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IQ-2004-I-18 DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON PULSO DE VACIO ALEXANDER EMILIO PAREJA PAREJA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUIMICA BOGOTÁ D.C. 2004

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IQ-2004-I-18

DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON PULSO DE

VACIO

ALEXANDER EMILIO PAREJA PAREJA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUIMICA

BOGOTÁ D.C.

2004

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IQ-2004-I-18

DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON PULSO DE

VACIO

ALEXANDER EMILIO PAREJA PAREJA

Trabajo de grado para optar al titulo de Ingeniero Químico

Asesor

CLARA ELIZABETH QUIJANO CELIS

Química

Coasesor

EDGAR MAURICIO VARGAS SOLANO

Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUIMICA

BOGOTÁ D.C.

2004

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IQ-2004-I-18

“A Dios, al padre Mariano, a mis padres y hermanos

y a todas las personas que de una u otra manera colaboraron con mi estadía en la

universidad y que participaron en la ejecución de este proyecto”.

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IQ-2004-I-18

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 5 OBJETIVOS................................................................................................................................. 7 OBJETIVO GENERAL................................................................................................................ 7 OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................... 7 1. MARCO TEORICO ............................................................................................................. 8

1.1 DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA ................................................................... 8 1.2 EL MELÓN ..................................................................................................... 11

1.2.1 Composición y estructura del melón ................................................... 11 1.3 ASPECTOS FISICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS QUE AFECTAN LOS ALIMENTOS .............................................................................................................. 12 1.4 APLICACIONES............................................................................................. 15

1.4.1 Salado de quesos .................................................................................. 15 1.4.2 Salado de salmón .................................................................................. 16 1.4.3 Procesado de corteza de naranja, utilizando impregnación a vacío y deshidratación osmótica con jarabes concentrados .......................................... 16 1.4.4 Obtención de productos confitados..................................................... 17

1.5 TRABAJOS PREVIOS REALIZADOS CON DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA ................................................................................................................ 18

1.5.1 Deshidratación osmótica por pulso de vacío del kiwi y conservación mínimamente procesada ...................................................................................... 18 1.5.2 Deshidratación osmótica por pulso de vacío de la fresa y conservación mínimamente procesada............................................................... 19 1.5.3 Deshidratación osmótica por pulso de vacío del mango................... 19

2. ASPECTOS FUNDAMENTALES PARA EL DESARROLLO EXPERIMENTAL ......... 21 2.1 EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO ......................................... 21

2.1.1 Temperatura ........................................................................................... 21 2.1.3 Concentración ........................................................................................ 22 2.1.4 Presión .................................................................................................... 22

2.2 BALANCE DE MATERIA .............................................................................. 23 3. EXPERIMENTACIÓN ....................................................................................................... 24

3.1 MATERIALES Y EQUIPOS .......................................................................... 24 3.2 METODOLOGÍA UTILIZADA........................................................................ 26

4. RESULTADOS Y ANALISIS .............................................. ¡Error! Marcador no definido. 5. DISEÑO DE EQUIPO......................................................... ¡Error! Marcador no definido. BIBLIOGRAFÍA............................................................................ ¡Error! Marcador no definido. ANEXOS ...................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

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5

INTRODUCCIÓN

La deshidratación de los alimentos es un tema que ha despertado un gran interés

en la actualidad. Acerca de la deshidratación de alimentos no se conoce mucho,

así como tampoco las bases del comportamiento de los cambios físicos y

químicos que se dan durante este proceso. Se sabe que desde la antigüedad el

hombre se ha preocupado por conservar los alimentos; y por ello, empezó a

utilizar técnicas de deshidratación tales como el secado al sol o salar las carnes.

El principal objetivo de la deshidratación de alimentos, es aumentar la vida útil de

los mismos mediante la disminución del contenido hídrico, reduciendo así, la

actividad del agua e inhibiéndose con esto el crecimiento microbiano y la actividad

enzimática, agente que produce el deterioro de los alimentos. De otro lado los

alimentos se deshidratan para disminuir su peso y volumen.

Colombia es un país rico en frutas exóticas y tropicales gracias a su variedad

climática y la fertilidad de sus tierras. La cantidad de frutas producidas en el país

se hace insuficiente, ya que según cifras del ICBF (Inst. Colombiano de Bienestar

Familiar)1, cada colombiano debería consumir 120kg de fruta al año para

satisfacer los requerimientos mínimos nutritivos recomendados, pero la producción

total actual de fruta sólo permite que en promedio cada uno consuma cerca de 40

kg.

El problema se agrava debido a las pérdidas en un 30% del total de frutas

cultivadas en postcosecha antes de llegar al consumidor final.

1Tomado de http://www.dnp.gov.co/ArchivosWeb/Direccion_Desarrollo_Agrario/SectorAgrario/SistemasInformacionAgropecuarios.doc el 24 de abril de 2004.

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Estas pérdidas se dan en su mayoría por las condiciones internas del alimento que

aceleran el desarrollo microbiano tales como el contenido de humedad o mejor

aún, su disponibilidad del agua, la acidez y el grado de madurez.

En la última década del siglo XX, la industria alimenticia preocupada por

mantener los alimentos en buen estado y disminuir el desperdicio de frutas ha

venido realizando investigaciones dirigidas para entender los cambios de las

propiedades de los alimentos durante los procesos de deshidratación

convencionales aplicados para preservación de los mismos. Los resultados

obtenidos de dichas investigaciones han conducido a la búsqueda e

implementación de métodos alternativos, que alteren en lo mínimo las propiedades

naturales de los alimentos, tales como: sabor, color, aroma y textura.

Ante esta situación, la deshidratación osmótica por pulso de vacío aparece como

una técnica aplicable a esta problemática, siendo éste un proceso viable tanto en

la parte tecnológica y de costos, además de resultar efectivo en el tratamiento

de preservación de los alimentos.

En este proyecto se pretende determinar las condiciones de temperatura y

concentración de sacarosa que permitan deshidratar el melón hasta obtener un

producto de estabilidad intermedia que conserve las propiedades sensoriales lo

más parecidas al producto natural. Se aspira implementar el diseño preliminar de

un equipo de deshidratación osmótica que permita controlar las variables del

proceso y constituya una alternativa para la comercialización de la fruta.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Hallar la cinética de deshidratación del melón con pulso de vacío en forma de

cilindro y compararla para las mismas condiciones de temperatura y concentración

con el corte en esferas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar la deshidratación osmótica del melón (cucumis melo L), de la

variedad Cantaloupe con pulso de vacío.

Elaborar la deshidratación variando la temperatura y la concentración a

diferentes grados Brix.

Determinar las mejores condiciones de temperatura y concentración de

sacarosa para el modelo de deshidratación.

Evaluar la rentabilidad del proceso experimental.

Hacer el dimensionamiento preliminar de un deshidratador osmótico.

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1. MARCO TEORICO

1.1 DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

Este proceso consiste en sumergir el alimento entero o en piezas en soluciones

acuosas de alta concentración en solutos. La deshidratación ocurre por ósmosis;

difusión del agua a través de una membrana semipermeable de una región de alta

concentración (interior de la fruta) a una de baja concentración, la región de baja

concentración contiene solutos en solución y se ejerce sobre ella una presión

osmótica. De igual forma, por la diferencia de concentración de solutos hay un

flujo en sentido opuesto al del agua, el cual cambia las propiedades sensoriales

del alimento. Los solutos que usualmente se emplean en los procesos de

deshidratación son azúcar y sal que generan presiones osmóticas elevadas

permitiendo la eliminación de agua en sumo grado, reduciendo con ello la

actividad acuosa para el desarrollo de microorganismos que deterioran los

alimentos. Se ha notado que el efecto de deshidratación es mayor cuanto menor

es la masa molecular del soluto, pero resulta de especial interés usar solutos de

alto peso molecular cuando se desea que la difusión de solutos al interior del

alimento sea mínima. Durante el proceso de deshidratación aplicado a las frutas y

hortalizas se debe considerar que al transcurrir el tiempo de operación la

permeabilidad selectiva de la membrana puede deteriorarse, lo que implicaría que

la transferencia de solutos entre la fase líquida del producto y la solución osmótica

ocurra sin ningún impedimento, esto podría suceder por las condiciones de

operación que conllevan a la desnaturalización de la membrana biológica.

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La deshidratación osmótica es ampliamente usada en frutas y hortalizas, dado

que las bajas temperaturas empleadas en la operación impiden la

desnaturalización de la membrana y daños de propiedades sensoriales. La

concentración de solutos en la parte externa de la fruta previene el oscurecimiento

o el pardeamiento por oxidación evitando así el uso de aditivos químicos, ya que

la extracción del agua se obtiene sin cambio de estado y la estructura de la fruta

se preserva. Por todas estas ventajas la deshidratación osmótica en la actualidad

resulta de especial interés mundial.

La técnica de deshidratación osmótica se puede utilizar como pretratamiento para

la elaboración de alimentos de humedad intermedia, alimentos autoconservables,

productos semiconfitados y productos semielaborados, lo cual ofrece una

excelente posibilidad para la exportación de productos tropicales y frutas exóticas,

como las que podemos encontrar en la Amazonía colombiana.

Los mecanismos que facilitan la deshidratación del alimento inmerso en una

solución osmótica son variados y complejos. Cuando la fruta se sumerge en una

solución concentrada en solutos, el agua en el interior de la fruta queda separada

por la estructura celular que actúa como una membrana semipermeable, fluye al

exterior por el gradiente de concentración, la presión osmótica es fundamental

mientras prevalezca la selectividad de la membrana celular en función de las

variables de operación. El mecanismo de difusión está presente cada vez que

haya una diferencia de potencial químico entre dos fases, permitiendo la migración

de los componentes de manera espontánea de la región de mayor concentración a

la de menor concentración.

El mecanismo hidrodinámico es importante en la transferencia de materia y se

haya presente en la deshidratación osmótica cuando se crea una diferencia de

presión, facilitando la transferencia por capilaridad a través de los poros; esto se

puede lograr creando un vacío y luego restaurando la presión normal de

operación. Esto esta relacionado directamente con la porosidad del alimento, dado

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que la generación de vacío permite que el gas acumulado en los poros salga y,

una vez restaurada la presión el líquido penetra por capilaridad, llenando

parcialmente los poros de líquido. Lo que supone un aumento en la superficie de

contacto sólido - líquido mejorando la velocidad de transporte.

Figura 1. Etapas en el proceso de transferencia de materia de un alimento poroso sumergido en un líquido 2

Las frutas tienen espacios intercelulares dentro de los cuales se alberga gas,

estos espacios forman los poros los cuales no son homogéneos pero determinan

la velocidad de transferencia de materia. Cuando el sistema es sometido a

presiones subatmosféricas, el gas alojado en la estructura se expande para

equilibrar la presión impuesta al sistema, lográndose una pérdida parcial del

mismo y por consiguiente, la penetración de líquido por capilaridad. Esto ha

motivado la aplicación de una técnica conocida como deshidratación osmótica por

aplicación de pulsos de vacíos la cual consiste en la restauración de la presión

atmosférica una vez expulsado el gas al interior de los poros por aplicación de

vacío, esta técnica ofrece la ventaja de disminuir los daños térmicos que afectan

las propiedades organolépticas del alimento.

2 Barat, M. (1998). Deshidratación osmótica del melón. Valencia: Camino de vera

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Figura 2. Melón (Cucumis melo)

1.2 EL MELÓN Es una de las frutas más refrescantes que nos

ofrece la naturaleza en una época apropiada

como es el verano. Esta fruta es gran

neutralizante de la acidez, es laxante y diurética.

No posee contraindicaciones, pero para que no

cause malestar estomacal o pesadez se

recomienda comerla sola, nunca combinada con

legumbres o verduras. Es recomendable para

las personas que padecen insuficiencias

hepáticas, renales y fiebres.

1.2.1 Composición y estructura del melón El melón, cuyo nombre científico es Cucumis melo, de la familia Cucurbitaceae.

Pertenece al tipo de fruto baya, es una planta pilosa, de tallos rastreros, hojas

lobuladas y dentadas, y flores amarillas solitarias y dioicas. Este fruto es una

pepónide de tamaño variable (hasta 40 cm. de diámetro), y según la forma puede

ser alargada o esferoidal, posee corteza lisa o quebrada. En la cavidad central del

fruto presenta numerosas semillas denominadas pepitas, la carne es muy dulce y

jugosa. Existen diversas variedades tales como: Cantaloupe, de forma esferoidal,

carne anaranjada muy dulce; los escritos, de piel reticulada con excelente

fragancia; los amarillos y verdes de piel gruesa y acanalada con la pulpa de color

blanco verduzco; la variedad Haggen de origen israelí, son de corteza anaranjada

con rayas verdes y pulpa anaranjado claro; etc.

Los melones se reproducen especialmente en climas con temperaturas superiores

a los 15°C. El suelo adecuado para la siembra son tierras con abundante materia

orgánica.

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Las frutas son ricas en agua, la composición esta entre 70 a 90% en la mayoría de

los casos. El contenido de proteínas y grasas es escaso no supera el 3.5%. Las

frutas son fuente importante de carbohidratos digeribles y no digeribles, se estima

que entre el 5% y el 18% del total de la fruta esta formado por carbohidratos, estos

son en su mayoría fructuosa, sacarosa y glucosa. Las frutas también constan de

fibra, vitaminas, sales minerales, aromas y pigmentos.

Dentro de las vitaminas se destacan las vitaminas A y C; entre las sales minerales

sobresalen potasio, magnesio, hierro y calcio. Los componentes que encontramos

en las fibras son esencialmente pectina y hemicelulosa. El valor calórico de las

frutas esta determinado básicamente por su contenido en carbohidratos oscilando

entre 30-80 Kcal./100g.

Tabla 1.Composición del melón en porcentaje

Carbohidratos Proteínas Grasa Ceniza Agua

6.0 1.6 1.2 1.2 92.8

Tabla 2. Oras propiedades del melón

Contenido calórico Vitamina A Vitamina C

31 Kcal/100g 220mg/100g 25mg/100g

1.3 ASPECTOS FISICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS QUE AFECTAN LOS ALIMENTOS

Desde el momento en que el alimento es recolectado empieza un proceso de

descomposición, este puede ser rápido o lento dependiendo del alimento, esto se

debe en parte a que los compuestos orgánicos son sensibles y el equilibrio

químico se ve afectado por las variables del ambiente natural tales como: los

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cambios de temperatura, la humedad, el oxigeno, las enzimas propias de los

alimentos, el crecimiento y la actividad de los microorganismos.

Los principales factores físicos y químicos se enuncian a continuación:3

Enzimas naturales de los alimentos: son proteínas con actividad catalítica,

estas pueden ser sintetizadas por las células acelerando el proceso de

metabolismo con efectos negativos como la fermentación o la putrefacción

de los alimentos que inciden directamente en la calidad del alimento. Su

actividad se intensifica catalizando reacciones químicas en los alimentos,

se deben inactivar por tratamiento térmico o deshidratación, ya que estas

deben presentar un cierto grado de hidratación para ser activadas.

La actividad acuosa: es un factor fundamental para el crecimiento

microbiano, por ello la reducción de la actividad acuosa aminora el

crecimiento de microorganismos y afecta las reacciones catalizadas por

enzimas como la hidrolasas1. Los alimentos con valores de actividad entre

0.6 y 0.9 se consideran de humedad intermedia, estando protegidos en

buena manera frente a los daños por microorganismos. Algunas formas de

disminuir la actividad de agua e incrementar la vida útil de los alimentos es

adicionar sustancias con alta capacidad de retención de agua como la sal

común, el glicerol, el sorbitol y la sacarosa.

Calor y frío: la mayoría de bacterias y microorganismos crecen mejor a 16 y

38°C, las bacterias mueren a temperaturas entre 83 y 93°C; aunque

algunas no son destruidas por el agua en ebullición a 100°C durante 30

minutos. Por congelación, las reacciones no deseadas se hacen mas

lentas, aunque las temperaturas bajas disminuyen el crecimiento

microbiano y bacteriano no se puede garantizar que la congelación rigurosa 3 D Belitz y W. Grosch. Química de los alimentos. Segunda edición. Pág. 105.

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destruya todas las bacterias. El calentamiento puede acelerar las

reacciones químicas no deseadas, pero a la vez contrarresta la acción

enzimática y produce la muerte de muchos microorganismos dañinos. Es

importante tener en cuenta que el calor excesivo al igual que la congelación

no controlada pueden desnaturalizar las proteínas, romper las emulsiones e

incluso resecar los alimentos. Por lo expuesto anteriormente, la

combinación de la deshidratación osmótica con los tratamientos térmicos

resulta una excelente alternativa en la preservación de los alimentos

especialmente frutas y hortalizas.

Contenido de ácido en las frutas: cuando tienen un elevado contenido de

ácido como el caso de las naranjas, la temperatura incrementa el efecto

mortífero sobre los microorganismos. Durante la deshidratación osmótica el

melón experimenta cambios físicos y químicos que junto con los aspectos

mencionados anteriormente, definen la calidad del producto deshidratado y

sus propiedades en lo referente al color, sabor y textura, al igual que su

valor nutricional y su estabilidad.

Reacción de Maillard: es el encafecimiento no enzimático, se debe a la

reacción de los grupos aldehído y amino de los azucares y las proteínas. La

reacción es inducida por las altas temperaturas y la concentración de los

grupos reactivos cuando esta presente el agua, se acelera durante el

secado cuando la humedad ha sido reducida a un 20 o 15%, pero

disminuye a medida que el contenido de humedad es menor en el producto

deshidratado, por lo cual se debe tratar de deshidratar rápidamente en la

escala de humedad del 15 al 20%, lo que es importante al comienzo de la

deshidratación, de esta manera la aplicación de pulso de vacío disminuye la

posibilidad de que se presente la reacción de Maillard.

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1.4 APLICACIONES

Son varias las aplicaciones del proceso de deshidratación de alimentos. Algunas

de ellas se aplican ya de una forma generalizada, aunque se conocen con otro

nombre, como es el caso de salado de alimentos, sin embargo, existen posibles

aplicaciones del proceso cuya viabilidad y modelización se están investigando

actualmente. Con el presente tema se pretende dar una visión global de las

posibilidades que este proceso ofrece al campo de la tecnología de alimentos, así

como algunas de las ventajas e inconvenientes del mismo.

Entre las principales aplicaciones se encontró:

El salado de quesos, carnes y pescados.

Deshidratación osmótica de frutas y verduras.

Obtención de productos confitados.

1.4.1 Salado de quesos

El salado de queso, aunque no es un proceso osmótico propiamente dicho ya que

no existe membranas semipermeables en su composición, pero se tiene en cuenta

en este aparte por ser un proceso de salado en el que tanto el agua como la sal se

difunden a través de los alimentos sólidos, a semejanza del agua y los solutos en

un proceso osmótico, que siempre implica un proceso difusional. Recientemente

se han analizado algunas ventajas del salado por impregnación al vacío frente al

salado por inmersión tradicional (fuentes y Col. 1998, González y col., 1998a,

González y col., 1998b), y se ha encontrado que hay gran reducción del tiempo de

salado, distribución de la sal más homogéneamente después del salado y

desarrollo de una textura más suave, como consecuencia de la eliminación del gas

y suero atrapados en la cuajada.

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1.4.2 Salado de salmón

Para este producto se han estimado y optimizado las variables a controlar en el

proceso de impregnación y deshidratación osmótica a vacío, tales como: tiempos,

temperaturas, tipo de aditivos, concentración salina, vacío, etc.

Estudios recientes demuestran que el salado a diferentes temperaturas con y sin pulso de vacío, es más rápido haciendo que se obtenga un producto viable desde

el punto de vista de su estabilidad.

En general la aplicación de la deshidratación osmótica en los productos cárnicos y

pescados ha dado como resultado una fase de retraso o inducción prolongada, un

aumento de la velocidad de la fase de crecimiento, y una fase estacionaria

disminuida. Algunos agentes osmóticos son: cloruro sódico; depresor de la

actividad de agua, ácido acético; se utiliza para disminuir el pH y el sorbato

potásico que se añade como conservante. Además de los factores precedentes

es recomendable realizar un calentamiento suave del pescado lavado y

desmenuzado para que extienda su vida comercial.

1.4.3 Procesado de corteza de naranja, utilizando impregnación a vacío y deshidratación osmótica con jarabes concentrados

La corteza de naranja posee numerosas aplicaciones como producto en la

industria de alimentos (mermeladas, productos de repostería, helados, etc.), y de

otro lado también hace su aporte a la industria de los cítricos. Actualmente se ha

venido aplicando la deshidratación osmótica y la impregnación a vacío, con

distintos jarabes comerciales para su estabilización y aprovechamiento como

producto procesado.

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Estudios recientes han dictaminado que la el tipo de jarabe (sacarosa, destroza, o

mosto de uva concentrado) y la temperatura, mejoran la porosidad efectiva de la

materia prima, haciendo este proceso de gran utilidad en la actualidad.

La deshidratación osmótica utilizada en frutas ha mostrado en la mayoría de los

casos una mejora de las propiedades sensoriales y de textura, incrementado la

vida útil de las mismas de 30 días a tres meses después de haber sido

procesadas mediante este proceso.

1.4.4 Obtención de productos confitados

En vista de los resultados obtenidos al analizar las experiencias en las que se

estudia el equilibrio, aparece una aplicación directa de los conocimientos

adquiridos. Esta aplicación en concreto consiste en el uso de la impregnación a

vacío en el proceso de confitados de frutas.

El confitado de frutas es un proceso conocido desde la antigüedad y que hoy en

día se sigue aplicando en las industrias alimenticias para obtener productos

confitados para consumo directo o para la fabricación de productos de panadería

industrial.

Aunque existen muchas formas de realizar el confitado, en esencia el proceso

consiste en sumergir el producto en un jarabe rico en azucares (sacarosa y

glucosa) la fruta se concentra osmóticamente. Luego la solución se calienta para

mejorar la transferencia de materia. Al final del proceso, la fruta suele sufrir un

secado superficial.

Otra aplicación de la deshidratación osmótica es el uso de ésta para incorporar

aditivos alimenticios en el producto tales como agentes antimicrobianos,

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antioxidantes y ácidos orgánicos. La deshidratación osmótica es debidamente

usada para el procesado previo a la liofilización, secado con aire, secado solar y

deshidratación a vacío.

1.5 TRABAJOS PREVIOS REALIZADOS CON DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

1.5.1 Deshidratación osmótica por pulso de vacío del kiwi y conservación mínimamente procesada

Se ha estudiado la aplicación de la deshidratación osmótica con pulsos de vacío

para la obtención de un producto de kiwi mínimamente procesado o

semielaborado. Se trabajó con dos tipos de disolución osmótica; sacarosa a

65ºBrix y mosto concentrado rectificado de uva a 63ºBrix. Las temperaturas de

trabajo fueron 25, 35 y 45 ºC, y la duración del pulso de vacío (70 mbars), fue de

0, 5, 10, y 15 minutos (García Pinchi, 1998). Se caracterizó la porosidad de la

fruta y las variaciones de peso y volumen, actividad de agua, humedad y sólidos

solubles a los diferentes tiempos de proceso hasta 180 minutos. A partir de estos

datos se ha modelado la cinética de transferencia de agua a solutos, y del

respectivo análisis cinético se dedujo que el nivel de impregnación de las muestras

por efecto del pulso fue ligeramente mayor en las procesadas con mosto, que en

las procesadas con la solución de sacarosa, a su vez, en este último el efecto de

la temperatura fue más importante para definir el nivel de impregnación. También

se observó que en los tratamientos con mosto concentrado, las difusividades

fueron mayores debido al mayor valor de la verdadera fuerza impulsora del

proceso (mayores diferencias de actividad del agua entre la solución y la muestra).

De igual manera se analizó las propiedad físico-químicas y microbiológicas

durante el almacenamiento (hasta 60 días) a 5, 15 y 30ºC de rebanadas de kiwi

deshidratados osmóticamente con un pulso de vacío (5 minutos, 70 mbars), con

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solución de sacarosa y mosto concentrado, ambos con sorbato potásico, ácido

cítrico y cloruro cálcico como preservantes; durante la conservación se ha

caracterizado el color, el pH y concentración de azúcares. Desde el punto de vista

microbiológico se han efectuado recuentos totales de mohos, levaduras y

psicotrofos.

1.5.2 Deshidratación osmótica por pulso de vacío de la fresa y conservación mínimamente procesada

Un estudio de la deshidratación osmótica de las fresas (Fragaria ananassa,

variedad Chadler), se realizó en una solución de sacarosa de 65 ºBrix durante

cuatro horas a una temperatura de 30 ºC, a presiones atmosféricas y 50 mbars

(pulso de cinco minutos). Se determinaron la actividad del agua, sólidos solubles,

humedad, color, textura, actividad enzimática, desarrollo microbiano, evolución de

aromas y evolución de azucares. Los resultados obtenidos muestran que el

tratamiento en que se aplicó un escaldado con vapor durante 30 segundos y

deshidratación osmótica con un pulso de vacío proporcionó una actividad del agua

menor al 0.963 y un contenido mayor de sólidos solubles de 22.2 ºBrix. La pérdida

de aromas se incrementó al utilizar un pulso de 50 mbars durante el proceso de

deshidratación y la deshidratación osmótica aporto nuevos aromas a la fresa. Los

cambios de textura y color fueron similares en los distintos tratamientos realizados,

además la evolución de azucares en el proceso de deshidratación, que existe una

pequeña inversión de la sacarosa y que algunos azucares pasaron de la fruta a la

solución osmótica (Ponting, Watters, Forrey, Jacson, y Stanley, 1966).

1.5.3 Deshidratación osmótica por pulso de vacío del mango

Un estudio de la deshidratación osmótica del mango se realizó con una

solución acuosa de sacarosa de 35, 45, 55 y 65 ºBrix a una temperatura de 30 ºC,

el proceso se llevó a cabo a presión atmosférica y se aplicó un pulso de vacío (50

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mbars durante 10 minutos), al comienzo del proceso se analizaron ganancia de

azúcar, la pérdida de agua, al igual que los cambios de masa y volumen. De otra

parte el coeficiente de difusión en el líquido de la fruta fue también estimado. Los

resultados de este proceso se pueden resumir de la siguiente manera: el

coeficiente de difusión se incrementó cuando la concentración de sacarosa

decreció y el pulso aplicado fue mayor. La fracción másica de agua y los sólidos

solubles contenidos en el mango fueron 0.826 y 0.156 respectivamente, con un

valor de pérdida de agua de 0.99.

La deshidratación osmótica del mango fue analizada desde dos puntos de vista

(Barat et al., 2001a: Cháfer et al., 2001a ; Fito & Chiralt, 1997), primero desde la

perspectiva de ganancia de sólidos y pérdida de agua; la cual es responsable de

los cambios totales de masa y de la reducción del volumen de la muestra, (Barat,

J.M, Fito, P. & Chiralt, A. (2001b), y el segundo desde los cambios de la

concentración de la fase líquida; que define la actividad del agua, la estabilidad y

la calidad del producto.

Además otras frutas como: plátanos, guayaba, papaya, zapote, cereza, maracuyá,

tamarindo y piñas, han sido procesadas utilizando deshidratación osmótica

(Ponting et al., 1996; Moy et al., 1978; Alzadora et al, 1989; Vega-Mercado et al.,

1991; Vega – Mercado y Silva-Negrón, 1991; Welti, 1991; García et al., 1992;

Elguezabal et al., 1994; Schawartz et al., 1994 b; Tamayo-Corte et al., 1994). En

cada caso, la fruta se sumerge en una solución osmótica hasta que alcanza una

pérdida de agua en particular.

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21

2. ASPECTOS FUNDAMENTALES PARA EL DESARROLLO EXPERIMENTAL

2.1 EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO

2.1.1 Temperatura

A mayor diferencia de temperatura entre el medio de calentamiento y el

producto mayor será la transferencia de calor, lo que incrementará la

eliminación de la humedad, de igual manera la deshidratación osmótica a una

temperatura de proceso más alta acelera la transferencia de materia, pero se

debe ser cuidadoso en el uso de la temperatura, pues los alimentos están

constituidos por material biológico y pueden sufrir importantes cambios como

desnaturalización, que puede producir daños irreversibles en la estructura

secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas por el rompimiento de los

puentes de hidrógeno y enlaces iónicos o hidrófobos

2.1.2 Naturaleza del agente osmótico

Este factor es importante y puede definir el comportamiento del producto

durante la deshidratación osmótica, influye en la fuerza impulsora que genera

la transferencia de materia. Se observa que los solutos de menor peso

molecular producen una mayor presión osmótica, pero en algunos casos se

prefieren solutos de alto peso molecular para disminuir la migración de solutos

al interior de la fruta.

La naturaleza química del soluto, dependiendo de si es electrolito o no,

determina la solubilidad de éste en el agua y con ello la homogeneidad de la

solución.

Page 22: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

22

2.1.3 Concentración La concentración de la solución osmótica influye en la velocidad del proceso,

dado que constituye la fuerza impulsora para el proceso difusivo de forma que

a mayor concentración ocurre una mayor transferencia de materia y se

produce un aumento en la viscosidad. Se ha notado que las curvas de

viscosidad contra concentración de la solución tienen un comportamiento

exponencial, por lo cual un pequeño cambio en la concentración puede generar

comportamientos muy diferentes en el proceso de deshidratación. Como

ejemplo se puede citar la sal, esta es preservativa cuando se aumenta su

concentración entre el 18 y el 25% en solución, lo cual evitara el crecimiento de

prácticamente todos los microorganismos, pero rara vez esta concentración es

tolerable. La concentración crítica del agua para prevenir el crecimiento

microbiano varía de acuerdo al microorganismo. La concentración de los

azucares tiene un punto crítico de solubilidad en el agua a partir del cual se

formarán cristales y a una alta concentración de azucares puede generar

encostramiento, formando una capa superficial alrededor del alimento que

impide la transferencia de materia entre el producto y la solución osmótica.

2.1.4 Presión

A presiones por debajo de la atmosférica, la ebullición tiene lugar a una

temperatura más baja, si mantenemos la temperatura de operación constante y

bajamos la presión, la ebullición se hace más rápida; por la teoría

termodinámica de mezclas la energía química de la solución es más baja que

la del agua disuelta en el interior del alimento, esto permite que el agua en el

interior ebulla mientras la solución permanece estable facilitando la pérdida de

agua. La presión de trabajo en los procesos de deshidratación osmótica puede

ser atmosférica o en vacío, pero lo equipos para deshidratación en vacío

resultan costosos por lo que en la actualidad se trabaja con pulso de vacío. La

razón para la implementación de vacío es el aumento de la transferencia de

materia por el efecto hidrodinámico.

Page 23: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

23

2.2 BALANCE DE MATERIA

La fuerza impulsora para la transferencia de materia es la diferencia de

potencial químico a través de la membrana semipermeable entre el producto y

la solución osmótica. La transferencia de materia se realiza hasta que las

actividades de agua de la solución osmótica y del alimento se equilibran. En el

sistema alimento solución están presentes fundamentalmente tres fases. Una

primera fase inerte; constituida por los componentes no solubles en agua, en

las frutas esta fase esta formada por los componentes de las paredes celulares

y es despreciable. Una segunda fase liquida en el interior de la fruta, formada

por agua junto con los sólidos disueltos como carbohidratos, vitaminas, y

proteínas. De acuerdo a la composición en porcentaje de estas sustancias

disueltas en el melón, se puede asumir que esta fase esta formada solo por

agua (ver tabla 1). Una tercera fase la constituye la solución osmótica que esta

formada por una disolución de sacarosa en agua.

En la mayoría de los procesos de deshidratación osmótica, el único proceso de

transferencia relevante es el de materia, ya que se desprecia la transferencia

de calor y la cantidad de movimiento. Como se ha venido mencionando la

transferencia de agua es uno de los aspectos fundamentales durante la

deshidratación osmótica.

Para la modelación del experimento se usaron las siguientes variables: pérdida

neta de peso, ganancias de soluto, pérdida de agua y variación de volumen.

dm: pérdida neta de peso

dw: pérdida de agua

ds: ganancia de solutos

dv: variación de volumen.

Las ecuaciones que relacionan las variables son:

Page 24: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

24

oo

wtoo

so

to

wtto

st

to

osostt

owowtt

ot

BxB

BxB

vvdvmmmdsmxmxmdw

mmmdm

−∗=Χ

−∗=Χ

−=Χ∗−Χ∗=

∗−∗=−=

1/)(

1/)(

)(/)(/)(

/)(

0

0

0

Donde

m0: masa inicial de la muestra (g)

mt: masa de la muestra a tiempo t (g)

x wo: fracción másica de agua de la muestra a tiempo cero ( g/g)

x wt : fracción másica de agua de la muestra a tiempo t (g/g)

X st: fracción másica de sólidos solubles de la muestra a tiempo t (º Brix)

Xso: fracción másica de sólidos solubles de la muestra a tiempo cero (º Brix)

Vo: volumen inicial de la muestra (mm3)

Vt: : volumen inicial de la muestra a tiempo t (mm3)

º Bo: grados Brix iniciales de la muestra

º Bt: grados Brix de la muestra a tiempo t.

Estas ecuaciones cinéticas sirven para predecir los cambios sufridos por el

producto en función de los valores de las variables del proceso. Para todas las

experiencias se comprobaron los balances de materia de acuerdo a la

ecuación:

dsdwdm +=

3. EXPERIMENTACIÓN

3.1 MATERIALES Y EQUIPOS

Melón de la variedad Cantaloupe.

Molde Cilíndrico de 20mm de diámetro interno por 30mm de altura.

Refractómetro electrónico.

Cestas plásticas de tres divisiones; de 16cm por 4cm

Calibrador de Vernier

Page 25: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

25

Azúcar comercial

Agua destilada

Papel aluminio

Estufas electrónicas de 110 voltios

Termómetro de mercurio

Agitador mecánico

Recipiente cilíndrico de 18cm de diámetro interno, por 20cm de alto

Equipo de vacío

Cronometro

Horno

Page 26: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

26

CONTROL GRADOS BRIX Y HUMEDAD

PESADO

ESCURRIDO

EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA A DIFERENTES TIEMPOS

INMERSIÓN EN EL JARABE

CONTROL GRADOS BRIX Y HUMEDAD

PELADO Y CORTE

PREPARACION

3.2 METODOLOGÍA UTILIZADA

Los pasos a seguir durante la experimentación se explican a continuación:

1. Preparación: la elección de la fruta se hace con base a la similitud de

características físicas del melón tales como tamaño, color y ausencia de

defectos superficiales y características químicas y grado de madurez.

Con el propósito de garantizar la homogeneidad de las pruebas de

laboratorio.

2. Pelado del melón: en esta fase se quitó la cáscara del melón

cuidadosamente para evitar el desperdicio de fruta.

3. Control: una vez tenidas las rodajas se procede al debido control de

grados Brix, humedad inicial, peso y volumen.

Page 27: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

27

4. Inmersión en el jarabe: cada cesta con tres rodajas, se acomodaron en

el recipiente el cual contiene la solución a la temperatura y

concentración de sacarosa deseada, luego se somete a pulso de vacío

durante los primeros 10min a 15 mmHg.

5. Extracción: Durante los primeros diez minutos del proceso, el recipiente

se incorporo en un equipo de vacío a una presión de 15 mm Hg, luego

se restaura la presión atmosférica y se retiran las cestas a 25, 45, 90,

180, 300, 480, 1440 y 2880 minutos.

6. Escurrido: Se retiran las cestas y se dejan escurrir durante cinco

minutos.

7. Pesado: Luego de escurridas las rodajas se procede a pesarlas.

8. Control final: En esta etapa se controla el volumen, grados Brix y

humedad

Page 28: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Perdida de agua

-0,35

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,000,00 1000,00 2000,00 3000,00 4000,00

tiempo/min

dw/g

25°C vs 25°Brix 40°C vs 25 °Brix 50°C vs 25°Brix

RESULTADOS Y ANALISIS

Figura 3. Ganancia de sólidos Figura 4. Pérdida de agua

En las figuras 3 y 4 se observa la evolución de la ganancia de sólidos y la

pérdida de agua con el tiempo. Esto demuestra que durante el proceso de

deshidratación el alimento gana sólidos y pierde agua como era de esperarse.

Durante los primeros 25 minutos, se dio una ligera pérdida en porcentaje de

agua del 7.5%, luego la fracción de agua disminuye en menor proporción a los

45 minutos alcanzando una pérdida en peso del 9.6%. Esto indica que la

pérdida de agua al comienzo es mayor y luego va disminuyendo, lo anterior

sucede por que la fuerza motriz disminuye a medida que se acerca al

equilibrio, además, al inicio del proceso, la pérdida de agua esta influenciada

por el efecto de pulso a vacío, que acelera la pérdida de agua por influencia

del mecanismo hidrodinámico.

Se sabe que los cambios de la fruta están influenciados por las condiciones de

operación tales como temperatura y concentración. Figura 5. Efecto de la

temperatura

Ganancia de sólidos

00,010,020,030,040,050,06

0 1000 2000 3000 4000tiempo(min)

ds(g

)

25°C vs 16°B

Perdida de agua

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

00 1000 2000 3000 4000

tiempo(min)

dw(g

)

25ºC vs16ºBrix

Page 29: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Figura 6. Efecto de la concentración

En las figuras 5 y 6 se corrobora el efecto de la temperatura y concentración

en la pérdida de agua así: a 25°C la pérdida de agua es de 17%, mientras

que a 40°C la pérdida es de un 24 %, lo cual nos demuestra que la pérdida se

incrementa con la temperatura. Se observó que a 50°C, la pérdida de agua no

aumenta con la temperatura, esto se explica dado que a esa temperatura la

fruta empieza un proceso de desnaturalización y la membrana pierde su

propiedad selectiva.

Para observar el efecto de la concentración durante el proceso de

deshidratación, se realizó una gráfica (Figura 6), a un a temperatura constante

para varias concentraciones. A 16 grados Brix la pérdida de agua es de

17.7% en peso, a 25 grados Brix es de 24.4% y finalmente, a 45 grados Brix

fue de 32.9 %. De lo anterior se deduce que la pérdida de agua se incrementa

con la concentración (mas detalles ver Anexos). Figura 7. Balance de materia

PERDIDA DE AGUA A TEMP. CONSTANTE

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0 0,00 500,00 1000,00 1500,00 2000,00 2500,00 3000,00 3500,00

tiempo (min)

DW/Gr 40°C vs 16 °Brix 40°C vs 25 °Brix 40°C vs 45 °Brix

Page 30: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Balance de matria

-0,270

-0,220

-0,170

-0,120

-0,070

-0,020

0,030

-0,270 -0,220 -0,170 -0,120 -0,070 -0,020 0,030

dm(g)ds

+dw

(g)

25°C vs 45°B

En la figura 7, se aprecia que una disminución en la pérdida neta de peso;

corresponde a un valor equivalente en la ordenada, lo cual corrobora que se

cumple el balance de materia en forma satisfactoria, a lo largo de los tiempos

de proceso.

Para modelar los cambios de las variables con el tiempo, durante el proceso

de deshidratación osmótica, se adoptó una ecuación empírica1 que relaciona el

tiempo con cada una de las variables. En este modelo el corte con la ordenada

representa las ganancias y pérdidas netas de sólidos, masa y agua.

Mientras la pendiente es el rendimiento o velocidad a la que se ganan sólidos,

se pierde agua y masa. En las figuras de 8 a 13 se puede observar la

correlación lineal para las pérdidas de masa y agua aplicando el modelo

empírico. Los valores correspondientes a los coeficientes de determinación se

muestran en la tabla 3.

Figura 8. Pérdida de agua a 25° Brix Figura 9. Pérdida de masa a 25°

Brix

1 Barat et al.,2001a;chafer et al.,2001a; Fito & Chiralt, (1997).

Perdida de agua

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

00 50 100 150 200 250 300 350 400 450

t^1/2(s)

dw (g

)

25°C vs 25°B40°C vs 25°B50°C vs25°B

Variación de masa

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

00 100 200 300 400 500

t^1/2 (s)

dm (g

)

25°C vs 25°B40°C vs 25°B50°C vs 25°B

Page 31: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Perdida de agua

-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1

00 100 200 300 400 500

t^1/2 (s)

dm (g

)

25°C vs 45°B40°C vs 45°B50° C vs 45°B

Varariación de masa

-0,300

-0,250

-0,200

-0,150

-0,100

-0,050

0,0000,000 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000

t^1/2 (s)

dm (g

)

25°C-45°B40°C-45°B50°C-45°B

Figura 10. Pérdida de agua a 16° Brix Figura 11. Pérdida de masa a 16° Brix

Figura 12. Pérdida de agua 45° Brix Figura 13.Pérdida de masa a 45°

Brix

El comportamiento observado en las figuras 14 y 15, graficadas según los

resultados de la tabla 3, confirma de acuerdo al modelo empírico que la

deshidratación osmótica se incrementa con el aumento de la temperatura y la

concentración.

Tabla 3. Resultados del modelo empírico

Perdida de agua

-0,35

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

00 100 200 300 400 500

t^1/2 (s)

25°C vs 16°B40°C vs 16°B50°C vs 16°B

Variación de masa

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

00 100 200 300 400 500

t^1/2 (s)

dm (g

) 25°C vs 16°B40°C vs 16°B50°C vs 16°B

Page 32: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Figura 14. Pérdida de agua a una concentración constante de16 ºBrix

Perdida de agua en función de la temperatura

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 10 20 30 40 50 60Temperatura (ºC)

dw (g

)

16ºBrix

Figura 15. Pérdida de agua a una temperatura constante

Perdida de agua en función de la concentracción

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 10 20 30 40 50Concentracion (ºBrix)

dw (g

)

40ºC

De acuerdo a los resultados de la tabla 3 teniendo en cuenta los ensayos en

los cuales la pérdida de agua fue mayor, se seleccionaron las siguientes

condiciones de deshidratación: 50 ºC vs 16 ºBrix, 40 ºC, vs 25 ºBrix, 40 ºC vs

45 ºBrix y 50 ºC vs 45 ºBrix. Otros ensayos presentaron rendimientos

aceptables, incluso cercanos a los cuatro preseleccionados, pero no fueron

tenidos en cuenta ya que las pruebas se realizaron por triplicado y en cada

caso se trabajó con los promedios haciendo el modelo más confiable.

Uno de los ensayos escogidos fue el experimento realizado bajo las

condiciones de 40ºC y 45ºBrix, con el cual se obtuvo una pérdida neta en agua

del 18.07%, pero si bien se perdió agua la ganancia de sólidos para estas

condiciones fue alta. Esto lo demuestra la pérdida de masa (12.43%) que

Condiciones Sólidos Agua Masa Ajuste T°C °Brix Ganancia Rendimiento Pérdida Rendimiento Ganancia Rendimiento r^2 25 16 0,0243 0,00007 0,0864 0,0006 0,0633 0,00040 0,918 40 16 0,0119 0,00009 0,1065 0,0004 0,0927 0,00030 0,989 50 16 0,0059 0,00010 0,1532 0,0005 0,1475 0,00040 0,992 25 25 0,0175 0,00030 0,0879 0,0005 0,0677 0,00020 0,971 40 25 0,0184 0,00020 0,1606 0,0004 0,1400 0,00020 0,922 50 25 0,0199 0,00020 0,1429 0,0004 0,1211 0,00030 0,949 25 45 0,0108 0,00050 0,1425 0,0009 0,1327 0,00030 0,818 40 45 0,0580 0,00050 0,1807 0,0008 0,1243 0,00030 0,990 50 45 0,1222 0,00040 0,2533 0,0005 0,1325 0,00009 0,903

Page 33: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

comparado con los otros ensayos, es la menor. Dado que se desean

condiciones con las cuales la ganancia de agua sea buena y la penetración de

sólidos al interior de la fruta sea mínima, este ensayo se descarta frente a los

otros preseleccionados.

El éxito del melón deshidratado no solo depende de las propiedades

intrínsecas del producto, sino también del grado de aceptabilidad de los

consumidores, por tal motivo los ensayos preseleccionados se sometieron a

una prueba sensorial que permitiera discriminar entre los 3 ensayos

preseleccionados tendiendo en cuenta la opinión de los consumidores.

Para esta prueba se encuestó un total de veinticuatro personas entre hombres

y mujeres al azar, en un rango de edad entre 20 y 30 años dado que este grupo

se estima como el de mayor consumo. Los resultados obtenidos se muestran

en la siguiente figura:

Figura 16. Resultados de encuesta

Melón deshidratado osmoticamente

Muestra 30184 (24%)

Muestra 201153 (44%)Muestra 101

113 (32%)

020406080

100120140160180

50°C vs 16°B 40°C vs 25°B 50°C vs 45°B

50°C vs 16°B40°C vs 25°B50°C vs 45°B

De acuerdo a los resultados obtenidos, el 44% de los encuestados mostraron

una preferencia por el ensayo 201, que corresponde a las condiciones de

Page 34: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

temperatura de 40ºC y concentración de 25 ºBrix. En la figura 16 se muestra

las condiciones correspondientes a cada ensayo, las cuales no conocían los

encuestados, a quienes indagó por cada muestra.

Los parámetros tenidos en cuenta para escoger las condiciones adecuadas

para el tratamiento osmótico, se basaron en el grado de aceptabilidad de los

encuestados y rendimiento en pérdida de agua de cada muestra.

Si se comparan las variables de tratamiento osmótico de los ensayos de

temperatura y concentración (50ºC vs 45º Brix con 40ºC vs 25 ºBrix), se

observó que el primero permite un 9% más de deshidratación, pero el producto

así obtenido presenta un sabor muy dulce debido a la alta concentración de

sacarosa, además de una apariencia áspera debido al alto grado de

deshidratación. Esto resulta en detrimento del producto final. Lo anterior se

confirmó con el grado de aceptación por parte de los encuestados que fue de

24%, comparado con un 44% del otro ensayo.

Por otra parte, comparando los ensayos de temperatura y concentración (50º C

vs 16º Brix con 40ºC vs 25º Brix), se observó una leve diferencia en relación a

la pérdida de agua y un 12% más en el grado de aceptación de los

encuestados a favor del ensayo de 40ºC vs 25º Brix.

De acuerdo a lo anteriormente mencionado, las condiciones favorables para el

tratamiento osmótico del melón que permiten obtener un producto de

estabilidad intermedia y de propiedades sensoriales aceptables corresponden a

las condiciones de temperatura y concentración de 40ºC vs 25º Brix para el

corte del melón en forma cilíndrica.

Una vez establecidas las condiciones de tratamiento osmótico, para el corte en

forma cilíndrica, se realizó la deshidratación osmótica del melón a la

condiciones de temperatura y concentración de 40°C vs 25° Brix para el corte

del melón en forma esférica.

Page 35: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Figura 17. Pérdida de agua para corte cilíndrico y esférico

Perdida de agua a 40 ºC vs 25 ºBrix

y = -0,0004x - 0,1606R2 = 0,945

y = -0,0017x - 0,0336R2 = 0,9714-0,400

-0,350-0,300-0,250-0,200-0,150-0,100-0,0500,000

0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00

t1/2 (seg)

dw (g

) Corte cilíndricoCorte esférico

En la figura 17 se observan las correlaciones lineales de pérdidas de agua bajo

el modelo empírico y se aprecia que el corte cilíndrico tiene un porcentaje en

pérdida de agua superior en un 13% al corte esférico. Esto se debe en gran

medida a que el cilindro se asemeja a una lámina plana, lo cual facilita la

transferencia de masa en el corte cilíndrico en comparación al corte esférico.

Para determinar el tipo de corte que favorece la transferencia de masa, se

hallaron los coeficientes de difusión efectivos en ambos cortes, aplicando las

siguientes ecuaciones:

( )

−−

=

=

=

==

aao

aa

a

a

ao

CCCC

E

tiempoelenpromedioionconcentracCequilibrioelenciónconcentracC

inicialciónconcentracCaE

θ

θ θ

θ

LKKKK

KKK

K

2/*Df

De acuerdo a las siguientes relaciones para la difusión en sólidos porosos y

aplicando las respectivas extrapolaciones mostradas en la figura 18. Con el valor de E obtenido, se estimaron los coeficientes de difusión efectivo,

para el corte cilíndrico y esférico.

Page 36: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Figura 18. Difusión en estado no estacionario2

Figura 19. Variación de la concentración para esferas y cilindros

De acuerdo con las figura 19, los valores para las concentraciones fueron:

2 Robert E. Treybal. (1988). Operaciones de transferencia de masa. Pp.103. Mexico: 2da ed. Mc Graw Hill.

Variacion de concentración en cilindros

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

00 50000 100000 150000 200000

t iempo( s)

Variacion de concentración en esferas

-0,3

-0,2

-0,1

00 20000 40000

tiempo(s)

c(g/

cm^3

)

Page 37: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

cmacm

gC

cmgC

Clindros

cmacmgC

cmgC

Esferas

a

ao

a

ao

25.0

396.0

0

15.1

133.0

0

3

3

3

3

=

=

=

=

=

=

Para el corte de esfera se trabajó con un diámetro promedio de 23mm y para el

cilindro con un espesor promedio de 5mm, con los cuales se obtuvieron, los

resultados de las tablas 4 y 5 respectivamente. Los valores de los coeficientes

de difusión efectivos corresponden al promedio de los valores parciales. El

promedio es un resultado valido ya que la difusión varía poco en el tiempo

como se aprecia en la figura 20.

Tabla 4.Corte cilíndrico Tabla 5. Corte esférico

Figura 20. Variación de la difusión con el tiempo

D (cilíndrico)= 1.21*10-5 (cm2/s)

E (Def*t)/a^2 Def (cm2/s) 1,0000 0,0000 0,00000000

0,3582 0,3112 0,00001297 0,3014 0,5386 0,00001247 0,2718 0,9296 0,00001076

E (Def*t)/a^2 Def (cm2/s) 1,0000 0,0000 0,00000000 0,4440 0,0016 0,00000141 0,3160 0,0599 0,00000139 0,1030 0,1185 0,00000137

Coeficiente de difusion efectivo

0,00E+00

5,00E-06

1,00E-05

1,50E-05

0 2000 4000 6000

tiempo/seg

Def

(cm

^2/s

)

40°C vs 25°Br ix

Page 38: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

D (Esférico)= 1.39*10-6 (cm2/s) * D = Coeficiente de difusión efectivo.

El coeficiente de difusión efectivo es mayor para el corte cilíndrico. Este

resultado corrobora con las correlaciones lineales mostradas en la figura 17

donde la pérdida de agua es mayor para el corte cilíndrico tal como lo

mencionamos con anterioridad.

Rendimiento en peso para rodajas cilíndricas y esferas.

Para una base de cálculo de 500g de melón; se sacaron alrededor de 36

esferas, con un peso promedio de 8 g para un total de 288 g y con un

rendimiento en peso del 57.6%. De manera similar, se sacaron 165 cilindros de

peso promedio 2g para un rendimiento del 66%.

Según lo anterior, el corte indicado para deshidratar el melón es el cilíndrico,

debido a que su geometría facilita la difusión y con este se tiene un mayor

rendimiento en peso.

5. DISEÑO DE EQUIPO La deshidratación osmótica del melón a diferentes temperaturas (25, 40 y

50ºC) y diferentes concentraciones (25, 40 y 50 °Brix), se efectuó en un

recipiente cilíndrico de 18cm de diámetro interno por 20cm de altura. Se

introdujo el recipiente en una olla aplicando baño de maría para calentar la

solución controlando la temperatura manualmente usando un termómetro de

mercurio y para mantener la concentración de la solución homogénea se utilizó

un agitador a 280 rpm, midiendo los grados Brix de la solución cada 30

minutos.

Con el propósito de optimizar el proceso, se hizo el diseño preliminar de un

equipo de deshidratación osmótica que permitiera monitorear y controlar de

Page 39: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

forma segura las variables de tratamiento. De igual manera, se pretendió

optimizar la cantidad de fruto deshidratado, aumentando el empaquetamiento

de rodajas de melón dentro del recipiente. Este diseño constituye un modelo

para la deshidratación con fines comerciales y no meramente experimentales.

Equipo de deshidratación

Base de cálculo: 1000 rodajas cilíndricas

La relación entre la masa del melón y la masa de solución es de 1 a 19 gramos:

32

3

57.1)...(4

22

5.0

0089.3

cmvecuaciónestaenoreemplzanddh

v

gmcmd

cmhcm

gs

rodrodrod

rod

rod

rod

rod

=⇒∗∗=

===

=

KKKπ

ρ

recipienteelentotalVolumencmcmcmV

solucióndeVolumencm

cmggV

melondetotalVolumencm

cmggm

V

soluciondetotalmasagmggm

cmgm

L

sol

rod

tmel

s

rodrod

rodrod

KKKKK

KKK

KKKK

KKKK

333

3

3

3

3

t

t

3

06.1419986.156997.12632

97.12632008.3

38000

86.1569274.1

2000

38000200021000

rdeshidrata amelón de totalmasa :m

274.1

=+=

=⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

=

=⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

==

=

=∗=

=⇒=

ρ

ρν

ρ

hrod = altura de la rodaja

drod = diámetro de la rodaja

mrod = masa de la rodaja

ρrod = densidad de la rodaja

Page 40: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

vrod = volumen de la rodaja

ρs = densidad de la solución

Sistema de agitación

Los principales mecanismos de agitación son: hélices, palas y turbinas; estos

resuelven alrededor del 95 % de todos los problemas de agitación de líquidos.

De los tres modelos de agitación, se adoptó el sistema de agitación por

turbinas ya que son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades. En

líquidos de viscosidad intermedia, como la de una solución de sacarosa a

25ºBrix, el sistema de turbinas es apto ya que genera fuertes corrientes que se

distribuyen por todo el tanque destruyendo bolsas de fluido estancado y

haciendo que la mezcla sea más homogénea, lo que no se logra con otros

sistemas de agitación. Por otra parte, este sistema genera zonas de corrientes

rápidas y elevadas turbulencias lo cual se consigue con el régimen de flujo

radial y tangencial que estas producen, removiendo los sólidos acumulados

sobre la muestra favoreciendo la transferencia de materia.

Parámetros de diseño3 y cálculos

12/1

4/1

5/1

1

1

3/1

=

=

=

=

=

=

DJ

DL

DWD

ED

HDD

a

a

a

t

L

t

a

3 Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Meter Harriott. (1991). Operaciones unitarias en ingeniería química. pp(251). Madrid. 4ª.ed. Mc Graw Hill

Figura 21. Medidas de un agitador de turbina

Page 41: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Da = diámetro del rodete

Dt = diámetro del tanque

HL = altura del líquido

W = anchura de las palas

L = longitud de pala

E = altura del fondo del tanque al rodete

J = espesor del tanque

Estas relaciones heurísticas se adoptaron para la implementar el sistema de

agitación en el deshidratador.

De acuerdo a la relación, 1=t

L

DH Se reemplaza en VL (Volumen total en el

recipiente), para hallar Dt.

( ) cmHcmVD LLt 25.2625.26/*43 =⇒== π

Para hallar la altura efectiva del tanque, se adoptó un factor de seguridad del

30% sobre el volumen total en el recipiente.

Usando el valor del diámetro del tanque y el nuevo volumen se hallo la altura

efectiva del tanque.

( )

cmHvaloreslosemplazandoDVH

cmcmVVV

cmD

T

tTT

TLT

t

11.34Re*/*4

778.184583.106.141993.1

25.26

2

33

=⇒=

=∗=⇒∗=

=

LLπ

De la relación 3/1=t

a

DD , se despeja para Da y se obtiene, cmDa 75.8=

De la relación 5/1=aD

W , se despeja para W y se obtiene, cmW 75.1=

Page 42: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

De la relación 4/1=aD

L , se despeja para L y se obtiene, cmL 1875.2=

De la relación 12/1=tD

J , se despeja para J y se obtiene, cmJ 1875.2=

El eje del agitador, se compone de tres arreglos de turbinas de cuatro palas, el

primero situado a 8.75cm desde el fondo el tanque; el segundo a 14.3cm desde

el fondo del tanque y el tercero a 20.25cm desde el fondo del tanque.

Figura 22. Arreglo de turbina en el deshidratador osmótico

Page 43: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

Diseño del plato.

Figura 23. Vista frontal del deshidratador

El plato consta de tres hileras de rodajas acomodadas radialmente, y por cada

hilera se dispone de un número de rodajas conformadas circunferencialmente;

el número de rodajas en cada hilera depende de la longitud de la circunferencia

en la que están inscritas.

Cálculos del número de rodajas en cada hilera

L1: longitud de circunferencia de la primera hilera

L2: longitud de circunferencia de la segunda hilera

L2: longitud de circunferencia de la tercera hilera

r1: longitud de circunferencia de la primera hilera

r2: longitud de circunferencia de la segunda hilera

r3: longitud de circunferencia de la tercera hilera

• Primera hilera

De acuerdo la figura 23, la longitud de circunferencia de la primera hilera es:

4.675 cm

5.775 cm

8.75 cm

11.725 cm

13.125 cm

Malla

2da hilera

de cilindros

en el plato

Primera hilera

de cilindros

en el plato

3ra hilera

de cilindros

en el plato

Page 44: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

cmLrL 267.361*21 1 =⇒∗= π

En esta longitud se disponen 10 rodajas de 2cm de diámetro, espaciadas entre

si 2.033cm.

• Segunda hilera

cmLrL 95.542*22 2 =⇒∗= π

En esta longitud se disponen 15 rodajas de 2cm de diámetro, espaciadas entre

si 1.66cm.

• Tercera hilera

cmLrL 633.733*23 3 =⇒∗= π

En esta longitud se disponen 25 rodajas de 2cm de diámetro, espaciadas entre

si 0.472cm.

Para un total de 50 rodajas en cada plato, fue necesario un arreglo de 20 platos

para acomodar las mil rodajas, el primer arreglo de 6 platos se dispuso

centrado respecto al primer arreglo de turbinas situado en el fondo, y los otros

dos arreglos de 7 platos cada uno fueron centrados respecto a cada arreglo de

turbina. Este acomodo de los platos permite que la solución se mantenga

homogénea y que la transferencia de materia sea optima.

El equipo cuenta con un sistema de control automático que permite regular la

temperatura y la presión. Este sistema se puede detallar en la figura 24. Tiene

acoplado una bomba de anillo líquido para vacío. Cuando la presión se baja

demasiado, el controlador envía una señal eléctrica a la válvula solenoide (v-

101) de tipo on-off. Para controlar la temperatura el equipo cuenta con una

chaqueta de calentamiento, esta tiene incorporada una resistencia eléctrica de

4 KΩ. Cuando la temperatura aumenta o disminuye, el controlador envía una

señal eléctrica de 120V a la resistencia que es controlada por un relé.

Figura 24. Diseño del controlador

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CONCLUSIONES

El tratamiento a 40°C y una concentración de sacarosa de 25°Brix,

resulto ser el más adecuado, de los nueve ensayos usados en la

deshidratación del melón en cortes cilíndricos, permitiendo la obtención

de un producto con estabilidad intermedia y propiedades sensoriales

similares a las del producto natural, e incluso mejoradas.

Comparando los tipos de corte realizados en el melón para el

tratamiento osmótico, se encontró que el más indicado para este

proceso es el corte cilíndrico, dado que presenta un coeficiente de

difusión de 1.21*10-5 (cm2/s), que permite una mayor deshidratación y

además optimiza la cantidad de fruta disminuyendo el desperdicio de la

misma.

Con las condiciones de temperatura y concentración escogidas para el

tratamiento del melón, se obtuvo un producto de estabilidad intermedia

con un 32% en pérdida de humedad, con lo cual se estima que la vida

útil del producto se incrementa, además se observaron mejoras

sustanciales en las propiedades sensoriales tales como el color y el

sabor.

El diseño preliminar del equipo permite optimizar la cantidad de

producción, gracias al empaquetamiento del producto en su interior,

además, el sistema de control automatizado con el que cuenta, garantiza

la calidad del producto. Económicamente, es una alternativa factible

para la producción y masificación del producto.

Page 47: DESHIDRATACION OSMOTICA DEL MELON (cucumis melo) CON …

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