Para estudiar el efecto de la presión y la variedad de caña utilizadas durante el proceso de evaporación sobre la calidad de la panela se trabajó con:

Cuatro valores de presión de evaporación: sistema presurizado con 103,392 ± 5 kPa, sistema atmosférico con 89,878 kPa y sistema de vacío con 15 ± 5 kPa y 35 ± 5 kPa.

En la tabla 2, además de la edad de corte de cada variedad, se muestra la caracterización fisicoquímica del jugo de cada una de las variedades estudiadas.

Tabla 2

Fuente: Elaboración propia

La experimentación se realizó sin el uso de floculantes ni coadyuvantes y la concentración de la miel se tomó como covariable debido a la dificultad para puntear todas las mieles y panelas con una misma concentración.

Las variables de respuesta analizadas fisicoquímicamente en jugo, miel y panela, así como el principio y la norma usada para su medición experimental se muestra en la tabla 3.

Tabla 3

Fuente: Protocolos para análisis de panela Corpoica-Cimpa

El color se evaluó según la escala Munsell, en los parámetros de saturación, matiz y brillo; y organolépticamente el olor, sabor, brillo, apariencia, solidificación de la miel y dureza de la panela. El grado de hidrólisis de la sacarosa se determinó a partir del coeficiente glucósido o índice de glucosa y, para evitar conclusiones erróneas acerca del comportamiento de la sacarosa o de los azúcares reductores, a consecuencia del incremento de la concentración del jugo y de la posibilidad de registros erróneos de sacarosa, se utilizaron las purezas de sacarosa (pureza Pol) y de azúcares reductores (glucobrix o glucorate).

Para controlar los efectos de ruido que pudieran ser ocasionados por la selección de la caña y la preparación de la muestra, se fijaron las variables que se presentan en la tabla 4.

Tabla 4

Fuente: Elaboración propia

El esquema de los sistemas de laboratorio diseñados y montados bajo los criterios de la norma ISO 5725, para simular la evaporación del jugo de caña a diferentes presiones, se muestra en la figura 1.

Figura 1 Fuente: Prada 2014.

Para la experimentación se utilizaron los equipos cuyas especificaciones técnicas se muestran en la tabla 5.

Tabla 5

Fuente: Ficha técnica de cada uno de los equipos

Para preparar la muestra, el jugo de cada una de las variedades de caña, obtenido en el molino, se filtró y calentó a 1,5 °C/min; cuando alcanzó aproximadamente los 90 °C (antes de la temperatura de ebullición), se le retiró la cachaza y se dejó calentar por dos minutos más; luego se retiró del calor, se enfrió a 35 °C, se pasó por un tamiz Retsch 100, se dosificó en porciones de 0,5 L en bolsas de PVC y se congeló.

La evaporación del jugo se realizó con una densidad de flujo calórico constante de 27,778 kW/m², en el sistema de presión y con jugo de la variedad de caña requerida conforme al diseño experimental; para la obtención de cada muestra, se utilizó la unidad experimental de 0,5 L de jugo clarificado y congelado. Una vez la miel alcanzó los 102 °C, se retiró del calor y se dividió en dos muestras. La primera porción se almacenó para su posterior análisis fisicoquímico y organoléptico. La segunda porción se pasó a un vaso de precipitado de 0,5 L; se le adicionó 25 μL de aceite de palma como antiadherente y se siguió concentrando con una densidad de flujo calórico de 32,809 kW/m2, hasta alcanzar los 115 °C; se retiró del calor y se batió hasta un cambio en el color y la textura de la miel, momento en el cual se moldeó. Una vez fría la panela se almacenó para su posterior análisis organoléptico y fisicoquímico.

Para el análisis estadístico, se utilizaron los programas Excel Starter^(r) v2010 y SPSS^(r) v20.0. Las diferencias con los resultados del tratamiento de comparación y su significancia se definieron por pruebas multivariables y de Tukey, con intervalos de confianza del 95 %. La significancia se midió con probabilidades de rechazo de la hipótesis (a) menor de 0,05 y menor de 0,01 y el grado de dependencia lineal se determinó a través del coeficiente de determinación (R²⁾.

La figura 2 muestra, para las cuatro presiones y las tres variedades de caña estudiadas, las curvas de coeficiente glucósido contra el logaritmo de la concentración de los sólidos solubles de la miel medidos en °Brix. Las curvas proyectadas desde los valores de coeficiente glucósido y concentración de sólidos solubles del jugo respectivo, presentaron valores de R² entre 0,8797 y 0,9998. Estos valores permiten inferir que este es el posible comportamiento del coeficiente glucósido del jugo de caña para convertirse en miel; sin embargo, se deben comprobar los valores del coeficiente glucósido para la concentración de la miel entre los 25 y 55 °Brix.

Figura 2 Fuente: Prada 2014

La figura 2 muestra que el coeficiente glucósido presenta un comportamiento directamente proporcional al logaritmo de la concentración de la miel y a la presión del sistema, comprobando los resultados de las pruebas estadísticas de efectos intersujetos, las cuales reportan que, sobre el coeficiente glucósido, la variedad de caña no influye significativamente, pero sí influyen la presión, con una significancia menor a 0,01, y la concentración de la miel, con una significancia menor a 0,05.

El análisis estadístico también muestra que los valores del coeficiente glucósido forman dos subconjuntos con las presiones estudiadas y, para cada una de estas, la variedad forma dos subconjuntos como se aprecia en la figura 2 y en el resumen de la tabla 6.

Tabla 6

Fuente: Prada 2014

De esta forma, las mieles producidas en el sistema presurizado presentan valores de coeficiente glucósido entre 62 % y 74 %; las del sistema atmosférico entre 10 % y 14 %; y las de los sistemas al vacío entre 6 % y 10 %. Estos datos nos permiten concluir que la presión es uno de los principales factores que favorecen la inversión de la sacarosa, ya que para todas las variedades los valores de coeficiente glucósido alcanzado por las mieles de sistemas presurizados presentan valores que son cinco veces los alcanzados por las mieles del sistema atmosférico, y los del sistema atmosférico son mayores que los alcanzados por los sistemas al vacío.

La inversión de la sacarosa está directamente relacionada con la solidificación y la dureza de la panela, de forma que las mieles del sistema presurizado no solo no cumplieron con la Resolución 799 del Ministerio de Protección Social colombiano con respecto al contenido de azúcares reductores y sacarosa, sino que no lograron solidificar. Así mismo, las mieles del sistema al vacío de 15 kPa obtuvieron los menores valores de azúcares reductores y los mayores de sacarosa y sus panelas presentaron la mayor dureza.

Para todos los sistemas de presión estudiados, la variedad 1 presentó los menores valores de coeficiente glucósido y la variedad 3 presentó los mayores valores; adicional-mente, no se observó una correlación entre los coeficientes glucósidos del jugo y el coeficiente glucósido de la miel.

En la figura 3 se muestran las curvas del potencial de hidrógeno contra el logaritmo de la concentración de sólidos solubles de la miel en grados Brix, para las tres variedades y los cuatro valores de presión estudiadas. Estas curvas presentan una tendencia del potencial de hidrógeno inversamente proporcional al logaritmo de la concentración del jugo y a la presión del sistema, con un valor de R² entre 0,9419 y 0,999. Tendencia que es confirmada por los resultados de las pruebas estadísticas de efectos intersujetos, los cuales reportan una influencia con significancia menor a 0,01 de la variedad de caña y la presión sobre el potencial de hidrógeno.

Figura 3 Fuente: Prada 2014

En la figura 3 también se observan cuatro subconjuntos conformados por cada uno de los sistemas de presión y en cada uno de ellos las variedades forman dos subconjuntos; estas observaciones confirman los resultados del análisis estadístico cuyo resumen se presenta en la tabla 7.

Tabla 7

Fuente: Prada 2014

De esta forma, las mieles de la variedad 1 presentan valores de pH mayores de los presentados por las mieles de la variedad 2. Sin embargo, no se observó una correlación entre el pH del jugo y el de la miel. Estas variaciones del pH encuentran su explicación en las diferencias composicionales que presenta cada una de las variedades de caña y en el efecto que tienen estos elementos en las diferentes reacciones durante la evaporación.

Así mismo, los valores de pH de los tratamientos presurizado y atmosférico presentan diferencias de 0,2 a 0,3, que son cuatro veces las existentes entre los valores del pH de las mieles del sistema atmosférico y las de vacío de 35 kPa, y ocho veces las diferencias, entre los valores de las mieles de los sistemas al vacío de 35 y 15 kPa. Esta significativa reducción del pH de las mieles producidas en sistemas presurizados, al aumentar la presión, posiblemente tiene su explicación en el efecto piezoeléctrico, ya que la presión cambia las dimensiones moleculares, el momento dipolar total y, por tanto, la tensión eléctrica de salida, la cual produce un aumento de la acidez (Clotet y Díaz 1995).

Los resultados estadísticos también correlacionan el pH con el coeficiente glucósido y el glucobrix, por lo que la disminución en el valor del pH durante la evaporación del jugo de caña, posiblemente tiene su origen en la formación de ácidos orgánicos producto de la degradación de los azúcares invertidos, la evaporación de compuestos amoniacales y la transición gradual de fosfato de calcio a fosfato tricálcico (Rein 2012). Adicionalmente, el aumento en la concentración de los iones hidrógeno favorece la hidrólisis de la sacarosa y, por tanto, el aumento de los azúcares reductores. Condiciones que, conjuntamente con el hecho de que exista una menor cantidad de agua a medida que se concentra la miel, proporcionan, al final de la etapa de evaporación, los entornos apropiadas para que se presenten las reacciones de Maillard y eleve la disponibilidad de los grupos amino. En este proceso químico altamente complejo, no bien conocido, también se ejerce un bloqueo del grupo amino por los azúcares reductores, lo que aumenta la acidez y autocataliza esta reacción (Brumovsky 2012). De igual forma, las reacciones de caramelización también son autocatalizadas por el incremento de la acidez.

En la figura 4 se grafican las curvas de color expresado en unidades ICUMSA, contra el grado de evaporación expresada como logaritmo de la concentración de sólidos solubles, para los cuatro valores de presión y las tres variedades estudiados. En estas curvas con un valor de ajuste de R² entre 0,8633 y 0,9905, se observa que todas las variedades presentan una tendencia a aumentar el color directamente proporcional al logaritmo de la concentración de la miel y la presión del sistema de evaporación la cual se mantiene al ser proyectada desde los valores de color del jugo de la respectiva variedad. Aunque estos valores de R² permiten deducir que este sería el más probable comportamiento del jugo de caña durante la evaporación, se deben comprobar los valores de color en las concentraciones de las mieles entre los 25 y 55 °Brix. Adicionalmente, no se encontró una correlación entre los colores del jugo y los de la miel.

Figura 4 Fuente: Prada 2014

La figura 4 también permite apreciar que el color de la miel establece con cada una de las presiones un subconjunto homogéneo y, en cada uno de ellos, las variedades forman dos subconjuntos. Comportamiento que comprueba los resultados del análisis estadístico, cuyo resumen se reporta en la tabla 8.

Tabla 8

Fuente: Prada 2014

De esta forma, las mieles del sistema presurizado presentan los colores más oscuros y las del sistema al vacío de 15 kPa los colores más claros. Así mismo, el color, con la tabla Munsell, mostró que las mieles de las diferentes variedades presentan el mismo tono (atributo que lo distingue de los demás, es decir, el nombre específico de cada color) en combinaciones de rojo y amarillo, pero difiere en el valor (que es la cantidad de luz que emite, es decir, la cantidad de color blanco o negro que posee en su composición). Las mieles a presiones diferentes pero de la misma variedad difieren en la saturación (la pureza del color, es decir, la combinación con el complementario); de forma que las mieles al vacío presentan coloraciones amarillentas y las del sistema presurizado coloraciones violetas.

El análisis organoléptico también mostró que las mieles y panelas de los sistemas al vacío presentan bajo sabor a dulce y las del sistema presurizado un fuerte sabor a dulce y olor a caramelo; así mismo, entre las variedades se encontraron diferencias en el sabor siendo más ácidas las mieles y panelas de la variedad RD 75-11 y menos dulces las mieles y panelas de las variedades CC 86-45.

El análisis estadístico y gráfico de los datos de la turbidez, presión y concentración de la miel, muestra que la turbidez de las mieles de todas las variedades y presiones estudiadas es directamente proporcional al logaritmo de la concentración de la miel.

En la figura 5 se graficó la turbidez de las mieles, con una concentración de 70 °Brix, de cada una de las tres variedades en unidades ICUMSA, contra la presión del sistema de evaporación. Estos datos presentan una posible tendencia polinómica en segundo grado, con valores de R² entre 0,8814 y 0,9415, la cual requiere para su comprobación de una mayor experimentación en valores de vacío cercanos a la presión atmosférica, donde se aprecian los menores valores de turbidez. En la gráfica también se observa que los valores de turbidez de las mieles de los sistemas presurizado y al vacío de 15 kPa forman un subconjunto y las mieles de los otros dos sistemas forman otro subconjunto. Además, en cada uno las variedades forman dos subconjuntos uno dado por las variedades 1 y 2 y el otro por la variedad 3.

Figura 5 Fuente: Prada 2014

Las observaciones anteriores confirman los resultados del análisis estadístico cuyo resumen se presenta en la tabla 9.

Tabla 9

Fuente: Prada 2014

Para explicar este comportamiento, se debe considerar que el material iónico y coloidal (proteínas, silicatos y fosfatos de calcio, magnesio y hierro), presente en diferentes concentraciones en el jugo de cada variedad, es el causante de la turbidez. Al calentarse el jugo se favorece la coagulación de este material, debido principalmente a la composición del jugo y a la temperatura (por ende a la energía cinética, el movimiento de las partículas y la presión del sistema). De esta forma, durante la clarificación del jugo, al iniciarse el calentamiento, se inicia la coagulación de algunas partículas coloidales, las cuales forman complejos iónico-miscelares que pueden alcanzar el tamaño apropiado para precipitarse o flocular, lo que incrementa el contenido de sólidos insolubles y de partículas que pueden ser removidas por métodos físicos, otras se redisuelven y algunas no alcanzan el tamaño apropiado para precipitarse o solubilizarse.

Posteriormente, durante la evaporación, las partículas no removidas continúan su proceso de coagulación. De forma que, cuando la evaporación se realiza al vacío, las temperaturas de ebullición son bajas y, por tanto, las mieles de estos sistemas presentan una mayor turbidez que las mieles producidas a presión atmosférica. Pero si bien la temperatura facilita la coagulación, también puede contribuir a la descomposición del complejo iónico-miscelar debido a la fuerza y cantidad de choques entre las partículas, lo que explica la mayor turbidez de los tratamientos presurizados. Adicionalmente, el complejo iónico-miscelar durante el calentamiento absorbe agua y se hincha hasta reventar; con lo que se puede concluir que el tamaño y la estabilidad de la miscela formada dependen de la capacidad que tienen las sustancias formadas para absorber el agua (Zamora et al. 2011).

De esta manera, la turbidez presenta una tendencia inversa al contenido de sólidos solubles presentes en la miel y una relación directa con la saturación del color en la tabla Munsell. Adicionalmente, el análisis organoléptico mostró que la transparencia y el brillo de la miel y la panela presentan una tendencia inversa a la turbidez de la miel.