INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
CINÉTICA DEL TOSTADO
DE CAFÉ UTILIZANDO UN HORNO DE MICROONDAS
ASESOR:
M. EN C. ALFREDO GARCIA DE LA CRUZ
T E S I S
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL PRESENTA:
YANELY CECILIA FLORES ISLAS
ESTA TESIS ESTA DEDICADA CON TODO CARIÑO Y GRATIFICACIÓN:
A MIS PADRES Quienes con sabiduria han logrado conjugar la energía con la perseverancia y la fe, con el entusiasmo para impulsar mis pasos
A MI HERMANA Irma Lizzett por su compañía y disposición
en todo momento quien con cariño y comprensión ha alentado mis esfuerzos y por la gratificación de serlo
A MIS HERMANOS Mario Alberto y Jorge Luis quienes
con cariño, comprensión y cuyos ejemplos han alentado mis esfuerzos
y por la gratificación de serlo.
A quienes me alentaron, en todo
momento, amigos, compañeros y maestros cuando las cosas salían mal y creyeron en mí.
A mis profesores quienes con su dedicación y sabiduría me han formado y alentado a continuar el camino arduo que conlleva el estudio y la preparación.
A mi asesor el M. en C. Alfredo García de la Cruz por su asesoría, dedicación, comprensión,
y por su amplio conocimiento en el tema, quien ha sido una persona fundamental para desarrollo de esta tesis.
A la M. en C. Maria del Rosario Dávalos Gutiérrez por su apoyo, entusiasmó y motivación durante el desarrollo de esta tesis.
CONTENIDO
. Pág.
Índice Resumen
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I- GENERALIDADES
1.1 Antecedentes 4
1.2 Descripción Física del Cafeto 4
1.3 Composición Química del Café 6
1.4 Terminología de Catación 7
1.5 Principales Productores del Café en México 8
1.6 Tipos de Café en México 12
1.7 Proceso general de Obtención del Café 12
1.7.1 Beneficio Húmedo 14
1.7.1.1 Despulpado 14
1.7.1.2 Fermentación 14
1.7.2 Beneficio Seco 15
1.7.2.1 Morteado 15
1.7.3 Lavado 15
1.7.4 Secado 15
1.7.4.1 Secado Tradicional 16
1.7.4.2 Secado Mecánico 16
1.7.5 Clasificación 16
1.7.6 Almacenamiento 16
1.7.7 Torrefacción 17
1.7.8 Descafeinización 18
1.7.9 Solubilización 18
1.8 Microondas 19
1.9 Velocidad del Secado 23
1.10 Secado 24
1.11 Cinética de Secado 27
1.11.1 Modelos cinéticos 27
1.12 Secado por Microondas 30
CAPÍTULO II- MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materia Prima 37
2.2 Métodos 37
2.2.1 Determinación de sólidos totales 37
2.2.2 Determinación de la humedad inicial y final 37
2.3 Equipo 38
CAPÍTULO III- EXPERIMENTACIÓN
3.1 Procedimiento Experimental 40
CAPITULO IV- ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 Experimentos Preliminares 42
4.2 Experimentos 42
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES 54
BIBLIOGRAFÍA 55
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA TÍTULO Pág.
1.1 Arbusto de café. 5
1.2 Hojas del café. 5
1.3 Polinización del cafeto 5
1.4 Maduración del café cereza 5
1.5 Corte de un fruto de café 6
1.6 Principales productores mundiales de café 8 1.7 Las principales regiones productoras de café en México 10 1.8 Diagrama de bloques del proceso general de obtención de
café.
13
1.9 Corte trasversal del magnetrón. 20
1.10 Ánodo. 20
1.11 Cinética de secado. 24
1.12 Curva típica de rapidez de secado, condiciones de secado constantes.
24 2.1 Proceso de tostado de café por microondas. 37
4.1 Gráfica obtenida del experimento 9. 43
4.2 Gráfica obtenida del experimento 10. 43
4.3 Gráfica obtenida del experimento 11. 44
4.4 Gráfica obtenida del experimento 12. 44
4.5 Gráfica obtenida del experimento 13. 45
4.6 Café tostado en forma tradicional. 46
4.7 Café tostado en las condiciones del experimento 9. 46 4.8 Café tostado en las condiciones del experimento 10. 46 4.9 Café tostado en las condiciones del experimento 11. 47 4.10 Café tostado en las condiciones del experimento 12. 47 4.11 Café tostado en las condiciones del experimento 13. 47 4.12 Gráfica de contenido de humedad vs. tiempo a diferentes
niveles de potencia y con el mismo intervalo de tiempo (30 s).
49 4.13 Gráfica de contenido de humedad vs. tiempo a diferentes
niveles de potencia y con el mismo intervalo de tiempo (40 s).
49 4.14 Gráfica de velocidad de secado vs. tiempo para las
condiciones de nivel de potencia del 80% e intervalos de tiempo de 30 s.
50
4.15 Gráfica de velocidad de secado vs. tiempo para las condiciones de nivel de potencia del 90% e intervalos de tiempo de 30 s.
51
4.16 Gráfica de velocidad de secado vs. tiempo para las condiciones de nivel de potencia del 70% e intervalos de tiempo de 40 s.
51
4.17 Gráfica de velocidad de secado vs. tiempo para las condiciones de nivel de potencia del 80% e intervalos de tiempo de 40 s.
52
4.18 Gráfica de velocidad de secado vs. tiempo para las condiciones de nivel de potencia del 90% e intervalos de tiempo de 40 s.
52
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA TÍTULO Pág.
1.1 Estados productores de café en la republica Mexicana. 11 1.2 Modelos matemáticos dados por varios autores para curvas
de secado.
28 2.1 Características del horno de microondas utilizado. 38 4.1 Coeficientes de regresión y ecuaciones generadas. 42
RESUMEN
Se realizaron 2 experimentos preliminares en un horno de microondas de 700 Watts (100 % de potencia) y dos diferentes intervalos de tiempo, concluyendo que dicha potencia no era la adecuada para este tipo de secado.
Con las observaciones anteriores se decidió modificar el porcentaje de la potencia y los intervalos de tiempo operando el horno de microondas tipo pulso, para ello se realizaron 26 experimentos obteniendo los mejores resultados en los experimentos del 9 al 13.
Para las gráficas de cinética obtenidas se utilizó el software Origin versión 7.0 para realizarlas y su respectivo ajuste ya que ellas tienen la tendencia de una curva asintótica decreciente y cuyos coeficientes de regresión fueron en el intervalo de 0.9934 a 0.9989.
INTRODUCCIÓN.
La vida moderna, requiere menos tiempo para la elaboración de nuestros alimentos, es por eso que hoy en día se encuentren en los supermercados una gran variedad de alimentos preparados, congelados, etc. Y también algunos ingredientes para dicha elaboración que han sufrido algún tratamiento para su conservación.
La mayoría de los alimentos son sensibles al calor. El uso de un sistema de secado inadecuado no solamente deteriora el buen aroma y sabor original en los alimentos. Por lo tanto, es importante seleccionar una operación de secado propia basada en las propiedades físicas y químicas del alimento como materia prima para producir un alimento de alta calidad. Por supuesto, la corrida y el costo inicial requerido para el secado, así como la calidad, es un factor importante (Kneule, 1976).
La calidad de los productos alimenticios y el costo de su elaboración son los factores más importantes a ser considerados cuando se escoge un método de preservación de alimentos.
Existen muchos métodos de conservación de alimentos, tales como refrigeración, secado, liofilización, evaporación y deshidratación osmótica, que son empleados de acuerdo con las características y aplicaciones del producto final.
Los problemas más serios en la deshidratación de materiales alimenticios son causados por la dificultad de remoción del agua de alimentos debido al aumento en la viscosidad del material en las etapas que anteceden a los procesos de deshidratación.
Los objetivos del trabajo son los siguientes:
Objetivo General:
Estudiar la cinética del proceso de secado-tostado de café utilizando diferentes intervalos de tiempo y diferentes potencias de microondas.
Objetivos Específicos:
Obtener un tostado uniforme en los granos del café.
Obtener las mejores condiciones de operación (tiempo de tostado y potencia del horno) conservando las características del tostado tradicional del café.
Obtener una humedad menor al 2.5% en el producto final.
1. GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
El uso del café es muy antiguo, después de su descubrimiento en Arabia en el siglo XIII, otros países orientales empezaron a cultivar la planta de café.
Se importó en el siglo XV de Persia a Adén, después a Abisinia y finalmente a Constantinopla en el siglo XVI. Se introdujo en Europa en el año 1570 (Diccionario Enciclopédico Quillet, 1976). A fínales del siglo XVII fue importado a Indonesia, posteriormente en el año 1714 se introduce al continente americano y algunos años más tarde a Brasil de donde en el siglo XVIII se extendió al resto del continente incluyendo México procedente de Antillas en el año de 1790 [1].
Fue en el estado de Morelos la primera plantación del primer cafeto en nuestropaís no tuvo lugar en Córdoba ni en otros sitios del estado de Veracruz, como se cree, sino fue en el actual estado de Morelos, en las haciendas de San Diego de Barreto y Nuestra Señora del Rosario de Xochimancas donde estas tierras dieron el sustento a su cultivo. El responsable de tan trascendental hazaña fue el español Jaimes Salvet, tenaz agricultor que se encargó de traer el mejor café de Cuba, bajo la supervisión de expertos cafetaleros de la Isla Antillana (Lo mejor del café, 2007a), posteriormente fue cultivado en los estados de Veracruz, Michoacán y Oaxaca (Enciclopedia Juvenil Glorier, 1983).
1.2 DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL CAFETO
Con el nombre de Café se designa las semillas de las plantas del género Coffea (Hans y Werner, 1992). El árbol de café pertenece a la familia de las Rubiáceas. Según la especie, alcanza alturas de 3 a 12 m. Para facilitar la recolección, se dirige su desarrollo de manera que adopte la forma de arbusto de 2 a 2.5 m (Hans y Werner, 1992), como se muestra en la Figura 1.1, tiene hojas correosas perennes (Figura1.2); que fácilmente se doblegan y extienden sin romperse (Diccionario Enciclopédico Quillet, 1976), el color de las hojas
varia de acuerdo a la etapa de crecimiento de amarillo a cobre cuando germina, verde claro cuando es joven, verde oscuro en su madurez [2].
Figura 1.1. Arbusto de café. Figura 1.2. Hojas del cafeto.
Posee un peciolo corto (pezón de la hoja); sus flores son blancas, de olor parecido al jazmín, florecen en grupos de 8 a15 ramos, la flor vive solo lo suficiente para el proceso de polinización (Figura 1.3) y comienza la gestación que dura cerca de 7 meses y a partir de ellas se forman frutos en drupa (pericarpio carnoso de ciertos frutos) semejantes a la cereza, de 1.5 cm. de diámetro aproximadamente como se muestra en la Figura. 1.4 (Hans y Werner, 1992).
Figura1.3. Polinización del cafeto Figura 1.4. Maduración del café cereza.
Para el próspero desarrollo del árbol de café están particularmente indicados los territorios tropicales de mediana altitud (temperaturas medias anuales entre 15 y 25 ºC, de 600 a 1200 m sobre el nivel del mar) (Hans y Werner, 1992). Los cultivadores prefieren la pendiente suave de una colina o montaña a unos 610 m sobre el nivel del mar, donde la temperatura es más baja y los granos de café tienen aroma más suave que los de los cafetos situados a altitudes menores (Enciclopedia Juvenil Glorier, 1983).
En la Figura 1.5, se muestra un corte del fruto al principio es verde, se colorea luego de rojo o violeta al madurar y contienen en su pulpa dulce (mesocarpo) dos semillas que contactan con su cara lisa. Exhiben un surco, están envueltas por una membrana amarillenta, transparente y solidamente adherida (tegumento) y luego recubiertas por una capa córnea o apergaminada que es el endocarpio, bien desarrollado (Hans y Werner, 1992).
Figura 1.5 Corte de un fruto de café.
1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CAFÉ
El café tiene como principales componentes:
Carbohidratos: Constituyen gran parte del café, contiene sacarosa. Con el tueste se despolimerizan reduciéndose su importancia nutritiva.
Lípidos: contiene de 8 a 15% de un aceite formado por ácidos grasos libres y triglicéridos.
Ácidos grasos: El ácido clorogénico es el principal constituyente soluble del café y se encuentra en mayor cantidad en la cafeína. Representa el 4% del peso del grano tostado y dos terceras partes de los ácidos. Varios ácidos son volátiles y forman parte del aroma, tal es el caso del ácido acético.
Compuestos nitrogenados: Se incluyen proteínas, aminoácidos y diversos alcaloides que al tostarse se pierden o reaccionan para formar compuestos volátiles. El alcaloide más abundante es la cafeína y más aún en la especie robusta. Los alcaloides que se encuentran en el café tostado son la leucina, el ácido aspártico y el ácido glutámico.
Vitaminas y minerales: El café es rico en potasio, calcio, sodio, hierro, cromo y manganeso que influyen en las contracciones musculares, formación de los huesos y dientes, equilibrio del sistema nervioso y metabolismo de los carbohidratos y la actividad enzimática celular. Además de la vitamina E y niacina que actúa sobre el sistema nervioso, el café tostado contiene un 1.2 % de cafeína un constituyente amargo que actúa como estimulante y diurético [3].
1.4 TERMINOLOGÍA DE CATACIÓN
La siguiente terminología es usada para la descripción del sabor de un café:
Acidez. Es la sensación fresca perceptible en las regiones laterales de la lengua, la cual da vida al café y no tiene nada que ver con la acidez que sentimos en nuestro estómago al ingerir ciertos alimentos o un mal café. La acidez cambia según la variedad de café, su origen y altitud.
Aroma. Es la fragancia que libera el grano en la bebida. A través de esta propiedad permite conocer el grado de frescura y personalidad sobresaliente.
Cuerpo. Es la impresión táctil de pesadez y espesor del café en la boca.
Sabor. Aunque no es posible definir con exactitud el sabor, se puede considerar que es la sensación combinada de acidez, aroma y cuerpo.
Resabio. Es la sensación última perceptible en el paladar después de que se ha bebido el café. La sensación de sabor que permanece una vez que el aroma se ha disfrutado y puede traernos recuerdos de madera, tabaco, nueces tostadas, chocolates, flores. Cada café dependiendo de la región de
cultivo y tueste, puede presentar un perfil específico de sabor (Revista del consumidor, Abril 2008).
1.5 PRINCIPALES PRODUCTORES DE CAFÉ EN MÉXICO
El café es uno de los productos de mayor índice de comercialización a nivel nacional e internacional, ya que este es uno de los productos agrícolas con mayor dinamismo comercial en todo el mundo, debido a la oferta (América y parte de Asia) y la demanda (Europa) [3].
El café es un producto tropical que se cultiva en las zonas montañosas.
En México tenemos una producción promedio de 4.2 millones de sacos de café verde y ocupa el séptimo lugar en la producción mundial, (Figura 1.6) con referencia a la zafra (2006/07). Cerca de un 60% de los pequeños productores son indígenas. Hay un aproximado de 400 mil productores de los cuales el 92%
son pequeños con extensiones de tierra menores a las 5 hectáreas. Es la base económica de 3.2 millones de personas y genera más de 700 mil empleos directos e indirectos en toda la cadena productiva [6].
PARTICIPACIÓN EN EL MERCADO INTERNACIONAL DE LOS PRINCIPALES PRODUCTORES DE CAFÉ
2006/07
GUATEMALA 3.0 % COLOMBIA 9.5 %
BRASIL 36.2 %
MÉXICO 3.3 %
VIETNAM 12.8 % COSTA RICA
1.5 %
PERÚ 2.7 % ETIOPÍA 4.3 %
HONDURAS 2.1 %
OTROS 13.7 % INDIA 3.7 %
UGANDA 1.8 % INDONESIA
5.5 %
Figura 1.6 Principales productores mundiales de café.
Actualmente se cultiva café en 12 estados de la República Mexicana en 398 municipios [1], caracterizados la mayoría de ellos por localizarse en zonas de difícil acceso, debido a eso algunos trabajos deben ser 100% en forma manual. Una gran población que vive en pobreza extrema, del cual el 66 % de los productores habla al menos una lengua indígena [1]. La mecanización en el campo de cultivo puede llegar solamente a algunas zonas productoras debido a que las superficies en donde se siembra no son planas [3].
Las condiciones agroecológicas donde se cultiva café son propias para la producción de cafés de calidad [3]. Al respecto, el 35% de la superficie de café está sembrada a una altitud superior a los 900 m sobre el nivel del mar donde se producen cafés de altura y estrictamente altura. El 43.5 % se encuentra a una altura entre los 600 y 900 m sobre el nivel del mar, con potencial para producir café con calidad de exportación y el restante 21.5 % de la superficie se encuentra por abajo de los 600 m sobre el nivel del mar donde generalmente se producen cafés de calidades inferiores [1].
El cultivo del café en México se divide en cuatro zonas (Figura 1.7).
- Las vertientes del Golfo de México: comprende los estados de San Luís Potosí, Querétaro, Hidalgo, Puebla, Veracruz, Norte de Oaxaca y Tabasco. Los cuales se caracterizan por una mejor distribución y mayor calidad de precipitación pluvial [3].
- La zona del Océano Pacífico: comprende los estados de Colima, Guerrero, Jalisco, Nayarit, y el poniente de Oaxaca. Estas cuentan con períodos largos de sequía, con invierno seco y caluroso, facilita la recolección y beneficio [3].
- La zona de Centro-Norte de Chiapas: ocupa gran parte del sur oriente del estado de Chiapas. Una de las características es la cantidad de precipitaciones al año [3].
- La zona del Soconusco: esta conformada por gran parte de Chiapas, en esta región se produce una parte importante del café orgánico que es
altamente demandada en los mercados de los Estados Unidos y Europa [3].
Entre los principales productores de café sobresale sin lugar a dudas el Estado de Chiapas con el 38.7 % ya que en el periodo de 1997 al 2007, México ha presentado un volumen promedio de producción de 565 a 655 mil toneladas, presentando una taza media anual del 1.5 %, le sigue el Estado de Veracruz con una participación promedio del 21 % para este mismo periodo, seguido de Puebla que aporta el 19 %; mientras que en el cuarto lugar se ubica Oaxaca con el 12.6 %, estos estados participan con el 91.3 % de la producción nacional de café (Tabla 1.1) [3].
Figura 1.7 Las principales regiones productoras de café en México.
Color de la zona en la Figura 1.7 Región o Zona Cafetalera Vertiente del Golfo de México
Vertiente del Océano Pacífico Región Soconusco
Región Centro Norte de Chiapas
Sin embargo la producción de café se da en otros estados como Nayarit, Guerrero, Hidalgo, San Luís Potosí, Jalisco, Colima, México, Morelos, Querétaro, Michoacán, Tabasco que participan con un promedio menor de producción [4].
Tabla 1.1 Estados productores de café en la República Mexicana.
ESTADO VOLUMEN DE
PRODUCCIÓN (Ton)
VOLUMEN DE PRODUCCIÓN EN
%
COLIMA 2,530 0.16656451
HIDALGO 41,701 2.74541767
JALISCO 4,453 0.29316671
ESTADO DE MÉXICO 2,041 0.13437082
MICHOACÁN 42 0.0027651
MORELOS 430 0.02830938
NAYARIT 18,048 1.18820407
QUERÉTARO 300 0.01975073
SAN LUÍS POTOSÍ 15,927 1.04856639
TABASCO 820 0.05398534
GUERRERO 48,468 3.19092836
PUEBLA 286,780 18.8803836
VERACRUZ 318,061 20.9397925
OAXACA 191,304 12.5946472
CHIAPAS 588,026 38.7131476
TOTAL 1,518,931 100
[4]
En cuanto a la superficie cosechada ésta, tiene un comportamiento estable y se ha asociado alrededor de las 7 mil hectáreas, con una tasa media de crecimiento anual del 1 % [3].
El estado con un crecimiento más dinámico es Guerrero que ha aumentado la superficie cosechada en un 3.8 %. Chiapas por su parte ha
mostrado un decrecimiento de la superficie que puede deberse principalmente a los trastornos causados por el clima en los recientes años [3].
1.6 TIPOS DE CAFÉ EN MÉXICO
Las principales especies de arbusto del cafeto que se cultivan en México son:
- Coffea arábiga ( café arábiga) - Coffea Canephora (café robusta)
Actualmente en México se produce un 96 % de café arábiga y un 4 % de café robusta. El café arábiga tiene mayor valor en los mercados nacional e internacional. Produce una bebida suave, con gran aroma y acidez y un cuerpo mediano, agradable bouquet exquisito sabor. Cada una de sus variedades confiere a la taza características diferentes. Algunas de las variedades de esta especie son: typica, bourbon y mundo novo.
El café robusta se considera de menor calidad produce una bebida con poco aroma y sabor, y mucho cuerpo. Un café arábiga tostado contiene menos cafeína que un robusta [1].
1.7 PROCESO GENERAL DE OBTENCIÓN DEL CAFÉ
El recorrido que sigue el café antes de llegar a la taza se inicia en el semillero donde la planta germina, continua su crecimiento en el vivero y luego pasa al terreno donde permanecerá el resto de su vida productiva, recibiendo atenciones especiales durante cada ciclo agrícola [3].
Los cultivos que se encuentran en una geografía y clima adecuados producen un grano uniforme en tamaño y color, determinado por su grado de madurez al ser cortado y procesado [7].
Corte o recolección de la cereza. Este se realiza a mano. Una cereza cortada prematuramente contiene alto grado de taninos que perjudican la bebida, una muy madura o pasada también es inadecuada [7]. Una vez recolectados es necesario eliminar la pulpa, lo que se realiza por dos procedimientos, benéfico húmedo y beneficio seco [3]. En la Figura 1.8, se muestra el diagrama a bloques del proceso general de obtención de café.
Figura 1.8 Diagrama de bloques del proceso general de obtención del café.
BENEFICIO HÚMEDO
SECADO
CLASIFICACIÓN
ALMACENADO BENEFICIO
SECO
EXPORTACIÓN
TOSTADO
DESCAFEINADO
SOLUBILIZACIÓN
1.7.1 BENEFICIO HÚMEDO
El beneficio húmedo se emplea exclusivamente para obtener cafés lavados. En esta fase se obtiene lo que llamamos café pergamino [6]. (Café pergamino beneficio húmedo, que convierte el café cereza en pergamino) [3].
1.7.1.1 DESPULPADO
Las bayas maduras (café cereza) se pasan por una maquinaria que está ajustada para arrancar la cáscara y la mayor parte de la carne sin dañar los granos dentro del término de 24 horas para evitar un posible sobrecalentamiento y el manchado del grano por la pulpa en putrefacción [5]. El grano al finalizar esta operación continua adherido al endocarpio y al tegumento (Hans y Werner, 1992).
1.7.1.2 FERMENTACIÓN
La semilla una vez despulpada pasa a los tanques rectangulares que cuentan con un fondo inclinado ligeramente hacia el extremo de la salida, su operación es un movimiento continuo lento de agua. Los granos se lavan periódicamente, el propósito de la fermentación es eliminar la pulpa que se adhiere a las cubiertas de los granos; la remoción del mucílago que consiste en quitar los restos de materia azucarada y proteica, esto se realiza a través de la fermentación en tanques de agua, la operación ordinaria tarda un aproximado de 18 a 24 h hasta que ya no sean pegajosos al tacto, en esta parte del proceso, el tiempo de fermentación depende de la madurez de los granos, ya que esta operación puede extenderse 12 h para completar la operación. El grano al finalizar esta operación tiene adherido el endocarpio [5].
Este proceso da como resultado el café suave que es el característico del café mexicano. La preparación húmeda es más cara, más moderna y habitual en el café arábigo, sobre todo en América central, Colombia y África (Hans y Werner, 1992).
1.7.2 BENEFICIO SECO
Los frutos recién recolectados se llevan a terrazas de desecación, en las que se extienden y dejan secar al sol en montones donde se deja fermentar por 3 a 4 días (Hans y Werner, 1992) hasta que las semillas se desprenden de la cáscara obteniendo con ello café bola, capulín o natural [6].
1.7.2.1 MORTEADO
Con máquinas descascarilladoras (tornillos sinfín cónicos) se retira la pulpa seca, el endocarpo y el tegumento (en lo posible) (Hans y Werner, 1992).
El resultado de este proceso es un café caracterizado por un sabor más astringente debido al tipo de fermentación que produjo. Este producto es considerado de menor calidad. Este proceso es poco utilizado en México.
En ambos procesos se obtiene el café sin lavar [3].
1.7.3 LAVADO
Los granos se lavan para que queden tan limpios como sea posible, por sedimentación se eliminan los granos que flotan, ésta separación se lleva a cabo en bateas o lavadoras mecánicas. Al terminar ésta operación el grano tiene sólo la capa del tegumento y han sido eliminados otros residuos que darían mal aspecto al pergamino [7].
1.7.4 SECADO
El secado del café se realiza para eliminar la humedad, debido a que el café lavado contiene alrededor de un 55 % de humedad, la que se debe reducir a un 13 % para almacenar el grano y mantener su viabilidad [5].
1.7.4.1 SECADO TRADICIONAL
El secado al sol es el secado tradicional, donde los granos húmedos se extienden en una superficie de concreto plana, regularmente sobre el suelo, los granos de café forman una capa delgada sobre la superficie y se mezclan ocasionalmente para darles un secado uniforme, ésta operación tarda alrededor de 8 a 10 días bajo el sol [5].
1.7.4.2 SECADO MECÁNICO
Esta operación se lleva ha cabo en secadores rotatorios, el cual consiste en pasar una corriente de aire de 80 a 85 ºC sobre los granos húmedos durante las primeras horas, después se mantiene a una temperatura constante de 75 °C. El secado mecánico se completa en un tiempo aproximado de 20 a 24 h [5].
1.7.5 CLASIFICACIÓN
Esta operación unitaria se lleva ha cabo en clasificadoras, donde la primera clasificación de los granos por forma y tamaño dependiendo, su destino que tiene un especificación de 6 mm para el café que se envía a Estados Unidos y de 7 mm para Europa [3]. La segunda clasificación se hace por peso y densidad, obteniéndose grano superior de primera y café de segunda. La tercera clasificación se realiza por densidad y forma, en esta se obtiene cuatro clases de café: superior de primera, de segunda, tercera y granza [5].
1.7.6 ALMACENAMIENTO
Los envases para almacenar el grano deben ser sacos limpios de 60 Kg.
y porosos para evitar la exudación de las semillas. Estos sacos deben estar etiquetados con la variedad, fecha, cantidad (peso) y procedencia, por ciento de germinación y por ciento de humedad de las semillas [5].
1.7.7 TORREFACCIÓN
La torrefacción consiste en tostar el café por medio de calor. Las técnicas usadas buscan un mínimo deterioro en la calidad del grano, tanto del aroma como en el sabor, así como al cuerpo final de la bebida.
Durante el tostado, se producen en la zona de los 200-250 ºC profundas transformaciones, caracterizadas exteriormente por un aumento de volumen del 50 al 80 %, modificaciones estructurales y del color, disminución del peso (mermas por tostado del 13 al 20 %) y especialmente por la formación de un aroma típico, que no existe en los granos crudos (aroma y sabor “a tostado”).
Simultáneamente, disminuye el peso específico desde 1.126 - 1.272 hasta 0.570 – 0.694. Los granos crudos son correosos, duros y difícilmente fragmentables, pero con el tostado se hacen quebradizos.
En el proceso de tostado se distinguen cuatro fases principales:
desecación, crecimiento, disgregación y tostado completo. Los primeros cambios se presentan a 50 ºC en las superficies de las capas exteriores;
después coagula la proteína y evapora el agua. Por encima de 100 ºC cambia la coloración del grano a pardo, debido a la descomposición térmica y a la pirolisis de los compuestos orgánicos acompañada de destilación seca.
Aproximadamente a los 150 ºC aparecen productos gaseosos (vapor de agua, bióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO)), donde adquiere tonalidades que van del pardo al marrón y está acompañado de un aumento de volumen (el grano “crece”) a 180-200 ºC se inicia la fase de descomposición, caracterizada por el estallido de los granos (ruptura del surco de la semilla con ruidos de crepitación y formación de grietas), producción de humo azulado y aparición de aroma del café donde por acción del calor se volatilizan, especialmente aminas, bases píridicas y quínoleocas. A continuación se alcanza, con óptima caramelización donde alcanza un color marrón oscuro, el estado de tostado completo, en el cual hace descender el contenido de humedad hasta1.5 a 3.5 % (Hans y Werner, 1992).
Una vez logrado el punto deseado, el café pasa de la tostadora a un plato de enfriamiento, que mediante un eficiente aspirador de aire logra bajarle la temperatura a niveles muy cercanos a los del ambiente (Lo mejor del café, 2007b).
La realización del tostado requiere de mucha práctica, habilidad y un cuidado especial a fin de lograr un tostado uniforme y una óptima producción del aroma, a la vez que se evitan las anomalías derivadas del tostado excesivo y requemado del café (Lo mejor del café, 2007b).
1.7.8 DESCAFEINIZACIÓN
La extracción de la cafeína al café verde se realiza por medio de tres diferentes procesos: a) solvente químico (benzol), donde el grano se somete al vapor para disolver la cafeína que se extrae bajo presión mediante el solvente.
El café queda de un color muy oscuro que lo hace parecer tostado, b) gas supercrítico (dióxido de carbono supercrítico), el gas a altas temperaturas se comporta como líquido y actúa como solvente; esto permite la separación de la cafeína, c) suizo acuoso (agua y carbón activado), sumergidos los granos en agua se mezclan con el carbón que remueve la cafeína. El grano queda de su mismo color verde original. Una vez tratado, este café puede seguir la vía del café tostado y molido o la vía del café soluble. La cafeína se utiliza en la medicina y como complemento de algunas bebidas [6].
1.7.9 SOLUBILIZACIÓN
El café verde pasa de la tolva al tostador, el café tostado se tritura y se deposita en una especie de percoladoras que se cierran herméticamente y se les pasa agua a altas temperaturas para que el agua vaya disolviendo las sustancias solubles del café, de aquí se obtiene un extracto que se pasa a través de un evaporador para eliminar agua y queda un extracto concentrado que contiene 60 por ciento de agua y 40 por ciento de solubles. Después se elimina el resto del agua con un equipo de secado con corrientes de aire hasta
de 260 °C. El agua se evapora y nos quedan unas esferas que se granulan para obtener el café soluble granulado [6].
1.8- MICROONDAS
Las microondas se encuentran entre la radiación infrarroja y las ondas de radio, la frecuencia para la cocción de alimentos en los hornos de microondas es de 2.4 a 2.4853 GHz es particularmente útil en el calentamiento por microondas en hornos domésticos (Miranda y colaboradores, 2002).
En algunas aplicaciones industriales también es muy común utilizar hornos que emiten frecuencias más bajas, generalmente de 915 MHz. A estas frecuencias es posible calentar de forma más homogénea productos de grandes dimensiones (Miranda y colaboradores, 2002).
En un horno de microondas, la microonda es generada por un magnetrón (Figura 1.9), el cual es un cilindro hueco encerrado en un imán con forma de herradura. En el centro del cilindro hay una barra como cátodo. Las paredes del cilindro tienen la función de ánodo (Figura 1.10). Cuando se calienta el cátodo emiten electrones que viajan hacia él ánodo. El campo magnético obliga a los electrones a moverse en una trayectoria circular. Este movimiento de partículas cargadas generan microondas, posteriormente un tubo de salida dirige las microondas a la cavidad de calentamiento, las aspas giratorias de un ventilador hacen que las microondas lleguen a todas las partes del horno (Raymond, 2001).
Figura 1.9 Corte transversal del magnetrón.
Figura 1.10 Ánodo.
Los efectos térmicos producidos por las microondas son el resultado de la interacción entre el componente del campo eléctrico de la radiación con las moléculas polares principalmente el agua contenida en el alimento. Ya que todas las moléculas se encuentran girando a temperatura ambiente, pero sí la frecuencia de la radiación y la frecuencia de la rotación molecular son iguales, se puede transferir energía desde las microondas hacia las moléculas polares las cuales tienden a alinearse en el campo electromagnético producido
(Raymond, 2001), las moléculas tratan de alinearse y oscilan a estas frecuencias generando la fricción intermolecular que provoca el calentamiento:
a medida que se genera el calor, éste se transmite por conducción en los sólidos, por convección en los líquidos y radiación (Jiménez y colaboradores 2001), la radiación de la microonda no es absorbida por las moléculas no polares por lo que las moléculas polares como el agua contenida en el alimento se calienta para propósitos de cocción, por lo tanto puede alcanzar varias partes de los alimentos al mismo tiempo generando una homogeneidad de cocción (Raymond, 2001).
Las moléculas de agua con constante dieléctrica grande, absorben la energía de la microonda y generan evidente efecto calórico, debido a que las microondas penetran directamente en el material de una manera rápida y uniforme, produciendo una rápida evaporación del agua y generando un flujo de vapor hacia el exterior eliminándose rápidamente. La transferencia de calor y masa en el secado por microondas están en la misma dirección y las condiciones de transferencia de humedad pueden ser mejoradas, no así en el secado tradicional que son opuestas estas direcciones de dichas transferencias (Hu y colaboradores, 2006).
A diferencia de un horno convencional en el horno de microondas el calentamiento actúa directamente sobre el interior de los alimentos y en los hornos convencionales el calor puede llegar a la parte central de los alimentos solo por conducción esto ocurre capa por capa, lo que resulta un proceso muy lento, los hornos de microondas tienen un rendimiento del orden de un 50 % superior al que presenta un horno clásico de convección (Miranda y colaboradores, 2002).
Para calentar alimentos con microondas es simplemente usar el hecho de que el momento bipolar de moléculas polares y/o conductividad eléctrica de iones hace a estas moléculas moverse en el campo eléctrico alternando rápidamente. Cuando las moléculas rotan o cambian de dirección, la energía cinética es disipada como calor. La principal molécula polar en alimentos es
agua. La frecuencia de microondas más común para el calentamiento de alimentos es de, 2450 MHz, el calor llega principalmente por la rotación bipolar.
Una alta concentración de iones en alimentos aumentará la absorción de energía a 2450 MHz.
En los trabajos experimentales donde se usan aplicadores de microondas, la razón para el uso de ellos, es que un campo eléctrico paralelo a la periferia causa sobrecalentamiento en ella. Esto es explicado por la refracción a lo largo de ella, la cual hace que el calentamiento por microonda sea mayor en esa zona que en otras partes del alimento. Los aplicadores construidos para producir un campo magnético horizontal (magnético tranverso, siglas en inglés TM), con un gran ángulo de incidencia de las microondas causan el problema del sobrecalentamiento. La solución a ese problema es dos tipos. Primero, la polarización del TM de una onda magnética con un gran ángulo de incidencia origina un componente del campo eléctrico que es siempre vertical. La mayoría de las periferias grandes en alimentos destinados al calentamiento por microondas son horizontales (superficie de los alimentos plana), lo cuál hace al campo eléctrico de los aplicadores TM actuar en forma perpendicular sobre las periferias horizontales, haciendo posible evitar el sobrecalentamiento de estas periferias. Segundo, un ángulo de incidencia grande de ondas TM reduce la cantidad de energía reflejada desde la superficie del alimento. Una cantidad reducida de energía reflejada aumenta la eficiencia eléctrica del proceso. Para una discusión más detallada acerca de aplicadores de microondas consultar Sundberg y colaboradores (1996).
Un horno de multimodo es un volumen cerrado, rodeado totalmente por paredes conductores y bastante grandes para permitir más de un modo (padrón) del campo eléctrico (Risman, 1991). En una cavidad de multimodo, las microondas son introducidas a través de una ranura en la pared o techo interior y la polarización de las microondas y maneras dominantes en el horno son más difíciles de controlar. Un horno de microondas doméstico es generalmente una cavidad multimodo.
1.9- VELOCIDAD DEL SECADO
Las Figuras 1.11 y 1.12, muestran curvas típicas de secado, una trazada sobre la base de contenido de humedad contra tiempo, y la otra sobre la base de la velocidad de secado contra contenido de humedad. La Figura 1.11, es la forma en la cual se obtienen generalmente los datos experimentales para el secado. La Figura 1.12, muestra una descripción más detallada del proceso de secado. Esta última se obtiene diferenciando los datos de la Figura 1.11 la cual esta sujeta a una disgregación considerable de los datos, y por consiguiente a una falta de certidumbre (Foust y colaboradores, 1970).
Estas curvas típicas para el secado, están relacionadas con el mecanismo que tiene lugar en el proceso. El proceso de secado representado por el segmento AB o A’B, de las curvas de las Figuras 1.11 y 1.12, es el período en el estado inestable, durante el cual la temperatura del sólido alcanza el valor correspondiente al estado estable. Aunque la forma que se aprecia es típica, casi puede decirse que cualquier forma es posible, y AB puede presentarse lo mismo en una velocidad decreciente que creciente (Foust y colaboradores, 1970).
En el segmento BC de ambas figuras es una línea recta, por lo que la pendiente y la velocidad de secado son constantes durante este período y se le denomina período de velocidad constante de secado. En el punto C (punto crítico) de ambas figuras, la velocidad de secado comienza a disminuir e inicia el período de velocidad decreciente, hasta llegar al punto D. En este primer período de velocidad, la velocidad de secado disminuye linealmente con respecto al cambio de humedad. En el punto D, la velocidad de secado disminuye con menor rapidez, hasta que llega al punto E, donde el contenido de humedad en el sólido es la humedad de equilibrio (X*). En el secado de algunos materiales, la región CD puede no existir o bien contribuir la totalidad del período de velocidad decreciente (Geankoplis, 1993).
Figura 1.11. Cinética de secado
Figura. 1.12. Curva típica de velocidad de secado, a condiciones de secado constantes.
1.10 SECADO
El secado es uno de los métodos más antiguos de conservación de alimentos y es una difícil operación de procesamiento de ellos, principalmente
por causar cambios no deseados en la calidad, debido a la remoción de humedad del material alimenticio, sobre todo usando secado convencional con aire, se producen serios daños al producto seco. Las mayores desventajas del secado con aire caliente de alimentos son la baja eficiencia energética y el prolongado tiempo de secado durante el período de velocidad decreciente.
Debido a la baja conductividad térmica de materiales alimenticios en este período, la transferencia de calor en las estructuras internas de los alimentos durante el calentamiento convencional es limitado (Feng y Tang, 1998). Para eliminar este problema, que es la pérdida de calidad significativa, y obtener un procesamiento rápido y efectivo, es la aplicación de microondas en el secado de alimentos.
Es bien conocido que la calidad de un producto alimenticio deshidratado es grandemente afectado por los métodos de secado y los procesos de secado (Krokida y colaboradores, 2000). Realmente, el secado puede causar varios cambios físicos y químicos o cambios biológicos en los comestibles. Estos cambios alteran las propiedades físicas tales como color y estructura, tan bien como el deterioro de los compuestos que constituyen el aroma o degradación de las sustancias nutricionales, resultando en reacciones bioquímicas indeseables. Todos estos cambios físicos y químicos reducen la calidad del producto.
El secado es uno de los métodos de almacenamiento que puede extender el período de consumo o vida de anaquel de la acelga, manteniendo su contenido nutricional. Es el proceso de remoción de humedad en el producto hasta cierto valor por evaporación. Por este proceso, el producto puede ser almacenado por un largo período ya que las actividades de los microorganismos, enzimas, o fermentos en él son suprimidas por contener menos humedad (Alibas-Ozkan, e. Isik, 2001).
El secado convectivo conduce a serios daños tales como cambios adversos en la textura, color y contenido nutricional del producto seco debido al gran período de secado y alta temperatura, ocasionando con ello un alto
consumo de energía y una reducción en la densidad. Otros efectos adversos incluyen la capacidad de eliminar el agua y el movimiento de ella a la superfície desde las partes internas del material secado (Bouraout y colaboradores, 1994;
Yongsawatdigul y Gunasekaran, 1996;Feng, yTang,1998, Lin y colaboradores, 1998; Drouzas y colaboradores, 1999; Maskan, 2000; Maskan, 2001b). El uso de rayos de microonda en secar los productos ha llegado a ser común ya que evita la disminución en la calidad y asegura la distribución rápida y eficiente del calor en el material (Díaz y colaboradores, 2003).
Generalmente cerca del 90 % de los vegetales secos procesados en China usan la tecnología de secado con aire caliente. No obstante esta operación es simple y barata, la calidad del producto es frecuentemente baja y por esto el retorno económico es pobre (Zhao, 2000). El secado común con aire caliente generalmente requiere casi dos terceras partes del tiempo total de secado para la remoción final de una tercera parte del contenido de humedad.
Además, pueden destruir componentes termo-lábiles y causar migración del soluto y formación de una costra (Zhang, 1999).
La apreciación de un buen alimento es uno de los grandes placeres de los seres humanos. El color juega un papel importe en la elección de alimentos comestibles porque generalmente al percibirlo con el sentido de la vista produce la sensación de aroma y sabor. Por lo tanto, el color es observado como una base para la evaluación de la calidad ambos por su papel aestetico y nutritivo. Los vegetales deshidratados, es uno de los tipos de alimentos de mayor consumo en el mundo. La retención del color influye en su preferencia, precio y aceptabilidad (Zheng-Wei y colaboradores, 2004).
Además, obteniendo un producto seco de alta calidad vía secado por microondas provee una reducción en el período de secado y ahorro de energía durante el secado (Feng, 2002). El secado por microondas es un método eficiente que puede ser aplicado en la industria de procesamiento de alimentos, debido a su calentamiento volumétrico de los materiales (Torringa y colaboradores, 2001).
En un sistema de secado por microondas, la energía de microondas tiene una capacidad generativa de calor interna y puede penetrar fácilmente a las capas internas del material para absorber directamente la humedad. La rápida absorción de energía causa una rápida evaporación de agua, creando un flujo externo de vapor eliminándose rápidamente, así, ambos gradientes térmico y de humedad están en la misma dirección (Zhengfu y colaboradores, 2007).
1.11. CINÉTICA DE SECADO
La cinética de secado se usa frecuentemente para describir los mecanismos microscópicos y macroscópicos de transferencia de calor y masa durante el secado, y es afectada por las condiciones de secado, tipos de secador y características de los materiales a ser secados. La medición de temperatura y contenidos de humedad, son difíciles de realizar continuamente y el tiempo empleado para el calentamiento y secado asistido por microondas, los modelos de cinética de secado son esenciales para el diseño de equipo, optimización de proceso y mejoramiento de la calidad del producto (Giri y Prasad, 2007).
Los procesos de remoción de humedad y su dependencia en las variables de proceso se expresan en términos de cinética de secado, y por lo tanto, la determinación de la velocidad de secado es esencial para el desarrollo de modelos confiables del proceso (Guiné y Castro, 2002; Kiranoudis y colaboradores, 1997).
1.11.1 MODELOS CINÉTICOS.
La deshidratación de productos alimenticios higroscópicos es rápida y simple, su estudio es complicado por su estructura interna compleja. Muchos estudios se han realizado sobre el fenómeno de transferencia de humedad, para una gran variedad de productos alimenticios y considerando diferentes tipos de cinética. De hecho, la literatura científica en esta área es fértil en
modelos cinéticos, mecanisticos, empíricos o una combinación de ambos (Madamba, 1977; Salgado y colaboradores, 1994: Sun y Woods, 1997;
Vázquez y Chenlo, 1997).
El modelamiento del comportamiento del secado es importante para la investigación de las características del secado de manzana variedad pomace realizado por Zhengfu y colaboradores (2007). En ese estudio, los datos de secado por microondas experimentales de a diferentes niveles de potencia fueron ajustados a los 10 modelos aplicados comúnmente en secado en capa fina, enlistados en la Tabla 1.2. En estos modelos, MR representa la relación de humedad adimensional es decir, MR = (M-Me)/(Mo-Me), donde M es el contenido de humedad del producto a cada momento; Mo es el contenido de humedad inicial del producto y Me es el contenido de humedad en el equilibrio.
Los valores de Me son relativamente pequeños comparados con M ó Mo para el gran tiempo de duración del proceso de secado. De este modo, MR=(M-Me)/(Mo-Me) pueden también simplificarse como MR=M/Mo (Akgun y Doymaz, 2005; Thakor y colaboradores, 1999).
Tabla 1.2. Modelos matemáticos dados por varios autores para curvas de secado.
No Nombre del modelo Modelo Referencias
1 Lewis MR=exp(-kt) Bruce (1985)
2 Page MR=exp(-ktn) Page (1949)
3 Page Modificado MR=exp(-kt)n White y colaboradores. (1981) 4 Henderson y Pabis MR=a exp(-kt) Henderson y Pabis (1961) 5 Logaritmico MR =a exp(-kt)+c Togrul y Pehlivan (2002) 6 Modelo de dos términos MR=aastexp(-kot)+b´exp(-k1t) Henderson (1974) 7 Aproximación de difusión MR=a exp(-kt)+(1-a)*exp(-k*a*t) Yaldiz y colaboradores (2001)
8 Wang y Singh. MR=1+at+bt2 Wang y Singh (1978)
9 Difusión simplificada de Fick´s MR=a exp(-c(t/L2)) Diamante y Munro (1991) 10 Ecuación de Page modificada II MR=exp(-c(t/L2)n) Diamante y Munro (1991)
Zhengfu y colaboradores (2007)
Zhengfu y colaboradores (2007), concluyeron que el modelo de Page dió un excelente ajuste a los datos experimentales del secado por microondas de manzana pomace fresca y pretratada.
Por otra parte la técnica de secado por microondas a vacío, no solamente disminuye la temperatura, pero también acelera las cinéticas de secado (Yanyang y colaboradores, 2004).
Además del modelamiento, la operación de secado debe ser optimizada para obtener productos de alta calidad. Con observar la calidad, el color es un tipo de propiedad que gobierna la aceptabilidad inicial de cualquier alimento y las propiedades mecánicas son de mayor interés en la caracterización de la primera mordida. Inevitablemente el secado lleva a los cambios de color en los alimentos. Normalmente, a mayor intensidad del tratamiento, más grande es el cambio en el color. Las condiciones del proceso también dictan las apariencias externas e internas de un producto seco (Maskan, 2001a). Para datar, no hay información publicada sobre el efecto que la aplicación de microondas tiene sobre los cambios de color ocurriendo durante el secado de manzana y fresa.
Al mismo tiempo, también no hay información disponible sobre el impacto de la aplicación de microondas sobre los cambios estructurales y propiedades mecánicas de estas frutas. En general, los cambios estructurales ocurriendo durante el secado están relacionados a factores tales como encogimiento celular, solubilización de la pectina, etc. (Prothon y colaboradores, 2001;
Raghavan y Silveira, 2001; Khraisheh y colaboradores, 2004; Aguilera y colaboradores, 2003; Contreras y colaboradores, 2005, 2007). Estos factores son conocidos para comportarse diferentemente cuando las microondas son aplicadas durante el secado con aire caliente. Adicionalmente, el pretratamiento de las frutas puede también influenciar el proceso de secado. La deshidratación osmótica y/o la impregnación a vacío como una preetapa de secado ha recibido aumento en la atención en el campo de procesos de preservación de fruta con el fin de reducir el consumo de energía y mejorar la calidad del producto (fruta), principalmente debido al menor colapso estructural ocurriendo y dependiendo sobre el soluto osmótico empleado, una mejor retención de color (Álvarez y colaboradores, 1995; Shi y colaboradores, 1995, 1996; Nieto y colaboradores, 1998; Riva y colaboradores, 2001, 2005;
Piotrowski y colaboradores, 2004).
Zhang y colaboradores (2006) han revisado recientes investigaciones en secado por microondas, enfocándolo primeramente en frutas y vegetales. Estos autores sugieren que hay todavía falta de análisis teórico, modelamiento y simulación en el área de procesos de secado en combinación relacionados con las microondas. El modelamiento matemático puede jugar un papel importante en el diseño y control de los parámetros del proceso durante el secado y realizando simulaciones usando modelos cinéticos precisos puede contribuir a la optimización de los procesos (Khraisheh y colaboradores, 2000). Los modelos de los procesos validados por experimentos para predecir la influencia de la mayoría de los parámetros relevantes sobre el tiempo de secado, y ayudar a mejorar la eficiencia energética de las diferentes combinaciones de procesos de secado (Zhang y colaboradores, 2006). El padrón de la cinética tradicional observado durante el secado con aire cambia dramáticamente cuando las microondas son aplicadas. Varios modelos de transferencia de calor y masa han sido demostrados para aplicarse durante los procesos combinados de secado con aire y con microondas. Pero la mayoría de los modelos son difíciles de aplicar (Khraisheh y colaboradores, 2000; Mc Minn y colaboradores, 2003; Andrés y colaboradores, 2004), así limitando su aplicación práctica bajo diferentes condiciones de secado.
1.12. SECADO POR MICROONDAS
El secado con aire caliente es el método más común para preservar alimentos. Sin embargo, este proceso causa serios daños al sabor y los nutrientes del producto debido a los grandes tiempos y altas temperaturas de secado empleados en la práctica (Alibas y colaboradores 2005). Para reducir estos problemas, procesos de secado más rápido y más efectivo, tales como la aplicación de microondas pueden ser considerados para la deshidratación de alimentos (Prothon y colaboradores, 2001; Schiffmann, 2001; Ruiz-Diaz y colaboradores, 2003; Piotrowski y colaboradores, 2004).
El desarrollo de nuevos productos de fruta seca de alta calidad y atractivo al consumidor es necesario para extender la disponibilidad del
producto y diversificar los mercados, particularmente ya que el consumo de fruta fresca está generalmente por debajo de los niveles recomendados en la dieta normal (Contreras y colaboradores, 2008).
La aplicación de microondas ha sido de interés creciente en el procesamiento de alimentos y principalmente en los de primera necesidad en las dos últimas décadas. Durante el proceso secado por microondas la presión y temperatura interna aumentan continuamente ni siquiera el factor de pérdida de materiales tratados disminuye con la reducción del contenido de humedad (Cheng y colaboradores, 2006).
El secado por microondas es rápido, más uniforme y eficiente en energía comparado al secado convencional con aire caliente. En este caso la remoción de humedad es acelerada y por lo tanto, el calor transferido a los sólidos es bajo disminuye significativamente debido a la ausencia de convección.
También por causa de la energía concentrada de un sistema de microonda, solamente del 20-35 % de espacio es requerido cuando comparado al calentamiento convencional y equipo de secado (Wang y Xi, 2005).
En años recientes, el secado por microondas ha ganado popularidad como un método alternativo de secado para una amplia variedad de productos alimenticios tales como, frutas, vegetales, bocadillos y productos lácteos.
Varios productos alimenticios han sido exitosamente secados por la aplicación de microondas (Wang y Xi, 2005). Entre esos productos secados están yogurt natural (Kim y Bhowmik, 1995), arándanos (Yongsawatdigul y Gunasekaran, 1996), zanahoria en rebanadas (Lin y colaborados, 1998), geles modelo de fruta (Drouzas y colaboradores, 1999), para leche descremada, entera, caseína en polvo, mantequilla y pasta fresca (Al-Duri y McIntyre, 1992), rebanadas de papa (Bouraout y colaboradores, 1994), uvas (Tulasidas, 1996), manzana y champiñones (Funebo y Ohlsoon, 1998), raíz de ginseng americano (Ren y Chen, 1998), hierbas (Giese, 1992; Karting y colaboradores, 1994); frijol de soya y blanco (Adu y colaboradores, 1994; Adu y Otten, 1996); zanahoria (Lin y colaboradores, 1998; Litvin y colaboradores, 1998); plátano (Maskan, 2000);
kiwi (Maskan, 2001b); chícharo amarillo (Kadlec y colaboradores, 2001); trigo (Walde y colaboradores, 2002); perejil (Soysal, 2004).
Varios tipos de técnicas de secado son usadas para el secado de maíz incluyendo el método de secado por microondas (Shivhare y colaboradores, 1992b). El calentamiento del secado por microondas tiene la ventaja de un calentamiento rápido y uniforme debido a la penetración de las microondas en el interior del producto. Ellas generan calor desde el interior de los granos por movimiento rápido de moléculas polares produciendo fricción molecular y ayudan en el calentamiento más rápido y más uniforme que el calentamiento convencional (Baldwin, 1983).
La energía de microondas ha sido probada en diferentes estudios de secado, los resultados siendo altamente satisfactorios. Sousa y colaboradores (2001) estudiaron la aplicación de microondas en el secado de plátanos y concluyeron que no solamente fue el tiempo de secado mucho más corto, pero que la aceptación sensorial de las muestras procesadas por microondas fue mucho más alta que esa de los productos comerciales. Berteli y Marsaioli (2005) reportaron que el tiempo de secado de sopa de pasta corta por una combinación de aire caliente y microondas fue trece veces más corto que ese del proceso de secado convencional. Silva y Marsaioli (2003). También probaron un proceso combinado similar para el secado de nueces de Brasil, obteniendo tiempos de secado mucho más cortos en relación a estos de secado industrial convencional, el producto seco permaneció en buenas condiciones por más de seis meses (Silvia y colaboradores, 2006).
Cuando se aplica la energía de microondas en un proceso de secado diferentes parámetros necesitan ser considerados. Por ejemplo, la cantidad de microondas generadas de acuerdo a la cantidad de material siendo secado y el modo (continuo o pulsado) en las cuales las microondas son suministradas a el material son factores importantes. La densidad de la potencia es usada para referirse a la cantidad de microondas generadas de acuerdo a la masa de material siendo secado. La densidad de la potencia es comúnmente expresada
en unidades de Watts por gramo de material húmedo (W/g) (Raghavan y Silveira, 2001).
Las microondas pueden ser generadas vía dos diferentes modos:
usando uno u otro modo pulsado o continúo. Sin embargo la investigación ha mostrado que el calentamiento continuo no acelera la velocidad de remoción de agua cuando el contenido de humedad crítica es alcanzado y que no hay ventaja total del uso de un modo continúo sobre uno pulsado (Yongsawatdigul y Gunasekaran, 1996). En algunos casos el calentamiento pulsado ha sido mostrado a ser más eficiente energéticamente (Gunasekaran, 1999). Cuando usando el calentamiento pulsado, el generador de microondas es desviarse para una cantidad específica de tiempo y así diferentes tiempos de encendido y apagado pueden ser usados. Yongsawatdigul y Gunasekaran (1996) examinaron dos tiempos de encendido (30 y 60 s) y tres tiempos de apagado (60, 90 y 150 s) cuando arandanos secados por microondas a vacío. Ellos determinaron que un tiempo de encendido de 30 s y un tiempo de apagado de 150 s fueron los valores más apropiados para la eficiencia máxima de secado.
El hecho de que la potencia eléctrica de entrada o de salida gobierna la calidad final de los productos ha llevado a muchos investigadores a estudiar la relación entre ellas (Shivhare y colaboradores, 1992a), emplearon operación intermitente de la microonda en el secado de maíz, los datos indicaron que la calidad de la semilla de maíz puede ser obtenida usando 5 minutos de operación y 15 de pulso a 0.5 W/g de potencia absorbida. Shivhare y colaboradores (1992b), han sostenido que la densidad de la potencia de la microonda debe ser menor que 0.25 W/g, si el grado del grano del maíz es deseado durante el secado por microondas continuo. Prabhanjan y colaboradores (1995) observaron que un nivel de potencia de 50 % (potencia nominal de 600 W) causaron quemado del producto en el secado por microondas de zanahoria. Venkatachalapathy y Raghavan (2000), encontraron que a ciclos de 40 % de potencia (potencia nominal de 600 W), se quemaron las fresas enteras secadas por microondas.
En las últimas dos décadas, ha sido reconocido que el calentamiento por microondas puede llevar a beneficios potenciales, económicos, ingenieriles y sociales (Sanga y colaboradores, 2000). Muchos investigadores han mostrado las ventajas del uso de microondas en los procesos de secado (Cohen y colaboradores, 1992; García y colaboradores, 1992; Tulasidas y colaboradores, 1993; Yongsawatdigul, y Gunasekaran, 1996; Venkatachalapathy y Raghavan, 1998, Feng y Tang, 1998; Laguerre y colaboradores, 1999). La frecuencia de radio (RF) y las microondas (MW) son formas de energía de onda electromagnética que son usadas en aplicaciones industriales tales como secado de comestibles, piel, papeles y textil. La frecuencia de radio y las microondas tienen un efecto penetrante sobre el producto causando calentamiento volumétrico. Materiales que son absorbedores y transmisores de microondas son dichos a ser dieléctricos y cuando sometidos a microondas el calor es generado a lo largo del material. La cantidad de calor generado es dependiente de tales factores como la frecuencia y el esfuerzo del campo electromagnético y las propiedades dieléctricas del material siendo calentado (García y colaboradores, 1992). La energía resultante es absorbida en todo el volumen del material siendo secado. De hecho, es el aumento en presión interna que conduce fuera la humedad desde el interior del material a la superficie donde ocurre la evaporación (Sanga y colaboradores, 2000; Cohen y colaboradores, 1992; García y colaboradores, 1992; Tulasidas y colaboradores, 1993; Yongsawatdigul, y Gunasekaran, 1996; Venkatachalapathy y Raghavan, 1998 Feng y Tang, 1998; Laguerre y colaboradores, 1999; Feng y colaboradores, 2001). El calentamiento con frecuencia de radio y por microondas es por lo tanto frecuente combinado con las formas de secado convencional con el fin de mejorar las velocidades de secado.
El sistema de secado por microondas es ampliamente usado en combinación con el sistema de secado convectivo durante el secado vía energía de microonda (Maskan, 2001b, Andrés y colaboradores, 2004). En los sistemas de secado convectivo, el aire caliente remueve el agua en el estado libre en la superficie del producto, mientras que la energía de microondas remueve el agua en el producto, que está otra vez en el estado libre
(Schiffmann, 1995). Los sistemas de secado combinado convectivo y por microondas no solamente aumentan la velocidad de secado del producto, pero también aumentan la calidad del producto seco obtenido (Torringa y colaboradores, 1996).
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 MATERIA PRIMA
El café arábiga en grano fue adquirido en un mercado local, él cual procede de la Sierra Norte del Estado de Puebla, se inspecciona para hacer una selección de los granos, así como su limpieza y después se realiza el proceso de tostado como se muestra el diagrama a bloques de la Figura 2.1.
Figura 2.1 Proceso de tostado de café por microondas.
2.2 MÉTODOS.
2.2.1 Determinación de sólidos totales.
Esta determinación se realiza por medio de la siguiente diferencia:
Sólidos totales = masa de la muestra – masa de la humedad
2.2.2 Determinación de humedad inicial y final.
Esta determinación fue hecha en el grano antes y después del tostado en una termo balanza a 80 0C, hasta obtener un peso constante.
Pesar
Introducir al horno de microondas (Diferentes tiempos
y potencias)
Agua
Producto tostado
2.3 EQUIPO
El horno de microondas utilizado para la experimentación es de marca LG, modelo: MS – 0745V, sin modificaciones, en la Tabla 2.1, se muestran sus características técnicas.
Tabla 2.1 Características del horno de microondas utilizado
Poder requerido 120 V – 60 Hz
Consumo de energía 950 W
Potencia al 100 % 700 W
Frecuencia 2450 MHz
Clasificación de energía 9 A
Dimensiones (AN x AL x PX) en pulgadas
17 ⅞ x 10 ⅜ x 13
Dim. Internas (AN x AL x P) en pulgadas
12 ⅜ x 8 x 11 ⅝
Capacidad efectiva del horno 0.7 pie3 Fuente: Fabricante
3. EXPERIMENTACIÓN
3.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1) Lavar, secar y pesar las cajas de petri vacías registrando el peso de cada una de ellas.
2) Colorar los granos de café en las cajas de petri y registrar el peso (peso inicial), de cada una de ellas.
3) Se introducen las cajas de petri con los granos de café en el horno de microondas para el inicio de la operación.
4) Seleccionar la potencia de cada experimento.
5) Seleccionar el intervalo de tiempo.
6) Poner a funcionar el horno.
7) Después de transcurrido el lapso de tiempo pesar cada una de las cajas de petri y anotar su respectivo peso. Esta operación se realiza hasta obtener un tostado uniforme del café, sin que se queme.
Se realizaron 26 experimentos con diferentes potencias (de 90 % a 20%) y diferentes lapsos de tiempo (de 10 s a 60 s) para poder encontrar las mejores condiciones de operación y el tostado uniforme del café.
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. EXPERIMENTOS PRELIMINARES
Se realizaron 2 experimentos preliminares, con dos diferentes intervalos de tiempo y una potencia del 100 % dando resultados negativos.
4.2. EXPERIMENTOS
Los mejores resultados se presentan en las Figuras 4.1 a 4.5 correspondiendo a los experimentos 9 al 13.
En la tabla 4.1 se muestran los coeficientes de regresión, las ecuaciones generadas al ajustar las curvas utilizando el software Origin v. 7.0 y los porcentajes de humedad (xf) correspondiente a los experimentos del 9 al 13.
Tabla 4.1 Coeficientes de regresión y ecuaciones generadas
Exp. Coeficiente de regresión (R2)
Ecuación generada %xf
9 0.9989 y = 0.13677 exp(-x/212.37701) + 0.07773 exp(-x/3899.77629) - 0.04312 0.975 10 0.9961 y = 0.1986 exp(-x/11952.511) + 0.15422 exp(-x/166.16416) - 0.17728 0.153 11 0.9945 y = 0.08052 exp(-x/261.93349) + 0.08052 exp(-x/261.989) + 0.01415 2.16 12 0.9934 y = 0.0138 exp(-x/200.91479) + 0.0806 exp(-x/200.91509) + 0.0138 1.48 13 0.997 y = 0.08397 exp(-x/192.7115) + 0.08397 exp(-x/192.71153) + 0.00406 0.55
La orden de magnitud obtenida es muy semejante en las ecuaciones generadas.
El secado de cada producto genera sus propias ecuaciones de cinética debido a que su composición química, estructura, tamaño de poro, mecanismos de difusión de la humedad son diferentes entre ellos. Es por este motivo que en el secado por microondas no se utilizan los modelos de cinética de secado como en el caso de un secador convectivo como los mencionados en la Tabla 1.2.
