deshidratacion osmotica del melon (cucumis melo) con …
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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
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
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”.
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.
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
20
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.
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.
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.
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:
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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
)
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
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
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
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
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=
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
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
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
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.
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