Efecto de la variedad y de la humedad de cosecha en la temperatura de transición vítrea de variedades uruguayas de arroz

Introducción

El arroz es uno de los cereales más consumidos alrededor del mundo. Está compuesto principalmente por agua y diferentes biopolímeros (Sun, et al., 2002). El almidón, principal biopolímero del arroz, tiene una estructura semi-cristalina formada por moléculas de amilosa casi lineales y moléculas de amilopectina altamente ramificadas (Zeleznak y Hoseney, 1987). La amilosa y los puntos de ramificación de la amilopectina constituyen la fase amorfa, mientras que las cadenas de ramificación de la amilopectina constituyen la fase cristalina del gránulo de almidón (Perdon, et al., 2000).

La composición del almidón tiene una fuerte influencia en las propiedades del arroz. El fenómeno de transición vítrea ocurre en la parte amorfa, siendo la temperatura de transición vítrea (T_g) el rango de temperaturas donde se transita del estado vítreo al estado cauchoso (Liu, et al., 2010). Durante la transición, el material sufre una serie de cambios drásticos que se reflejan en diversas propiedades de este. La dureza, el módulo de elasticidad y las fuerzas de tracción y compresión tienen un valor mayor en la zona vítrea respecto a la cauchosa, mientras que el calor específico, el volumen específico y el coeficiente de expansión son menores (Kunze, et al., 2004). Estos cambios en las propiedades del material se utilizan para determinar la T_g empleando diferentes técnicas. Las más utilizadas son la calorimetría diferencial de barrido (DSC), basada en el cambio de la capacidad calorífica, y el análisis mecánico dinámico (DMA), basado en un cambio en las propiedades de elasticidad y viscosidad del material (Liu, et al., 2010; Perdon, et al., 2000).

La T_g depende de diversos factores, tales como la humedad de grano (HG), la composición del almidón y las dimensiones del grano de arroz. Perdon et al. (2000) determinaron la Tg del arroz Bengal (cultivar de grano medio con bajo contenido de amilosa) y del arroz Cypress (cultivar de grano largo con alto contenido de amilosa) a diferentes humedades de grano, con el fin de desarrollar un diagrama de estado de arroz cargo. Ellos no encontraron un efecto significativo del cutivar en la T_g. Siebenmorgen y otros. (2004) tampoco encontraron un efecto significativo de la variedad de arroz en la T_g cuando compararon arroz Bengal (grano medio) con arroz Drew (grano largo).

Conocer la T_g de una variedad es de fundamental importancia durante el proceso de secado de la misma. Secar a una temperatura por debajo de T_g (estado vítreo) implica un proceso de secado más lento ya que los gránulos de almidón están más compactos y el agua se encuentra relativamente inmóvil (Siebenmorgen, et al., 2004). Por el contrario, secar a temperaturas superiores a la T_g (estado cauchoso) es más rápido ya que las moléculas tienen una movilidad mayor, por lo que la humedad puede difundir hacia el exterior del grano más fácilmente. Sin embargo, el secado a altas temperaturas genera un gradiente severo de humedad dentro del grano de arroz, ya que el agua es removida de la superficie más rápido de lo que demora en migrar desde el centro del grano hacia la misma. Un gradiente de temperatura o de humedad puede generar dentro del grano regiones con diferentes propiedades mecánicas, ya que parte de este puede encontrarse en estado vítreo y parte en estado cauchoso (Perdon, et al., 2000). Estas diferencias crean tensiones de tracción y compresión que pueden resultar suficientes para fisurar el grano. El tempering, un proceso que mantiene los granos de arroz en recipientes a la temperatura de secado durante determinado lapso de tiempo, se utiliza para atenuar este efecto. El objetivo es disminuir el gradiente de humedad permitiendo que el agua migre desde el centro a la superficie del grano sin que exista evaporación en la superficie, y, por lo tanto, obtener una humedad uniforme dentro del mismo (Cnossen, et al., 2001). Cnossen y Siebenmorgen (2000) encontraron que altas temperaturas de secado pueden utilizarse sin reducir el rendimiento siempre y cuando se aplique un período de tempering suficiente a temperaturas superiores a la T_g. De esta forma, conocer la T_g del arroz antes de iniciar el proceso de secado permite establecer las mejores condiciones de secado y tempering, optimizando el proceso y reduciendo la formación de fisuras.

Uruguay ha desarrollado sus propias variedades de arroz apuntando a un nicho de mercado de alta calidad. Dentro de este contexto, resulta de interés determinar la T_g de estas variedades de forma de optimizar el proceso de secado, aumentando así el rendimiento y la productividad económica.

El objetivo del presente trabajo es determinar las curvas de transición vítrea (T_g vs. HG) de tres variedades uruguayas de arroz y evaluar la influencia de la variedad y la humedad de cosecha en las mismas.

Materiales y Métodos

Muestras de arroz

Tres variedades de arroz uruguayas, Uy1, Uy2 y Uy3, son cosechadas en 2017 en la región sudeste del país. Las mismas habían sido caracterizadas anteriormente (determinación de longitud, ancho y espesor de grano promedios) pasando dos muestras de 150g de cada variedad por un clasificador de arroz por imagen (Selgron, Brasil).

Para las variedades Uy1 y Uy3, se recolectan muestras con dos humedades de cosecha (HC) diferentes para evaluar el efecto de este parámetro en la T_g. Todas las muestras son transportadas al laboratorio, donde se determinan sus humedades. A continuación, cada muestra se divide en tres submuestras (triplicado). Se coloca 1 kg de cada triplicado en una cámara de secado y se extraen muestras de 50 g de cada una a diferentes tiempos (correspondientes a diferentes HG). Se determina la HG y la T_g de cada una, según se detalla a continuación.

Secado y determinación de humedad

El arroz se seca en condiciones suaves usando una cámara con temperatura y humedad relativa del aire controladas (Alfa Laval Gruppe, Alemania), hasta alcanzar la HG deseada (entre 10% y 22% en base húmeda). Las condiciones del aire se regulan a 22ºC y 65% de humedad relativa (HR) o 32ºC y 50% de HR, dependiendo de las HG que se quieran alcanzar.

Para medir la HG, se muele la muestra en un molino manual (Kett, Japón), se pesan aproximadamente tres gramos en una cápsula de aluminio y se secan en una estufa de convección forzada (Memmert, Alemania) a 130ºC durante una hora. El contenido de humedad de la muestra se calcula por gravimetría y se expresa como porcentaje en base húmeda.

Para muestras con HG mayor a 16%, se utiliza un método en dos etapas (Jindal y Siebenmorgen, 1987). Se pesan aproximadamente 20 g de arroz paddy, se dejan secar sobre la superficie de la estufa durante 24 horas y se pesan nuevamente (para determinar la pérdida de agua). Luego, se muelen aproximadamente tres gramos de dicha muestra y se procede de la misma forma que para las muestras de HG menor a 16%.

Determinación de T_g

La T_g se mide utilizando calorimetría diferencial de barrido (DSC) siguiendo el procedimiento descrito por Perdon y otros (2000). Este método se basa en la determinación de la variación de la capacidad calorífica cuando se produce la transición del estado vítreo al cauchoso. El equipo utilizado es un DSC Q2000 (TA Instruments, Estados Unidos) calibrado con indio. El rango de temperatura va de -50ºC a 150ºC, con una velocidad de calentamiento de 20ºC/min. Los granos se pelan manualmente y se cortan en tres partes iguales con bisturí. Posteriormente, se colocan en cápsulas de aluminio con tapa hermética (TA Instruments, Suiza) y se sellan. Como referencia se utiliza una cápsula vacía tapada y sellada. Se toma como T_g, la temperatura en el punto de inflexión de la curva de capacidad calorífica (calor en función de la temperatura). Se analizan un total de cinco granos de cada triplicado (quince granos para cada condición de variedad y HG), cuidando que no estén dañados ni tengan ningún defecto.

Análisis estadístico

Se comparan las Tg de las diferentes variedades a cada HG aplicando análisis de varianza (ANOVA de un factor). Dado que las humedades de grano de las muestras no son exactamente iguales, para obtener valores de T_g a una humedad de grano determinada y poder comparar, se realiza una interpolación lineal entre las dos HG más próximas. En caso de existir diferencia significativa entre las muestras, se aplica el test de Tukey para conocer cuáles son las muestras diferentes entre sí.

Para determinar si existe influencia de la HC en la T_g, se aplica ANOVA de un factor a las muestras de una misma variedad y diferentes HC, para las diferentes HG estudiadas. Nuevamente, para obtener valores de T_g a una humedad de grano determinada, se realiza una interpolación lineal entre las dos HG más próximas. Para todos los análisis se utiliza el programa JMP versión 12 (SAS Institute, Estados Unidos).

Resultados y Discusión

En la Tabla 1 se muestran los resultados de la caracterización dimensional de Uy1, Uy2 y Uy3. A pesar de que las tres variedades son consideradas de grano largo, se observa una diferencia en la longitud del grano, siendo la variedad Uy1 la más larga y la Uy3 la más corta.

La Tabla 2 muestra las HC, la humedad inicial de cada triplicado (HI) y las HG de los triplicados a medida que se fueron secando en cámara. Todas las humedades se expresan en base húmeda.

Para todas las variedades, los lotes cosechados con mayor humedad presentaron una HC de 21,6 ± 0,5%. Los lotes de las variedades Uy1 y Uy3 cosechados más secos, presentaron una HC en el rango de 18,3 ± 0,3%.

La Figura 1 muestra las curvas de T_g de las tres variedades estudiadas, construidas a partir de las muestras con una HC de 21,6±0,5%. Para la variedad Uy1, la T_g varió entre 45,2 °C y 49,1 °C en el rango de HG estudiado (10 - 22%). En el mismo rango, la variación para la variedad Uy2 fue entre 46,3 °C y 49,1 °C y para la variedad Uy3 entre 46,7 °C y 51,4 °C. Se observa que la T_g aumenta a medida que disminuye la HG para las tres variedades. Estos resultados son esperados ya que el agua posee un efecto plastificante en las partes amorfas del almidón (Sablani, et al., 2009). Resultados similares se encontraron en publicaciones anteriores donde se estudiaron muestras de almidón (Zeleznak, et al., 1987; Liu, et al., 2010) y muestras de arroz de otras variedades (Sun, et al., 2002; Siebenmorgen, et al., 2004).

Aplicando ANOVA, se observa que existen diferencias significativas entre las T_g de las tres variedades cosechadas a una HC de 21,6±0,5%, en el rango de HG de 12% a 16%. En la Tabla 3 se muestran estos resultados (se muestra solo el rango de HG en el que hubo diferencias significativas) y los resultados del test de Tukey. Se observa que en el rango de HG de 12% a 16%, la T_g de la variedad Uy1 siempre fue significativamente menor que la T_g de la variedad Uy3 (para una misma HG), mientras que para la variedad Uy2 en general no hubo diferencias significativas con ninguna de las otras dos variedades (excepto para las HG de 12% y 14%).

Teniendo en cuenta las dimensiones de los granos de cada variedad (Tabla 1), podemos concluir que las variedades con mayor diferencia entre sus T_g (Uy1 y Uy3) son las que presentan mayor diferencia en el largo de grano.

Otros autores no encontraron diferencias significativas en las T_g cuando compararon una variedad de arroz de grano largo (Cypress) con una variedad de grano medio (Bengal) (Siebenmorgen, et al., 2004; Perdon, et al., 2000). Sun y otros. (2002) tampoco encontraron diferencias al comparar arroz de la variedad Drew (grano largo) con arroz de la variedad Bengal (grano medio) y Cypress (grano largo). Estas discrepancias con nuestros resultados se podrían deber a diferencias en la composición del almidón de cada variedad. Hay una relación directa entre la T_g y el peso molecular del almidón (Perdon, et al., 2000). Por otra parte, Liu y otros. (2010) encontraron que, a mayor contenido de amilosa en el almidón, mayor es la T_g. Considerando que las variedades Uy1 y Uy3 son las que tuvieron mayores diferencias en sus T_g, se eligieron estas para evaluar si existe un efecto de la HC en la T_g. La Figura 2 muestra las curvas de T_g de las variedades Uy1 y Uy3 construidas a partir de muestras con HC de 21,6±0,5% y 18,3±0.3%.

Aplicando ANOVA para comparar las T_g de la variedad Uy1 con una HC de 21,6% respecto a las T_g de la misma variedad a una HC de 18,3%, se observa que no existen diferencias significativas para ninguna de las HG analizadas (rango 11 – 18%). Para la variedad Uy3 tampoco se observa una diferencia significativa de la T_g entre las dos HC analizadas, para todo el rango de HG (datos no mostrados). Por lo tanto, se concluye que la HC no afecta la T_g para las variedades y el rango de HG estudiados.

Conocer la T_g de las diferentes variedades uruguayas de arroz tiene una aplicación importante en la industria arrocera. Para que el almacenamiento del arroz sea seguro, el mismo se seca hasta una HG de 13% o inferior. Durante un típico proceso de secado, la temperatura del aire puede alcanzar los 60°C, por lo que los granos pueden encontrarse dentro o por encima del rango de T_g. Por otra parte, la humedad de las capas más superficiales del grano puede ser más baja que la humedad del centro, haciendo que la T_g de la superficie sea más alta (Cnossen y Siebenmorgen, 2000). Por lo tanto, los granos pueden encontrarse en estado vítreo, cauchoso o tener zonas en estado vítreo y zonas en estado cauchoso dentro de un mismo grano (Perdon, et al., 2000). Esto puede generar tensiones ocasionadas por el cambio en propiedades físicas al pasar de un estado a otro, llevando a la fisura del grano y por lo tanto a la disminución del rendimiento del proceso (Cnossen y Siebenmorgen, 2000). En base a esto, se podría pensar que resulta más conveniente secar a temperaturas por debajo de T_g. Sin embargo, la difusividad es mucho mayor en el estado cauchoso, por lo que el secado a temperaturas superiores a la T_g resulta más rápido y eficiente (Cnossen, et al., 2002). En la práctica, ciclos de secado y tempering alternados son utilizados para secar a una temperatura superior a la T_g, evitando la formación de fisuras y aumentando así el rendimiento del proceso (Schluterman y Siebenmorgen, 2007).

Por lo tanto, conocer las curvas de T_g de variedades uruguayas de arroz permite ajustar el proceso de secado para cada variedad, optimizando al mismo tiempo la velocidad de secado y el rendimiento del arroz obtenido.

Conclusiones

Se construyeron las curvas de transición vítrea de tres variedades uruguayas de arroz. Las mismas mostraron diferencias significativas entre las variedades en un rango de HG de 12% a 16%. La HC no afectó la T_g en todo el rango estudiado.

Los resultados obtenidos pueden aplicarse para diseñar un proceso de secado que optimice la velocidad del mismo, al tiempo que minimice la formación de fisuras, aumentando así el rendimiento del arroz obtenido.

Agradecimientos

Agradecemos al Laboratorio Tecnológico del Uruguay (LATU) por la financiación.

Referencias