ambiente, Agricultura y Agua. Dpto. de Estadstica Agraria de Murcia 1997/1998

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Tabla I.1.-2.- ANLISIS PROVINCIAL DE LA PRODUCCIN DE NARANJA EN 1994

COMUNIDADES AUTNOMAS GALICIA CANTABRIA PAIS VASCO CATALUA BALEARES CASTILLA Y LEON Comunitat VALENCIANA Regin de MURCIA EXTREMADURA ANDALUCIA CANARIAS Total ESPAA

PRODUCCIN (Tm) 1.907 33 6 35.857 16.505 34 2.085.863 73.620 353 457.644 25.721 2.697.543

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Introduccin

I.2.- TRANSFORMACIN INDUSTRIAL DE LA NARANJA La vida de muchos frutos en su estado fresco en ocasiones es corta, por lo que es necesario buscar formas de consumo diversas, tales como pueden ser la preparacin a partir de los mismos de diferentes tipos de conservas y productos alimenticios como mermeladas, zumos, nctares, etc. En el caso de los frutos ctricos (naranja, limn y pomelo) su consumo es muy popular en forma de zumos en los pases desarrollados, hasta tal punto que se calcula que el zumo de naranja representa el 50% del consumo total de zumos en el mundo entero. Actualmente el zumo de naranja elaborado directamente sin concentracin previa constituye en Estados Unidos un producto de consumo de extraordinaria importancia (Katz y Giese, 1998). De acuerdo con la legislacin actual (R.D. 1650/1991), los tipos de zumos y nctares que se pueden producir se clasifican en: 1.- Zumos frescos de fruta: Son los jugos obtenidos a travs de frutos sanos, frescos, maduros y lavados obtenidos mediante procesado industrial autorizado. Estarn constituidos por el lquido solo, clarificado, o por el lquido y pulpa en suspensin correspondientes al endocarpio y estarn exentos de restos de epicarpio, mesocarpio y semillas. 2.- Zumos naturales: Son los zumos frescos que han sido estabilizados mediante tratamiento fsico autorizado que garantice su conservacin. Debe existir la posibilidad de hacerlos fermentar. 3.- Zumos conservados: Son los zumos frescos o naturales a los que se ha aadido un agente conservador. 4.- Zumos bsicos de fruta: Son zumos frescos cuya conservacin definitiva est asegurada por procedimientos fsicos o agentes

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conservadores autorizados y que no se pueden consumir en estado natural, sino que sirven de base a otros productos. 5.- Zumos concentrados: Son los obtenidos a partir de zumos frescos o naturales, mediante la extraccin del 50% como mnimo, del agua de constitucin, empleando procesos tecnolgicos autorizados y podrn conservarse por procedimientos fsicos. Estos zumos concentrados, diluidos en agua potable y devueltos a su densidad original han de presentar las mismas caractersticas de los zumos empleados. 6.Zumos concentrados conservados: Son los zumos

concentrados a los que se les ha aadido un agente conservador autorizado. 7.- Zumos ligeramente azucarados: Son los zumos frescos, naturales, concentrados y conservados a los que se les ha aadido algunos de los edulcorantes autorizados. La cantidad total de edulcorantes ser inferior a los 70 g, expresados en sacarosa por Kg de zumo. 8.- Zumos azucarados: Son los zumos frescos, naturales, concentrados y conservados a los que se les ha aadido edulcorantes naturales en cantidad superior a los 70 e inferior a los 150 g/Kg de producto. 9.- Zumos gasificados: Son los procedentes de los zumos de fruta anteriormente definidos a los que se les ha aadido anhdrido carbnico puro. 10.- Nctares: Son los productos obtenidos con zumos frescos, naturales y conservados a los que se le ha aadido un jarabe del mismo grado Brix que el zumo original en proporcin superior al 40% e

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Introduccin

inferior al 60%. Los azucares totales expresados en sacarosa sern inferiores al 30%. 11.-Zumo deshidratado de frutas: Es el obtenido a partir de zumo fresco clarificado en el que el contenido en agua es inferior al 10%.

Veamos a continuacin los requisitos establecidos acerca de las caractersticas de la materia prima y el procesado industrial de la elaboracin de los zumos ctricos (Carpena, 1963; Carpena y Laencina, 1971; Safina 1971; Di Giacomo 1980; Braverman, 1952); Kimball, 1991).

I.2.1.- Naranja. Materia prima para la industria ctrica La industria necesita fruta de una calidad distinta a la que interesa para el comercio en fresco. Segn Primo Yfera (Fernndez, 1995), son cuatro las condiciones que debera reunir las naranjas para la industria: 1.- Tanto por ciento de zumo. 2.- Grados Brix. 3.- Color. 4.- Periodo de utilizacin. Una variedad industrialmente ideal tendra un porcentaje elevado de zumo, con un elevado porcentaje de slidos solubles (azcar), baja acidez, fuerte coloracin y un periodo de utilizacin largo. A estas condiciones deberamos de aadir otras cualidades no menos importantes para la fabricacin de zumos, entre las que habra que destacar las responsables de caractersticas sensoriales como la

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turbidez y especialmente el aroma. Las variedades que ahora se industrializan alcanzan rendimientos en zumos que pueden alcanzar hasta el 40% y un contenido en slidos solubles, del orden de 10,512,0 Brix. En general las variedades que actualmente extienden su cultivo son las destinadas a la exportacin en fresco, destinndose una pequea parte a su industrializacin, usualmente procedente de los destros y en algunos casos de excedentes de produccin, accidentes climatolgicos, etc. La industria no puede competir con los precios de la fruta en el rbol destinada al consumo en fresco, por lo que se dirige la produccin hacia derivados de aquellas frutas que no son aptas para su comercio en fresco, debido a su tamao, aspecto poco comercial,... La diversificacin de las variedades existentes, algunas de ellas poco aptas para la industria no cubren las exigencias de la misma; junto a esto la irregularidad del abastecimiento, son las principales causas que limitan el crecimiento normal de la industria citrcola en nuestro pas. Las variedades de naranja existentes en Espaa y su aptitud para la industrializacin permiten realizar su clasificacin en tres grandes grupos: 1.- Blancas y blancas tardas (Valencia Late y Bernas) 2.- Sanguinas (pigmentadas) 3.- Navel o umblicadas. Entre las variedades del grupo de las blancas destaca la Comuna, con la cual se obtienen buenos rendimientos y excelentes zumos ricos en vitamina C, adems esta variedad contiene una proporcin en aceite esencial superior a otras. No obstante, como posee muchas semillas, no es comercial en el mercado en fresco por lo que se limita su cultivo y est en trance de desaparecer.

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Introduccin

Las Cadeneras, otra variedad dentro de las blancas, tambin ofrecen mucho zumo y de excelente calidad; las Castellanas, se caracterizan por generar zumo de escasa acidez, por lo que son aptas para asociarlas con otras y conseguir un zumo de relacin Azcar/Acidez ms alta. Dentro del grupo de las blancas las Salustianas, es la variedad que actualmente presenta mayor inters comercial e industrial. La variedad Valencia Late, ofrece un gran contenido en slidos, un gran porcentaje de zumo, buen color y sin semillas; su produccin es tarda por lo que alcanza buenos precios en el mercado. La Berna, con buen contenido en zumo de calidad, es tambin una variedad tarda que se recolecta a finales de marzo. El grupo de las Sanguinas se caracteriza porque son frutos que presentan en el flavedo de la corteza y en la pulpa comestible un color sanguino caracterstico, debido a su contenido en pigmentos rojoobscuros, hidrosolubles, de naturaleza antocinica. Estas naranjas, denominadas rojas o de sangre, poseen zumos de excelente sabor y aroma, aunque tienen el inconveniente del color rojizo, ms o menos pronunciado, caracterstico de los frutos y que en procesado trmico se deteriora por oscurecimiento. Las variedades de este grupo son la Doble Fina, Sanguina Oval, Entre Finas y la Sanguinelli. Recientemente, y como consecuencia de las propiedades medicinales asociadas a polifenoles como los antocianos se est desarrollando un mercado de zumo de estas variedades en zonas productoras especialmente importantes como Italia. Las naranjas del grupo Navel: Washington Navel, Thomson Navel, Navelina y Navelate, ..., tienen limitada su aplicacin industrial como consecuencia del elevado contenido en limonoides del zumo, entre los que destaca la limonina (glucsido que se hidroliza impartiendo un fuerte sabor amargo a los zumos en el proceso de tratamiento trmico y que lo hace inadecuado para el consumo).

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Existen dos variedades de naranjas Navel en las que este fenmeno es menos acusado por su bajo contenido en limonina, Navelate y Navel-Golosa. En estas variedades la madurez externa del fruto, lleva un ligero retraso con relacin a la Washington Navel, teniendo un amplio periodo de recoleccin que abarca de febrero a mayo en condiciones comerciales perfectas. Se trata, pues, de una variedad de muy buena calidad para el consumo directo y para la industria. Las variedades Newhally Navelina, son las que actualmente presentan mayor inters, debido a su precocidad, rpida entrada en produccin y buena productividad. La Washington Navel, la Salustiana y la Valencia Late, tienen una difusin ms moderada implantndose especialmente en zonas de maduracin media o tarda. La Navelate, a pesar de su excelente calidad se difunde con lentitud debido a problemas de productividad. Una vez descritas las variedades de naranjas cultivadas en Espaa, pasamos a describir los factores de calidad de las naranjas destinadas a la industrializacin. Desde que se dictaron en Espaa las primeras normas que regulaban la exportacin de las naranjas en fresco en 1930, el inters por la valoracin de su calidad ha ido en aumento. As en el Instituto de Agroqumica y Tecnologa de los Alimentos (CSIC) de Valencia, desde 1962, se han llevado a cabo a lo largo de diversas campaas una serie de trabajos de investigacin sobre la calidad de las variedades de naranja (Primo y Sala, 1975, Sala et al., 1971). Las primeras normas de calidad espaolas, en este sentido, para comercio exterior datan de 1930; las vigentes en la actualidad aparecen recogidas en la Orden de 21 de Septiembre de 1981 (B.O.E. del 5-101981) y en la Resolucin de 13 de Julio de 1984 (B.O.E. del 23-71984). Expresan el grado de maduracin interna por la relacin E.S./A. del zumo, conocido como Indice de madurez (I.M.).

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Introduccin

La normativa vigente en comercio exterior, para las naranjas, exige un I.M: de 5,5/1, o bien de 6,5/1 para las variedades tardas. Las exigencias administrativas para las naranjas destinadas a su transformacin industrial, estn fijadas por la Orden de 2 de Noviembre de 1989 (B.O.E. nm. 265 del 4-11-1989). En su estipulacin segunda, la citada Orden especifica las condiciones de calidad, que deben reunir los frutos entregados a la industria: a) Caractersticas de los frutos. b) Contenido mnimo de zumo y coloracin. c) Calibres mnimos.

La calidad de la naranja para la fabricacin de zumo, se mide por el contenido en zumo, los slidos solubles (grados Brix) y el ndice de madurez. El contenido en zumo, expresado como tanto por ciento respecto al peso de fruta, es uno de los valores ms representativos de la calidad de la materia prima, ya que en la industria es decisivo valorar el rendimiento de una partida de naranjas por sus repercusiones econmicas. Por definicin el grado Brix se refiere a la unidad de peso de sacarosa contenida en 100 g de disolucin acuosa. Pero el zumo ctrico es una disolucin en agua de una serie de sustancias entre las que se encuentran azcares, cido ctrico, constituyentes minerales, glucsidos, sustancias pcticas, productos nitrogenados, grasas, vitaminas, componentes aromticos, etc., que, en mayor o menor grado, participan activamente en el valor de grados Brix determinado por refractometra directamente en el zumo. Por su especial influencia se puede aplicar la correccin debida al cido ctrico. Generalmente las industrias trabajan simultneamente naranjas de diferentes variedades y distintos orgenes con grado de maduracin variable. Es frecuente realizar mezclas de zumos, procedentes de principios de temporada, conservados por congelacin o en envasado

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asptico, con los zumos extrados de frutos ms maduros, para lograr la estandarizacin del ratio E.S./A. adecuada.

I.2.2.- Elaboracin de zumos ctricos La figura I.2.2.-1. muestra un esquema de elaboracin de zumos ctricos. En este proceso destaca el sistema de funcionamiento continuo y cerrado, disminuyendo as el riesgo de oxidaciones por mezcla de aire con el producto. Las modernas plantas de produccin son automticas para eliminar el factor de riesgo debido al error humano. La instalacin es flexible y de diseo higinico con sistemas de limpieza automticos. Las principales etapas que componen el tratamiento total se clasifican en: - Tratamiento del fruto (lavado, cepillado e inspeccin). - Extraccin de zumo y aceites esenciales. - Tratamiento del zumo propiamente dicho (despulpado, mezcla y correccin, desaireacin y pasteurizacin). - Concentracin y enfriamiento final del producto.

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Introduccin

Fig.1.2.-1.- ESQUEMA DE PRODUCCIN DEL ZUMO DE NARANJA

PROCESADO DEL FRUTO NARANJA

LIMPIEZA Lavado por inmersin / Cintas o rodillos transportadores CEPILLADO

SELECCIN Tamao / Color

EXTRACCIN Y TRATAMIENTO DEL ZUMO NARANJA

EXPRIMIDORA Zumo bruto / corteza REFINADORA FINISHER Zumo refinado* (10-15% S.I.) / Pulpa gruesa CENTRFUGA Zumo centrifugado* (< 3% S.I.) / Pulpa fina DESAIREADOR Zumo desaireado-desaceitado*/ Esencia acuosa PASTEURIZADOR (95C 30 s.) Zumo pasteurizado* CONCENTRADOR Almacenamiento / Mquina de llenado

* Muestras seleccionadas para el anlisis de constituyentes aromticos.

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I.2.2.1.- Tratamiento del fruto El primer elemento en una lnea de produccin es la mquina de lavado de frutas; est especialmente diseada para sumergir y lavar a la vez los frutos antes de la extraccin del zumo. La segunda parte de la mquina consiste en un elevador de rodillos inclinado que lo saca del agua. En este elevador el fruto es enjuagado con duchas de agua limpia. Inmediatamente despus viene el cepillado, en parte tambin bajo duchas de agua, para la limpieza en la superficie del fruto de las partculas de suciedad y arrastre de residuos de tratamientos que an queden depositados. Finalmente se somete al control y seleccin mediante inspeccin, que se realiza sobre una mesa de rodillos transportadores giratorios para la fruta, que exponen toda la superficie del fruto a la vista de los inspectores encargados de la seleccin, considerando entre otros parmetros el tamao y color de la misma.

I.2.2.2.- Extraccin del zumo La extraccin de un zumo ctrico ha de hacerse de forma rpida para evitar daos irreparables a la calidad y evitando que pasen al zumo elementos que producen amargor y que se encuentran en la piel, las semillas, membranas, etc.,... Una mquina moderna de extraccin consta de dos copas, una superior y otra inferior que alojan al fruto; en la parte baja de la copa inferior se encuentra un cuchillo circular que se prolonga en un cilindro de superficie agujereada o ranurada y que acta como tamizador para separar por tamao las fracciones internas del fruto extrados. El cuchillo corta el vrtice inferior del fruto para permitir el acceso del cilindro tamizador hacia las partes internas.

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Introduccin

El ciclo de extraccin avanza al entrecruzarse las copas, la presin sobre el fruto aumenta forzando al endocarpio a que escape por la parte inferior, pasando as al cilindro tamizador mientras la corteza es expulsada por la parte superior. El zumo y la pulpa por su menor tamao fluyen a travs de las perforaciones del tamizador pasando hacia un tubo colector, mientras las partes ms groseras son forzadas a salir al exterior siendo descargadas de la mquina junto con la corteza. Con este sistema de extraccin se separa el zumo propiamente dicho con pulpa (zumo bruto o tcnico) del resto de tejidos de membranas y semillas del endocarpio y de la corteza, a la vez que se reduce la incorporacin de aceite esencial.

I.2.2.3.- Tratamiento del zumo El tratamiento del zumo incluye varias operaciones: -. Refinado del zumo, separando mediante finishers gran parte de la pulpa extrada con el zumo. -. Clarificacin por decantadores centrfugos del zumo para la eliminacin de pulpa fina hasta niveles del 1-3%. -. Mezcla y correccin para ajuste del producto, con objeto de conseguir unas condiciones estndar en cuanto al contenido en acidez, color,... -. Desaireacin con objeto de eliminar el aire disuelto en el zumo, para evitar procesos de oxidacin favorecidos en los tratamientos trmicos sucesivos del producto. -. Pasteurizacin instantnea para la inactivacin de enzimas pectolticas y destruccin de microorganismos. La clarificacin del zumo comienza con el paso del zumo a travs de una refinadora (finisher) con tamao de poro entre 0,6 y 0,8 mm. Se

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separa de esta forma la pulpa gruesa del zumo, junto con pequeas semillas y/o partculas arrastradas. Seguidamente el zumo pasa a una separadora centrifugadora; en este tipo de mquina el contenido final en pulpa del zumo puede ser fcilmente ajustado segn los requerimientos del mercado. Esta centrfuga trabaja como clarificadora, es decir, hay un solo lquido que abandona la mquina, mientras los slidos son retenidos es su interior y expulsados peridicamente a intervalos regulares. La correccin y mezcla del jugo se hace en tanques de acero inoxidable equipados con agitador. La siguiente etapa es la desaireacin que generalmente se efecta en una cmara a vaco, normalmente equipada con un condensador en su parte superior para la recuperacin de los aromas que tienden a escapar. El zumo es bombeado al depsito, donde entra de forma tangencial formando una fina capa. El depsito est sometido a la accin del vaco mediante una bomba mecnica de anillo hidrulico. El vaco creado es suficiente para hacer que el producto entrante rompa a hervir y los vapores y gases ascienden hasta el condensador refrigerado por agua, de forma que se produce una separacin de vapores condensados que caen y se mezclan con el zumo desaireado y de gases incondensables que son extrados por la bomba. En algunos casos los vapores condensados no se incorporan al zumo directamente, sino que son recogidos en un tanque diferente constituyendo la llamada esencia acuosa, este proceso se corresponde con el desaceitado del zumo, impidiendo de esta forma el dao trmico sufrido por los componentes voltiles durante la etapa siguiente de pasteurizacin. La eliminacin de aire redunda en una mejor calidad del zumo ya que se evitan prdidas de vitamina C y se limita el consiguiente pardeamiento del zumo mediante mecanismos qumicos o reacciones de Maillard, adems de facilitar el proceso de pasteurizacin del zumo. La pasteurizacin es un proceso esencial para conseguir un periodo de larga vida en los zumos vegetales; en ella se consigue la

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Introduccin

eliminacin de microorganismos patgenos a base de calentar el zumo a una temperatura dada durante un tiempo determinado. Sin embargo, en el caso de los zumos de los frutos ctricos resulta ms importante la inactivacin de las enzimas naturalmente presentes, en especial la actividad pectinmetilesterasa (PME) responsable de la inestabilidad de la turbidez natural del zumo, debiendo alcanzar para ello condiciones de temperatura-tiempo ms enrgicas (hasta 98C durante 30 s) que las necesarias para lograr la destruccin microbiana, a su bajo pH. La pasteurizacin puede ser realizada en varios tipos de aparatos, cambiadores tubulares, cambiadores de placa, cambiadores espirales, de tubo corrugados, etc., pero normalmente es el intercambiador de placas el ms aplicado en la industria para el caso de los zumos simples. Con objeto de ahorrar energa, el pasteurizador de placas lleva una seccin llamada regenerativa en la que el zumo entrante es precalentado por el zumo que sale ya pasteurizado. Una seccin de enfriamiento tambin puede ser incorporada con objeto de obtener un zumo a temperaturas inferiores a 20C.

I.2.2.4.- Concentracin y enfriamiento final del zumo La concentracin es una etapa muy importante y que influye enormemente sobre la calidad del producto obtenido. Tiene que efectuarse a temperaturas bajas (no ms de 50C) y en breves segundos. Esto es esencial dada la alta sensibilidad al calor de los zumos de naranja. Prdidas de componentes tan importantes como las vitaminas y daos a los aromas pueden tener lugar cuando se trabajan a temperaturas altas durante periodos largos de tiempo. Finalmente el zumo concentrado es enfriado hasta alcanzar 1C en otro intercambiador de placas para pasar de ah al almacenamiento o directamente a mquinas de llenado.

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I.2.3.-.Aprovechamiento de subproductos ctricos La obtencin de zumos ctricos lleva asociado la produccin de gran cantidad de residuos, tales como cortezas, pulpas, semillas,... El rendimiento en zumo es en el mejor de los casos del 40-50% del peso total de fruta. Dado el actual estado de la industria ctrica es muy importante sacar un beneficio econmico a esos subproductos, evitando a su vez la problemtica medioambiental de su eliminacin. Los subproductos ms usuales son los destinados hacia: alimentacin de ganado y produccin de aceite de semillas, materia prima para la industria confitera, como envases para helados, concentrados aislamiento bases de para bebidas naturales, refrescantes aislamiento (Comminuited), de diferentes pigmentos

productos para la industria farmacutica (Flavonoides), produccin de cido lctico, pectinas y alcohol y por ltimo obtencin de aceites esenciales. Se ha experimentado que partiendo de residuos ctricos, por molido, tratamientos trmicos y enzimticos, seguido de separacin de sustancias slidas no solubles y concentracin final, puede obtenerse un concentrado de buen color, de turbidez estable y buen aroma, ideal para la produccin de bebidas refrescantes. Este concentrado turbioestable con una concentracin de alrededor de 40Brix, despus de una conveniente dilucin, carbonatacin, adicin de azcar, cido, etc., produce una excelente bebida refrescante.

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II.-COMPONENTES VOLTILES EN ZUMOS CTRICOS

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Componentes voltiles en zumos ctricos

II.1.- IMPORTANCIA DEL AROMA EN LA CALIDAD DEL ZUMO DE NARANJA INDUSTRIAL El aroma en los alimentos es una propiedad sensorial compleja, derivada del efecto integrado de numerosos componentes de diferente naturaleza qumica y a muy baja concentracin. Tambin el concepto qumico de flavor es conocido desde 1886 (Brillat-Savarin, 1986). Aunque el estmulo del sabor es importante, la parte del flavor que aprecia diferencias entre alimentos puede atribuirse ampliamente a molculas voltiles aromticas detectadas a nivel retronasal, cuando el alimento es introducido en la boca (Land, 1996). Las investigaciones sobre los componentes voltiles de los ctricos tienen importancia para el conocimiento de la calidad de los mismos, su degradacin durante el periodo de almacenaje, exposicin en venta y senescencia; es decir el conocimiento de los componentes voltiles emanados por la fruta fresca, en el espacio de cabeza del zumo, en el aceite de la corteza, voltiles ctricos considerados como

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fungicidas y voltiles producidos por patgenos de los ctricos (Norman, 1977). En los alimentos se detectan un gran nmero de compuestos aromticos voltiles, pero no todos ellos contribuyen en el flavor de los mismos. Diferentes tcnicas han sido descritas para determinar que molculas son activas a nivel del flavor (Grosch, 1993 y Acree et al.,1984). Las molculas consideradas como activas del flavor en un alimento presentan caractersticas dispares con relacin a sus propiedades fsicas, comportamiento y niveles umbrales de percepcin. La mayora de ellas son activas a concentraciones de partes por milln e incluso de partes por billn, y sus niveles umbrales de percepcin pueden variar de unas a otras en un factor de hasta un billn de veces (Leland, 1997). Nursten en 1977 clasifica los alimentos en cuatro grupos en trminos del conocimiento actual de los componentes voltiles: 1- Aquellos alimentos en los cuales el aroma reside en un nico componente denominado compuesto con carcter-impacto. En algunos casos, tales como el berro, el compuesto de carcter-impacto cuenta prcticamente con todo el olor, pero esto no es extensible a todos los alimentos (como la banana en la que el componente de carcterimpacto es el acetato de isopentenilo, en el pomelo la nootkatona, y en el limn el citral). 2- Aquellos alimentos en los que el aroma es esencialmente debido a la actuacin no de un solo compuesto, sino a una mezcla de compuestos de baja concentracin. Un compuesto de carcter-impacto puede estar presente en el alimento. Como en el caso de la pera en la que el componente de carcter-impacto es el etil-2-metilbutirato.

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Componentes voltiles en zumos ctricos

3- Aquellos alimentos en los que el aroma puede ser reproducido razonablemente por el uso de un gran nmero de compuestos. La presencia de un componente con carcter-impacto es bastante improbable, caso del albaricoque, la lima, el melocotn,... 4- Aquellos compuestos en los que el aroma no puede ser reproducido siempre razonablemente por una mezcla de compuestos especficos. En ellos no ha sido descubierto un compuesto con carcter-impacto. Ejemplos de estos alimentos pueden ser la fresa y el chocolate. Lgicamente esta clasificacin se basa en los conceptos de compuesto con carcter-impacto y compuestos contribuyentes al flavor. Una molcula para ser considera activa sensorialmente ha de cumplir una serie de requisitos, segn lo definido por Ohloff (1971 y 1990). Segn este autor: 1. - Ha de presentar una cierta presin de vapor para poder alcanzar el epitelio olfativo de la nariz humana. 2. - Debe tener una mnima solubilidad en agua para penetrar en la capa acuosa de la membrana, as como baja polaridad (superficie activa, compuestos de elevada polaridad son menos olorosos). 3. - Tendr asimismo un comportamiento lipoflico para penetrar en las capas grasas de las clulas neuronales. 4. - Su peso molecular ha de ser no excesivamente alto (el peso molecular ms elevado de una molcula olorosa es de 294). En los elaborados de los alimentos es bastante difcil definir como fundamentales solamente alguno de los compuestos qumicos

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responsables del carcter aromtico. Contribuyen a las impresiones olfativas y gustativas varias categoras de compuestos clasificadas como compuestos hidroxlicos, aldehidos, cetonas, cidos, steres, compuestos nitrogenados, compuestos sulfurados, heterociclos oxigenados y nitrogenados. Cada uno de estos compuestos confiere aromas caractersticos a los alimentos, como el etanal contribuye al sabor de la mantequilla y el hexanal al de las manzanas. El papel de estos componentes voltiles primarios est influenciado por la naturaleza del alimento, la presencia o no de componentes no voltiles como azcares y sustancias pcticas, ya que afectan sensiblemente y de manera compleja a la volatilidad de numerosos componentes. Un caso representativo es el del d-limoneno; su umbral de deteccin se duplica en presencia del cido ascrbico y del cido mlico en concentraciones de 0,7% y 0,1% respectivamente. Tambin cabe destacar el efecto de la reduccin de la concentracin en el espacio de cabeza del etanol y del acetato de etilo en sistemas en los que se adiciona un 1,1% de pectina, reduccin que alcanza el 25% del valor inicial (Tateo, 1985). El aroma junto con el sabor, est reconocido como uno de los atributos ms importantes de los alimentos. Sin aroma un zumo de frutas no sera sensorialmente ms que una solucin azucarada, acidulada. El zumo de naranja es uno de los de mayor consumo mundial. Su produccin se destina fundamentalmente a elaborar concentrados, por evaporacin, proceso durante el cual se pierden los componentes de mayor volatilidad. Por este motivo la industria ctrica ha estado siempre interesada en encontrar la forma de restituir al concentrado, en el momento de su reconstitucin antes del consumo, el material aromtico perdido para obtener productos de mayor calidad. En un principio se aada el aceite esencial de la corteza, ms o menos tratado, al concentrado y aunque el aroma mejora enormemente

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Componentes voltiles en zumos ctricos

no tiene la fragancia del zumo natural. En Estados Unidos con la tcnica del cut-back, basada en aadir zumo fresco a un concentrado de 60 Brix, lograron un producto ms prximo al natural, aunque de menor concentracin (42-45 Brix), que conservado por congelacin permita al reconstituirlo por disolucin en agua obtener un zumo natural con buenas caractersticas organolpticas. En la actualidad, al aplicarle al zumo de naranja las tcnicas de concentracin con recuperacin de aromas por rectificacin en columna, de los vapores desprendidos durante las primeras fases de la evaporacin, se obtiene una esencia aromtica concentrada que se aade posteriormente al zumo, restituyndole toda su fragancia original, mejorando y potenciando la calidad de los zumos industrializados. Por otro lado, el gusto del consumidor se orienta hacia el aroma y sabor del zumo fresco y no de la corteza y en este sentido, los componentes aromticos naturalmente presentes en el zumo mejoran la apetecibilidad del zumo as elaborado y que constituye la base del tan conocido como FCOJ (Frozen concetrate orange juice) del mercado estadounidense. Por lo tanto, en el zumo de naranja industrial, la fraccin voltil est constituida, por compuestos qumicos presentes en diversas partes del fruto que se renen en el zumo durante su extraccin. La parte del fruto ms importante, en el aporte cuantitativo de componentes, es la corteza que durante la extraccin libera parte de su aceite esencial. Cualitativamente, el zumo obtenido despus de pelar cuidadosamente la fruta y tratar con permanganato su superficie, para evitar la incorporacin de aceite esencial de la corteza, presenta prcticamente los mismos componentes, que el obtenido industrialmente, aunque en menor cantidad y en proporciones diferentes (Fernndez, 1995).

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En el sector industrial el problema que ms preocupa es la formacin de compuestos aromticos de derivacin. Este fenmeno interesa tambin tenerlo en cuenta en la materia prima (concentracin de azcar en la fruta, extraccin de la fraccin aromtica, preparacin de los aromas) y de hecho las causas de modificacin en el inicio de la produccin influyen durante la misma y en el producto final. Un ejemplo clsico de degradacin oxidativa que afecta a la mayor parte de los aromas en ctricos, es la derivada del d-limoneno, cuya oxidacin radical conlleva la formacin de -terpineol, trans-2,8-p-mentadien-1-ol, cis-2,8-p-mentadien-1-ol, carvona, trans y cis-carveol. El radical intermedio en la reaccin puede provocar hidroperxidos pticamente activos (Moshonas y Shaw, 1990). La experiencia demuestra que los aceites esenciales con elevado contenido en alcoholes, steres, fenoles, teres, xidos y algunas cetonas, resultan bastante estables frente aquellos en los que el contenido en aldehidos y terpenos es elevado, ya que en estos ltimos las reacciones de degradacin con formacin de productos secundarios son ms favorables. Sobre todo en el aceite esencial de limn y naranja que son muy sensibles a fenmenos oxidativos. El aceite esencial de bergamota, otro fruto ctrico, a pesar de tener una composicin prxima, presenta una estabilidad mayor que puede ser debida al bajo contenido en citral y limoneno. Los productos aromticos secundarios ms comunes son: 2,5dimetil-4hidroxi-3-furanona, furfural, 2-hidroxiacetil-furano, 5hidroxiacetilfurfural, 3-hidroxi-2-pirona, cis-1,8-p-mentadienol, trans-1,8p-mentadienol, -terpineol y 4-vinilguayacol. El -terpineol, en particular presenta un incremento cuantitativo lineal en funcin del tiempo de envejecimiento del zumo de naranja y se considera como indicador del tiempo de almacenamiento (Durr y Schobinger, 1981). Se han realizado estudios que demuestran que las mejores esencias son las que contienen menor cantidad de acetaldehido, butirato de etilo y octanal. Aquellas que contienen altas

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concentraciones de hexanal, trans-2hexanal, -terpineol, 1-hexanol, trans-2,8-p-mentadien1-ol, y trans-carveol, son en cambio las ms sujetas a degradacin con formacin de flavor no deseados (Askar et al., 1973).

II.2.- COMPONENTES VOLTILES CARACTERSTICOS DEL ZUMO DE NARANJA El trmino de voltil se suele utilizar para describir las emanaciones gaseosas de las frutas intactas o los componentes presentes en los espacios de cabeza del zumo, en donde se encuentran en equilibrio los componentes voltiles con aquellos disueltos en el zumo, pero en general se refiere a los componentes que son separados por destilacin o arrastre por vapor de agua del resto de la matriz del zumo con carcter fijo o no voltil. En el estudio de los frutos ctricos, el concepto de voltil es utilizado para describir componentes separados del tejido macerado o del aceite esencial mediante diferentes mtodos. Estos mtodos de separacin incluyen destilacin, extraccin con disolvente orgnico, trampas de vaco y purga con gases tales como N2 y CO2 . La mayora de estos estudios se han realizado para el aislamiento y purificacin de componentes individuales y la caracterizacin de los principales componentes responsables del aroma y el flavor de los frutos ctricos y productos derivados (Nurtens, 1977). Bsicamente, en la fruta madura, la pulpa y la corteza contienen la mayora de los componentes del flavor. Adems la pulpa comestible o endocarpio contiene azcares como dextrosa, levulosa y sacarosa, junto con oxicidos, componentes colorantes, enzimas, etc., que el jugo transporta en su extraccin.

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Existe una correlacin entre el contenido en azcar, color, acidez y el flavor segn el estado de maduracin de la fruta. El flavor usualmente desarrolla todo su aroma cuando el contenido de azcares es mximo y el color de la piel o de la corteza adquiere su matiz brillante. Cuando la fruta comienza a sobremadurar el color se torna apagado, el azcar almibarado y el flavor pierde sus voltiles ms frescos. Los voltiles emanados por la fruta fresca fueron estudiados por Biale y Shepherd (1939), detectando en naranjas variedad Navel, en limones y pomelos almacenados en atmsfera de nitrgeno, emanaciones grandes de acetaldehido cuando eran transferidos al aire. Attaway y Oberbacher (1968) estudiaron los compuestos que contribuyen al aroma de la naranja. Las emanaciones de los frutos fueron estudiadas durante un periodo de almacenamiento tras extraccin, concentracin y anlisis mediante cromatografa gas-lquido y espectrometra de masas, llegando a detectar seis componentes mayoritarios (acetato de etilo, butirato de etilo, etanol, limoneno, caproato de etilo, caprilato de etilo). La presencia de etanol fue relacionada con la actuacin de microorganismos durante los doce das de estudio. Acetaldehido y metanol no fueron detectados ya que su presencia pudo verse enmascarada por el disolvente ter etlico o pudo haberse perdido durante el paso de la concentracin. Ms tarde acetaldehido, metanol, etanol, y acetato de etilo, junto con limoneno, pineno y -mirceno, se identificaron como los componentes ms abundantes que envuelven al limn de California y a las naranjas de variedad Navel y valencia (Norman (1970), Norman y Craft (1968) y Norman et al. (1968). De todos los componentes identificados en la emanacin de frutos ctricos solo acetaldehido, metanol, etanol y acetato de etilo han sido relacionados con la calidad de la fruta fresca (Norman, 1977). En la corteza de naranja los componentes mayoritarios o ms importantes son de naturaleza terpnica (en su mayora monoterpenos)

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Componentes voltiles en zumos ctricos

y aldehidos. El componente ms abundante por un largo margen y a un alto nivel para un solo elemento es el limoneno, autores como Ikeda et al, (1962) han ofrecido informacin sobre su concentracin, que oscila entre el 83 y el 79% del total de los voltiles. El linalol tambin aparece a una elevada concentracin, siendo considerado como uno de los componentes que definen la calidad de la corteza de la naranja. Tambin el mirceno ha sido considerado como componente habitual en la misma. Aunque el citral es un compuesto caracterstico en el limn, es un componente minoritario de la naranja. Otro monoterpeno carbonilo encontrado es la carvona, producto de oxidacin en condiciones cidas del limoneno, al igual que el -terpineol. Un sesquiterpeno importante de la naranja que la diferencia del resto de los ctricos es el valenceno presente en la cera cuticular. Los voltiles en la piel de la naranja Navel todava sin recolectar fueron estudiados por Coggins et al., (1969) durante 38 semanas, quienes detectaron que el contenido en octanol, linalol y geranial, disminua durante la experiencia. El contenido en valenceno permaneca relativamente constante durante las primeras 22 semanas, y en el resto de la experiencia su contenido increment y permaneci elevado. Destacan los autores que la concentracin de estos componentes del aceite esencial est relacionada con la senescencia y propusieron la posibilidad de crear un ndice de senescencia con uno o ms de estos compuestos. Valenceno y linalol fueron los componentes seleccionados para medir este ndice, ya que la concentracin del octanol flucta en gran medida y la del geranial es pequea. McLeod et al. (1988) estudiaron la composicin de los voltiles en corteza de naranja de Libia, variedad que contiene 56.4g de compuestos voltiles totales por gramo de piel de naranja, siendo un contenido normal de 30ppm. De los componentes que describen 16 son presentados por primera vez: hexil hexanoato, longifoleno, selineno, bisaboleno, eicosano, docosano, tricosano, tetracosano,

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pentacosano, hexacosano, heptacosano, octacosano, nonacosano, 4isopropenil-3metilenciclohexano, sabinol, 4fenil-acetofenona. A diferencia de las naranjas variedad Navel o Valencia, en las que el limoneno es el monoterpeno mayoritario, en la corteza de la naranja de Libia nicamente ha sido encontrado en un 52%, aunque en trminos absolutos est presente sobre la misma cantidad 29 g/g La razn para el bajo porcentaje de limoneno se debe a la alta concentracin de linalol, 16% equivalentes a 4,7 g/g. Dada la concentracin a la que es detectado este componente, est considerado como nivel de la buena calidad de la naranja Liberiana. En trabajos anteriores, el mirceno ha sido detectado como el segundo componente ms abundante en la piel de naranja. Aunque el citral es mayoritariamente responsable del carcter nico del limn, es slo un constituyente minoritario de la naranja, presentndose el geranial en mayor concentracin que el neral. Otro monoterpeno carbonilo detectado es la carvona (1,4 g/g), conocida como un producto de oxidacin del limoneno, al igual que -terpineol. De los sesquiterpenos el valenceno es uno de los ms representativos, que diferencia la naranja de otros ctricos (0,2 g/g ). Otros sesquiterpenos hidrocarbonados que han sido reportados como constituyentes del aroma en la naranja liberiana son: -elemeno, cadineno, y humuleno, siendo de estos el ms abundante en la corteza de la naranja el -capoeno (2.5 g/g). Adems de los terpenos, los componentes ms importantes de la corteza son los aldehidos. Octanal, decanal y nonanal son los mayoritarios. La concentracin total de aldehidos aumenta con la madurez al igual que su contenido en aceite esencial. El jugo exprimido no contiene el sabor y el olor de la fruta intacta. Los componentes caractersticos aromticos voltiles los cuales componen el olor y sabor fresco del jugo no superan las 0.07 partes por mil. El flavor tan apreciado en el zumo de naranja bsicamente se debe

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Componentes voltiles en zumos ctricos

a la mezcla compleja de numerosos componentes voltiles que mantienen entre s una interdependencia cuantitativa. Esta complejidad, caractersticas fsico-qumicas y concentraciones variadas de los componentes responsables del flavor, hacen ms difcil la identificacin y cuantificacin de los mismos (Moshonas y Shaw, 1995). Los componentes mayoritarios en las frutas ctricas presentan estructuras qumicas de cidos, carbohidratos, slidos solubles y variados compuestos voltiles del aceite esencial. Con relacin a estos ltimos, las ms conocidas o ms estudiadas son las del limn, la naranja, el pomelo, la mandarina y la bergamota. Terpenos (C10 H16 ) y en menor cantidad sesquiterpenos (C15 H24) son los componentes mayoritarios. Ambos componentes proceden de compuestos oxigenados como alcoholes, aldehidos, cetonas, cidos y steres. Los componentes voltiles del zumo se encuentran repartidos entre la pulpa y el suero. Estudios realizados por Radford et al. (1974), muestran que la pulpa de naranja tiene un efecto represivo sobre la concentracin de los voltiles en el espacio de cabeza de un sistema aire-agua modelo (Tabla II.2.-1). Los voltiles obtenidos de la pulpa y del suero fueron identificados mediante cromatografa gaseosa, destacando que en el zumo de naranja la mayoria de los hidrocarburos estn asociados con la pulpa. Por otro lado, resulta obvio que los compuestos oxigenados estn ms relacionados con el suero; este tipo de compuestos estn considerados como los principales constituyentes del aroma del jugo de naranja. El grado en el cual se da la distribucin de cada componente depende sobre todo de la longitud de la cadena y del grupo funcional del compuesto. Por ello si los hidrocarburos estn ausentes del jugo, la eliminacin de la pulpa por centrifugacin conducir hacia menores prdidas de voltiles, lo que facilita el aislamiento de los voltiles del

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flavor y al mismo tiempo reduce la tendencia al pardeamiento no enzimtico que ocurre durante el procesado del zumo. El estudio de la composicin de componentes voltiles en el zumo fresco de naranja ha sido llevado a cabo por numerosos investigadores, entre los que se encuentran Schreier et al. (1977 y 1979), Schreider (1981), Sauri et al. (1980), Rodrguez y Culbertson (1983), Shaw (1991), Nisperos-Carriedo y Shaw (1990), Lum et al. (1990), Park y Venables (1991) y Moshonas y Shaw (1987 y 1994). Investigadores como Pino (1982), Rodrguez y Culberston (1983), cuantifican hasta siete y ocho componentes respectivamente en el zumo fresco de naranja, estudios ms recientes de Moshonas y Shaw (1987), llevaron a la cuantificacin de 24 componentes. Estas investigaciones han permitido el conocimiento de la mayora de los componentes del flavor, pero la metodologa empleada en la determinacin de los mismos conduce a resultados parciales; la extraccin con disolvente orgnico seguida de la eliminacin del mismo por evaporacin y el consiguiente anlisis cromatogrfico, Tabla II.2.-1. DISTRIBUCIN DE LOS COMPONENTES VOLTILES DEL FLAVOR EN EL ZUMO DE NARANJA

Componentes Pulpa Pentanal Hexanal Heptanal Octanal Nonanal Decanal Butanoato de etilo 0,0 0,0 0,0 16,8 42,7 78,0 2,1

% de Distribucin Suero 100,0 100,0 100,0 83,2 57,3 22,0 97,9

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Componentes voltiles en zumos ctricos

Pentanoato de etilo Hexanoato de etilo Heptanoato de etilo Octanoato de etilo Decanoato de etilo 1-Pentanol 1-Hexanol 1-Heptanol 1-Octanol 1-Nonanol 1-Decanol -Valerolactona -Hexalactona -Heptalactona -Octalactona -Nonalactona -DecalactonaRadford et al., 1974.

3,6 9,9 32,0 65,3 82,3 2,0 2,6 5,5 17,2 44,8 75,0 1,9 3,2 2,3 3,6 6,3 12,7

96,4 90,1 68,0 34,7 17,7 98,0 97,4 94,5 82,8 55,2 25,0 98,1 96,8 97,7 96,4 93,7 87,3

supone diferentes prdidas a nivel cuantitativo para cada uno de los componentes voltiles determinados (Moshonas y Shaw, 1995). El aislamiento de los componentes voltiles mediante la extraccin de un volmen de aire del espacio libre sobre el zumo, seguido de una inyeccin directa en un cromatgrafo de gases, quiz sea el ms representativo de los anlisis de la composicin de la fraccin voltil (Alberola e Izquierdo, 1978). Los voltiles en el espacio de cabeza de los zumos de naranja Navel y valencia han sido estudiados por Schultz et al. en 1971. El resultado del anlisis rindi suficiente material para identificar 29 componentes de los 72 detectados. Acetaldehido, etanol, -pineno, mirceno y limoneno fueron los componentes mayoritarios encontrados

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en el espacio de cabeza, siendo el limoneno el que se encuentra en proporcin ms elevada. Autores como Nisperos-Carriedo y Shaw (1990), Lizotte y Shaw (1992), Shaw et al. (1993), analizaron mediante la tcnica de espacio de cabeza esttico muestras de zumo de naranja fresco, detectando entre 19 y 22 componentes voltiles. A pesar de que el uso de esta tcnica elimina las prdidas ocasionadas mediante los mtodos de extraccin, el escaso volmen de muestra que puede ser inyectado en el cromatgrafo de gases nicamente permite la cuantificacin de un nmero escaso de componentes. Moshonas y Shaw en 1994 y 1995, emplean la cromatografa de gases acoplada a un sistema de inyeccin de espacio de cabeza dinmico, para analizar los componentes voltiles presentes en zumo de naranja fresco, llegando a identificar 49 componentes de los que 46 fueron cuantificados (Tabla II.2.-2).

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Componentes voltiles en zumos ctricos

Tabla II.2.-2. COMPONENTES VOLTILES IDENTIFICADOS Y CUANTIFICADOS (ppm) EN ZUMO DE NARANJA FRESCO.

VALENCIACOMPONENTES Metanol Etanol 1-Propanol Acetato de etilo 2-metil-3-buten-2-ol 2-Metilpropanol Butanol 1-Penten-3-ol 1-Penten-3-ona 2-Pentanol Propionato de etilo Butanoato de metilo 3-Metil 1-butanol 2-Metil-1-butanol 1-Pentanol 3-Metil-2-buten-1-ol Butanoato de etilo (E)-2-Hexenal (Z)-3-Hexen-1-ol Hexanol Heptanal -Pineno Sabineno Mirceno Hexanoato de etilo Octanal

EXPRIMIDO MQUINA 60660 0,21 0,15 0,18 0,010 0,006 0,12 0,054 0,46 0,0038 0,006 0,014 0,001 0,093 tr 0,83 0,01 0,31 0,20 0,0038 0,57 0,15 0,76 0,047 0,18

EXPRRIMIDO A MANO 371150 0,31 0,28 0,40 0,048 0,019 0,037 0,013 0,037 0,008 0,016 0,17 0,025 0,013 0,0074 0,84 0,041 0,17 0,12 tr 0,10 0,023 0,34 0,16 0,004

1261230 0,44 0,25 0,34 0,087 0,069 0,037 0,024 0,30 0,012 0,0033 0,39 0,053 0,055 0,033 1,53 0,037 0,27 0,16 0,0029 0,94 0,039 3,3 0,13 0,59

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-Felandreno -3-Careno Limoneno -Ocimeno -Terpineno Octanol (Z)-Oxido de Linalol (E)-Oxido de Linalol Linalol Nonanal Etil-3-hidroxi-hexanoato Octanoato de etilo Terpinen-4-ol Decanal -Terpineol Neral Carvona Geranial Perialdehdo Valenceno

0,021 0,010 76 0,025 0,01 0,13 0,048 0,081 0,75 0,022 0,27 0,035 0,11 0,16 0,19 0,0005 0,058 0,0005 0,034 2,1

0,024 0,038 134 0,072 0,01 0,37 0,11 0,14 0,92 0,082 0,49 0,023 0,20 0,45 0,91 0,028 0,11 0,035 0,097 4,4

0,009 0,002 18 0,018 0,002 0,089 N.D. 0,022 0,13 0,001 0,28 0,031 N.D. 0,016 N.D. tr 0,004 tr 0,012 3,3

tr: Componentes detectados a nivel de trazas. N.D.: No detectado. (Moshonas y Shaw, 1995).

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Alteracin de los componentes voltiles

II.3.-

MTODOS

ANALTICOS

DE

EXTRACCIN

E

IDENTIFICACIN DE COMPONENTES VOLTILES. La mayora de los componentes voltiles estn presentes en los alimentos slo en pequeas 100cantidades, as como en la fase vapor en equilibrio con el mismo, en la que la concentracin de los constituyentes voltiles ms importantes puede variar desde 10-1 a 10-3 mg/L, frente a los denominados componentes traza cuya concentracin incluso queda por debajo de 10-7 mg/L. Tales concentraciones parecen sugerir que muchos de estos componentes no resulten importantes en su aportacin al olor del alimento y que no producirn una estimulacin sensorial. No obstante se han llegado a determinar valores umbrales de deteccin tan bajas como 10-9 mg/L en el caso de la vainillina (van Gemert y Nettembreiger, 1977). El estudio de la fraccin voltil en los alimentos segn Alberola e Izquierdo (1978) requiere cuatro etapas definitorias: 1.- Separacin de la fraccin voltil de la materia no voltil. 2.- Concentracin de la fraccin voltil. 3.- Separacin de los constituyentes de la fraccin aromtica. 4.- Identificacin de los mismos. Entre los distintos mtodos se pueden distinguir principalmente entre los que se dirigen a la recuperacin de los componentes voltiles totales presentes en el alimento y las tcnicas que se basan en el estudio del denominado espacio de cabeza, correspondiente a los vapores que, procedentes del alimento, se encuentran en su entorno. Desde las primitivas tcnicas de destilacin o extraccin con disolventes, nuevos mtodos se han venido desarrollando para recuperar los compuestos de inters, intentando no producir alteraciones de los mismos ni introducir contaminantes o desarrollar artefactos que puedan interferir en el posterior anlisis. No obstante,

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tcnicas diferentes aplicadas a una misma muestra conducen inevitablemente a la obtencin de distintos resultados, aportando una informacin diferente sobre la identidad y la cantidad de los componentes voltiles presentes en el alimento. Es considerando esta variedad de mtodos y la diversidad de resultados donde se debe encuadrar la aplicacin ms adecuada en cada caso para que resulte lo ms representativo de la composicin en la muestra en estudio. Muy diferentes tcnicas han sido desarrolladas para el aislamiento de los voltiles a partir del alimento matriz (Bemelmans, 1979; Gmez et al., 1992; Marsili, 1997; Schreier e Idstein, 1985; Schreier, 1987; Teranishi et al., 1971; Weurman, 1969; Mariaca y Bosset, 1997), obteniendo diferentes resultados debido a la mayor o menor efectividad del mtodo en la recuperacin del extracto aromtico final. Los mtodos de determinacin analtica pueden agruparse en dos categoras. A) Anlisis de componentes voltiles totales. Destilacin del zumo y extraccin del destilado con disolvente orgnico o extraccin directa del zumo con disolvente orgnico. B) Anlisis del espacio de cabeza, es decir anlisis de la composicin del vapor sobre el zumo. La primera est basada en la volatilidad del componente e incluye varios procesos de destilacin para separar de la matriz del alimento componentes voltiles de aquellos que no lo son. El otro mtodo se basa en el coeficiente de distribucin favorable del componente entre un extractante y el alimento. Numerosos procedimientos han sido implantados utilizando estos dos principios. La determinacin cuantitativa de los componentes que aparecen en el mbito de trazas resulta difcil. Las tcnicas empleadas para el aislamiento y la cuantificacin de voltiles suponen una alteracin en

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Alteracin de los componentes voltiles

las relaciones cuantitativas de los componentes individuales. El uso de la inyeccin directa del zumo en un cromatgrafo de gases ha sido desechado dado que azcares y otros compuestos de elevado punto de ebullicin llegan a descomponerse en el inyector y oscurecen el cromatograma.

II.3.1.- Anlisis de componentes voltiles La eleccin del mtodo apropiado depende de las caractersticas fsico-qumicas de los componentes voltiles de inters, de cual sea su concentracin en el producto, rango de punto de ebullicin y polaridad, especialmente. Existen diferentes factores que hacen complicada la preparacin de la muestra, segn lo expresado por Parliment (1986): 1.- Nivel de concentracin. La concentracin de los compuestos aromticos es generalmente baja del orden de ppm, ppb y ppt, por lo que no es solamente necesario aislar los componentes sino que han de concentrarse en un alto nivel. 2.- La matriz: Los componentes aromticos, en su mayora se encuentran a nivel celular, asociados con componentes no voltiles como lpidos, protenas y carbohidratos, los cuales complican el proceso de aislamiento. Estos compuestos tambin pueden crear problemas por la formacin de espumas y emulsiones y dan lugar a la aparicin de contaminantes a nivel del sistema de inyeccin en cromatografa de gases. 3.- La complejidad de los aromas. La composicin aromtica de los alimentos resulta en general bastante compleja; a esto se le suma el hecho de que cada componente tiene caractersticas fsico-qumicas diferentes tales como polaridad, solubilidad y pH.

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4.- Variacin de volatilidad. Los componentes aromticos poseen diferente volatilidad, variando desde aquellos que tienen un punto de ebullicin por debajo de la temperatura ambiente a los que se encuentran en estado slido en las mismas condiciones. 5.- Inestabilidad. Muchos componentes aromticos son inestables y pueden ser fcilmente oxidados por el aire, o degradados por el calor o pH extremos. Por todo ello la eleccin del mtodo apropiado depender de las caractersticas fsico-qumicas de los componentes voltiles de inters, de cual sea su concentracin en el producto, el rango de puntos de ebullicin y polaridades.

II.3.1.1.- Inyeccin directa de la muestra en cromatografa de gases La inyeccin directa resulta una tcnica bastante conveniente en el anlisis de aceites esenciales o en el que las muestras hayan de ser diluidas con un disolvente para obtener respuestas dentro de los lmites del detector. Tambin puede utilizarse en el anlisis de muestras acuosas concentradas. En la industria alimentaria a menudo durante el procesamiento la materia prima est disponible en estado acuoso; en este caso la muestra puede ser inyectada directamente si se encuentra suficientemente concentrada, ya que el problema se plantea con la vaporizacin del agua en el interior del sistema de inyeccin (1l de agua se transforma en 1000 l en estado vapor), el volumen final resulta mucho mayor que el volumen del sistema de inyeccin. Adems, a nivel de columna, las fases estacionarias lquidas polares, como es el caso de las de Carbowax, pueden llegar a degradarse en presencia del vapor de agua, sobre todo si no son fases fijas ligadas.

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Alteracin de los componentes voltiles

A su vez, si la muestra posee materia en suspensin como carbohidratos y protenas se ocasionan problemas adicionales, ya que los componentes no voltiles se descomponen dejando residuos en el inyector y en la cabeza de la columna (Parliment, 1997). En el caso de los zumos de naranja est tcnica no ha sido desarrollada.

II.3.1.2.- Extraccin directa con disolvente en muestras acuosas La extraccin actuando directamente sobre los alimentos es utilizada para aislar los componentes voltiles o para recuperarlos de destilados acuosos. El mtodo est basado en el coeficiente de distribucin favorable de voltiles entre el disolvente y el alimento o el destilado acuoso. Los disolventes utilizados para el estudio de los aromas han sido listados por Weurman en 1969 y revisados por Teranishi et al. en 1971. La eleccin del disolvente es un factor importante a tener en cuenta segn lo expresado por Leahy y Reineccius (1984). Si se estudian todos los componentes voltiles presentes en el alimento el disolvente utilizado no ha de ser selectivo, pero normalmente el anlisis no concierne a todos ellos, por lo que ha de emplearse un disolvente selectivo y a ser posible capaz de excluir a aquellos compuestos que no deseamos determinar y que pueden interferir en el posterior anlisis (Bemelmans, 1979). Disolventes de elevado punto de ebullicin, tales como el aceite de parafina y glicerol recomendados por Weurman en 1969 para el estudio de componentes de bajo punto de ebullicin, prcticamente no han sido utilizados, probablemente debido a las dificultades encontradas en su purificacin. Pino et al. en 1981 realizan la extraccin e identificacin de voltiles en zumo de naranja mediante separacin qumica y cromatografa en silica gel, consiguiendo el aislamiento de

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hidrocarburos y compuestos oxigenados. Emplean sulfito sdico para la separacin de aldehidos y insaturados, bisulfito sdico en la separacin de aldehidos alifticos y metil cetonas. El extracto aromtico libre de compuestos carbonlicos es tratado con propilenglicol y tetracloruro de carbono para la separacin de alcoholes y por ltimo en la determinacin de los steres emplean cromatografa para eluir con ter etlico. La identificacin se realiza mediante tcnicas cromatogrficas y espectroscpicas. Estos autores proponen como muy favorable la separacin qumica de los componentes aromticos, ya que las fracciones aisladas se caracterizan por su grupo funcional facilitando la identificacin. Sauri et al. (1988) estudian el aislamiento de voltiles del zumo de naranja por extraccin con disolvente y por arrastre con nitrgeno y posterior anlisis mediante cromatografa de gases. Emplean la extraccin directa a partir del zumo con disolvente de bajo punto de ebullicin (diclorometano) y extraccin por arrastre con nitrgeno y posterior retencin de los constituyentes extrados en una pequea cantidad de disolvente de punto de ebullicin alto (dimetilformamida). Como resultado de la experiencia destacan que la extraccin continua con diclorometano da lugar a rendimientos de extraccin generalmente elevados, por lo que puede considerarse como una alternativa viable a la destilacin a vaco y extraccin posterior del destilado. A su vez el arrastre con nitrgeno y retencin en dimetilformamida permite la cuantificacin de componentes de punto de ebullicin muy bajo, que no son cuantificables cuando se emplea el diclorometano, pues se pierden al eliminar este, o quedan enmascarados por su pico cromatogrfico. La aplicacin de resinas apolares para la extraccin directa de componentes aromticos en frutas ctricas fue empleada por Di Cesare et al., en 1990. El anlisis se realiz mediante la aplicacin de poliestireno-polivinilbenceno reticulada, resina de carcter apolar, para la extraccin directa de los componentes aromticos en zumos de

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frutas. Una operacin previa a la extraccin fue la despectinizacin enzimtica del zumo y su paso a travs de una columna empaquetada con resina Kastel S 112, tras su posterior elucin con una cantidad mnima de disolvente. La identificacin de componentes mediante anlisis de cromatografa gaseosa/espectrometra de masas demuestra que el mtodo de extraccin directa rinde un concentrado de alta calidad aromtica, pudiendo ser utilizado antes de la etapa de concentracin de zumos de frutas para evitar la prdida de calidad en el aroma. En la actualidad, los fluidos supercrticos son empleados como tcnica de extraccin con disolvente, en la extraccin de alcohol y aromas en disoluciones acuosas (Mchugh y Krukonis, 1986), (Bruner, 1994). Schultz y Randall en 1970 utilizan dixido de carbono como agente extractante, este compuesto ha demostrado tener propiedades similares al ter dietlico, siendo particularmente efectivo en la separacin de steres, aldehdos, alcoholes y cetonas. Tambin ha sido descrito un mtodo para la extraccin con diclorodifluorometano, disolvente de bajo punto de ebullicin (-29C), este no ha sido utilizado de manera extensiva, probablemente porque la extraccin requiere elevadas presiones. En el estudio de alimentos, el dixido de carbono es el disolvente supercrtico ms utilizado, opera a bajas temperaturas y no ocasiona degradaciones trmicas en los alimentos, es un producto no txico ni caro comparado con los hidrocarburos alternativos que normalmente se emplean en la extraccin con disolvente (Medina y Martnez, 1997). La extraccin con dixido de carbono como fluido supercrtico es una tcnica bastante efectiva en la produccin de flavor y fragancias a partir de materia vegetal, sin embargo no es conocida la influencia de algunos parmetros de operacin sobre la extraccin. Tal es el caso del tiempo de extraccin, ya que en la determinacin de la composicin de

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un extracto si los compuestos tienen naturalezas distintas, tambin presentarn diferentes coeficientes de difusin sobre el fluido supercrtico. As compuestos de bajo peso molecular y escasa polaridad son ms fcilmente extrados que aquellos que presentan elevados tiempos de difusin sobre el fluido supercrtico (Reverchon et al., 1995).

II.3.1.3.- Destilacin de la muestra seguida de extraccin con disolvente. Una de las tcnicas ms comunes, en la preparacin de la muestra para la extraccin de componentes voltiles, es la destilacin a vapor seguida de la extraccin con disolvente orgnico. La principal ventaja que ofrece es la separacin de componentes voltiles de aquellos que no lo son en la fase de destilacin; otra ventaja es la simplicidad de la operacin, el uso de sistemas no complicados, reproducibilidad, rapidez y la amplia gama de compuestos que pueden ser analizados. La destilacin a vapor es ptima para compuestos que tienen ligera volatilidad y no son solubles en agua. Tambin es adecuada para la extraccin de componentes con punto de ebullicin por debajo de 100C (Parliment, 1997). La muestra se emplaza dispersa en agua en un matraz redondo y mediante el calentamiento directo del mismo se consiguen extraer los componentes en fase vapor. La destilacin a vapor para la extraccin de componentes voltiles es utilizada desde 1960, y dependiendo del pH del medio alrededor del 30-90% de algunos terpenos, alcoholes y steres son perdidos durante la destilacin a vapor a la presin atmosfrica a la vez que aparecen diferentes productos por reacciones de degradacin. Similares efectos han sido detectados por Azzouz et al. (1976), quienes compararon la composicin del aceite esencial de lima

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destilado e inyectado en cromatografa gaseosa con la del aceite directamente inyectado en un cromatgrafo de gases. Estos autores destacan que terpenos como el -tuyeno, y aldehdos como neral y geranial se pierden totalmente durante la destilacin frente a la aparicin de otros compuestos como el -felandreno y y -terpineol, componentes formados durante el proceso de la destilacin. Para evitar estos problemas de excesivo calentamiento de la muestra, la destilacin puede ser llevada a cabo en condiciones de alto vaco. En estos casos trampas de fro han de situarse entre el matraz de destilacin y la bomba, para impedir la prdida de componentes voltiles y el paso de vapor de agua hacia esta ltima. Moshonas y Shaw (1984), utilizan este sistema para minimizar la preparacin de la muestra (destilacin a vaco), pero permitiendo la extraccin con disolvente. Para disminuir la probabilidad de los cambios trmicos acaecidos con el empleo de elevadas temperaturas, estos autores realizan la destilacin a temperatura inferior a 60C. Marsili et al. (1986), previamente a la extraccin utilizan etanol para precipitar protenas y otros componentes que causan emulsin durante la destilacin. La tcnica de cuantificacin empleada por estos autores incluye el factor de respuesta del estndar interno. Este mtodo es ms simple y rpido que el anteriormente citado de Moshonas y Shaw, y es apto para la cuantificacin de componentes del aceite esencial de la piel de la naranja de elevado peso molecular presente en el zumo. Puede ser vlido para la determinacin de las prdidas por concentracin de componentes del flavor deseables y la presencia de componentes indeseables por la oxidacin del limoneno que ocurren durante el procesamiento y el almacenamiento de los productos. Un sistema de destilacin en condiciones de baja temperatura y presin fue diseado por Moshonas y Shaw en 1987. La conexin del

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matraz conteniendo el zumo a un sistema de refrigeracin equipado con un condensador de agua fra, dos trampas de nitrgeno lquido en serie y la aplicacin de vaco permitieron la identificacin, por inyeccin directa del destilado en un cromatgrafo de gases, de 24 componentes presentes en el zumo de naranja fresco. Moshonas y Shaw en (1987) realizan anlisis cualitativos de los constituyentes del flavor en zumo fresco y concentrado. El mtodo analtico empleado supera los problemas causados por los componentes responsables del flavor y de muy baja concentracin. A su vez, un panel de expertos catadores no determin diferencias entre el aroma del zumo fresco, el concentrado y el del destilado a baja temperatura y presin reducida. Estos resultados informan que no existen cambios apreciables o prdidas de voltiles durante el proceso de separacin. El aroma del destilado result, no obstante, distinto del aroma del zumo concentrado enlatado o del jugo reconstituido a partir del concentrado de naranja. Tras la condensacin de los vapores, los componentes a identificar han de ser extrados de la matriz acuosa; cualquier tcnica de extraccin descrita en la seccin anterior puede ser aplicada. La extraccin con disolventes orgnicos pr