UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERfA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

INFLUENCIA DE LOS SÓLIDOS SOLUBLES EN EL CALOR ESPECIFICO DE LA PULPA CONCENTRADA DE

PIÑA (Ananas comosus), ZUMO CONCENTRADO DE NARANJA (Citrus sinensis) Y COMPARACIÓN CON LOS

MODELOS MATEMÁTICOS DE CHOI Y OKOS, SIEBEL Y HELDMAN

TESIS

PRESENTADA POR LA BACHILLER:

SULLA HUAMAN RUTH IRENE

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

HUANCAYO- PERÚ

2016

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACUL TAO DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

JURADO EXAMINADOR

Dr. HERMES AMADEO ROSALES PAPA PRESIDENTE

Dr. ANGEL ZARA TE MALPICA JURADO

M.Sc. VILMA REYES DE LA CRUZ JURADO

lng. EDUARDO BALVIN CALDERON JURADO

lng. WAGNER VASQUEZ ORIHUELA SECRETARIO

¡¡

(3)

ASESOR

M.Sc. EDGAR RAFAEL ACOSTA LÓPEZ

¡¡¡

(4)

A Dios por darme la vida y estar siempre conmigo, dándome sabiduría, voluntad y perseverancia en cada paso que doy.

A mi madre quien con su amor me enseñó valores y principios, que con su ejemplo y esfuerzo supo regalarme la herencia más valiosa en esta vida.

A mi querido hijo Leonardo por ser la luz de mi vida.

iv

(5)

AGRADECIMIENTO

A Dios por iluminar mi camino, por dame la capacidad y la fortaleza para alcanzar mis metas.

A mi madre Benita que siempre estuvo a mi lado brindándome su apoyo incondicional por su paciencia, enseñanzas, consejos y por ser más que una madre para mí.

A mi querido esposo Richard A. A. por su amor, su paciencia y su confianza en cada paso de mi vida.

A mi querido hijo Leonardo quien con su luz a iluminado mi vida y hace mi camino más claro.

De manera especial al M.Sc. Edgar Rafael Acosta López, asesor del trabajo de investigación, por brindarme en todo momento su tiempo, paciencia, amistad y conocimiento en la realización de la tesis.

A todos mis maestros que con su paciencia y dedicación fueron los guías durante toda mi carrera y a cada una de las personas que me apoyaron y me dieron palabras de aliento porque sin saberlo se han convertido en mi fuente de inspiración.

A Xenia Contreras Mendoza y Erick Zambrano del Pino mis grandes amigos quienes me brindaron su apoyo incondicional a cada momento.

A mis amigos, quienes me han apoyado y acompañado durante todos estos años

llenando mis días con alegres momentos y a todos aquellos que han estado junto

a mí durante este proyecto de vida.

(6)

ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE ANEXOS RESUMEN

l. INTRODUCCIÓN 11. MARCO TEÓRICO

ÍNDICE GENERAL

2.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA PIÑA Y NARANJA 2.1.1. PIÑA (Ananas comosus)

A. COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA B. REQUISITOS DE MADUREZ C. PULPA DE PIÑA

D. PULPA DE PIÑA CONCENTRADA 2.1.2. NARANJA (Citrus sinensis)

A. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA NARANJA

B.

REQUISITOS DE MADUREZ C. ZUMO DE NARANJA

D. ZUMO DE NARANJA CONCENTRADA

2.1.3. COMERCIALIZACIÓN DE LAS PULPAS Y ZUMOS CONCENTRADOS

A. ESPECIFICACIONES DE LAS PULPAS Y ZUMOS CONCENTRADOS EN LOS MERCADOS EXTERIORES

Página ix xi xiii

1 3 3 3 3 3 4 5 6 6

1

7 8

9

2.2. CALOR ESPECÍFICO 10

2.2.1. FUNDAMENTOS Y DEFINICIÓN 10

2.2.2. CALOR ESPECIFICO EN ALIMENTOS 11

A. ECUACIÓN DE SIEBEL 13

B. ECUACIÓN DE HELDMAN 14

C. ECUACIÓN DE CHOI Y OKOS 14

2.2.3. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO 15

A. MÉTODO DE MEZCLA 15

B. MÉTODO ELÉCTRICO 16

C. CALORÍMETRO DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) 17 2.2.4. FACTORES QUE AFECTAN AL CALOR ESPECÍFICO 19 2.2.5.1MPORTANCIA DEL CALOR ESPECÍFICO EN LA INGENIERÍA 20

vi

(7)

2.2.6. DATOS DE CALOR ESPECÍFICO EN EL ENVASADO Y CONSERVACIÓN DE FRUTAS Y VERDURAS.

2.3. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION 111. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1. LUGAR DE EJECUCIÓN

3.2. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS 3.2.1. MATERIA PRIMA

3.2.2. MATERIALES DE VIDRIO:

3.2.3. EQUIPOS E INSTRUMENTOS DE LABORATORIO 3.2.4. OTROS

3.2.5. REACTIVOS 3.3. MÉTODOS

3.3.1. ANÁLISIS DE LA MATERIA PRIMA

3.3.2. DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS SOLUBLES

3.3.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE LA PULPA CONCENTRADA DE PIÑA

3.3.4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL ZUMO CONCENTRADO DE NARANJA

3.3.5. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO

3.3.6. CÁLCULO DEL CALOR ESPECÍFICO CON LOS MODELOS TEÓRICOS CHOI Y OKOS, SIEBEL Y HELDMAN

A. CHOI Y OKOS B. SIEBEL C. HELDMAN

3.3.7. CONSTRUCCIÓN DE LA GRÁFICA DEL CALOR ESPECIFICO INFLUENCIADO POR LOS SOLIDOS SOLUBLES

3.4. DISEÑO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO 3.4.1. DISEÑO EXPERIMENTAL

A. PULPA DE PIÑA B. ZUMO DE NARANJA 3.4.2. DISEÑO ESTADÍSTICO

A. DISEÑO EXPERIMENTAL DE COMPARACIÓN DE

20 22 26 1

26 26 26 26 26

27 27 28 28 28 28

31 33 36 36

36 37 37 37 37 38 38

RESULTADOS DEL CALOR ESPECÍFICO EXPERIMENTAL 38 CON LOS MODELOS SIEBEL, HELDMAN Y CHOI Y OKOS.

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 40

4.1. ANÁLISIS DE LA MATERIA PRIMA 40

(8)

4.2. ANÁLISIS DE LAS PULPAS DE PIÑA Y NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES

4.3. BALANCE DE MATERIA

4.3.1. BALANCE DE MATERIA DE LA ELABORACIÓN DE LA PULPA DE PIÑA A DIFERENTES CONCENTRACIONES

4.3.2. BALANCE DE MATERIA DE LA ELABORACIÓN DEL ZUMO DE NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES

41 43 43

45 4.4. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO EN LAS MUESTRAS 47

4.4.1. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE a DEL CALORÍMETRO ADIABÁTICO

4.4.2. DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE LAS MUESTRAS

A. CALOR ESPECÍFICO DE LA PULPA DE PIÑA B. CALOR ESPECÍFICO DEL ZUMO DE NARANJA 4.5. CÁLCULO DEL CALOR ESPECÍFICO CON LOS MODELOS

TEÓRICOS.

4.5.1. MODELO DE SIEBEL

A. PULPA DE PIÑA A DIFERENTES CONCENTRACIONES B. ZUMO DE NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES 4.5.2. MODELO DE HELDMAN

A. PULPA DE PIÑA A DIFERENTES CONCENTRACIONES B. ZUMO DE NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES 4.5.3. MODELO DE CHOI Y OKOS

A. PULPA DE PIÑA A DIFERENTES CONCENTRACIONES B. ZUMO DE NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES 4.6. COMPARACIÓN DE LOS VALORES DE CALOR ESPECÍFICO

EXPERIMENTAL Y LOS DE MODELOS TEÓRICOS

4.6.1. EVALUACIÓN DE LAS DIFERENCIAS EXISTENTES ENTRE LOS VALORES DEL CALOR ESPECIFICO EXPERIMENTAL FRENTE A LOS VALORES HALLADOS POR LAS

ECUACIONES TEÓRICAS EN LA PULPA DE PIÑA Y ZUMO DE NARANJA A DIFERENTES CONCENTRACIONES V. CONCLUSIONES

VI. RECOMENDACIONES VIl. BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

viii

47

48 48

51 53 53 53 55 56 56 58 60 60 62 63

67

69

71 72 75

(9)

ÍNDICE DE TABLAS

Página

Tabla 1: Composición química de piña 4

Tabla 2: Composición química de la naranja 6

Tabla 3: Calor especifico de algunos alimentos y productos del procesado 21 de alimentos

Tabla 4: Datos de calor específico en pulpas y jugos de vegetales. 22

Tabla 5: Calor especifico a diferentes concentraciones y a 2 temperaturas

23 del ciruelo amarillo.

Tabla 6: Modelo del esquema para registrar los datos y obtener el valor

34 de a del equipo.

Tabla 7: Modelo del esquema para registrar los datos y obtener el valor

35 del calor especifico de las muestras.

Tabla 8: Composición químico proximal de las muestras como materia ·

40 prima.

Tabla 9: Composición químico proximal de la piña a diferentes

41 concentraciones

Tabla 10: Composición químico proximal de la naranja a diferentes concentraciones 42

Tabla 11: Balance de materia de la elaboración de pulpa de piña a diferentes concentraciones 44

Tabla 12: Balance de materia de la elaboración de zumo de naranja a diferentes concentraciones 46

Tabla 13: Datos para la determinación de la constante a del calorímetro adiabático 47

Tabla 14: Determinación del calor específico de la pulpa de piña a diferentes concentraciones 48

(10)

Tabla 15: Determinación del calor especifico del zumo de naranja a

51 diferentes concentraciones.

Tabla 16:

Calor específico según el modelo de Siebel en la pulpa de piña a

54 diferentes concentraciones

Tabla 17: Calor específico según el modelo de Siebel en el zumo de

55 naranja a diferentes concentraciones

Tabla 18: Calor específico determinados con el modelo de Heldman en la

50 pulpa de piña a diferentes concentraciones

Tabla 19: Calor específico determinados con la ecuación de Heldman en el

58 zumo de naranja a diferentes concentraciones.

Tabla 20: Calor específico según el modelo de Choi y Okos de los valores

60 de cada componente a una temperatura de 17°C

Tabla 21: Calor específico obtenidos a partir de la ecuación de Choi y Okos

60 en la pulpa de piña a diferentes concentraciones

Tabla 22: Calor específico según el modelo de Choi y Okos en el zumo de naranja a diferentes concentraciones 61

Valores de calor específico obtenidos experimentalmente y

Tabla 23: según las ecuaciones teóricas en el zumo de naranja a diferentes 63 concentraciones

Valores de calor específico obtenidos experimentalmente y

Tabla 24: según las ecuaciones teóricas en la pulpa de piña a diferentes 64 concentraciones

Tabla 25: Anova de las diferencias entre valores del calor específico en la pulpa de piña a diferentes concentraciones 67

Tabla 26: Anova de las diferencias entre valores del calor específico en el zumo de naranja a diferentes concentraciones 68

X

(11)

Figura 1:

Figura 2:

Figura 3:

Figura 4:

Figura 5:

Figura 6:

Figura 7:

Figura 8:

Figura 9:

Figura 10:

Figura 11:

Figura 12:

ÍNDICE DE FIGURAS

Esquema de un calorímetro para Determinar el calor especifico por el método de mezcla.

Esquema del calorímetro de resistencia eléctrica

Termo gama para la determinación del calor específico mediante

ose

Representación esquemática del sistema DSC

Influencia de la fracción másica del agua y la temperatura en el calor específico del jugo de naranja de Brasil

Influencia de la fracción másica del agua y la temperatura en el calor específico del jugo de lulo.

Obtención de la pulpa de piña a diferentes concentraciones Obtención del zumo de naranja a diferentes concentraciones Esquema del calorímetro de resistencia eléctrica

Diagrama de flujo del balance de materia de la elaboración de pulpa de piña a diferentes concentraciones

Diagrama de flujo del balance de materia de la elaboración de zumo de naranja a diferentes concentraciones

Comportamiento gráfico del calor específico en función de la concentración en la pulpa de piña a diferentes concentraciones.

Figura 13: Comportamiento gráfico del calor específico en función de la concentración para el zumo de naranja a diferentes

concentraciones.

Figura 14: Comparación gráfica entre los valores experimentales de calor

Página

16

17

18

19

24

25

30 32 33

43

45

49

52

específico y el modelo de Siebel para la pulpa de piña a 54 diferentes concentraciones

(12)

Figura 15: Comparación gráfica entre los valores experimentales de calor específico y el modelo de Siebel para zumo de naranja a diferentes concentraciones.

Figura 16: Comparación gráfica entre los valores experimentales y

56

hallados con la ecuación de Heldman para la pulpa de piña a 57 diferentes concentraciones

específico y el modelo de Heldman para el zumo de naranja a 52 diferentes concentraciones.

específico y la ecuación de Choi y Okos para la pulpa de piña a 61 diferentes concentraciones.

específico y el modelo de Choi y Okos para el zumo de naranja 62 a diferentes concentraciones.

Figura 20: Comparación grafica de los calores específicos hallados

experimentalmente así como los hallados con las ecuaciones 65 teóricas para la pulpa de piña a diferentes concentraciones

Figura 21: Comparación grafica de los calores específicos hallados

experimentalmente así como los hallados con las ecuaciones 66 teóricas para el zumo de naranja a diferentes concentraciones

xii

(13)

INDICE DE ANEXOS

Página

Anexo 1: Calorímetro Adiabático 76

Anexo 2: Elaboración de la pulpa a diferentes concentraciones de piña 77 Anexo 3: Elaboración del zumo a diferentes concentraciones de naranja 78

Anexo 4: Determinación del calor específico 79

Anexo 5: Equipo Rotavapor Buchi, modelo R-'200/205 80 Anexo 6: Capacidad Calorífica del agua líquida a 1 atm 80 Anexo 7: Interpolación para hallar la capacidad calorífica del agua a

81 1rc

Anexo 8: Calculo de la capacidad calorífica del equipo en sus 3

82 repeticiones.

Anexo 9: Calculo del calor específico de las muestras de piña a

85 diferentes concentraciones con 2 repeticiones.

Anexo 10 Calculo del calor específico de las muestras de naranja a

91 diferentes concentraciones con 2 repeticiones.

Anexo 11: Valores de da12 (k, v) para las comparaciones bilaterales entre k

97 análisis y un control. Tabla Dunnett al 5%

Anexo 12: Comparación de los calores específicos teniendo el dato

98 experimental como un punto de control.

Anexo 13: Balance de energía en la concentración de pulpa piña y zumo

102 de naranja.

(14)

RESUMEN

Este trabajo tuvo como objetivos evaluar la influencia de los sólidos solubles en el calor específico de la pulpa de piña y zumo de naranja a diferentes concentraciones y dichos resultados fueron comparados con los resultados obtenidos al aplicar las ecuaciones de Siebel, Heldman y Choi y Okos. La pulpa de piña y zumo de naranja fueron concentrados en un Rotavapor teniendo como una temperatura de ebullición entre 40- 45 oc, obteniendo 5 concentraciones de solidos solubles incluyendo el de la fruta sin concentrar estos fueron 10(sin concentrar), 15, 20, 24, 28 oBrix para la pulpa de piña y para el zumo de naranja 12(sin concentrar), 15, 20, 25 y 30 oBrix. Se utilizó un calorímetro adiabático elaborado para esta investigación, es por eso que se halló su capacidad calorífica teniendo como resultado que fue de 1,296 el cual es necesario para poder determinar el calor especifico de las muestras. Todos los datos se tomó a una temperatura de 17 oc. Se determinó el calor especifico de la pulpa de piña a las concentraciones ya mencionas obteniéndose que fue 3,869; 3,665; 3,558; 3,384 y 3,171 kJ/kg K respectivamente, hallando así la ecuación lineal Ce

=

-0,037 oBrix + 4,2438 con un R²

=

0,98 y para el zumo de naranja a las concentraciones ya mencionadas su calor especifico halladas fue 3,818; 3,753; 3,568;

3;428 y 3,323 kJ/kg K respectivamente, obteniendo así la ecuación Ce

=

-0, 0286 oBrix + 4.1608 con un R²

=

0,9909. Se calculó también el calor especifico con las ecuaciones teóricas de Siebel, Heldman y Choi y Okos a la pulpa de piña, obteniéndose para las concentraciones de 1 O, 15, 20, 24, y 28 oBrix, respectivamente los siguientes valores en kJ/kg.K: Siebel: 3,831; 3,565; 3,452; 3,244 y 2,992 ; Heldman: 3,879;

3,651; 3,556; 3,382 y 3,170; Choi y Okos: 3,894; 3,679; 3,590; 3,426 y 3,227; de la misma manera se calculó para el zumo de naranja a las concentraciones de 12, 15, 20, 25, y 30°Brix, respectivamente los siguientes valores en kJ/kg.K: Siebel: 3,757; 3,667; 3,474;

3,295 y 3,164; Heldman: 3,810; 3,737; 3,572; 3,416 y 3,307; Choi y Okos: 3,830; 3,761;

3,606; 3,460 y 3,358. Para evaluar la cercanía de los datos experimentales de calor especifico frente a los calculados con las ecuaciones teóricas se realizó un Diseño de Bloques Completamente al Azar (DBCA) donde el Calor específico experimental a

xiv

(15)

diferentes concentraciones así como las de Siebel, Heldman y Choi y Okos fueron considerados como tratamientos y se bloqueó por concentraciones, determinando así que los cuatro tratamiento si existía una diferencia significativa por lo cual se aplicó la prueba de DUNNET al 5% en el cual hallamos que los valores de calor especifico experimental no tenían diferencia significativa frente a los valores de Heldman y Choi y Okos.

Palabras clave: Solidos solubles; Calor especifico; Siebel; Heldman, Choi y Okos

(16)

l. INTRODUCCIÓN

En todo el país existen muchas empresas dedicadas al procesamiento de frutas así como pulpas y zumos concentrados de piña y naranja respectivamente, para exportación y/o ventas nacionales, los cuales analizan las variaciones de la materia prima durante los diferentes procesos a los cuales son sometidos como congelación, calentamiento, refrigeración, etc. Muchas de estas empresas se basan en las características organolépticas o toman como un punto de referencias los sólidos solubles CBrix) para realizar algunos cálculos de procesamiento. Por cuya razón es de interés el conocimiento de sus propiedades termofísicas, como el calor específico y en especial, determinar la relación o los cambios que ocurren en esta propiedad, al variar el contenido de sólidos solubles durante la concentración de las pulpas o zumos de las frutas como el de la piña y de la naranja.

Los datos de las propiedades térmicas son necesarios en la ingeniería y diseño de procesos. Sin conocer las propiedades térmicas de las frutas no pueden hacerse un balance de energía para un proceso de calentamiento o enfriamiento. El calor específico es una de las propiedades térmicas importantes para realizar dichos balances y solo teniendo el porcentaje de sólidos solubles podríamos conocer, es por eso que los resultados del presente trabajo de investigación beneficiarán a todas aquellas personas dedicadas al diseño y control de equipos en la industria procesadora de frutas. Así mismo servirá como fuente de información adicional para la realización de otros trabajos de investigación relacionados a los cálculos de propiedades térmicas en frutas.

Estos aspectos, motivaron a la realización de la presente investigación para lo cual se formuló el siguiente problema ¿Cuál es la influencia de los sólidos solubles en el calor específico de pulpa concentrada de piña y naranja? y también ¿Cuál es la relación de las variables de calor específico y sólidos solubles con los modelos matemáticos de Choi y Okos, Siebel y Heldman? de los cuales se deduce la hipótesis que a mayor contenido de solidos solubles disminuirá el calor específico debido a que disminuye el contenido de agua esto es como respuesta a la primera interrogante del problema y que hay mayor relación

-1-

(17)

con el modelo matemático de Heldman debido a que este modelo relaciona la composición de la fruta que es la segunda hipótesis que responde a la interrogante del segundo problema, teniendo así los siguientes objetivos:

OBJETIVOS

../ Determinar el calor específico experimentalmente del zumo de naranja a las concentraciones de 15, 20, 25 y 30 oBrix y de pulpa de piña a 15, 20, 24 y 28 °8rix y como pulpa y zumo natural.

../ Calcular el calor específico de la naranja y piña mediante las formulas teóricas de Choi y Okos, Siebel y Heldman .

../ Comparar los valores de calor específico obtenidos experimentalmente con los valores calculados mediante los modelos teóricos de Choi y Okos, Siebel y Heldman.

(18)

11. MARCO TEÓRICO

2.1. Características generales de la piña

y

naranja

2.1.1. Piña (Ananas Comosus)

1

Según García y Serrano (2005), la piña pertenece a la familia de las Bromeliáceas, que comprende unas 1400 especies de plantas, casi todas herbáceas, de hoja perenne y con flores muy llamativas. Algunas de ellas producen enzimas proteolíticas (que disgregan las proteínas de los alimentos) y se localizan sobre todo en América tropical (Brasil)

Nombre científico: Ananas

Nombre común o vulgar: Piña tropical, Piña americana, Ananás, Ananá, Piña de América

A. Composición bioquímica

La piña es rica en carotenos y azucares. El contenido de azucares pertenece constante después de la cosecha, la acidez y los carotenos incrementa moderadamente y la concentración de esteres y el color aumenta considerablemente. El sabor de la piña depende totalmente del contenido de azucares totales, esto se puede ver afectado por la estación, el clima, el grado de madurez en la cosecha y las sustancias utilizadas para su crecimiento (Hernández y Barrera, 2004). En la tabla 1 se muestra la composición química de la piña.

8. Requisitos de madurez

El contenido mínimo de sólidos solubles totales en la pulpa del fruto deberá ser, como mínimo, de 12°Brix (doce grados Brix). Para la determinación del oBrix deberá tomarse una muestra representativa del zumo (jugo) del fruto entero. (Codex Alimentarius STAN 182-1993)

-3-

(19)

Tabla 1: Composición química de piña

Composición Composición en en 100g de 1 OOg de porción alimentos (*) de alimentos(**)

Agua(g) 89,3 86,8

Proteína(g) 0,4 0,5

Grasa(g) 0,2

-

Fibra (g) 0,5 1,2

Carbohidrato (g) 8,4 11,5

Ceniza(g) 0,3

-

Calcio(mg) 10 12

Fosforo (mg) 5

-

Zinc(mg) 0,10 0,15

Hierro(mg) 0,40 0,5

Retino!

7

o

(¡Jg) Vitamina A equivalentes

3 13

totales

(¡.~g)

Tiamina

(mg) 0,04 0,07

Riboflavina

(mg) 0,06 0,02

Niacina

(mg) 0,27 0,3

Vitamina C

19,90 20

(mg)

Fuente: * Minsa (2009) y** Moreiros y otros (s.f.)

C. Pulpa de piña

Para la Organización Central Piurana de Cafetaleros (CEPICAFE, s.f.) las especificaciones para la pulpa de piña congelada debe ser:

(20)

• Físicas: Jugo obtenido a partir de frutas frescas y sanas, separando la pulpa de la cáscara para la obtención de jugo por medios físicos de explosión y tamizado usando malla de 1,0 mm de diámetro

• Apariencias: Color uniforme característico de la piña.

• Sabor: Característico, aroma y sabor de piña de buena calidad.

• Textura: pulpa con porcentaje de sólidos, libre de materiales extraños.

• Características Químicas: Brix min. : Min. 10 o Acidez (Rango) : 0,4- 0,45gr% de ácido cítrico anhidro pH (rango) : 3,0-3,6

Mientras que para la empresa Alimentos SAS (2014) menciona en su ficha técnica para la pulpa de piña concentrada las siguientes especificaciones:

Producto natural, no diluido, ni concentrado, ni fermentado, sin conservantes, obtenido por la desintegración y tamizado de la fracción comestible de la piña madura, sana y limpia. Sin preservantes, naturalmente libre de grasa y colesterol, bajo en sodio, contiene 100% de pulpa de fruta.

• Aroma: Intenso y característico de la piña madura y sana.

• Color: Intenso y homogéneo, característico de la piña, puede presentarse un ligero cambio de color, por los procesos naturales de oxidación de la fruta.

• Sabor: Característico e intenso de la piña madura y sana. Libre de cualquier sabor extraño.

• Apariencia: Uniforme, libre de materiales extraños, admitiéndose una separación de fases y la presencia mínima de trozos, partículas oscuras propias de la piña

• Sólidos Solubles expresados como oBrix: 10,0-12,5

• pH: 3,30-3,90

• Acidez expresada como % de ácido cítrico: 0,50-0,80

D. Pulpa de piña concentrada

Según el Codex Alimentarius (CODEX STAN 138 -1983) nos dice El proceso de concentración consiste en el retiro físico del agua hasta que el producto tenga un contenido de alimentos sólidos de piña soluble de no menos del 27 % como determinado por el refractómetro en 20 oc.

Es el producto que se obtiene del proceso básico que se le da a la piña, el cual es la trituración de trozos de piña sin cáscara. Este puede ser

-5-

(21)

conservado, por tratamiento térmico, con conservantes y envases adecuados en pequeñas presentaciones, o bien puede envasarse a granel para ser vendido a otras plantas procesadoras que elaboran otros tipos de productos como helados, jaleas, mermeladas, refrescos, etc. (Echegoyen y otros, 2009)

2.1.2. Naranja (Citrus sinensis)

El Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura(2007), nos menciona que el naranjo dulce procede de las regiones surorientales de Asia, en concreto de la zona sureste de China y el archipiélago malayo, donde menciona que la naranja debe tener las siguientes características:

• Fruto: Hesperidio. Consta de: exocarpo (flavedo; presenta vesículas que contienen aceites esenciales), mesocarpo (albedo; pomposo y de color blanco) y endocarpo (pulpa; presenta tricomas con jugo).

• Hojas: Limbo grande, alas pequeñas y espinas no muy acusadas.

• Flores: Ligeramente aromáticas, solas o agrupadas con o sin hojas. Los brotes con hojas (campaneros) son los que mayor cuajado y mejores frutos dan.

Familia: Rutaceae Género: Citrus.

Especie: Citrus sinensis (L.)

A. Composición química de la naranja

En general, la naranja está conformada en una gran cantidad por agua, contiene niveles moderados de proteínas y es un alimento bajo en grasas.

Se le considera una buena fuente de fibra y vitamina C. Los principales carbohidratos incluyen monosacáridos como la glucosa y fructosa;

oligosacáridos como la suerosa; y polisacáridos como las pectinas (Davies y Albrigo, 1994). En la tabla 2 se muestra la composición de la naranja.

Tabla 2: Composición química de la naranja

Agua(g)

Composición en 100g de alimentos (*)

88,5

Composición en 1 OOg de porción de alimentos(**)

88.6

(22)

-

^-·-- ^-^~^~ ^--^- ^·~ ^-· ^-

Proteína(g) 0,6 0,8

Grasa(g) 0,2

-

Fibra (g) 0,4 2

Carbohidrato (g) 10,1 8,6

Ceniza(g) 0,6

-

Calcio(mg) 23 36

Fosforo (mg) 51

-

Zinc(mg) 0,07 0,18

Hierro(mg) 0,3 0,5

Retinol

7

o

(IJg) Vitamina A equivalentes

11 33

totales (IJg) Tia mina

(mg) 0,09 O, 1

Riboflavina

(mg) 0,04 0,03

Niacina

(mg) 0,36 0,3

Vitamina C

92,30 50

(mg)

Fuente: * Mmsa (2009) y** More1ros y otros (s.f.)

B. Requisitos de madurez

Según el Codex Alimentarius (CODEX STAN 245-2004) nos indica que la madurez de las naranjas se define de acuerdo a los siguientes parámetros:

• Coloración.

• Contenido mínimo de zumo (jugo) calculado en relación al peso total del fruto y después de la extracción del zumo (jugo) por medio de una prensa manual.

C. Zumo de naranja

En el zumo de naranja, los componentes más abundantes después del agua son los azúcares y el ácido cítrico, que suman casi el total de los sólidos solubles. En la maduración, el contenido en azúcares aumenta y el

-7-

(23)

de ácidos disminuye. Se alcanza una relación azúcares-ácido que hace la fruta sabrosa y apetecible (Úbeda, 2012).

Uno de los factores primarios de calidad, en los zumos de naranja, es el contenido en sólidos disueltos, que varía según la variedad, el grado de madurez y las técnicas de cultivo. Los sólidos solubles del zumo de naranja están formados, fundamentalmente, por los azúcares reductores y no reductores y por los ácidos (Úbeda, 2012).

Los principales azúcares, en los zumos de naranja son: sacarosa, glucosa y fructosa, que suman alrededor del 75 % de los sólidos solubles totales, estando frecuentemente equilibrados los reductores y la sacarosa (no reductor). En menor proporción que los anteriores nos encontramos el mioinositol (inositol-1, 2,5-trifosfato), que es uno de los isómeros del inositol. Como ya hemos comentado en el apartado anterior el inositol es un alcohol cíclico, ciclohexanohexol, relacionado químicamente con la glucosa (Úbeda, 2012).

Durante el tratamiento y almacenamiento de los zumos se va hidrolizando la sacarosa en azúcares reductores: glucosa y fructosa. Cuando la sacarosa se hidroliza el sabor dulce aumenta porque los monosacáridos (glucosa y fructosa) libres aportan más dulzor que la sacarosa (Úbeda, 2012).

El Codex Alimentarius STAN 245 (2004) nos menciona que el zumo de la naranja no debe ser menos de 11 ,2°8rix y que estos pueden variar de acuerdo al país de donde proceden.

D. Zumo de naranja concentrada

El Codex Alimentarius STAN 247 (2005) nos dice que por zumo Uugo) concentrado de fruta se entiende a la eliminación física del agua en una cantidad suficiente para elevar el nivel de grados Brix al menos en un 50% más que el valor inicial.

(24)

2.1.3. Comercialización de las pulpas y zumos concentrados

En Europa los consumidores prefieren tomar el zumo sin que esté concentrado para beberlo tal y como lo compran, sin embargo en E.E.U.U.Ios consumidores prefieren el zumo concentrado y preparar ellos el zumo añadiendo el agua correspondiente. Los cambios sociales en el consumo de alimentos han cambiado, el consumidor tiende a ocupar menos tiempo en la realización de las comidas, esto ha repercutido también en un aumento del consumo de zumo preparado (Úbeda, 2012).

Mientras que los sabores más consumidos en la Unión Europea durante el año 2009 fueron naranja (33,8 %), manzana (14,9 %), mezclas (11,3 %), multivitaminas (6,6 %), piña (4,7 %) y otros (28,7 %).

Respecto a los sabores más consumidos en España, destacan la naranja- (26,1 %), piña (24,6 %), melocotón (23,4 %) y uva (7,9 %). Estos sabores, a excepción de la naranja, son distintos a los mayoritariamente consumidos en el resto de Europa debido al excedente que tiene nuestro país en el cultivo de uva y melocotón que son sabores poco consumidos en otros países. El elevado consumo de piña y melocotón se debe a su dulzor, que atrae a los más pequeños, a diferencia del sabor de la naranja que es consumido principalmente por adultos (Úbeda, 2012).

A. Especificaciones de las pulpas y zumos concentrados en el mercado nacional e internacional.

Una de las empresas a nivel nacional quien se dedica al procesamiento de jugos, pulpas, pures y concentrados de diferentes frutos de la región es la empresa SELVA ubicada en Chanchamayo, quienes elaboran jugos concentrados de naranja a 65 oBrix y jugos de piña de 45 y 60 oBrix para el mercado nacional como para exportación.

Así también existen empresa extranjeras dedicadas a la elaboración de pulpas y zumos concentrados como es Tianjin Kunyu lnternational ubicada en China tiene como especificación que la pulpa de piña concentrada llega hasta una concentración de 60 °8rix así también la empresa Lemon Concentrate ubicada en España elabora zumo concentrado de naranja hasta una concentración no mayor de 65°8rix.

-9-

(25)

2.2. Calor específico

2.2.1. Fundamentos y definición

Termodinámicamente, el calor específico se define mediante las ecuaciones:

oH oE ov

(oT)p ⁼ (oT)p + P(oT)p Cp = (-)p oH oT

(1)

(2)

La ecuación 2 define al calor específico como el cambio de entalpía con respecto a la temperatura, manteniendo la presión constante.

Cuando la magnitud del calor intercambiado durante un proceso, en el cual el trabajo interno no cruza los límites de un sistema a presión constante, es igual al trabajo interno de un proceso adiabático, en el cual el trabajo es hecho sobre un sistema a presión constante, entonces se obtiene que los cambios de entalpía, dH en los dos procesos deberán ser los mismos y el sistema estará sometido a un idéntico cambio de estado entre los mismos estados inicial y final, independientemente del proceso (Aivarado, 2001).

Se establece entonces que para un proceso que ocurre a presión constante, donde no está involucrado el trabajo interno:

dH

=

^dQ ⁽³⁾

Q es la energía calórica. Por sustitución en la ecuación 2, se obtiene:

Cp = (-)p

oQ

oT

⁽⁴⁾

El término calor específico puede estar mal utilizado a menos que su definición incluya una descripción suficiente del proceso, en la cual se establezca que a presión constante se cumple la ecuación 3. Entonces cuando no existe cambio de fase o reacciones involucradas, el calor específico es la cantidad de calor que gana o pierde un kilogramo de masa de alimento para producir un cambio requerido de temperatura. Escrito en forma de ecuación:

(26)

e ⁼ ^__g_

P WllT (5)

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia por unidad de grado. Por consiguiente, sus unidades en el sistema SI son J/kg K. El calor específico depende de la naturaleza del proceso de adición de calor tanto de un proceso a presión constante como de un proceso a volumen constante. Sin embargo, debido a que los calores específicos de los sólidos y de los líquidos no dependen mucho de la presión, excepto para presiones extremadamente elevadas, y debido a que los cambios de presión en los problemas de transmisión de calor de los materiales agrícolas son usualmente pequeños, se considera el calor específico a presión constante (Sahin, S. & Sumnu, S., 2009).

Según Yunus (2007) menciona que una unidad común para los calores específicos es el kJ/kg.

oc

o kJ/kg. K. advierta que estas dos unidades son idénticas, ya que LlT(°C)

=

LlT(K), y un cambio de 1

oc

en la temperatura es equivalente a un cambio de 1 K. Asimismo,

1kJ/kg

oc::

1J/g

oc::

1kJ/kg. K:: 1J/g. K

2.2.2. Calor especifico en alimentos

El agua líquida tiene un calor específico extremadamente alto, mucho más alto que la mayoría de los demás líquidos. Esto es por lo que se usa como tan ampliamente como refrigerante. Cuando el agua congela, el calor específico se reduce drásticamente, por un factor aproximadamente 2. Ya que el agua tiene un calor específico mucho más alto que la mayoría de los constituyentes alimenticios, el calor especifico de los alimentos se ve significativamente afectada por la cantidad de agua y por el estado físico que este el agua. Los alimentos congelados con alto contenido en agua pueden tener valores de calor específico aproximadamente la mitad que los correspondientes a su estado fresco (Lewis, 2000).

Así una considerable menor energía se necesita para reducir la temperatura del alimento desde -1

oc

a 30°C que la que se necesita para pasarlo de 28°C a -1°C (muchos alimentos congelan alrededor de -1°C); conviene también notar que la congelación no es un proceso bien definido, es decir, el agua no

-11-

(27)

congela a temperatura constante. Durante procesos tales como evaporación y deshidratación, el calor especifico del alimento puede disminuir (Lewis, 2000).

Los metales tienen valores del calor específico muy bajos, comparados con los de los alimentos. Por otra parte, aceites y grasas tienen valores del calor específico aproximadamente la mitad que el del agua. Grano seco y alimentos en polvo también tienen valores muy bajos del calor específico (Lewis, 2000)

A partir de las anteriores observaciones, podría esperarse que fuera posible predecir el calor específico de un alimento conociendo su composición. Por ejemplo, el calor especifico del suero puede ser ligeramente menor que el del agua debido a la presencia de componentes sólidos de la leche. Cuando el contenido en grasa aumenta, puede esperarse que el calor especifico disminuya (sustitución de agua por grasa) (Lewis, 2000).

La forma más sencilla de ecuación para calcular aproximadamente el calor específico "e" de un alimento es la siguiente:

Dónde:

ma : es la fracción másica del agua

Ca: 4,18 kJkg-¹K-¹es el calor especifico del agua

m_{5 :}es la fracción en masa de los sólidos

c_{5 :}1,46 kJkg-¹K~¹ es el calor especifico de los sólidos

(6)

Esto refleja la mayor concentración debido al contenido de agua.

Una forma alternativa propuesta por Miles et al. (1983) distingue entre grasas y sólidos. La ecuación viene dado por:

Dónde:

mg: es la fracción másica de la grasa

msng : es la fracción másica de los sólidos no grasos ma : es la fracción másica del agua.

(28)

Si es posible obtener un análisis aproximado del alimento, puede utilizarse la siguiente ecuación:

e= maca+ mece + mpcp +mgcg + mzcz (8)

(agua) (carbohidratos) (proteinas) (grasa) (cenizas)

Dónde:

ma,mc,mp,m₉,mz: Son las fracciones de masa de los respectivos componentes y Ca,Cc,Cp,c₉,cz los calores específicos.

A. Ecuación de Siebel

El calor específico de alimentos con humedad elevada es dominado por el contenido en agua. Ya en 1982, Siebel expuso que el calor específico del alimento nunca puede ser mayor que la suma del calor especifico del material sólido y del agua puesto que el agua en los alimentos existe junto con el material sólido sin ningún calor que produzca reacciones químicas (Siebel 1982). Además, el calor específico de los materiales alimentarios no puede ser mucho más pequeño que el del agua ya que el agua es el componente mayoritario de los materiales alimentarios. Este modelo no tiene en cuenta el efecto de la temperatura o de los otros componentes presentes en el producto alimenticio. Para soluciones acuosas tales como hortalizas y zumos de frutas o pastas, Siebel propuso la siguiente ecuación:

Cp=0,837+3,349X: {9)

Para materiales alimentarios por debajo del punto de congelación, Siebel (1982) también sugirió la siguiente ecuación:

Cp=0,837+1,256X: (10)

Donde:

x: :

Es la fracción másica de humedad dentro de la muestra.

Cp : Es el calor específico, viene dado en kJ/kg K

-13-

(29)

B. Ecuación de Hedman

Para estimar el calor específico de productos alimentarios, Heldman (1990) propuso la siguiente ecuación utilizando las fracciones másicas de sus constituyentes:

Cp= 4, 180X~gua+1 ,547X~oteina+1 ,672~

858

⁺¹,42X3'Ho+0,836X:niza (11)

Donde:

X~gua: Fracción másica del agua dentro de la muestra

X~oteina: Fracción másica de la proteína dentro de la muestra

X~asa: Fracción másica de la grasa dentro de la muestra

X3'Ho: Fracción másica de los carbohidratos dentro de la muestra

x:niza: Fracción másica de cenizas dentro de la muestra

C. Ecuación de Choi y Okos

Choi y Okos (1986) sugirieron la siguiente ecuación para productos que contienen n componentes y que la temperatura vaya variando, han presentado un modelo que predice el calor específico en función de la composición y de la temperatura

n

cP = ¿x¡mcp,

í=l

Donde:

X¡m :

Fracción másica del componente i cp, : Calor especifico del componente i (J/kg.K)

(12)

(30)

2.2.3. Determinación del calor específico

A. Método de mezcla

El método de mezcla es el sistema más ampliamente utilizado para medir el calor específico de materiales alimentarios y agrícolas debido a su simplicidad y precisión. Una cantidad conocida de líquido (típicamente agua) a una temperatura inicial conocida se mezcla con una muestra de masa y temperaturas conocidas dentro de un recipiente aislado. Se determina la temperatura de equilibrio de la muestra y el calor específico se puede calcular a partir de un simple balance de energía (Mohsenin, 1980)

mccpc(T¡ -Te) +mwCpw(Tw-Te)=m5Cp

8(Te -T¡5 ) (13) Donde:

me : Masa de la copa del calorímetro

cPc : Calor especifico de la copa del calorímetro (J/kg K),

m_{5 :}Masa de la muestra (kg),

cPs :Calor especifico de la muestra (J/kg K), mw : Masa del agua (kg),

cPw : Calor especifico del agua (J/kg K), T¡: Temperatura inicial del calorímetro (K) T¡_{5 :}Temperatura inicial de la mezcla (K) Te :Temperatura equilibrio de la mezcla (K) T w: Temperatura inicial del agua (K).

La precisión de este método se basa en la suposición de intercambio de calor despreciable entre el calorímetro y la atmosfera que le rodea. En este método, se obtiene un valor medio de Cp para el correspondiente intervalo de temperaturas. Si se desea una relación completa calor especifico - temperatura, se deben de llevar a cabo experimentos adicionales a diferentes intervalos de temperatura (Sahin, S. & Sumnu, S., 2009).

-15-

(31)

Tapón de ·caUcho

Alslamlonto de lana de vidrio Pared extei1or del termo - • • - -. - • - • Recipiente dé plástico

Embudo

• • • • • · - • • • · Cámara con aire -· ·- --· · •• • Termómetro ,

· · • · • • • · • • Tubo de vidrio

• · • · - • -- • -" Espacio para la muestra

Figura 1: Esquema de un calorímetro para determinar el calor especifico por el método de mezcla.

Fuente: Alvarado, J. y Aguilera, J (2001)

B. Método eléctrico:

Ohlsson (1983) y Mohsenin (1980), citados por Lewis (1993) coinciden en señalar que la selección del método de medida debe hacerse de acuerdo con la composición de las muestras alimenticias y los requerimientos de medida. El método eléctrico está basado en el hecho de que se puede insertar un elemento eléctrico en un calorímetro que tiene un fluido de prueba, y medir la elevación de temperatura que ocurre por la aplicación de una corriente de intensidad y voltaje conocidos, por un tiempo determinado.

Consiste en un recipiente aislado térmicamente que contiene una masa conocida de muestra; la resistencia eléctrica para el calentamiento es sumergida en el producto, los terminales de la resistencia son a su vez conectados en serie con un reóstato y con un amperímetro, y en paralelo con un voltímetro, hacia una fuente de corriente continua. Un esquema del equipo se muestra en la figura 2.

El método eléctrico está basado en el hecho en que se puede insertar un elemento eléctrico en un calorímetro que tiene un elemento de prueba, y medir la elevación de temperatura que ocurre por una por la aplicación de una corriente de intensidad y voltaje conocidos, por un tiempo determinado.

(32)

~quipo pana rctrlatro de la temporat\.lt'-0

~: 1ormocup:"as

~~

• • • • • • • • • · Al&laml•ruo do lana do vlcklo ... • • .. · • ... -... Pat""od extet'Jo,. d.ol termo

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• · • • • • ·- • • • Re1JIS1e,.cta etoctrlca

• • • • • • • • • • Tubo ele vi<Jrlo

• • • • • • • • • • • Espacio paro la muoaba

Figura 2. Esquema del calorímetro de resistencia eléctrica Fuente: Alvarado, J. (2001)

Las pérdidas de calor pueden ser determinadas enfriando el líquido de una temperatura inferior a la del ambiente, luego se conecta la energía eléctrica hasta que la temperatura del fluido alcance un valor sobre la temperatura del ambiente, de tal forma que las diferencias de temperatura por debajo y por encima de la temperatura del ambiente sean iguales. En este caso:

(14)

Donde Y es el voltaje, 1 la intensidad de corriente, mm y me son las masas respectivas de la muestra y del calorímetro, Cm y Cp son Jos calores específicos de la muestra y del calorímetro.

C. Calorímetro diferencial de barrido (DSC)

El calorímetro diferencial de barrido (DSC), que informa del caudal de calor en función de la temperatura, es una herramienta excelente de medición de la dependencia con la temperatura del calor específico y de las transiciones de fase. La medición se realiza por calentamiento de una muestra a una velocidad fija y conocida, una vez obtenido el equilibrio dinámico de calentamiento, se registra el caudal de calor en función de la temperatura. Este caudal de calor es proporcional al calor específico ·de

-17-

(33)

la muestra. En este método, el primer barrido se lleva a cabo con una bandeja vacía de muestra para obtener la línea de base. A continuación, se pesa la muestra y se coloca dentro de la bandeja en el receptáculo del calorímetro de entrada de calor frente a la temperatura (figura 3). La desviación del termograma respecto de la línea de base es proporcional a la velocidad diferencial de entrada de energía (dH/dt) requerida para mantener la muestra a la misma temperatura que la bandeja de referencia (Mohsenin, 1980).

El método

ose

ofrece varias ventajas. Se utiliza una pequeña muestra (10 - 20 mg) que minimiza el retraso térmico dentro del sistema. Es bastante adecuado para mediciones calorimétricas puesto que la muestra y la referencia se colocan en calentadores individuales, lo que permite que la determinación se lleve a cabo sin diferencia de temperaturas entre la muestra y la referencia (figura 4). De este modo, la constante de calibración para el instrumento es independiente de la temperatura y la diferencia del caudal de calor a la muestra y a la referencia con el fin de mantener una temperatura igual se puede medir directamente .

..

^~

e

^stándar

- - ^..

_A~_.

d'

...,.;.. M uestra

.. . .

'r-

..

d

L ioea de base

. ~ . -~

... "

;t Temperatura (°C)

Figura 3: Termo grama para la determinación del calor específico mediante

ose

Fuente: Sahin, S. & Sumnu, S. (2009)

(34)

Muestra Sondas de temperatura Bandeja de .referencia

Calentadores individuales

Or~enador (registra la terriperatu.ra y regula él caudal de calor) Figura 4: representación esquemática del sistema OSe

Fuente: Sahin, S. & Sumnu, S. (2009)

De los tres métodos de determinación de calor especifico mencionados podemos ver que, el método de mezclas el equipo es fácil de construir y adquirir más se necesita una considerable muestra y tiempo para hallar el calor especifico de un alimento, en el método eléctrico el equipo no es muy difícil de construir, se necesita una considerable cantidad de muestra pero el tiempo es corto por cada análisis, en el método ose el equipo es difícil de conseguir ya que su costo es elevado, se necesita una pequeña cantidad de muestra y el tiempo también es corto para cada análisis.

2.2.4. Factores que afectan al calor específico

Los alimentos son predominantemente líquidos y sólidos; según la definición del calor especifico es dependiente de la temperatura; sin embargo para cálculos de ingeniería, estas variaciones son mínimas en especial en los estados físicos indicados, y se utilizan valor promedio de calor específico para el intervalo de temperaturas de interés (Aivarado, 2001).

El calor específico depende de la naturaleza del proceso de adición de calor en términos tanto de proceso a presión constante como de un proceso a volumen constante. Sin embargo debido a que los calores específicos de los sólidos y de los líquidos, no dependen mucho de la presión, excepto para presiones extremadamente elevados y debido a que los cambios de presión

- 19-

'·

(35)

en los problemas de transmisión de calor de los materiales agrícolas son usualmente pequeños, se considera el calor especifico a presión constante (Mohsenin, 1980).

El calor específico de los productos alimentarios depende mucho de su composición. Conociendo el calor específico de cada componente de una mezcla usualmente es suficiente para predecir el calor específico de la mezcla

2.2.5. Importancia del calor específico en la ingeniería

La importancia de conocer el calor específico de una sustancia es para saber la cantidad de calor que se debe suministrar o eliminar para procesos de calentamiento o enfriamiento.

Q

= (m

^X^Cp^X^LlT) ⁽¹⁵⁾

Cuando se habla de la eficacia de calentamiento o enfriamiento (las cantidades totales de energía) pueden ser obtenidas por integración:

Q

=

fCP X dT (16)

Es aplicable a lo que se conoce como variaciones de calor sensible (aquel que produce cambios de temperatura), es decir, los cambios de energía que pueden detectarse por una variación de temperatura. Las variaciones de calor latente que suponen cambios de fase son la conversión del agua en hielo, reacciones de cristalización, vaporización del agua, condensación del vapor, sublimación del hielo y las operaciones de liofilización.

2.2.6. Datos de calor específico en el envasado y conservación de frutas y verduras.

Alvarado (2001) señala que la humedad de los jugos es muy alta, del orden del 90 % con límites que van desde el 75 % en jugos de plátanos y capulí, hasta 95 % en jugos de melón, sandía y tomate. Existe variación en el contenido de agua por diversos factores como la especie, la variedad, el grado de maduración del producto, el origen y las condiciones climáticas, entre los más importantes; sin embargo, estas variaciones producen cambios pequeños en los valores de la propiedad térmica. Las variaciones en la humedad observadas en una misma especie por los factores señalados, con

(36)

relación a la humedad en estado natural son pequeñas, en muchos caos entre

± 5 % del valor promedio indicado en las tablas de composición de alimentos.

Para el caso de pulpas con diferente contenido de agua o deshidratada, Alvarado (2001) presentó la ecuación siguiente para calcular el calor específico (kJ/kg.K) en un intervalo muy amplio de humedad, desde pulpa totalmente deshidratada hasta con contenidos de agua próximos a 100 (g/1 00 g de producto):

lnCP

=

0,445

+

0,009446h ⁽¹⁷⁾

En la tabla 3 presentamos el calor específico de alimentos y productos del procesado de alimentos.

En la tabla 4 presentamos datos del calor específico determinados en pulpa y jugo filtrado de algunas frutas y verduras comunes, se incluyen los datos de humedad correspondientes al estado natural de los productos en el momento de la cosecha.

Tabla 3: Calor especifico de algunos alimentos y productos del procesado de alimentos

Calor Calor especifico Alimento Temperatura especifico (kcal kg-¹K-¹⁾^o

(kJ kg-¹K-¹) Btu lb-¹degF-¹

Agua 15°C 4,18 1;000

Aceite de maíz 20

oc

1,73 0,414

Aceite de

o oc

girasol 1,86 0,446

Aceite de

20

oc

girasol 1,93 0,460

Manzanas

(84,1% de Por encima del punto

3,59 0,860

de congelación humedad)

Manzanas

(84,1% de Por debajo del punto

1,88 0,45

de congelación humedad)

-21-

(37)

---

Patatas

3,43 0,82

humedad) de congelación Patatas

1,80 0,43

humedad) de congelación Patatas secas

(10,9% de 1,85 0,443

humedad) Leche

3,89 0,930

humedad) de congelación Leche

2,05 0,490

humedad) de congelación Fuente: (Lew1s, 2000).

Tabla 4: Datos de calor específico en pulpas y jugos de vegetales.

-- -·-

Pulpa Jugo

Producto Humedad Calor Humedad Calor

(%) específico(kJ/kg. K) (%) específico(kJ/kg. K)

Fresa 92.0 3,820 93,1 4,030

Mango 76,5 3,350 81,0 3,680

Manzana 87,6 3,660 88,0 3,750

Naranja 83,1 3,530 86,2 3,640

Piña 84,7 3,480 88,9 3,510

Tomate 94,5 3,930 95,4 4,020

Fuente: Alvarado (2001)

2.3. Antecedentes de la Investigación

Martins, A. et al. (2006) en su trabajo de investigación determinó el calor especifico del ciruelo amarillo mediante reemplazo de la fórmula Ce=~.

p.a

donde k: conductividad térmica; p: densidad y a: difusividad térmica. Estos datos

(38)

fueron hallados en su trabajo de investigación y reemplazados en la fórmula para poder hallar los valores de calor específico que fueron:

Tabla 5: Calor especifico a diferentes concentraciones y a 2 temperaturas del ciruelo amarillo.

- ^{" '}-- ^.-.- ^---- - -· .. -- ^··r-·• ·-

T Concentración(oBrix)

CC) 8,8 17,6 22,0 27,4 32,9 38,9 44,7 49,4

9,3 4,109 3,637 3,299 3,408 3,231 2,945 2,779 2,584 Calor 2,965 2,817 2,602 especifico 22,1 3,855 3,776 3,592 3,226 3,160

(kJ/kgK) Fuente: Martlns, A. et al. (2006)

Mientras que Zainal, B et al. (2000) en su trabajo de investigación donde usaron un calorímetro de barrido diferencial para poder determinar los efectos de la temperatura en las propiedades físicas del jugo de guayaba rosa a dos diferentes concentraciones determino 2 ecuaciones de calor específico en función de la temperatura a 2 diferentes concentraciones las cuales fueron:

A 9°Brix: Ce=2,5536T + 3366,2 con R²=0,9464y a 11 oBrix: Ce=0,807T +3473,2 con R²=0,9596; de estas ecuaciones se puede determinar por reemplazo en las ecuaciones el calor específico a 17°C que es la temperatura a la cual se trabajó en esta investigación, encontrando así que el calor especifico a 9°Brix es 3,409 kJ.kg-¹K-¹y a 11 oBrix es 3,486 kJ.kg-¹K-¹^.

También Domeneghini, M. et al. (2011) determino la capacidad calorífica del equipo que utilizo siendo este 124,5±11 ,6 JK-¹^,teniendo este dato determino el calor especifico del arándano a una temperatura de 311 K (38°C) de una concentración de 14,24°Brix siendo 4,050 ± 79,5 kJ.kg-¹K-¹ y a una concentración de 16°Brix fue de 3,720 ± 120,6 kJ.kg-¹K-¹^.

Coimbra, J. et al. (2006) en su trabajo de investigación menciona que el contenido de agua es el influyente sobre el calor especifico así como también lo es el porcentaje de solidos solubles y esto es notado en su trabajo sobre la densidad, el calor específico y conductividad térmica de los productos de huevo líquido que toman en cuenta el contenido de agua y esto es porque mencionaron la ecuación propuesta por Fikin y Fikin (1999) la cual relaciona el calor específico frente a la influencia de temperatura (T) y fracción másica del contenido de agua 0Nw), esta ecuación es: Ce= 0,668±0,0792 + 0,005±0,0001

-23-

(39)

T + 2,4429±0,0268 Ww , obteniendo a 291 K para las fracciones de 0,518;

0,591; 0,664; 0,736; 0,809 y 0,882 los siguientes calores específicos: 2,664;

2,841; 3,204; 3,382 y 3,552 kJ.kg-¹.K·¹respectivamente.

Es así que también existen estudios donde relacionan el calor específico frente a la temperatura y la fracción másica del contenido de agua como es la investigación titulada Propiedades termo físicas del jugo de naranja de Brasil y como es afectada por la temperatura y el contenido de agua realizado por Telis-Romero, J. et al. (1998), quien determinó una ecuación para poder calcular el calor especifico el cual es: Cp=1424,34 + 2673,19 Xw + 2,446 T, mediante esta ecuación pudieron realizar la siguiente figura 5:

3 D ) _...

. -

^..

. -·

3«D

p:m>

^....

^···

~3m

^...

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^~"'^..^-··

^...

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^..

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^T=OS'C

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o

^T=Ef'C

izn

^~^V

₊

^T=1é'C^T=~T=..d'C

X T=s:J>c

3CD

•

^T=m'C

z:lX)

03 04 05 Q6 07 08

V\tderoontent. yW(wlw)

Figura 5: Influencia de la fracción másica del agua y la temperatura en el calor específico del jugo de naranja de Brasil.

Fuente: Telis-Romero, J. et al. (1998)

También tenemos la investigación propuesta por Giralda, G. et al. (2010) quienes determinaron las propiedades termo físicas del jugo de lulo a temperaturas por encima del punto de congelación y determinaron la siguiente ecuación: Cp=1464,88- 483,82 Xw- 0,47T, del cual pudieron obtener la figura 6. Y mencionaron que al variación del calor especifico se ve afectado en mayor grado por el contenido de agua que por la temperatura.

(40)

g-

~ !::::::::

o <...>

~

....

5}-

....

...

...9 _«<

u

4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800

0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 o, 75 0,80 0,85 0,90 0,95 Fracción mást.ca de agua (kgasua/k~ugo)

- 4 oc ^Cl 10,3 oc • 19,8 oc o 28,8 oc • ·40,4 oc

,6. 54,6 oc • 65,6 oc v 78,8 oc ---· Predicción de ec. (6)

Figura 6: Influencia de la fracción másica del agua y la temperatura en el calor específico del jugo de lulo.

Fuente: Giralda, G. et al. (2010)

-25-

(41)

111. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1. LUGAR DE EJECUCIÓN.

La presente investigación, se realizó en los laboratorios de ciencia e ingeniería de alimentos de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias de la Universidad Nacional del centro del Perú y en el laboratorio de ciencia del I.S.T.P. "Santiago Antúnez de Mayolo" - Palian

3.2. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

3.2.1. Materia prima

Se utilizó dos frutos: Naranja (Cítrus sinensis) variedad Valencia y Piña (Ananas Comosus) variedad Hawaiana, los dos en estado maduro obtenidos en el mercado mayorista de Huancayo.

3.2.2. Materiales de vidrio

• Varillas

• Embudo de vidrio

• Placas Petri

• Vasos precipitados 250, 500 y 1000L.

• Crisoles de porcelana

• Termómetro de O a 150°C.

• Campanas desecadoras

• Pizeta

3.2.3. Equipos e instrumentos de laboratorio

• Equipo de Soxhlet.

• Equipo Kjendhal

• Refractómetro (O - 80°8rix) marca Hanna

(42)

• Baño maría

• Balanza analítica: Marca OHAUS, Capacidad 4 mg- 210g (d

=

^{0,1 g)}

• Balanza analítica: Marca OHAUS, Capacidad O g- 6000g (d

=

^{1 g)}

• Mufla: modelo KA44-13, Voltaje 220 v, temperatura máxima 1200°C.

• Bomba vacío: modelo VE-11, voltaje 220 v, Amperio 1,4

• Rota vapor: marca Buchi, modelo R-200/205, voltaje 220v, velocidad de rotación 20-280 rpm.

• Autoclave: modelo KA44-22, temperatura máxima 125

oc.

voltaje 220v, Potencia: 3 kW

• Secador: modelo KA44-1 O, voltaje 220v, watt 1500 w, temperatura máxima 200°C.

• Exprimidor de cítricos: marca lmaco, modelo CP807, voltaje 220v, potencia.

20W

A. Calorímetro adiabático (Anexo )

~ Termómetro digital de -50°C a 300°C precisión 0,1°C

~ Termocupla tipo TP-K02 para líquido o gel.

~ Termocupla tipo TP-K03 de contacto para superficie de contacto

~ Voltímetro de corriente continua de precisión 0,01 V

~ Amperímetro de precisión 0,01 A

~ Recipiente adiabático de 1,25 L con aislamiento térmico de poliuretano.

3.2.4. Otros

• Cuchillos

• Recipiente de acero

• Colador

•

^Cuchara

•

Licuadora domestica

•

^Colador

•

Recipientes de vidrio 700 mL

•

Papel filtro de 42g .

•

Papel metálico

3.2.5. Reactivos

• Hexano

• Ácido sulfúrico puro

-27-

(43)

• Catalizador(sulfato de cobre, sulfato de potasio, selenio metálico)

• Hidróxido de sodio como solución saturada al 50%

• indicador (Rojo de metilo, verde bromocresol, ácido bórico)

• ácido clorhídrico O, 1 N

• ácido sulfúrico 1,25%

• Hidróxido de sodio 1 ,25%

3.3. MÉTODOS

3.3.1. Análisis de la materia prima

Se realizó el análisis químico-proximal recomendado por la A.O.A.C. (2000) y se determinó humedad, proteína, grasa total, fibra cruda, ceniza y carbohidratos.

3.3.2. Determinación de sólidos solubles

Se utilizó el procedimiento recomendado por la A.O.A.C. (2000). Se midió en la pulpa natural y en la pulpa concentrada de piña y en el zumo concentrado de naranja.

3.3.3. Descripción del proceso de elaboración de la pulpa concentrada de piña En la figura 7, se presenta el diagrama de flujo para la obtención de pulpa concentrada de piña.

a. Selección

Se seleccionó los frutos maduros de piña luego se eliminó la fruta deteriorada y otros componentes extraños.

b. Lavado

Se realizó con agua en inmersión, se desinfecto con hipoclorito 5 ppm y se enjuago con abundante agua.

c. Pelado, cortado y extracción del corazón

El pelado se realizó con un cuchillo eliminando la cáscara de la piña, los ojos de la cascara y el corazón para luego ser picada y pulpeada.

d. Escaldado

Se realizó con agua en ebullición por 1 minuto, sumergiendo los trozos.

(44)

e. Pulpeado

Se realizó en una licuadora doméstica.

f. Envasado

Se realizó en frascos de vidrio para su respectivo tratamiento térmico.

g. Tratamiento térmico

Se realizó en una autoclave a 70 o

e

^{± 3}^oC por 15 minutos, para poder evitar la contaminación de microorganismos.

h. Almacenado

Luego del tratamiento térmico se almaceno para luego concentrarlo

i. Concentrado

Se realizó en un rotavapor a una temperatura de 40 - 45°C a una presión de vacío, concentrando así la pulpa a 15, 20, 24 y 28 °8rix.

j. Envasado

Se envaso en frascos de vidrio para su utilización en las próximas pruebas.

k. Almacenado

Se realizó a temperaturas de 3-4

oc

para evitar cualquier alteración organoléptica de las pulpas concentradas.

- 29-

(45)

MATERIA PRIMA SELECCION •

•

Agua con Hipoclorito

LAVADO PELADO Y •

CORTADO

• ESCALDADO

• PULPEADO

•

Envases de vidrio

ENVASADO TRATAMIENTO •

TERMICO

-.

ALMACENADO

• CONCENTRADO

• ENVASADO

• ALMACENADO

- Fruto verde y maduro - Frutos deteriorados

En agua a ebullición por40-60 s

T= 70 ± 3 oc x 15 min

3-4 oc

15,20,24,28 oBrix T= 40-45°C

P=AI vacío

3-4 oc

Figura 7: Obtención de la pulpa de piña a diferentes concentraciones.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ