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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
PRESENTADO POR:
BACH. BACH. ROBERTO SOTO RAMOS
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
HUANCAYO – PERÚ 2013
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA CINÉTICA DE SECADO,
DIFUSIVIDAD EFECTIVA Y CALIDAD DE LÁMINAS DE FRUTAS
2
ASESOR
ING. M.Sc. EDGAR RAFAEL ACOSTA LÓPEZ
3
A MIS PADRES:
ASISCLO Y AURORA, MI ETERNA GRATITUD, A MIESPOSA Y MIS
HIJOS
QUE SON LA FUENTE DE MI INSPIRACIÓN, QUE ME DIERON FUERZA PARA CULMINAR LA TESIS Y SOBRE TODO A MIASESOR
POR HABERME GUIADO DURANTE EL DESARROLLO DE LA TESIS.4
1 ÍNDICE GENERAL
Pág RESUMEN
I. INTRODUCCIÓN
II. REVISION BIBLIOGRÁFICA
2.1 Antecedentes de la investigación 2.2 Materias primas
2.2.1 Mango criollo (Mangifera indica L.) a. Generalidades
b. Descripción botánica
c. Productos que se derivan del mango
d. Composición químico proximal del mango criollo 2.2.2 Plátano “Bizcochito” o “Moquicho” o “Plátano de oro”
2.2.3 Maracuya (Passiflora edulis) 2.2.4 Papaya (Carica papaya) 2.3 Pulpa de frutas
2.4 Láminas de frutas 2.5 Secado de frutas
2.5.1 Conceptos básicos a. Humedad de un solido b. Humedad de equilibrio c. Humedad crítica d. Humedad libre e. Humedad ligada f. Humedad desligada
g. Formas de expresar la humedad 2.5.2 Factores que intervienen en el secado
a. Temperatura del aire b. Humedad relativa del aire c. Velocidad del aire
2.5.3 El agua en los alimentos 2.5.4 Curvas de secado 2.6 Cinética de secado
1 4 4 6 6 7 8 8 9 10 11 14 16 18 21 22 22 22 23 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 31
5
2.6.1 Mecanismos de transferencia de materia a. Capilaridad
b. Difusión
2.6.2 Modelado de la cinética de transferencia de materia 2.7 Evaluación sensorial
2.7.1 Pruebas orientadas al consumidor a. Pruebas de preferencia b. Pruebas de aceptabilidad c. Pruebas Hedónicas
III. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Lugar de ejecución
3.2 Características del estudio 3.2.1 Tipo de investigación 3.2.2 Diseño
3.2.3 Método
3.3 Diseño de la investigación 3.3.1 Población
3.3.2 Muestra 3.4 Materiales
3.4.1 Materia prima 3.4.2 Insumos
3.4.3 Equipos e instrumentos de laboratorio 3.4.4 Materiales de vidrio
3.4.5 Otros 3.4.6 Reactivos 3.5 Métodos de análisis
3.5.1 Análisis fisicoquímico de las materias primas, del mezclado y producto final
3.5.2 Análisis microbiológico 3.5.3 Evaluación sensorial 3.6 Metodología experimental
3.6.1 Descripción del proceso de elaboración de láminas de fruta
a. Selección
b. Lavado y desinfectado
33 33 34 34 37 39 39 40 40
41 41 41 41 41 41 41 41 42 42 42 42 42 42 42 42 43
44 44 44 44
45 45 45
6
c. Escaldado d. Pelado y cortado
e. Despulpado y mezclado f. Moldeado
g. Secado h. Enfriado
i. Desmoldado y cortado j. Envasado
k. Almacenamiento
3.6.2 Cinética de secado de láminas de fruta a. Curvas de secado
b. Calculo de la Difusividad efectiva (Def)
c. Influencia de la temperatura de secado en la difusividad
3.7 Diseño experimental y Análisis estadístico
IV. RESULTADOS Y DISCUSION
4.1 Resultados promedio del análisis fisicoquímico de las materias primas
4.2 Resultado promedio de las características fisicoquímicas de la mezcla para elaborar láminas de fruta
4.3 Cinética de secado de láminas de fruta 4.3.1 Pérdida de peso vs tiempo 4.3.2 Humedad en base seca vs tiempo 4.3.3 Velocidad de secado (R) vs tiempo
4.3.4 Velocidad de secado vs humedad libre para las temperaturas de secado
4.4 Difusividad efectiva (Def) del vapor de agua durante el secado de láminas de fruta
4.5 Efecto de la temperatura sobre la difusividad efectiva del vapor de agua en el secado de láminas de fruta
4.6 Características fisicoquímicas de láminas de fruta 4.7 Evaluación sensorial de láminas de fruta
4.7.1 Sabor 4.7.2 Color 4.7.3 Textura
45 45 46 46 46 46 46 48 48 48 48 48
49 49
52
52
53 53 53 56 57
59
65
70 71 72 73 74 75
7
4.8 Evaluación microbiológica de láminas de fruta
V. CONCLUSIONES
VI. RECOMENDACIONES
VII. BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
76
78 80 81 86
8
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro N°
Pág
1
2 3
4 5 6
7 8
9
10
11
12
13
14
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17
Análisis químico proximal de la pulpa de mango criollo por 100 g de porción comestible
Análisis fisicoquímico de pulpa de mango criollo
Análisis químico proximal del plátano bizcochito por 100 g de porción comestible
Características fisicoquímicas del plátano bizcochito.
Caracterización fisicoquímica de la pulpa de maracuyá
Composición en fresco del fruto de la papaya en g/100 g de porción comestible
Datos registrados durante el secado de láminas de fruta.
Resultados promedio del análisis fisicoquímico de las materias primas.
Características fisicoquímicas de la mezcla de pulpa de fruta y azúcar para elaborar láminas de fruta.
Pérdida de peso (g) durante el secado de láminas de fruta a temperaturas de 40, 50 y 60°C.
Humedad en base seca (W) vs tiempo de secado de láminas de fruta a las temperaturas de secado 40, 50 y 60°C
Velocidades de secado (R) obtenidos durante el secado de láminas de fruta a las temperaturas de 40, 50 y 60°C.
Velocidad de secado y humedad libre de láminas de fruta secado a las temperaturas de 40, 50 y 60°C.
Resultados de humedad crítica y humedad de equilibrio del secado de láminas de fruta a las temperaturas de 40, 50 y 60°C
Datos para calcular la difusividad efectiva del vapor de agua durante el secado de láminas de fruta a 40°C.
Datos para calcular la difusividad efectiva del vapor de agua durante el secado de láminas de fruta a 50°C
Datos para calcular la difusividad efectiva del vapor de agua durante el secado de láminas de fruta a 60°C.
Difusividad efectiva del vapor de agua en el secado de láminas de
9
9
11 11 13
16 48
52
53
54
56
58
60
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65
66
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9
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23
fruta a 40, 50 y 60°C
Análisis de varianza de la difusividad efectiva del vapor de agua durante el secado de láminas de fruta a 3 temperaturas.
Datos de la difusividad efectiva vs la inversa de la temperatura absoluta del secado de láminas de fruta.
Resultados promedio del análisis fisicoquímico de láminas de fruta.
Resultados promedio de la evaluación sensorial de láminas de fruta secado a 3 temperaturas
Cuantificación de mohos y levaduras (UFC/g) en láminas de fruta a tres temperaturas de secado
68
69
70
71
72
77
10
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N°
Pág
1 2 3 4 5 6 7
8
9
10
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13 14
15
Curva de Humedad de equilibrio Curvas de velocidad de secado
Contenido de humedad en función del tiempo Velocidad de secado (dW/dt) en función del tiempo Diagrama de flujo para la elaboración de Láminas de fruta Diseño Experimental de la Investigación
Pérdida de peso durante el secado de Láminas de fruta a 40°C, 50°C y 60°C
Humedad en base seca vs el tiempo durante el secado de láminas de fruta
Velocidad de secado (R) vs tiempo (h) en el secado de Láminas de fruta a 40, 50 y 60°C
Velocidad de secado vs humedad libre en el secado de láminas de fruta a 40°C
Velocidad de secado vs humedad libre en el secado de láminas de fruta a 50°C
Velocidad de secado vs humedad libre en el secado de Láminas de fruta a 60°C
Difusividad efectiva en el secado de láminas de fruta
Efecto de la temperatura sobre la (Def) del vapor de agua en el secado de Láminas de fruta
Evaluación sensorial de láminas de fruta
24 28 30 31 47 50
51
57
59
61
61
62 67
71 74
11 RESUMEN
El objetivo del presente trabajo fue evaluar la influencia de la temperatura en la cinética de secado, difusividad efectiva y calidad en láminas de frutas se realizó a tres temperaturas (40,50, y 60°C ) con una velocidad de aire de 1,2±0,1 m/s en el laboratorio de Ingeniería de Alimentos de la Universidad Nacional del Centro del Perú; la mezcla de pulpas de frutas fueron adecuadas a una lámina en un molde cuyas dimensiones fueron0,5x35x35 cm.En las gráficas de secado para los tres tratamientos se puede observar los periodos de secado a velocidad constante y velocidad decreciente obteniéndose valores para la humedad crítica de 1,30;1,39 y 1,45 g agua/g ms y valores de humedad de equilibrio 0,06; 0,04 y 0,03 g agua/g m s para las temperaturas de 40,50 y 60°C respectivamente, se puede indicar que a mayor temperatura de secado, sin que influya la velocidad de aire, la humedad crítica aumenta mientras que la humedad de equilibrio disminuye. Se utilizó la ecuación de la segunda Ley de Fick para el cálculo de la difusividad efectiva(De) de agua durante el secado siendo los valores obtenidos: 7,775x10¯¹¹ ;7,979x10¯¹¹ y 8,366x10¯¹¹ m²/s que se incrementan con la temperatura de secado y una energía de activación de 3,1643KJ/.Los valores de PH comprendidos entre 3,57 y 3,70,alto contenido de sólidos solubles 65,0-68,5 °Brix, bajó contenido de humedad 15,70-17,00 unido a la alta acidez 0,96-0,98% expresado en % de ácido cítrico en las láminas de frutas de los tres tratamientos aseguran una estabilidad microbiológica mohos <100 y levaduras<
100,los cuales se encuentran por debajo de las normas sugeridas, En la evaluación sensorial el tratamientoT1 presento mayor aceptabilidad con un puntaje de 4,088,es el promedio más alto en la calificación acumulada para los tres atributos y de acuerdo a la escala se encuentra calificado como me gusta correspondiendo a la temperatura de secado de 40°C
1
I. INTRODUCCIÓN
En la selva central, existen frutas como el mango criollo (peludo), plátano bizcochito que no tienen valor comercial, son de fácil deterioro y constituyen una pérdida para el agricultor. La Papaya y la maracuyá tienen valor comercial pero en épocas de abundancia disminuye este valor, estas materias primas no son aprovechadas a pesar de tener componentes nutritivos como (vitamina C y fibra dietaria). Las zonas de producción están alejadas de los lugares de comercialización que influye en el costo de estas materias primas. Para disminuir los costos, las materias primas deben transformarse como producto intermedio o producto final, y las láminas de fruta son una alternativa.
Las láminas de fruta deshidratadas aparecen como un atractivo método alternativo para extender la vida útil de frutas procesadas, estas son elaboradas a partir de la deshidratación de purés de fruta mezclados generalmente con azúcar.
El estudio de la cinética de secado es esencial para diseñar un correcto proceso de secado lo que permite obtener un producto de calidad. Además, puede considerars
2 e como una herramienta muy eficiente para evitar daños al producto, consumo excesivo de energía, desgaste del equipo o la disminución del rendimiento.
El secado, es uno de los procesos tradicionales de conservación de alimentos de mayor interés en la actualidad; consiste en la remoción del agua libre, para lo cual se utiliza aire caliente como medio desecador. El secado, implica mecanismos complejos y simultáneos de transferencia de calor, masa y momento, por lo que se hace necesario el diseño de modelos matemáticos válidos para predecir las características del proceso. Muchas veces estos modelos no pueden ser estudiados independientemente sin la parte práctica, ya que a pesar de los estudios y progresos alcanzados, las mayores incertidumbres consisten en la medición o determinación de los parámetros usados en estos modelos, y la variación de los resultados en el producto final, al cambiar alguno de estos.
La temperatura de secado si no es la adecuada influye en la calidad del producto alterando el sabor, color, olor y otros atributos, disminuye el contenido nutricional (degrada las vitaminas).
La modelización de la cinética de secado de productos alimenticios en general tiene gran interés para estudios de optimización del diseño y operación de equipos utilizados en la realización de esta operación. Mediante la utilización de estos modelos matemáticos en adecuados sistemas informáticos es posible realizar estudios de simulación de esta operación de secado por ordenador, que siempre resulta más rápido y barato que la experimentación en planta piloto o a nivel industrial.
Estos aspectos, motivaron la realización de la presente investigación para lo cual se formuló el siguiente problema ¿Cuál es el efecto de la temperatura en la cinética de secado, difusividad efectiva y calidad de láminas de frutas? del cual se deduce la
3 siguiente hipótesis La temperatura de secado influye en la cinética de secado, difusividad efectiva y en la calidad de láminas de frutas y se plantea los siguientes objetivos:
Objetivo general
Evaluar la influencia de la temperatura en la cinética de secado, difusividad efectiva y calidad en láminas de frutas
Objetivos específicos
Determinar los parámetros de cinética de secado a las temperaturas de 40, 50 y 60°C en láminas de frutas
Calcular la difusividad efectiva de agua durante el secado de láminas de frutas y evaluar la influencia de la temperatura.
Evaluar la influencia de la temperatura de secado en la calidad fisicoquímica, microbiológica y sensorial de láminas de fruta.
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II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Álvarez (2008) elaboro láminas de tuna con incorporación de pulpa de membrillo, para lo cual realizo tres tratamientos con distintas proporciones de pulpas: T1: 100%
pulpa de tuna y 1,1% de ácido cítrico; T2: 75-25% pulpa de tuna-membrillo y 0,7% de ácido cítrico; T3: 50-50% tuna-membrillo; azúcar (10%) , metabisulfito de sodio, aceite de oliva y canela a las tres formulaciones en cantidades iguales La deshidratación se realizó en túnel de flujo paralelo a la temperatura de 60°C. Obtenidas las láminas, se procedió a cortarlas en tiras y a envasarlas en forma de rollitos en envase de polipropileno impermeable a la humedad. Finalizado el proceso se calculó el rendimiento. A las materias primas, mezclas formuladas y láminas se les realizo el análisis químico y físico. Además a las láminas recién elaboradas se les realizo el análisis sensorial de calidad, aceptabilidad y preferencia. A fin de evaluar los cambios sensoriales de los productos durante el almacenamiento, los análisis de calidad y aceptabilidad se realizaron cada 30 días por un periodo de 3 meses. Se obtuvo láminas con una actividad de agua que fluctuó entre 0,55 y 0,6, y una humedad promedio de 15,5%, con un alto aporte energético y un interesante contenido de vitamina C. La formulación 75-25% tuna-membrillo (T2) presento las mejores
5 características de calidad en apariencia, textura y sabor, las cuales incidieron en la mayor aceptación y preferencia del producto. Las características de calidad y aceptabilidad de las láminas de cada una de las formulaciones no sufrieron cambios significativos durante el almacenamiento, manteniéndose las diferencias iniciales entre los tratamientos
Guerra (2005), en su investigación elaboro láminas de pulpa de arándano, el objetivo de esta investigación fue elaborar láminas naturales de fruta, sin preservantes, que puedan auto conservarse, para lo cual preseleccionaron tres formulaciones con 50, 70 ó 80% de pulpa de arándano; 15, 20 ó 35% de pulpa de manzana y 5, 10 ó 15%
de azúcar. El procedimiento de elaboración consistió en la selección, el lavado, el escaldado y el despulpado de la fruta; la mezcla de los ingredientes, la deshidratación, los cálculos de rendimientos y el envasado. Las láminas de fruta se deshidrataron a 55 °C durante 31 horas, hasta obtener una humedad aproximada de 7%. A las materias se les determinó sólidos solubles, acidez, el pH, actividad del agua, la vitamina C, la humedad y; adicionalmente, al producto terminado, se le midió el contenido de fibra dietaria soluble e insoluble. Se realizó, además, evaluación sensorial, de aceptabilidad y calidad. En las mezclas, la acidez disminuyó a medida que se incorporó manzana fluctuando entre 0,44% y 0,55% de ácido cítrico y la humedad de los tratamientos 1 y 2 se mantuvo cercana al 80% en cambio el tratamiento 3 con el mayor contenido de azúcar obtuvo una humedad cercana al 75%. En el producto terminado, el rendimiento, respecto de las mezclas, fluctuó entre 24,9% y 37,6%; la acidez entre 0,91% y 1,83% de ácido cítrico; los sólidos solubles entre 75,18 y 76,79 ºBrix; la actividad de agua entre 0,60 y 0,69; y la vitamina C entre 2,67 y 5,89 mg ac. Ascórbico/ 100 g, perdiéndose de esta última alrededor de un 65%
6 por la deshidratación. El tratamiento con mayor contenido de fibra dietaria fue el tratamiento (1) con 80% de arándanos, 15% de manzana y 5% de azúcar.
Sensorialmente, los tres tratamientos obtuvieron una aceptación promedio de 7 en una escala hedónica de 9 puntos, el mejor evaluado fue el tratamiento (2) con un 7,09 y una composición de 70% de arándano, 20% de manzana y 10% de azúcar.
Cid (2007) en su tesis de Maestría elaboración y caracterización de láminas de pulpa de frutilla (Fragaria x annanasa dush), con incorporación de ácido ascórbico y concentrado de granada, utilizó pulpa de frutilla y azúcar al 10%, concentrado de granada 3,5 % y ácido ascórbico para estabilizar el color 0,3%, la pulpa se deshidrató por un tiempo de 10 horas a 60 °C. Las láminas obtenidas se caracterizaron química y sensorialmente, se envasaron en polipropileno y se almacenaron a temperatura ambiente (18 – 20 °C) y se evaluó cada 15 días, desde el inicio hasta los 90 días de almacenamiento. Las características químicas (pH, acidez, sólidos solubles, fibra dietaría, lípidos y proteínas) se determinaron al inicio y a los 90 días. La vitamina C se evaluó a los 90 días. Las evaluaciones sensoriales de calidad y aceptabilidad, se realizaron al inicio, 45 y 90 días
2.2 MATERIAS PRIMAS
2.2.1 Mango criollo (Mangifera indica L.) a. Generalidades
El mango pertenece a la familia de las Anacardiáceas (Anacardiaceae), especie Mangifera indica. Es nativo de la india, crece hasta unos 15 metros de altura y forma numerosas ramas altas y abiertas. Se cultiva mucho en África y América tropical por el fruto suculento, es una drupa carnosa de
7 forma oval, de 5 a 15 cm de longitud de color verdoso, amarillento o rojizo muy dulce y sabrosa; encierra un hueso cavozo grande aplanado, rodeado de una cubierta leñosa. Los hay esféricos y aplanados, como el mango de Manila y ovalados, carnosos y de buen tamaño como el mango Tommy Atkins entre otros.
El mango es una fruta de sabor dulce. Ésta puede ser o no fibrosa, especialmente en la variedad llamada "mango de hilacha". Es una fruta normalmente de color verde en un principio, y amarillo o anaranjado cuando está madura, de sabor medianamente ácido cuando no ha madurado completamente. De origen asiático, principalmente de la India, comprende numerosas variedades, muchas de ellas obtenidas por injerto.
El mango que crece espontáneamente en la zona intertropical americana (introducido a fines del siglo XVIII en el Brasil por los portugueses), es de color amarillo, más pequeño que las variedades de injerto y muy dulce, tanto el mango "bocao" como el de hilacha. El sabor es muy diferente entre una variedad y otra. Por ejemplo, una variedad de mango de gran tamaño tiene un sabor y olor similares al del melocotón en almíbar, aunque con una textura menos hidratada (mango melocotón). Casi todas estas variedades de mango injerto se derivan de una variedad obtenida por evolución natural que muchas personas denominaban "mangas" en Venezuela y en la costa atlántica de Colombia y que no es sino la adaptación de la planta durante varios siglos a un clima mucho más favorable que el que tenían en la zona de procedencia de esta planta (Franciosi, 1985).
8 Según Minaya (1999), el mango llego al Perú a partir del siglo XVIII, iniciando los cultivares denominados “criollo” o “regional”. Las variedades rojas como Haden, Kent, Tommy Atkins y otras que se cultivan en la costa del país, llegaron a inicios de la década del 60, procedentes de Florida, EEUU, por acción de la Estación Experimental Agrícola La Molina se llevó a Piura y luego distribuidas por todo el país.
El fruto del mango está constituida por tres partes básicas; la cáscara, pulpa y la pepa; el % en peso de estas varía con la variedad de mango aunque en promedio dichas partes vendrían a constituir: 45,5% a 82,9% de pulpa, 9,1 a 26,8% de pepas y un 11% a 39,2% de cáscara (Cañizares, 1996)
b. Descripción botánica
Según Ruiz (2003) presenta la siguiente clasificación botánica Nombre científico : Mangifera indica
Nombre vulgar : Mango
División : Angiosperma
Clase : Dicotiledonea
Orden : Sapindales
Sub-orden : Sapidinea
Familia : Anarcadiacea
c. Productos que se derivan del mango
Existen muchas posibilidades de industrialización que se pude obtener del mango así tenemos: pulpa de mango, jugo de mango, néctar de mango,
9 salsas de frutas con mango como ingrediente, mango deshidratado en rodajas, cuadritos, vino de mango, liquido de cobertura, yogurth con mango como ingrediente, etc. El paso básico para la elaboración de la mayoría de los productos anteriormente señalados es la obtención de la pulpa de mango.
d. Composición químico proximal de la pulpa del mango criollo
Yupanqui (2008) reporta los resultados del análisis de la composición química proximal y fisicoquímica del mango criollo.
Cuadro 1. Análisis químico proximal de la pulpa del mango criollo por 100 g de porción comestible
Componente Base húmeda
(g)
Base seca (g) Humedad
Proteína Grasa Ceniza Fibra Cruda Carbohidratos
84,30 0,50 0,10 0,93 1,92 12,25
- 3,18 0,64 5,92 12,23 78,03 Fuente: Yupanqui (2008)
Cuadro 2. Análisis fisicoquímicos de pulpa de mango criollo
Análisis Resultado
Sólidos totales (%) pH
Acidez expresado (% acido cítrico) Sólidos solubles (°Brix)
Índice de madurez (ºBrix/%ácido cítrico)
15,70 4,65 0,42 13,50 32,143 Fuente: Yupanqui (2008)
10 2.2.2 Plátano ”Bizcochito” o ”Moquicho” o ”Plátano de oro”
CONAFRUT (1997) reporta que, el “Moquicho” es el cultivar que entre otras denominaciones es conocido como “Plátano de oro” o “Biscochito”. El seudo tallo de la planta es de color marrón, tiene una altura promedio de 3 m, un diámetro en su base de unos 20 cm. La lámina de la hoja casi no presenta la cubierta cerosa típica de otros cultivares. Los racimos son medianos unos 110 frutos en promedio, son frutos relativamente pequeños y a la madurez tienen un sabor bastante dulce. La planta es resistente al mal de Panamá pero muy susceptible a la Sigatoka.
Castro y Acosta (2001) reportan las características fisicoquímicas de la pulpa del plátano “Biscochito”: sólidos solubles 18,0 ºBrix, pH 5,2 y un rendimiento de 82% con respecto a la materia prima.
Se estima en 147987 el número de familias que dependen directamente e indirectamente de este cultivo a través a la cadena productiva. El tipo plátano es consumido mayormente cocido o en frituras, en verde o maduro; entre las principales variedades comerciales está el Bellaco, 'Bellaco Plátano' 'Inguiri'.
El tipo banano es consumido como fruta de mesa, destacando las variedades comerciales 'Seda' (Cavendish, Gros Michell), 'Isla', 'Moquicho o Biscochito' y 'Capirona'. Aproximadamente el 90% de la producción nacional se destina al autoconsumo y la diferencia es para la comercialización regional, nacional y para exportación. El principal mercado de consumo es el departamento de Lima, que absorbe el 8% de la producción total de la selva y costa norte (Herrera y Colonia, 2011).
11 Escalante (2008) reporta en su trabajo de investigación titulado pan de plátano bizcochito realizado en la provincia de Satipo la composición químico proximal y las características fisicoquímicas que se presentan en los Cuadros 3 y 4.
Cuadro 3. Análisis químico proximal del Plátano bizcochito por g/100 g de porción comestible
Componente (g/100 g)
Humedad Proteína Grasa Ceniza Fibra
Carbohidratos
68,90 1,30 0,30 0,81 0,50 28,19 Fuente: Escalante (2008)
Cuadro 4. Características fisicoquímicas del Plátano bizcochito Características fisicoquímicas Resultados Sólidos solubles (ºBrix)
pH
Acidez (%) expresado en ácido málico
18,3 5,1 0,3
Fuente: Escalante (2008).
2.2.3 Maracuyá (Passiflora edulis)
Es una fruta originaria de Centroamérica. El maracuyá es largamente cultivada y procesada en todo el mundo. Perú, Venezuela, Sudáfrica, Australia, Kenia, Colombia, Ecuador, Costa Rica, entre otros son ejemplos de productores, siendo Brasil el mayor productor mundial. Existen dos variedades de maracuyá: el maracuyá amarillo (Passiflora edulis variedad flavicarpa Degener) y el maracuyá morado (Passiflora edulis variedad púrpura Sims). Su sabor agridulce es muy refrescante, exótico, afrutado. Por su aroma y acidez
12 se consume principalmente en jugos. El agua es su mayor componente (85%). Posee un alto contenido calórico por su elevada cantidad de hidratos de carbono. En la composición nutricional y vitamínica de jugo de maracuyá se destaca el contenido de provitamina A, vitamina C y respecto a los minerales, su aporte de potasio, fósforo y magnesio. La variedad amarilla es más rica en minerales y en provitamina A que la morada (Grandez, 2009). La provitamina A o beta caroteno se transforma en vitamina A en nuestro organismo conforme éste lo necesita. Dicha vitamina es esencial para la visión, el buen estado de la piel, el cabello, las mucosas, los huesos y para el buen funcionamiento del sistema inmunológico. La vitamina C es antioxidante, interviene en la formación de colágeno, huesos y dientes, glóbulos rojos y favorece la absorción del hierro de los alimentos y la resistencia a las infecciones. El potasio interviene en la transmisión y generación del impulso nervioso y en la actividad muscular, en el equilibrio de agua dentro y fuera de la célula. El fósforo interviene en la formación de huesos y dientes y participa en el metabolismo energético. El magnesio se relaciona con el funcionamiento de intestino, nervios y músculos, también forma parte de huesos y dientes.
Además, contiene una cantidad elevada de fibra, que mejora el tránsito intestinal y reduce el riesgo de ciertas alteraciones y enfermedades.
El maracuyá es originario de Brasil y su distribución es amplia en todos los países de la cuenca amazónica. La especie Passiflora edulis (maracuyá morado), dio origen a través de una mutación a Passiflora edulis Sims flavicarpa Degener (maracuyá amarillo). Del maracuyá se aprovecha el jugo, que puede ser consumido indirectamente en fresco o procesado. La cáscara
13 es utilizada para preparar raciones alimenticias de ganado. La semilla contiene un 20‐25 % de aceite, que se puede usar en la fabricación de aceites, tintas y barnices. La pulpa de maracuyá presenta una acidez titulable de 4,7368% y un pH de 3,05 (García, 2002)
Cuadro 5. Caracterización fisicoquímica de la pulpa de Maracuyá Características fisicoquímicas Resultados Sólidos solubles (ºBrix)
pH
Acidez (%) expresado en ácido cítrico aW
Color L a b
14,8 2,76 4,38 0,974 41,69 3,79 22,08 Fuente: Grandez (2008).
En los últimos años hay una tendencia creciente de producción de jugos de frutas en el mundo, esta tendencia se ha favorecido con el gran desarrollo de la agroindustria y también por la creciente preocupación de la población humana hacia una alimentación natural que le permita garantizar buena salud.
Dentro de la agroindustria de jugos de frutas, la producción del jugo y concentrado de maracuyá, (conocida también como la fruta de la pasión o passion fruit) tiene un comportamiento creciente, utilizándose al jugo de maracuyá como materia prima para la preparación de jugos multivitamínicos o como reforzador de sabor de jugos de otras frutas. A nivel macroeconómico, los principales exportadores de jugo de maracuyá son Brasil (70%), Ecuador (13%), Colombia (12%), Asia (3%) y Perú (2%).
14 La composición típica de la fruta de maracuyá es la siguiente: cáscara 50- 60%, jugo 30-40%, semillas 10-15%, siendo el jugo el producto de mayor importancia.
Productos derivados y usos
El fruto se consume como fruta fresca o en jugo. El jugo, se utiliza para preparar refrescos, néctares, yogurt, mermeladas, licores, helados, enlatados.
El concentrado de maracuyá representa una materia prima para las grandes procesadoras de bebidas multivitamínicas, la industria del helado o de yogurt.
El uso en repostería comprende la preparación de tortas y queques. También se usa confitería para mezclar jugos con frutas como cítricos, guayaba y piña entre otros. Según el Instituto de Tecnología y Alimentos del Brasil, el aceite que se extrae de sus semillas puede ser utilizado para la fabricación de jabones, tintas y barnices.
2.2.4 Papaya (Carica papaya)
El fruto de la papaya es una baya, que pueden ser cilíndricos, alargados, en forma de pera o de forma globulares ovales o redondos. La forma de los frutos depende de la variedad y del tipo de flor del cual se han formado. Según las variedades los frutos pueden alcanzar de 15 a 50 cm de longitud, de 12 a 25 cm de diámetro. El fruto de la papaya está formado por 3 partes: exocarpio o cáscara, mesocarpio o pulpa y el endocarpio que contiene las semillas y mucílago. La pulpa del fruto es rica en agua, azúcares, vitaminas minerales y sustancias colorantes. Su color varía de amarillo pálido a amarillo rojizo.
15 El gusto por la papaya está relacionado con el color de la pulpa, sabor, suculencia y aroma característico. El fruto de la papaya tiene un importante valor alimenticio. La composición típica de la papaya se muestra en el Cuadro 6; 100g de pulpa contiene entre 2000 a 3000 unidades de vitamina A y 33 a 55 mg de vitamina C, y cantidades variables de vitamina B (Aguirre y Fernández, 1996).
El contenido de azúcares en la papaya varía considerablemente, dependiendo de la variedad y de las condiciones de cultivo. La composición de azúcares en papaya madura es de 48.3% de sacarosa, 29.8% de glucosa y 21.9% de fructosa. El pH de la pulpa de papaya se encuentra entre 5.5 y 5.9. Contiene unos 106 compuestos volátiles. El linalol, es el compuesto mayoritario y es causante del olor característico de la papaya fresca. Otro gran componente es el benzil isotiocianato que tiene un leve sabor pungente. Otros compuestos off-flavor que se encontraron en el papaya se identificaron como ácidos butínico, hexanoico y octanoico, así como sus correspondientes esteres metílicos. Otros autores reportan la presencia de 18 compuestos más, de los cuales se encontró que el butanoato de metilo, es el responsable de olores suaves en algunas papayas (Ceballos y Chiralt, 2005)
La papaya contiene muchas enzimas, las cuales tienen gran importancia en la calidad y estabilidad de los productos procesados de papaya. Estas enzimas incluyen a la papaína, invertasa, estearasa, poligalacturonasa, miorinasa y la ácido fosfatasa. En general, el color de la pulpa de la papaya se debe a la presencia de carotenoides; el color de la papaya roja, a diferencia de la amarilla, se debe al contenido de licopenos que no están presentes en esta
16 última. Por el contrario, el color de la papaya amarilla se debe mayoritariamente al contenido en criptoxantinas (Ceballos y Chiralt, 2005).
Cuadro 6. Composición en fresco del fruto de la papaya en g/100 g de porción comestible
Componente (g/100 g)
Humedad Proteína Grasa Ceniza Fibra cruda
Hidratos de carbono
85,90 – 92,60 0,081 – 0,34 0,05 – 0,96 0,31 – 0,66 0,51 – 1,30 6,17 – 6,75 Fuente: Ceballos y Chiralt (2005)
2.3 PULPA DE FRUTAS
Pulpa es la parte comestible de las frutas o es el producto obtenido de la separación de las partes comestibles carnosas de estas, mediante procesos tecnológicos adecuados. La pulpa se diferencia del jugo solamente en su consistencia; las pulpas son más espesas, se desecha la cascara, la semilla y el bagazo, los jugos son más fluidos o líquidos.
Es un producto pastoso, no diluido, ni concentrado, ni fermentado, obtenido por la desintegración y tamizado de la fracción comestible de frutas frescas, sanas, maduras y limpias que se pasteuriza, empaca y almacena higiénicamente sin aditivos, ni preservativos (Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, 2005).
El puré de fruta utilizado en la elaboración de zumos (jugos) y néctares de frutas, es un producto sin fermentar, pero fermentable, obtenido mediante procedimientos idóneos, por ejemplo tamizando, triturando o desmenuzando la parte comestible de la fruta entera o pelada sin eliminar el zumo (jugo). La fruta deberá estar en buen
17 estado, debidamente madura y fresca, o conservada por procedimientos físicos o por tratamientos aplicados de conformidad con las disposiciones pertinentes de la Comisión del Codex Alimentarios. El puré de fruta podrá contener componentes restablecidos, de sustancias aromáticas y aromatizantes volátiles, que se obtienen por procedimientos físicos adecuados y que deberán proceder del mismo tipo de fruta. Podrán añadirse pulpa obtenidas por procedimientos físicos adecuados del mismo tipo de fruta. (CODEX STAN 247-2005)
En la industria conservera la pulpa se define como la fruta fresca pelada, deshuesada y triturada. En otros países la pulpa o el puré de fruta se conoce como cremogenado; tienen en común las operaciones de molturación, conservación pero se diferencian en las operaciones de homogenización y tamizado (Madrid, 2001).
Las pulpas y jugos se caracterizan por poseer una variada gama de compuestos nutricionales que les confieren un atractivo especial a los consumidores. Están compuestas de agua en un 70 a 95%, pero su mayor atractivo desde el punto de vista nutricional es su aporte a la dieta principalmente vitaminas y minerales. La apariencia de los jugos o pulpas debe estar libre de materias extrañas, admitiéndose una separación en fases y la mínima presencia de trozos y partículas oscuras propias de la fruta utilizada, la presencia de partículas oscuras en la pulpa se puede deber a la rotura de semillas durante el despulpado o presencia de manchas oscuras en la piel de la fruta que pueden pasar a la pulpa. Debe estar libre de sabores extraños. Cualquier sabor a viejo o a alcohol es señal de fermentación, que de inmediato es rechazado. El color y olor deben ser semejantes a los de la fruta fresca de la cual se ha obtenido. El producto puede tener un ligero cambio de color, pero no desviado debido a alteración o elaboración defectuosa. Además la pulpa
18 debe contener el elemento histológico, o tejido celular de la fruta correspondiente (Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, 2005).
La pulpa de mango se obtiene al separar la pulpa del fruto de la semilla y la cáscara para luego ser sometida a un proceso de triturado, procesamiento térmico y congelado. El mango que se utiliza para procesar se debe cosechar en estado de madurez fisiológica, es decir, cuando el fruto está totalmente maduro. Debe tener su tamaño desarrollado y según la variedad, deben lucir un color amarillo o amarillo y rojo; y que internamente, alrededor de la semilla, tenga una coloración amarilla. Las variedades de mango más recomendables para el procesamiento son: La Criolla, Mora, Filipino y Irwin y Haden (http://www.buenastareas.com/ensayos/Pulpa-De- Mango/2105003.html)
2.4 LAMINAS DE FRUTAS
Según (Paltrinieri y Figuerola, 1997) las láminas de fruta son planchas de pulpa de fruta de consistencia suave y elástica, sabor dulce, gusto particular y color que depende de la materia prima empleada. La mayoría de frutas puede usarse en la elaboración de estas láminas aunque se prefieren frutas tropicales ricas en aromas exóticos, tales como el maracuyá, el mango, el marañón o la papaya a fin de obtener colores y sabores muy variados. Las láminas pueden enrollarse en películas de plástico y conservarse por varias semanas, o cortarse en pequeñas piezas para su uso en confitería y pastelería.
Un snack con escaso desarrollo en Chile, son las láminas de fruta, también llamadas rollos de fruta, caramelos de fruta, o “fruit leathers”, son productos sabrosos y masticables elaborados con fruta molida, deshidratada y finalmente presentadas
19 como láminas o enrolladas. Se elaboran láminas de diversos frutos: como damasco, manzana, uva, berries, piña, naranja, durazno, tomate, ciruela y frutas tropicales (Cid, 2007).
Su preparación consiste en la selección de fruta madura, lavada, sin carozos o semillas y peladas si se desea. Esta se corta en trozos y se muele hasta obtener una pulpa uniforme. La pulpa de fruta se puede endulzar utilizando azúcar, jarabe de maíz o miel. Álvarez (1997) citado por (Cid, 2007) utilizó en la elaboración de láminas de tuna con incorporación de pulpa de membrillo un 10% de azúcar respecto de la mezcla de pulpas. Para reducir la pérdida de color y de nutrientes, se agregan antioxidantes tales como ácido ascórbico, ácido cítrico, jugo de limón o jugo de piña, antes de la etapa de secado. La pulpa ya elaborada se dispone en moldes o bandejas de baja profundidad (0,6 cm), previamente cubiertas con un film de cloruro de polivinilo u otro producto similar, cuyo fin es evitar la adherencia de la pulpa deshidratada en las bandejas. Posteriormente se someten a deshidratación para remover la humedad, reduciendo el volumen y peso de la pulpa. Este proceso disminuye la actividad de agua (aw) e impide que bacterias, hongos y levaduras puedan crecer y deteriorar la lámina de fruta, además de retardar la acción de enzimas. Este conjunto de efectos combinados determina que las láminas de fruta sean productos fáciles de almacenar y preservar. La deshidratación se puede realizar por acción del sol, en un horno o en un equipo deshidratador de alimentos. Para almacenar los productos, ya sea en forma de láminas planas o en rollos, se envasan en plásticos flexibles adecuados, impermeables a la humedad y a la luz. Se pueden mantener a temperatura ambiente en lugares oscuros, fríos y secos por periodos de 4
20 meses a 1 año. Si se quiere aumentar el tiempo de almacenamiento por más de 1 año, se pueden almacenar en temperaturas de refrigeración.
Según (Stier, 1996) Las láminas de fruta son elaboradas por la deshidratación de purés de fruta. Puede ser ligeramente endulzado luego esparcido en una bandeja en forma de lámina y finalmente se deshidrata. El producto tiene una apariencia traslúcida-brillante, textura masticable, buen sabor y aroma. El proceso de preservación es muy simple y básicamente involucra la producción de puré de fruta rico en azúcar, el cual es secado posteriormente. Ambos procesos, la adición de azúcar y el secado reducen la cantidad de agua libre disponible y por lo tanto previenen el crecimiento de microorganismos, los cuales deterioran la fruta. Además es un atractivo método alternativo para extender la vida útil de la fruta procesada.
Estos productos alimenticios pueden ser secados mediante la aplicación de aire, vapor sobrecalentado, en vacío, con gas inerte o por aplicación directa de calor.
Generalmente se utiliza el aire caliente como medio secador, debido a su abundancia, conveniencia y a que puede ser controlado fácilmente mediante equipos adecuados. El tiempo de deshidratación varía entre 4 y 48 horas. Además Moyls (1981) citado por (Stier, 1996) señala que se deben considerar factores como la temperatura de secado, la cual varía entre 45°C y 121°C. Sin embargo, las altas temperaturas provocan problemas de caramelización, por lo que no son aconsejables a pesar de que reducen considerablemente el tiempo de secado. La lámina se despega del molde, se corta y se envasa. Se obtiene como producto final, un "Snack"
de agradable sabor, y que no requiere de ningún otro tipo de procesamiento antes de ser consumido. Las láminas tienen un contenido de humedad bajo, se sugiere que pueden ser degustados como alimentos de humedad intermedia.
21 Las láminas son elaboradas por la deshidratación de purés de frutas. Estas pueden ser preparadas de muchos frutos, y una serie de combinaciones de ellos. También pueden ser endulzadas, por la adición de azúcar o saborizadas con la adición de especias. La preservación de láminas de fruta depende del bajo contenido de humedad, típicamente 15 a 25 %, la acidez natural de la fruta y el alto contenido de azúcar. El producto tiene una vida útil superior a 9 meses si las condiciones de secado han sido las correctas y el envasado el adecuado. Cuando la lámina de fruta no es correctamente empacada, pierde color y sabor gradualmente y los estándares de calidad son difíciles de mantener (Merino, 2002).
El tiempo de secado varía según el tipo de deshidratación que se lleve a cabo el proceso, de 6 a 8 horas en un deshidratador, sobre 18 horas en un horno de secado, y de 1 a 2 días bajo secado solar, por lo general se utiliza el aire caliente como medio secador, debido a su abundancia, conveniencia y a que puede ser controlado fácilmente mediante equipos adecuados (Merino, 2002).
2.5 SECADO DE FRUTAS
El secado de frutas es una actividad agroindustrial con excelentes perspectivas en el futuro. La extracción del agua de estos productos tiene la ventaja de inhibir el crecimiento microbiano; bajando los costos de envasado, almacenamiento y de transporte. El proceso de secado puede llevarse a cabo por diversos sistemas, pero la elección va a depender siempre de la naturaleza del producto, forma, calidad requerida, costo del procesamiento y condiciones de operación. El secado puede reducir parcial o totalmente el volumen de agua libre en el alimento, obteniéndose una mejora en las condiciones microbiológicas, organolépticas y fisicoquímicas. Por
22 tanto, el secado es un proceso que permite un período mayor de almacenamiento y comercialización, ya que posibilita la ausencia de microorganismos, insectos, roedores o cualquier otro elemento de contaminación.
2.5.1 Conceptos básicos
El contenido de humedad de una materia suele expresarse como porcentaje en peso respecto al material seco. Un sólido expuesto al aire a una determinada humedad y temperatura pierde o gana agua hasta alcanzar condiciones de equilibrio; el grado de humedad, en el equilibrio, depende de las características del material.
a. Humedad de un sólido
Es el peso de agua que acompaña a la unidad de peso de sólido seco.
b. Humedad de equilibrio.
Es la humedad alcanzada por un sólido en equilibrio con una masa de aire a una determinada temperatura y humedad. También, es el límite de humedad que puede alcanzar un sólido en contacto con una masa de aire. Si la humedad del sólido es mayor que la humedad de equilibrio, el sólido se seca; si es menor, el sólido capta agua hasta la humedad de equilibrio.
La humedad de equilibrio, es la humedad que existe cuando la presión de vapor del agua en el alimento está en equilibrio con la presión parcial del vapor de agua en el aire. Si el aire se satura totalmente durante el secado, entonces el equilibrio se establece con la presión de vapor del agua en el
23 aire ya que esta presión es igual a la presión parcial del vapor de agua bajo esas condiciones. La humedad de equilibrio se expresa en base seca, en unidades del Sistema Internacional kg agua/kg sólido seco (kg a/kg ss).
c. Humedad crítica:
La humedad crítica de un sólido es el punto que separa los dos períodos de secado antecrítico y poscrítico.
Período anticrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado es constante, desde la humedad inicial hasta la humedad crítica.
Período poscrítico: Es el período de tiempo en el que la velocidad de secado disminuye hasta llegar a un valor de cero. Este período empieza con la humedad crítica hasta la humedad de equilibrio.
La humedad critica, es el nivel de humedad que en la mayoría de los casos se alcanza después de haber pasado una etapa de velocidad de secado constante a temperatura también constante. A partir de este nivel de humedad la velocidad de secado descenderá considerablemente.
d. Humedad libre
Es el exceso de humedad de un sólido, respecto a la humedad de equilibrio, en contacto con una determinada masa de aire. Es la humedad que puede perder un sólido después de un contacto prolongado con el aire.
e. Humedad ligada
24 Es la humedad de equilibrio de un sólido en contacto con una masa de aire de humedad relativa del 100%. También, la humedad mínima necesaria para que el sólido deje de comportarse como higroscópico.
f. Humedad desligada
Es la diferencia entre la humedad del sólido y la humedad ligada, o la humedad libre del sólido en contacto con aire saturado. El sólido se comporta como sólido húmedo.
Figura 1. Curva de Humedad de equilibrio Fuente: Mc Smith (1991)
g. Formas de expresar la Humedad
La humedad puede expresarse en base seca y base húmeda Humedad en base seca (hbs)
)
( 2
ss O H
bs masa
h masa
25 mH2O = masa de agua
masass = masa de sólido seco Humedad en base húmeda (hbh)
) (
2 2
O H ss
O H
bs masa masa
h masa
2.5.2 Factores que intervienen en el proceso de secado
Cuando un sólido es sometido a un proceso de secado utilizando aire se presentan dos subprocesos:
Transferencia de materia. El movimiento de la humedad dentro del solido es una función de la naturaleza física del sólido, su temperatura y su contenido de humedad.
Transferencia de energía. Este segundo subproceso depende de las condiciones externas de temperatura, humedad y flujo del aire, área de exposición y el tipo de secador empleado.
a. Temperatura del aire.
La temperatura desempeña un papel importante en los procesos de secado. Conforme se incrementa su valor se acelera la eliminación de humedad dentro de los límites posibles. La elección de la temperatura se lleva a cabo tomando en consideración la especie que se va a someter al proceso. Andritsos et al., (2003) afirman que las temperaturas de secado de frutas ideales están entre 45 y 55 °C. Esto permite al producto retener sus nutrientes.
26 b. Humedad relativa del aire
La humedad relativa del aire se define como la razón de la presión de vapor de agua presente en ese momento, con respecto a la presión de saturación de vapor de agua a la misma temperatura. Generalmente, este valor se expresa como porcentaje (%). A medida que aumenta la temperatura del aire, también aumenta su capacidad de absorción de humedad; cuando la temperatura disminuye sucede lo contrario.
La temperatura de secado está estrechamente relacionada con la humedad relativa del aire, ya que influye en la calidad organoléptica del producto final. Cuando la temperatura del aire de secado es alta y su humedad relativa es baja, existe el riesgo de que la humedad de la superficie del alimento se elimine más rápido de lo que el agua puede difundirse del interior húmedo a la superficie del alimento. Al evitar esto, se inhibe la formación de costras (Andritsos et al., 2003). Por ello es importante, tener muy en cuenta las velocidades de flujo de aire. A nivel industrial se emplean humedades relativas del 20 al 40%.
c. Velocidad del aire
La velocidad del aire dentro del secador tiene como funciones principales, en primer lugar, transmitir la energía requerida para calentar el agua contenida en el alimento facilitando su evaporación. En segundo lugar, ayuda a transportar la humedad saliente del material. La velocidad de secado aumenta a medida que incrementa la velocidad de aire que fluye sobre el alimento (Foust, 1990). A mayor velocidad, mayor será la tasa de
27 evaporación y menor el tiempo de secado. La capa limite que existe entre el material a secar y el aire juega un papel importante en el secado. Cuanto menor sea el espesor de la capa limite, más rápida será la remoción de humedad. Por otra parte, el flujo de aire es importante, uno turbulento es mucho más eficaz que uno laminar. El deshidratado a nivel industrial se lleva a cabo empleando velocidades de aire entre 1.5 y 2.5 m/s.
2.5.3 El agua en los alimentos
La cantidad de agua en un alimento define sus propiedades reológicas, sensoriales y susceptibilidad a las alteraciones por reacciones. El contenido de humedad en un alimento se refiere a toda el agua que este tiene. En un alimento puede expresarse en base húmeda o base seca. La humedad de un alimento es retenida en dos formas, como agua libre o agua “ligada”. El agua ligada ejerce una presión de vapor de equilibrio menor que la del agua libre a la misma temperatura. La humedad en forma de agua libre podría ser retenida por los capilares finos, o adsorbida dentro de una célula o paredes fibrosas o por combinación física/química con el sólido. El agua libre ejerce una presión de vapor de equilibrio igual a la del agua pura a la misma temperatura. La humedad en forma de agua libre esta retenida en los espacios vacíos de los alimentos sólidos (Sharma, 2003).
2.5.4 Curvas de Secado.
Son curvas construidas a partir de datos experimentales que dan información sobre la velocidad de secado de un alimento bajo determinadas condiciones. Se obtienen preferiblemente en un equipo que reproduzca lo más fielmente posible
28 el equipo de proceso usando condiciones de aire que se asemejen a las que se usan en el mismo. La información obtenida de estas curvas es útil para propósitos de:
1. Estimar el tamaño del secador
2. Establecer las condiciones de operación
3. Calcular, estimar o aún predecir el tiempo de secado
La velocidad de secado de un material depende de sus propiedades y densidad global; así como de su contenido de humedad inicial y en equilibrio. La velocidad de secado no es la misma durante todo el proceso. La representación gráfica de la velocidad de secado frente a la humedad del producto o frente al tiempo se denomina “curva de secado”, y será diferente según sea el tipo de producto a deshidratar. Generalmente la forma de las curvas de secado es complicada y deben obtenerse experimentalmente.
Figura 2. Curvas de velocidad de secado Fuente: Sharma (2003)
29 En la Figura 2, se representa una curva de secado. El producto se encuentra inicialmente en el punto A. En la etapa inicial del secado (AB) el agua se calienta lentamente. En el punto B, la temperatura de la superficie alcanza su valor de equilibrio. Cuando el sólido está a una temperatura por arriba de la temperatura de operación, la velocidad de secado empieza en el punto A’.
Posteriormente, inicia una pérdida de agua a velocidad constante (BC). El periodo de velocidad de secado constante se caracteriza por la evaporación de la humedad a partir de una superficie saturada. El secado de velocidad constante equivale fundamentalmente a evaporación a partir de un cuerpo de agua grande y es independiente del tipo de solido (Sharma, 2003). Esta etapa finaliza cuando se alcanza la llamada humedad crítica (Xc), facilmente identificable en las curvas de secado por el cambio brusco de velocidad. En esta etapa no hay suficiente agua en la superficie para mantener una película continua. La velocidad empieza a decrecer (CD), pudiendo existir uno o varios periodos de velocidad decreciente. El periodo de velocidad decreciente es por lo general el periodo más largo de una operación de secado y depende de la temperatura del aire, velocidad del aire y del espesor del alimento. Es posible que la cantidad de humedad que se elimina durante el periodo de velocidad decreciente sea pequeña; sin embargo los tiempos de secado pueden ser prolongados.
Una curva de interés para el diseño de secado de frutas es la que relaciona el tiempo de secado con la pérdida de humedad (Figura 3). En esta curva se puede observar la disminución de la cantidad de agua en la muestra a medida que transcurre el tiempo; la cual puede ser directamente analizada para la
30 determinación de tiempos de secado de grandes masas, hasta llegar al más bajo nivel de humedad.
Figura 3. Contenido de humedad en función del tiempo Fuente: Mujamdar (2000)
Si el proceso se lleva a cabo en las mismas condiciones de proceso, para mejores resultados es conveniente comparar en una gráfica donde se coloca la velocidad de secado versus el contenido de humedad libre. En la curva se puede definir las diferentes etapas, tales como: A-B, es un período de equilibrio, donde la superficie busca un equilibrio con el aire. Este período es usualmente corto comparado con el tiempo total de secado. B-C es el periodo de velocidad constante, aquí la superficie del alimento se encuentra saturada con agua;
como el agua es evaporada desde la interfase, el agua del interior se mueve hacia la superficie.
En la Figura 4 se muestra la curva de las diferentes etapas que transcurre durante el secado. La velocidad de secado, es limitado por la velocidad de transferencia de calor hacia el alimento desde el aire caliente. La temperatura
31 es usualmente la temperatura de bulbo húmedo. La siguiente etapa correspondiente a C-D, representa el período de velocidad decreciente, este es caracterizado por un ligero incremento de la temperatura del producto, la velocidad de secado es controlada por la difusión de la humedad hacia la superficie.
Figura 4. Velocidad de secado (dW/dt) en función del tiempo 2.6 CINETICA DE SECADO
La cinética de secado muestra la variación de la humedad del material (intensidad de evaporación) con el tiempo. Las curvas de cinética de secado dan idea del tiempo necesario de secado, del consumo de energía, del mecanismo de transferencia de agua, de las condiciones predominantes en la transferencia de calor y masa, y de la influencia que tienen en la velocidad de secado las variables de proceso tales como:
la temperatura, humedad de entrada, velocidad del aire, etc. Esto permite realizar un diseño o una selección más eficiente de secaderos así como de las variables de proceso (Garcia y Shimalko, 2007).
32 La cinética de secado es de gran utilidad, ya que permite el estudio del proceso de secado bajo condiciones controladas. Además es esencial para un correcto diseño del proceso de secado, lo que permite obtener un producto de calidad. La descripción de la cinética de secado contempla:
Movimiento de la humedad: la transferencia de masa, es decir del agua, ocurre durante el secado como líquido, vapor o ambos dentro del sólido y vapor desde las superficies húmedas. La resistencia a la transferencia de materia, y no a la transmisión de calor, puede controlar la velocidad de secado (McCabe, et al.,1991).
Al igual que en otros procesos de transferencia, como transferencia de masa, el proceso de secado de materiales debe considerarse desde el punto de vista de las relaciones de equilibrio (aire-vapor de agua y el material sólido) y además, de las relaciones de velocidad (Geankoplis, 1998).
Difusión dentro del sólido: dependiendo de la naturaleza del sólido el secado puede basarse tanto en el mecanismo interno de la circulación del líquido como en el efecto de las condiciones externas. En el caso de sólidos no porosos este periodo puede ser descrito por un modelo de difusión y para sólidos porosos por un modelo de flujo capilar.
Modelo de difusión: es característico de los materiales que se secan lentamente. La resistencia a la transferencia de vapor de agua desde la superficie del sólido hasta el aire es generalmente despreciable y la difusión dentro del sólido controla la velocidad global de secado. Por tanto, el contenido de humedad en la superficie es muy próximo a la humedad de equilibrio. La velocidad del aire tiene poco o ningún efecto, mientras que su humedad influye sobre el proceso al determinar la humedad de
33 equilibrio (McCabe, et al., 1991). En el modelo de difusión es aplicable la segunda ley de Fick que describe el comportamiento de humedad en un sólido no poroso.
Modelo de flujo capilar: se puede suponer que un lecho empacado de esferas no porosas contiene espacios vacíos entre dichas esferas que se llaman poros. A medida que se evapora el agua, las fuerzas capilares se ponen en acción debido a la tensión interfacial entre el agua y el sólido. Estas fuerzas proporcionan la fuerza impulsora para el movimiento del agua a través de los poros hacia la superficie de secado, el agua puede fluir desde regiones de concentración elevadas hasta las de bajas concentraciones como resultado de una acción capilar en lugar de difusión, por lo cual es aplicable la primera ley de Fick en lugar de la segunda
2.6.1 Mecanismos de transferencia de materia
El mecanismo de transferencia interna de materia presenta dos teorías gobernantes: Difusión y Capilaridad. Ambas son diferentes desde el punto cualitativo, donde varios autores prefieren la difusión por ser un mecanismo más sencillo (Vega y Lemus, 2006), pero en realidad es el flujo por capilaridad, el cual, rige en el proceso de secado, principalmente en el periodo de velocidad decreciente, pero ambas coinciden en que la velocidad de transporte es proporcional al gradiente de humedad en la mayor parte del secado de los alimentos.
a. Capilaridad: Es el flujo de un líquido a través de los intersticios y sobre la superficie de un sólido debido a la atracción molecular entre el líquido y el sólido (Barbosa-Cánovas y Vega-Mercado, 2000). El flujo capilar ha sido
34 descrito como el principal mecanismo de transferencia de materia, tanto en la deshidratación como la rehidratación (Weerts, et al; 2005).
b. Difusión: En productos sólidos de estructura fina en sus propios capilares, poros y pequeños huecos llenos con vapor de agua, es que la difusión molecular del vapor de agua presenta una clara tendencia de un movimiento desde el interior hacia la superficie durante el secado con aire caliente (Barbosa-Cánovas y Vega, 2000).
2.6.2 Modelado de la cinética de transferencia de materia
Los modelos empíricos en el secado, básicamente describen la información otorgada por las curvas de secado producidas experimentalmente para varios niveles con distintas variables de proceso, las cuales afectan las curvas de secado, pudiéndose estudiar por comparaciones los datos experimentales con los calculados por los modelos y reconocer los valores de los parámetros, los que están relacionados a estas variables del proceso, como temperatura y velocidad del aire (Kiranoudis et al., 1992).
El modelado de la cinética de secado está restringido, de acuerdo a los periodos del secado que presente el alimento, o sea, inducción, constante y decreciente. Para el caso del período de inducción se hace despreciable por ser un periodo muy corto y ninguna relevancia en el proceso de modelado. En el periodo de velocidad constante también se mueve agua rápidamente y suficiente desde el interior (capilaridad) a la superficie para mantenerla húmeda, en cambio en el periodo de velocidad decreciente, transporte de humedad no es tan rápido para mantener la superficie húmeda, donde el área humedecida en la
35 superficie disminuye gradualmente y comienza a instaurase el área de secado (Turhan et al., 1997).
Se puede mencionar la fuerza impulsora (ecuación 1) como el gradiente de concentraciones de humedad que presenta el producto, es decir, la razón entre la humedad a tiempo real (Xwt) y la humedad de equilibrio (Xwe) que tiene el producto, obtenida de su isoterma de desorción a una determinada temperatura. Esta diferencia de humedades se denomina humedad libre, ambas con respecto a la humedad inicial (Xwo), útil para los tiempos cortos. Y por medio de la fuerza impulsora se puede obtener la fuerza impulsora reducida (ecuación 2) que presenta únicamente el cambio del cociente, siendo ahora la humedad a tiempo real y la humedad inicial, despreciando la humedad de equilibrio, por ser muy pequeña con respecto a la humedad a tiempo real e inicial, con el fin de obtener una curva de secado que comience de la unidad (1.00), es decir, en el eje y (abscisas), así se normalizan todas las curvas para que empiecen del mismo contenido de humedad inicial, y su utilización en los tiempos largos (Vega y Lemus, 2006).
Fuerza impulsora
wo we
wo wt o
t
X X
X X M M
(1)
Fuerza impulsora reducida
we wo
we wt wo
we wo wt
X X
X X X
X X MR X
1
(2)
La resolución de la ecuación de la segunda Ley de Fick se resuelve por medio de la integración del primer término (los demás son despreciables) y para una sola dirección, dependiendo siempre del tipo de geometría al cual se necesite
36 obtener el coeficiente de difusión (Dwe), para esto se tienen la diferentes soluciones de las series ya resueltas, sólo del primer término y de la primera y segunda integración de las mismas (Tabla 1).
Cuadro 7. Ecuaciones difusionales con un solo termino del desarrollo de la serie
Condiciones Lámina infinita Cilindro infinito Esfera
Tiempos cortos
2 1 2 ) . ( .
2 L
t D M
Mt we
2 1 2 ) . ( .
4 r
t D M
Mt we
2 1 2) ..
( .
6 r
t D M
Mt we
Tiempos largos
4 ) 8 exp(
2 2
2 L
t MR Dwe
5,783. )
783exp(
, 5
4
r2
t
MR Dwe
6 exp( )
2 2
2 r
t MR Dwe
Fuente: Vega, 2003.
Los datos necesarios para determinar el tiempo de secado del producto a la humedad final que se desee lograr, es por medio de la utilización de la ecuación integrada de la segunda Ley de Fick para un tiempo determinado (largo o corto), con el valor de la Difusividad (Dwe), la geometría y dimensión del producto, la humedad inicial (Xwo) y de equilibrio obtenida por su isoterma de desorción del producto fresco (Xwe), y la humedad final a la que debe llegar, se despejan y se obtienen el valor del tiempo de secado necesario (Fito et al, 2001)
Al determinar el coeficiente difusional (Dwe), éste pudiese presentar una dependencia con respecto a la concentración o contenido inicial de agua del producto, como también de la temperatura del aire de secado, resultando entonces lógico aplicar la ecuación de Arrhenius (ecuación 3) esta dependencia. Siendo, Dwe: coeficiente efectivo de difusividad de agua (m2/s);
37 Do: coeficiente de Arrhenius (m2/s); Ea: energía de activación (kJ/mol); R:
constante universal de los gases 8.314 (kJ/mol K) y T: temperatura (K).
RT
D Ea
Dwe o.exp (3)
2.7 EVALUACIÓN SENSORIAL
El análisis sensorial es una ciencia multidisciplinaria en la que se utilizan panelistas humanos que utilizan los sentidos de la vista, olfato, gusto, tacto y oído para medir las características sensoriales y la aceptabilidad de los productos alimenticios, y de muchos otros materiales. No existe ningún otro instrumento que pueda reproducir o reemplazar la respuesta humana; por lo tanto, la evaluación sensorial resulta un factor esencial en cualquier estudio sobre alimentos. El análi
