Estudio del proceso de cocción de leguminosas por pruebas de compresión y penetración

Studying cooking process of grains by compression/penetration test

Alberto Claudio Miano

Centro de Investigación Avanzada en Agroingeniería, Universidad Privada del Norte (UPN), Perú.

* Autor corresponsal: A. C. Miano [ alberto.miano@upn.edu.pe | https://orcid.org/0000-0002-2874-3012 ]

Este trabajo tuvo como objetivo comparar el uso de tres diferentes sondas para estudiar la cinética de ablandamiento de leguminosas durante su cocción. Para lo cual se emplearon las sondas: aguja (2 mm), esférica (6,35 mm) y de plato (75 mm), para evaluar la cinética de ablandamiento de dos especies de leguminosas: frijol castilla (Vigna unguiculata) y zarandaja (Lablab purpureus). Los granos de las leguminosas fueron hidratados y luego cocinados en agua hirviendo, sacando una muestra cada cierto tiempo del proceso para medir la fuerza de compresión o penetración de los granos. La cinética de ablandamiento fue obtenida graficando la máxima fuerza de compresión/penetración en función del tiempo de proceso, ajustando los datos a una ecuación del mismo comportamiento cuyos parámetros nos den información del proceso de cocción. Como principal resultado se tuvo que la velocidad de ablandamiento fue similar para las tres sondas utilizadas. Sin embargo, al usar la sonda tipo aguja y la esférica se tuvo resultados similares con respecto al tiempo de cocción y la relación fuerza inicial y final de compresión/penetración. Concluyendo que se podría hacer comparable los resultados entre una sonda de aguja y esférica para determinar algunas propiedades de la cinética de cocción.

Palabras clave: proceso de cocción; test de compresión; test de penetración; cinética de ablandamiento.

Abstract

This work aimed to compare the use of three different compression and penetration probes for accessing softening kinetics of legume grains during cooking process. For this, three probes: needle (2 mm), spherical (6.35 mm) and plate (75 mm), were used to evaluate softening kinetics during cooking of two legume grains: cowpeas and Egyptian kidney beans. Pre-hydrated beans were cooked in boiling water and removed at different times to measure maximum penetration/compression force. Softening kinetics was obtained by plotting maximum penetration/compression force against cooking time and was fitted to a suitable model whose parameters represent cooking properties. As main result, softening rate parameter was similar for the three used probes. Nevertheless, only needle and spherical probe presented similar values for cooking time and ratio between initial and final compression/penetration force. This suggested to use needle or spherical to determine softening kinetics during cooking of beans to obtain comparable results among different works.

Keywords: cooking process; legume grains; compression test; puncture test; softening kinetics.

1. Introducción

Los granos de leguminosas son una fuente importante de nutrientes ya que contienen altos contenidos de proteínas, bajo índice glicémico, minerales como hierro y zinc, compuestos antioxidantes, entre otros (Kumar et al., 2021). Además, existe una gran variedad de leguminosas como frejoles comunes, habas, tarwi, soya, lentejas, pallares, entre otros, los cuales son usados en la cocina de todo el mundo. Sin embargo, algunos de ellos son más populares que otros, especialmente las que se cocinan rápido.

El proceso de cocción de leguminosas es un proceso crucial antes de su consumo, el cual consiste en un proceso hidrotérmico que convierte los granos crudos en granos comestibles al causar diversos cambios fisicoquímicos (Oghbaei & Prakash, 2020). Esto resulta en granos con mejor palatabilidad y digestibilidad debido a que muchos factores anti-nutricionales son inactivados, las proteínas son desnaturalizadas y el almidón gelatinizado (Siddiq & Uebersax, 2012).  Sin embargo, este proceso puede llevar muchos minutos, e incluso horas, siendo un proceso consumidor de energía, además de que los granos deben ser previamente hidratados. Por lo tanto, se está realizando mejoramiento agronómico para acelerar el proceso de cocción, como obtención de granos con un tegumento (cáscara) más delgado (Bassett, Hooper, & Cichy, 2021), y también se están usando tecnologías emergentes para acelerar la cocción (Vásquez, Siche, & Miano, 2021).

Por lo dicho, determinar las propiedades de cocción de las leguminosas como velocidad y tiempo es de gran importancia para evaluar si un nuevo método está mejorando el proceso. En sí, el parámetro más importante de este proceso es el tiempo, el cual puede ser medido por varios procedimientos y equipos como métodos sensoriales, métodos evaluando textura y usando equipos como el Matson-Bean-Cooker (MBC) (Wood, 2016). De estos, el MBC es el más usado para determinar tiempo de cocción, el cual usa 25 sondas de aguja con cierta masa y diámetro las cuales penetran los granos en el momento que están cocidos. Una vez que los granos están blandos por la cocción, las sondas de aguja perforan el grano y es considerado como un grano cocinado (Mattson, 1946). Mayormente el tiempo de acción es considerado cuando 50% de los granos son penetrados. No obstante, este método nos ha sido completamente estandarizado ya que no todas las sondas tienen la misma masa ni el mismo diámetro, por lo que la fuerza ejercida para penetrar los granos es diferente para cada estudio. Además de ellos, este equipo requiere de un permanente control para saber en qué momento los granos son penetrados, a menos que se automatice el equipo (Sabadoti, Miano, & Augusto, 2020).

Concerniente al uso de métodos texturales, es común usar los métodos de compresión o penetración (Wainaina et al., 2021). Estos métodos miden la firmeza individual de cada grano a diferentes tiempos de cocción, lo cual permite generar una curva de ablandamiento de la leguminosa que se esté estudiando. En sí, esta técnica provee más datos que los que brinda el MBC y es más cómodo para trabajar. Además del tiempo, pueden obtenerse más parámetros del proceso de cocción como la velocidad, la máxima fuerza de ablandamiento. Sin embargo, cada estudio realiza el procedimiento con diferentes sondas como la de aguja, cilíndrica, esférica, el tipo Warner Bratzler (Belmiro, Tribst, & Cristianini, 2018; Castanha, Miano, Sabadoti, & Augusto, 2019; Kwofie, Mba, & Ngadi, 2020), lo cual dificulta la comparación del proceso entre los diferentes estudios publicados. Por lo que una estandarización sería deseable.

En consecuencia, este trabajo busca comparar la cinética de ablandamiento de dos especies de leguminosas empleando tres diferentes sondas de textura, para así verificar que tan relacionados están sus parámetros de cocción. Adicionalmente, sugerir la mejor sonda para considerarse en la estandarización de este procedimiento.

2. Metodología

2.1 Materia prima

Dos especies de leguminosas comprados en un mercado local fueron usadas: frijol castilla (“cowpea” - Vigna unguiculata) con un tamaño promedio de 9,26 ± 0,42 cm de largo, 6,75 ± 0,25 cm de ancho y 4,81 ± 0,25 cm de espesor; y zarandaja (“Egyptian kidney bean” - Lablab purpureus) con un tamaño promedio de 9,26 ± 0,42 cm de largo, 6,75 ± 0,25 cm de ancho y 4,81 ± 0,25 cm de espesor. Cabe indicar que solo se utilizaron granos sin daños como rajaduras, falta de tegumento, ni manchas.

2.2 Proceso de cocción

Los granos fueron hidratados antes de la cocción. Para lo cual, 300 g de cada variedad de granos fueron hidratados en 2 L de agua destilada por 12 h. Luego de hidratados, los granos fueron cocinados en una olla de acero con 4 L de agua hirviendo (~100 °C). Una muestra de granos (15 granos) fueron retirados cada cierto tiempo del proceso para su análisis posterior. El tiempo para tomar la muestra depende de la velocidad de cocción de los granos, por ejemplo, se puede considerar cada 5 o 10 min hasta los 30 min y luego cada 15 min hasta finalizar el proceso. Es recomendable un pretest para definir el tiempo total del ensayo, el cual depende de la leguminosa. Para el frijol castilla, la muestra fue retirada cada 10 min los primeros 30 min y luego cada 15 min hasta los 60 min del proceso. Para la zarandaja, las muestras fueron tomadas cada 5 min hasta los 15 min y luego cada 15 min hasta los 60 min del proceso. Luego de ellos, las muestras fueron guardadas en un frasco de vidrio con tapa hasta que sean enfriados a temperatura ambiente (~25 °C). Es de suma importancia que los granos tengan la misma humedad antes del análisis de textura ya que esto afecta a la fuerza de compresión o penetración de los granos (Ibarz & Augusto, 2014).

2.3 Cinética de ablandamiento

La cinética de ablandamiento de granos fue evaluada usando un analizador de textura o texturómetro (TA.XT Plus, Stable Micro Systems Ltd., Surrey, Reino Unido) con una célula de carga de 5 kg-f (49,03 N). Para lo cual, los granos de las muestras del proceso de cocción fueron penetrados individualmente en el lado abaxial (Figura 1) por 3 mm de profundidad a una velocidad de 0.5 mm∙s-1. En este caso se usaron tres sondas diferentes (Figura 2): cilíndrica (aguja) de 2 mm de diámetro (P/2), esférica de 6,35 mm de diámetro (P/0.25S) y de plato de 75 mm de diámetro (P/75).

Figure 1. Posición de penetración/compresión del grano.

Del perfil de textura obtenido (Figure 2), se consideró la máxima fuerza para graficar la curva de cinética de ablandamiento. Esta evaluación fue realizada para 10 granos de cada muestra tomada en cada tiempo de acción. La cinética de ablandamiento fue obtenida graficando la máxima fuerza en función del tiempo de acción. Estos datos fueron ajustados a la Ecuación 1, donde F0 es la máxima fuerza del grano hidratado crudo, F∞ es la máxima fuerza al final del proceso de cocción (máximo ablandamiento) y k es un parámetro relacionado a la velocidad de ablandamiento.             

                 (1)     

El tiempo de cocción fue estimado utilizando la misma ecuación 1. Para lo cual, el valor del tiempo (t) fue obtenido resolviendo la ecuación 1 considerando Ft como 5% sobre el valor del F∞. En otras palabras, se obtiene el tiempo para ablandar el 95% del grano crudo.

2.5 Análisis estadístico

Para el ajuste de la ecuación 1 se usó una regresión no lineal usando un algoritmo de gradiente reducido generalizado, el cual está implementado en la herramienta “Solver” del programa Excel 2019 (Microsoft, EEUU). Para comparar los parámetros cinéticos entre las tres sondas, se utilizó un análisis de varianza (ANVA) y una prueba de comparación de medias de Tukey (p = 0,05), mediante el programa Statistica 12.0 (StatSoft, EEUU). 

Figure 2. Características de las sondas estudiados y sus perfiles generados.

3. Resultados y discusión

La Figura 3 muestra que la ecuación 1 ajustó adecuadamente los datos experimentales para todas las sondas utilizadas ya que presenta coeficientes de determinación (R2) mayores al 96%. Como se observa, la cinética de ablandamiento tiene un comportamiento de decaimiento cóncavo similar a un decaimiento de primer orden. Este comportamiento ha sido también evidenciado en estudios de cinética de ablandamiento de frijoles comunes usando una sonda aguja de 2 mm (Kwofie et al., 2020; Miano, Saldaña, Campestrini, Chiorato, & Augusto, 2018), de frijoles comunes usando la sonda Warner Bratzler (Belmiro et al., 2018), para lentejas de palo (“pigeon pea”) usando una sonda aguja de 2 mm (Miano et al., 2020; Vásquez et al., 2021) y para loctao (“mung bean”) usando una sonda cilíndrica de 35 mm (Castanha et al., 2019). Por lo tanto, este comportamiento es común al usar análisis de textura para evaluar cinética de ablandamiento usando diferentes sondas. Sin embargo, debido a los diferentes diámetro y formas de las sondas, las fuerzas de compresión serán diferente para cada caso al usar la misma especie de leguminosas.

Figure 3. Cinética de ablandamiento de frijol castilla y zarandaja usando tres diferentes sondas. Los puntos representan el promedio experimental, las líneas discontinuas representan el modelo ajustado (ecuación 1) y las barras verticales representan la desviación estándar.

Otro aspecto que notar en la Figura 3 es que, dependiendo de la sonda, la fuerza de compresión inicial (fuerza t=0) son diferentes. En sí, la sonda tipo aguja necesita menos fuerza para comprimir/penetrar los granos, seguido por la sonda esférica y la de plato. Esto es obvio, ya que mientras mayor sea el área de contacto entre la sonda y la muestra, más fuerza es necesaria para comprimir la muestra. En consecuencia, si se desea comparar la cinética de ablandamiento obtenida con diferentes sondas es comparada, no podrían considerarse parámetros absolutos, como por ejemplo la fuerza inicial de compresión (F0) o la fuerza final de compresión (F∞). Por lo tanto, podrían mejor emplearse parámetros relativos para este propósito.

La Tabla 1 compara parámetros relativos obtenidos de la cinética de ablandamiento usando las diferentes sondas estudiadas: el parámetro relacionado a la velocidad de ablandamiento (k), la relación entre la compresión final e inicial (F∞/F0) y el tiempo de cocción necesario para ablandar el 95% del grano (t95). Al parecer, el parámetro “k” sería comparable entre las tres sondas estudiadas al no encontrar diferencia significativa entre ellas (p > 0,05). Sin embargo, los parámetros (F∞/F0) y t95 fueron similares solo al usar sonda aguja (2 mm de diámetro) y sonda esférica (6,35 mm de diámetro) para ambas especies de leguminosas estudiadas. Esto podría significar que el parámetro relacionado a la velocidad de ablandamiento (k) sería mejor para ser utilizado con el propósito de comparación entre varios diversos estudios, sin importar la sonda empleada. Por otro lado, los otros parámetros relativos, solo podrían ser comparado al usar sonda aguja y sonda esférica de hasta 6,35 cm de diámetro. Esto podría ser debido a que presentan similar área de contacto entre la sonda y los granos. Cabe indicar que cada sonda tendría sus ventajas y desventajas.

El presente trabajo recomienda usar una sonda cuya área de contacto con el grano sea similar a la de un diente humano para simular la percepción sensorial. Por lo tanto, las sondas tipo aguja y esféricas con diámetros menores a 6,35 mm podrían ser las indicadas. Respecto a la sonda aguja, tiene como ventaja que presenta similar forma y diámetro que las usadas en el equipo Mattson vean cooker (MBC), que es el equipo más utilizado para determinar tiempo de acción (Wood, 2016). Sin embargo, no todos los MBC cuentan con sondas de la misma masa ni diámetro. Por ejemplo, existen trabajos donde se ha empleado sondas de 1 mm de diámetro y de 90 g (Bento et al., 2021); sondas de 2 mm y 100 g (Jackson & Varriano‐Marston, 1981); sondas de 5 mm y 49,8 g (Proctor & Watts, 1987). Esto dificulta hacer comparaciones entre los trabajos que usan el MBC para determinar tiempo de cocción. Por lo tanto, es recomendable usar el método de cinética de ablandamiento usando un texturómetro para poder comparar entre diferentes estudios tomando en cuenta parámetros relativos del modelo.

Otra ventaja de la sonda aguja es que su perfil de textura nos da información de la fuerza y energía necesaria para romper el tegumento (cáscara) del grano. Esto podría ser de utilidad para trabajos donde se desea evaluar la resistencia del tegumento de los granos y si esta es fácilmente retirada durante la cocción. Por ejemplo, podría ser útil en estudios de mejoramiento agronómico en las cuales buscan leguminosas con tegumento más delgado para facilitar su hidratación y cocción. Esta fuerza de penetración del tegumento es independiente de la profundidad que se decida penetrar definida en la metodología, una vez que esta se haya roto.

En consecuencia, es posible comparar la fuerza de rotura de la cascara de diferentes leguminosas y trabajos. En ese caso, es recomendable establecer por lo menos una profundidad de penetración correspondiente al 50% de espesor del grano para asegurar la rotura del tegumento.  Por otro lado, la principal desventaja de una sonda aguja es que no sería útil para granos pequeños como loctao o lentejas ya que para este caso el efecto borde puede ser significativo al estar la sonda muy cerca del porta-muestra (Bourne, 2002). Para estos casos podría emplearse la sonda esférica (6,35 mm) cambiando la prueba de penetración por compresión.

Como ha sido demostrado, la sonda esférica da resultados muy similares de parámetros relativos de cinética de ablandamiento (velocidad de ablandamiento, relación entre la fuerza final e inicial y el tiempo de cocción).

Tabla 1

Parámetros relativos de la cinética de ablandamiento obtenidas de la ecuación 1 para dos especies de leguminosas y usando tres sondas. Las letras minúsculas indican comparación de Tukey entre sondas

Esta sonda puede comprimir granos pequeños con un gradiente de área de contacto desde un punto hasta un área definida por el diámetro de la esfera. Sin embargo, esta sonda no da información de la resistencia del tegumento y solo brindaría información de resistencia global del grano. Además, la fuerza máxima de compresión usando esta sonda varía dependiendo de la profundidad que se defina.

Considerando la sonda de plato, esta genera los valores más diferentes cuando se comparan los parámetros relativos con las otras sondas, exceptuando del parámetro relacionado a la velocidad de ablandamiento (k). Así como la sonda esférica, la sonda de plato no da información de la resistencia del tegumento, solo brinda información de la resistencia global (tegumento y cotiledón) la cual es dependiente de la profundidad de compresión que se defina. La única ventaja de esta sonda es que se podría usar para cualquier tamaño y forma de leguminosas, inclusive para cereales como arroz.

Como consideración final, se recomienda emplear sondas de pequeño diámetro (menor a los 10 mm), ya que nos permite tener valores comparables así se cambie el grano y el proceso. Al definir la correcta sonda se podría definir otras características del proceso de cocción de granos como, por ejemplo, ser podría correlacionar las fuerzas de compresión/penetración a diferentes tiempos de cocción con análisis sensorial para obtener la fuerza de palatabilidad como en el trabajo de Pallares, Loosveldt, Karimi, Hendrickx, and Grauwet (2019). Dicho trabajo estableció un rango entre 34 y 122 N como fuerza de palatabilidad, lo cual indicaría que una persona que el grano está cocido.

4. Conclusiones

Es posible comparar los resultados de la cinética de ablandamiento durante la cocción de leguminosas al usar diferentes sondas de textura, siempre y cuando se comparen parámetros relativos. Específicamente, los resultados con sonda tipo aguja (2 mm) y sonda esférica (6,35 mm), brindan resultados más similares. Por otro lado, el parámetro que sería más comparable entre más sondas sería el relacionado a la velocidad de ablandamiento (k), concluyente que esta propiedad podría ser empleada para hacer comparaciones entre resultados presentes en las publicaciones. Finalmente, a diferencia de la prueba de compresión, la prueba de penetración con sonda tipo aguja da información adicional del proceso, la cual es la fuerza de rotura del tegumento (cáscara) del grano.

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Apéndice

Aplicación del estudio

Los granos de leguminosas que tienen una cocción rápida y uniforme son codiciados, por lo que varios enfoques como mejoramiento agronómico, uso de tecnologías emergentes o la adición de sales en el agua de cocción son muchas veces empleados para que los granos se cocinen rápidamente. Por lo que tener un ensayo para verificar la velocidad de cocción de leguminosas es deseable, especialmente que sea práctico y versátil. Por eso, este trabajo verificó que tan diferente son los resultados de la cinética de ablandamiento durante la cocción al usar diferentes sondas, y así poder tener una idea de que tan comparables son entre ellas.