proyecto de freÍdo y horneado de alimentos

MARÍA CAMILA GELVEZ RUEDA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

BUCARAMANGA

2012

2012PROYECTO DE FREÍDO Y HORNEADO DE ALIMENTOS

PROYECTO DE FREÍDO Y HORNEADO DE ALIMENTOS

MARIA CAMILA GELVEZ RUEDA

PRESENTADO A:

CARLOS JESUS MUVDI NOVA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

BUCARAMANGA

2012

CONTENIDO

Pág.

1. PROCESO DE FREÍDO DE ALIMENTOS 8

1.1 GENERALIDADES 8

1.2 FREÍDO INDUSTRIAL 9

1.2.1 Tipos de freidoras industriales 9

1.2.1.1 Freidoras discontinuas 9

1.2.1.1.1 Freidoras Kettle 10

1.2.1.1.2 Freidoras de vacío 11

1.2.1.2 Freidoras continúas 11

1.2.1.2.1 Freidora recta 11

1.2.1.2.2 Freidora de Herradura 12

1.2.1.2.3 Freidora Multi-Zona 12

1.2.2 Criterios de selección de freidoras 12

1.2.3 Componentes de un Sistema de freído Industrial 13

1.2.4 Características de Procesos de freído 13

1.3 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA DURANTE EL FREÍDO DE ALIMENTOS 14

1.3.1 Principios físicos del proceso de freído 14

1.3.1.1 Transferencia de calor convectivo del aceite al producto 14

1.3.1.2 Coeficiente de transferencia de calor convectivo 16

1.3.1.3 Perfiles de temperatura, pérdida de humedad y absorción de

aceite del producto durante el freído de alimentos 16

1.3.2 Modelamientos matemáticos del proceso de freído 20

1.3.2.1 Modelo para el freído de papas a la francesa de Krokida 21

Oreopoulou and Maroulis

1.3.2.2 Modelo simplificado para el freído de papas a la francesa

de Farinu and Baik 23

1.4 EJERCICIO 23

2. PROCESO DE HORNEO DE ALIMENTOS 25

2.1 GENERALIDADES 25

2.2 HORNEADO INDUSTRIAL 26

2.2.1 Maquinaria 26

2.3 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA DURANTE EL HORNEADO 27

2.3.1 Modelo de reacción-difusión de Huang, Lin and Zhou 29

2.3.1.1 Adimensionamiento 30

BIBLIOGRAFÍA 33

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Temperatura del aceite y calor requerido de algunos 14

Productos fritos

Tabla 2. Tiempo de cambio de aceite en procesos de freído 14

Tabla 3. Valores de parámetros para el horneado de pan 32

Tabla 4. Valores de parámetros adimensionales 32

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Freidora Kettle 10

Figura 2. Freidora recta directa (izq.) e indirecta (der.). 11

Figura 3. Freidora Multi-Zona 12

Figura 4. Principios de transferencia de calor convectivo durante el freído 15

Figura 5. Perfil de temperatura en función del tiempo, en diferentes

zonas del producto a temperaturas de aceite de 150°C (a) y 180°C (b) 17

Figura 6. Perfil de humedad en el tiempo a diferentes temperaturas de

aceite y espesor de producto 17

Figura 7. Perfil de absorción de aceite en el tiempo a diferentes

temperaturas de aceite y espesor de producto 18

Figura 8. Variación de la densidad real durante el freído 19

Figura 9. Variación de la densidad aparente durante el freído 19

Figura 10. Variación de la porosidad y volumen durante el freído 20

Figura 11. Horno de túnel continúo para la industria de panadería 26

Figura 12. Horno a gas de carro rotatorio 27

Figura 13. Transferencia de masa y energía durante el horneado de pan 27

Figura 14.Perfil de temperatura durante el horneo 28

Figura 15. Perfil de humedad durante el horneo 28

1. PROCESO DE FREÍDO DE ALIMENTOS

1.1 GENERALIDADES

El freído de alimentos es uno de los procesos de preparación de alimentos más antiguo, data desde el siglo XVII y varios productos fritos se han consumido por diferentes culturas durante siglos. El producto frito de mayor consumo alrededor del mundo son las papas fritas o papas a la francesa.

Este proceso consiste en la inmersión del producto alimenticio en un aceite o grasa comestible que está a una temperatura superior al punto de ebullición del agua, por lo general de 150 a 200°C, de modo que se obtiene un alimento seco, crujiente y dorado.

En general es un proceso de transferencia simultánea de masa y energía. La transferencia de energía se da por convección de calor entre el aceite y la superficie del alimento y por conducción de calor dentro del alimento. La transferencia de masa se da por la pérdida de humedad y la absorción de aceite cuando el alimento se sumerge en el aceite caliente, ya que se forma vapor de agua debido a la alta temperatura, el cual se transfiere a través de la superficie del producto debido a gradientes de presión y temperatura, desarrollando a su vez poros por donde se absorbe el aceite (principalmente durante la etapa de enfriamiento), y produciendo además un encogimiento del producto.

Debido al proceso de freído se observa en el producto alimenticio cambios en sus propiedades: geométricas (forma, tamaño, área, volumen, densidad y estructura porosa), térmicas (debido a cambios en la composición, pérdida de humedad y absorción de aceite) y bioquímicas (el color y sabor característico es dado por las reacciones de Maillard en la corteza, formación de acrilamida, gelatinización del almidón, desnaturalización de proteínas, inactivación de enzimas y destrucción de microorganismos). Así mismo, durante el freído el coeficiente de transferencia de calor convectivo cambia con la temperatura y degradación del aceite, y la estructura porosa influencia la pérdida de humedad y absorción de aceite los cuales a su vez se afectan por el tiempo de freído, temperatura y contenido de humedad del producto.

La variación de todas las propiedades del alimento mencionadas anteriormente durante el freído, deben conocerse, ya que afectan la velocidad de transferencia de masa y energía, pero el freído es un proceso complejo donde el acoplamiento entre las reacciones y la transferencia de masa y energía es poco comprendido.

La calidad del producto se ve afectada por la temperatura de freído o del aceite, el tiempo, el área superficial del alimento a fritar y el uso de pre tratamientos como escaldado, secado, revestimiento o inmersión en soluciones de azúcar. De igual modo los parámetros de calidad en productos fritos más importantes a tener en cuenta son: el contenido de humedad, el contenido de aceite, el contenido de acrilamida, densidad, porosidad, encogimiento, color y textura.

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Finalmente y con el fin de satisfacer las demandas de salud de los consumidores, los investigadores se concentran en reducir la absorción de aceite durante el proceso, para esto se recubre el producto con hidrocoloides y/o almidones modificados, se incorpora celulosa en polvo o derivados de celulosa a las mezclas con el fin de producir gelificación térmica o formación de películas o se estudian tecnologías alternativas para freír, como el freído al vacío, a presión o de microondas.

1.2 FREÍDO INDUSTRIAL

La comida frita es particularmente popular en USA, Canadá, Centroamérica, Suramérica, Europa, India, China, Japón y Malasia por su rápida preparación y buen sabor, debido a esto el freído ya no es una técnica usada en la cocina, sino que ha evolucionado a procesos industriales de gran escala que pueden fritar miles de libras de producto por hora, los cuales se empacan y se envían directamente a tiendas y almacenes para su distribución.

El freído industrial se ha convertido en un gran segmento de toda la industria alimenticia. La producción de varios productos totalmente fritos, micro horneados o parcialmente fritos ha crecido. Estos productos son utilizados por consumidores así como por restaurantes y servicios de comida. Los productos fritos industriales más comunes son las papas fritas, tortillas de patatas fritas, hojuelas de maíz, productos extruidos de maíz, recubiertos (palitos de pescado o camarón apanados), parcialmente fritos (papas a la francesa, pescado, pollo) y frutos secos fritos.

Las freidoras utilizadas en los procesos industriales son grandes y sofisticadas en términos de la alimentación del producto, construcción interna, control de la temperatura del aceite, reducción del volumen de aceite y distribución. Son complicadas en el diseño pero entregan grandes cantidades de producto de alta calidad.

1.2.1 Tipos de freidoras industriales

Las freidoras de clasifican en discontinuas y continuas. Las freidoras discontinuas son utilizadas tradicionalmente para producir pequeños volúmenes y textura más dura en las patatas fritas. Las freidoras en continuo han duplicado satisfactoriamente la textura dura de las patatas fritas a una mayor tasa de producción. Estas requieren un diseño muy especializado de la cama de freído para ofrecer hasta tiempos de freído variables.

1.2.1.1 Freidoras Discontinuas

Las freidoras discontinuas incluyen freidoras Kettle y freidoras de vacío.

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1.2.1.1.1 Freidoras Kettle

Las freidoras Kettle se asemejan a las freidoras de restaurantes, excepto que son mucho más grandes y con capacidad de freído de cientos de libras de producto por cochada. Estas freidoras son utilizadas para el freído de productos especiales con diferente textura, apariencia y sabor. El aceite se coloca en un recipiente grande con una capacidad típica de 300 a 400 galones y es calentado por quemadores de gas ubicados debajo del recipiente. Este método de calentamiento del aceite es conocido como un sistema de calentamiento directo. En otras instalaciones el aceite es calentado en intercambiadores de calor externos, por lo cual el aceite es extraído continuamente de la freidora, circula a través de un calentador de aceite externo y regresa de nuevo al recipiente de la freidora, por lo cual es llamado sistema de calentamiento indirecto. Los calentadores de aceite externos pueden ser calentados por vapor o por gas. Los intercambiadores de calor de vapor son generalmente de tubo y carcasa, con el aceite pasando por los tubos y el vapor de presión moderada (180-200 psi) por la carcasa. Los calentadores a gas tienen diferentes diseños, en algunos de estos calentadores el aceite en los tubos se expone directamente en el camino del flujo de gas, otros usan el gas de combustión caliente para calentar aire el cual a su vez calienta el aceite en los tubos. Es necesario un control de nivel del aceite en el recipiente y un control de temperatura del aceite.

En el freído en discontinuo, la temperatura deseada del aceite es de 151-152°C, al alcanzarla se agrega una cantidad específica de materia prima al recipiente de modo que la temperatura del aceite disminuye abruptamente a 121-127°C, la temperatura se recupera a medida que el producto pierde humedad y se acerca al contenido de humedad final. Durante el freído el producto es agitado con un agitador manual o automático, y la temperatura del aceite alcanza 149°C cuando se alcanza la humedad final. El producto se remueve con un transportador y se puede centrifugar para eliminar el exceso de aceite en la superficie. Finalmente el producto es salado o condimentado y empacado.

Figura 1. Freidora Kettle

Fuente: Heat and Control Company.

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1.2.1.1.2 Freidoras de Vacío

Las freidoras de vacío son utilizadas para freír frutas o vegetales, ya que es importante mantener el color original del producto. Estas freidoras tienen generalmente baja capacidad de producción, son muy costosas y se operan en discontinuo ya que las continuas son difíciles de construir y operar además de ser excesivamente costosas. Estas freidoras operan a presiones menores a 100 mmHg y el freído es llevado a cabo a 121.1°C. Los alimentos se deshidratan a esta temperatura debido al vacío, y el aceite es calentado mediante un calentador externo. Los alimentos se ubican en una canasta que se coloca en la cámara de vacío por encima de la superficie del aceite. La puerta en la cámara de freído es cerrada, sellada y el vacío es aplicado. La canasta es bajada al aceite caliente a 121.1°C cuando el vacío en la cámara alcanza presiones < 100 mmHg. La temperatura del aceite cae inmediatamente y el aceite es circulado continuamente al calentador externo. El aceite recupera temperatura cuando el contenido de humedad del producto alcanza el valor predeterminado. Después del freído, el vacío en la cámara se rompe lentamente, usando preferiblemente nitrógeno en vez de aire para evitar oxidación del aceite. La puerta de la cámara de freído se abre y se retira la canasta con el producto, el exceso de aceite se deja escurrir y el producto se enfría antes de su empacado.

1.2.1.2 Freidoras Continuas

Las freidoras continuas se utilizan para la producción a gran escala de frituras (snacks), tienen diferentes diseños como la freidora recta, diseño de herradura y multizona.

1.2.1.2.1 Freidora Recta

En esta freidora el producto es freído en aceite caliente y calentado en un recipiente con control de nivel y temperatura. La materia prima es alimentada a la freidora en un extremo y el producto recogido en el otro por una banda transportadora. El aceite es calentado tanto por calentadores directos o indirectos.

Figura 2. Freidora recta directa (izq.) e indirecta (der.).


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1.2.1.2.2 Freidora de Herradura

El recipiente de la freidora es hecho en forma de herradura. La materia prima es alimentada a la freidora en un extremo y el producto recogido en el otro extremo de la herradura. El modo de calentamiento de aceite, alimentación y retirado del producto es simular a la freidora recta.

1.2.1.2.3 Freidora Multi-Zona

Estas freidoras se han vuelto muy populares debido a que mantienen una temperatura de aceite más uniforme y permiten una deshidratación controlada del producto. El aceite es calentado en un calentador externo y es bombeado en varios lugares predeterminados del recipiente. Estas freidoras causan una degradación más rápida del aceite comparada con las freidoras rectas convencionales de capacidad similar, debido a que el promedio de temperatura en la freidora es mantenido a un valor más alto a lo largo de esta y sin un diseño adecuado pueden mantener mayores volúmenes de aceite, incrementando el tiempo de rotación del aceite.

Figura 3. Freidora Multi-Zona


1.2.2 Criterios de Selección de Freidoras

La freidora se selecciona principalmente en base del tipo de producto a freír, sus propiedades físicas, si el producto flota, se hunde o se expande en la freidora y en base a él volumen de producción requerido. Por ejemplo, frituras y productos recubiertos tienden a flotar en la freidora

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y posteriormente deben sumergirse mediante el uso de un sumergidor mecánico, las donas flotan en la superficie del aceite y son fritadas de esta manera, filetes de pollo, papas a la francesa y frutos secos se hunden en la freidora y los pellets se expanden en la freidora y deben ser sumergidos. Otros criterios importantes incluyen el calor requerido, modo de calentamiento del aceite, el tiempo de cambio del aceite, los accesorios requeridos para la alimentación, freído y retirada del producto y la facilidad de limpieza y mantenimiento del equipo.

1.2.3. Componentes de un Sistema de freído Industrial

Aunque la freidora es la pieza central de un sistema de freído industrial, existen otros componentes que se requieren para completar el sistema. Entre estos están:

Para una freidora de patatas fritas, lavado, pelado, cortado y lavado de las tiras de patatas. Para una freidora de tortillas, cocinado del maíz, lavado, preparación de la masa, y

extrusión. Mezcla de granos, sistema de hidratación y extrusora para los productos extruidos. Bandas transportadoras para la alimentación y retirada del producto de la freidora. Aplicador de sal. Aplicador de condimentos. Horno de tostado para las tortillas. Enfriador para tortillas. Extrusora para productos extruidos. Agitadores para freidoras discontinuas. Clasificadores ópticos para monitoreo del color del producto. Sistema de recepción y almacenamiento de aceite. Filtro de aceite. Bomba y tubería de recirculación de aceite. Sistema de calentamiento de aceite para freidoras directas o indirectas. Sistema de transporte de producto para las máquinas de llenado. Transportadores y sumergidores en la freidora. Detectores de metal. Máquina de llenado y empaquetamiento del producto. Controladores de nivel y temperatura del aceite. Dispositivo de extinción de incendios.

1.2.4. Características de Procesos de Freído

En la tabla 1 se muestra la temperatura del aceite y el calor requerido para el freído de algunos productos.

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Tabla 1. Temperatura del aceite y calor requerido de algunos productos fritosProducto Temperatura del aceite [°C] Calor Requerido [kJ/kg]Patatas Fritas 187,8 10467Tortillas 190,6 3489Hojuelas de maiz 199 5233.5Productos recubiertos y parcialmente freídos (a)

190,6814.1

Rollos de huevo y burritos (b) 179,4 465.2Nueces 162,8 1163Frituras (snacks) 185 2326 - 3489(a) Calor para crear la cortezaFuente: Sea Pack Corporation

(b) Solo Fritar la cubierta

En la tabla 2 se muestra el tiempo de cambio de aceite para algunos productos.

Tabla 2. Tiempo de cambio de aceite en procesos de freído

Producto Tiempo de cambio de aceite [h]Patatas Fritas 9,5 - 11Tortillas 6,5 - 8Hojuelas de maíz 4 - 5Freidora discontinua 20 - 30Freidora de restaurante 28 – 20 díasFuente: Sea Pack Corporation

1.3 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGIA DURANTE EL FREÍDO DE ALIMENTOS

1.3.1. Principios físicos del proceso de freído

1.3.1.1 Transferencia de calor convectivo del aceite al producto

Durante el freído, la transferencia de masa y energía en el producto y la evolución del producto están gobernadas por la transferencia de calor del aceite al producto a través de su superficie externa. El impacto del calentamiento está relacionado con la temperatura final alcanzada y la velocidad de calentamiento. La característica principal del proceso de freído es transferir calor a muy alta velocidad utilizando el depósito de calor creado por el gran volumen de aceite y por su densidad y capacidad calorífica, características por las cuales la transferencia es mayor que con fluidos como aire caliente o vapor sobrecalentado. Además, al estar el producto inmerso en el aceite la transferencia de calor es casi completamente uniforme como se muestra en el figura 4.

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Figura 4. Principios de transferencia de calor convectivo durante el freído

Fuente: Sahin and Gülüm. Advances in Deep-Fat Frying of Foods (2009)

El calor es utilizado principalmente para vaporizar el agua del producto. Las burbujas de vapor escapan de la superficie externa del producto y se observan inmediatamente o unos segundos después de sumergir el producto en el aceite caliente. Debido a que el vapor es la única fase gaseosa en el producto, la vaporización de agua libre ocurre a la temperatura de saturación del agua y la velocidad de vaporización es proporcional a la diferencia de temperatura entre el aceite y la temperatura de saturación. La disminución del burbujeo durante el freído está asociada con una menor fuerza motriz debida al calentamiento de la superficie, el secado se produce mientras la temperatura de la superficie del producto es menor que la del aceite. Cuando el producto está en equilibrio térmico con el aceite, todavía hay agua en el producto. En efecto, si se incrementa la temperatura del aceite el burbujeo se presenta de nuevo hasta que un nuevo equilibrio químico es alcanzado. Por esto, a una presión dada (generalmente presión atmosférica) la temperatura del aceite debe forzar el contenido mínimo de agua residual, que corresponde a la temperatura de saturación del agua en equilibrio con solutos y macromoléculas.

El flujo de calor convectivo durante el freído ha sido estudiado por Vitrac, Trystram, and Raoult-Wack (2003), los cuales relacionaron la variación de la temperatura del aceite con pérdidas de calor, calor absorbido por la canasta de freído y finalmente con el flujo de calor convectivo transferido al producto. La cinética de este calor fue asociada a 3 regímenes, el régimen A asociado a muy altos flujos de calor convectivo (hasta 150 kW/m2) y es seguido por un flujo de burbujas de vapor, el cual si es mayor a la habilidad del medio de remover el vapor, puede reducir el calor convectivo hasta cero. Este régimen está asociado a la vaporización de agua en la superficie del producto. El régimen B corresponde a la vaporización de agua dentro del producto y mantiene un flujo de constante de aproximadamente 40 a 50 kW/m2 y una temperatura en el

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núcleo cercana a la temperatura de saturación del agua. El régimen C coincide con un incremento de la temperatura del núcleo por encima de la temperatura de saturación y la disminución del flujo de calor.

1.3.1.2 Coeficiente de transferencia de calor convectivo

Altos flujos de calor convectivo medidos durante el freído son la consecuencia de grandes diferencias de temperatura y conductividad entre el aceite y el producto. El coeficiente de transferencia de calor convectivo puede ser estimado por un balance de energía entre la muestra y el aceite, en función de la temperatura del aceite, espesor de la muestra y la diferencia de temperatura entre el aceite y la superficie de la muestra según Farinu y Baek (2007), o en función del tiempo, posición y velocidad de burbujeo (debido a que la expulsión de burbujas de vapor de alta velocidad es responsable de una agitación significativa cerca a la superficie) según Vitrac and Trystram (2005). De igual modo en estos experimentos se observan valores muy altos de coeficiente de transferencia de calor convectivos iniciales (hasta 837 y 1500 W/m2K, respectivamente) los cuales disminuyen rápidamente y se mantienen aproximadamente constantes en 450 y 450-550 W/m2K , respectivamente. Comportamiento igualmente observado por una gran cantidad de investigadores (Costa et al. 1999; Hubbard and Farkas 1999; Sahin, Sastry, and Bayindirli 1999; Seruga and Budzaki 2005; Vitrac 2002).

1.3.1.3 Perfiles de temperatura, pérdida de humedad y absorción de aceite del producto durante el freído de alimentos

La transferencia de calor convectivo del aceite al producto es responsable de un aumento de la temperatura del producto y de la vaporización del agua interna. Los perfiles de temperatura, de pérdida de humedad y de absorción de aceite están definidos por la cinética de secado y el mismo fenómeno o mecanismo ocurre independientemente de la geometría o composición del producto, solo la intensidad de la transferencia y el contenido de humedad final se afectan por la geometría o composición, además del tiempo de freído.

En general el perfil de temperatura del producto tiene el siguiente comportamiento: la temperatura aumenta hasta alcanzar la temperatura de ebullición del agua a aproximadamente 100°C, se mantiene estable (el calor se gasta en la evaporación de la humedad) y después de un tiempo empieza a incrementarse de nuevo. La temperatura en la superficie de la muestra aumenta rápidamente al comienzo del freído y es la temperatura superior que alcanza el producto, ya que la temperatura disminuye hasta un valor mínimo en el centro del producto. Estudios han demostrado que la temperatura promedio del producto aumenta, si la temperatura del aceite es mayor o el espesor es menor, ya que la conducción de calor es mayor al centro del producto. En consecuencia aumenta la energía cinética de las partículas de agua y la pérdida de humedad. Como se muestra en la figura 5.

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Figura 5. Perfil de temperatura en función del tiempo, en diferentes zonas del producto a temperaturas de aceite de 150°C (a) y 180°C (b).

Fuente: FARINU, Adefemi and BAIK, Oon-Doo. Heat transfer coefficients during deep fat frying of sweetpotato: Effects of product size and oil temperature.

El perfil de pérdida de humedad durante el freído, se ha expresado como la relación entre una fuerza motriz y la resistencia del producto (Rice and Gamble, 1989). La fuerza motriz es proporcionada por la conversión del agua en vapor por el calor, mientras que la resistencia a la transferencia de masa es proporcionada por la resistencia interna a la difusión de masa y la resistencia superficial del producto. En general el contenido de humedad disminuye significativamente durante el freído, y su disminución es mayor si la temperatura del aceite es mayor o el espesor del producto es menor, como se mencionaba anteriormente. Lo anterior se muestra en la figura 6.

Figura 6. Perfil de humedad en el tiempo a diferentes temperaturas de aceite y espesor de producto

Fuente: KROKIDA, M.K.; OREOPOULOU, V. and MAROULIS, Z.B. Water loss and oil uptake as a function of frying time. Journal of Food Engineering

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La absorción del aceite durante el proceso ha sido ampliamente estudiada y se ha demostrado que la mayoría del aceite no penetra el producto durante el freído, sino durante el periodo de enfriamiento, cuando el producto se remueve de la freidora (Ufheil and Esher 1996; Saguy et al. 1997, Moreira, Sun, and Chen 1997, Vitrac, Trystram, and Raoult-Wack 2000). En general se ha demostrado que la absorción de aceite es mayor durante el freído si la temperatura del aceite es mayor y el espesor del producto menor, además el contenido final de aceite está relacionado con el contenido de humedad restante en el producto. Lo mencionado se muestra en la figura 7.

Figura 7. Perfil de absorción de aceite en el tiempo a diferentes temperaturas de aceite y espesor de producto

Fuente: KROKIDA, M.K.; OREOPOULOU, V. and MAROULIS, Z.B. Water loss and oil uptake as a function of frying time. Journal of Food Engineering

Respecto al tiempo de freído, a medida que este aumenta, aumentara también la temperatura del producto, la pérdida de humedad y la absorción de aceite.

Otras propiedades a considerar son: la formación de una región seca y porosa en la superficie del producto o corteza durante la vaporización superficial e interna, la cual le da unas características organolépticas (textura, color, aroma) especiales al producto, además del cambio en la densidad, aumento de la porosidad (aumentando la aceptación de aceite) y encogimiento del producto con el tiempo de freído.

La densidad real, la cual excluye el volumen de los poros de aire varía fuertemente con todas las variables de proceso, más específicamente aumenta durante el proceso de freído. Los fenómenos de transporte de masa la afectan significativamente ya que la pérdida de agua tiende a aumentarla pero la absorción de aceite a disminuirla. El aumento de la temperatura del aceite hace que aumente al igual que el aumento del espesor de la muestra. El tipo de aceite utilizado también influencia la densidad real, así aceites de mayor densidad como los hidrogenados hacen que su valor aumente. Lo mencionado anteriormente se muestra en la figura 8.

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Figura 8. Variación de la densidad real durante el freído

Fuente: KROKIDA, M.K.; OREOPOULOU, V. and MAROULIS, Z.B. Effect of frying conditions on shrinkage and porosity of fried potatoes

La densidad aparente disminuye durante el freído, debido al agua de vaporización, desarrollo de poros de aire y la absorción de aceite, esto significa un encogimiento mínimo durante el proceso de freído. La densidad aparente disminuye al aumentar la temperatura del aceite, aumenta al aumentar el espesor de la muestra y aumenta con la concentración de aceite hidrogenado como se observa en la figura 9.

Figura 9. Variación de la densidad aparente durante el freído

Fuente: KROKIDA, M.K.; OREOPOULOU, V. and MAROULIS, Z.B. Effect of frying conditions on

shrinkage and porosity of fried potatoes

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Respecto a la porosidad y el volumen especifico, a medida que la temperatura del aceite aumenta, la porosidad aumenta y el volumen específico disminuye, lo que significa que en el fenómeno de contracción se hace menos intenso. Si el espesor de la muestra disminuye, la porosidad aumenta y el volumen especifico disminuye. El tipo de aceite tiene un efecto mínimo sobre estas variables pero es notable que el aumento de la concentración de aceite hidrogenado disminuye la porosidad y aumenta el volumen específico.

Figura 10. Variación de la porosidad y volumen especifico durante el freído

Fuente: KROKIDA, M.K.; OREOPOULOU, V. and MAROULIS, Z.B. Effect of frying conditions on shrinkage and porosity of fried potatoes

1.3.2 Modelamientos matemáticos del proceso de freído

Distintos modelos matemáticos de distintas complejidades se han desarrollado. Estos modelos trabajan el freído de productos individuales asumiendo propiedades físicas constantes. Una gran cantidad de modelos se han basado en difusión simple de transferencia de masa y energía, con varias aproximaciones teniendo en cuenta evaporación o ignorándola por completo y sin incluir la fase de transporte de aceite (Ateba & Mittal, 1994; Dincer & Yildiz, 1996; Moreira, 1995; Rice & Gamble, 1989). Otros (Farkas, Singh, and Rumsey, 1996) proveen un modelo más detallado de

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temperatura y transporte de humedad para el freído de patatas en tiras, con dos ecuaciones separadas para dos regiones, la coraza y el núcleo. Incluyendo el flujo de la fase vapor en la corteza por presión, pero ignorando el flujo de difusión en la coraza al igual que el flujo de vapor por presión en el núcleo. Además el modelo no incluye la fase de aceite o el efecto del cambio de porosidad en la transferencia de masa y energía. Modelos con medios porosos multifase como el de Ni and Datta (1999) incluye la importancia de los flujos de aceite, vapor y aire en estas fases impulsados por presión, pero no tiene en cuenta cambios de porosidad del producto y su efecto en el sistema de transferencia de masa y energía. A raíz de esto se han desarrollado modelos que incluyen el efecto de encogimiento y cambios en la porosidad del producto, los cuales a su vez afectan las propiedades de difusividad de gases y líquidos en el producto (Asensio, 1999, Kawas & Moreira, 2000; Lujan-Acosta & Moreira, 1996, Xiong, Narsimhan, & Okos, 1991, Achanta, Okos, Cushman, and Kessler, 1995), hasta un modelo matemático que incluye la formación de la corteza, encogimiento, expansión de aire, cambios en la porosidad y textura durante el proceso de freído en un sistema multifase de agua ligada, agua líquida, vapor, aire, aceite y matriz sólida (Yamsaengsung and Moreira, 2002).

1.3.2.1 Modelo para el freído de papas a la francesa de Krokida, Oreopoulou and Maroulis

El modelo desarrollado por Krokida, Oreopoulou and Maroulis, es un modelo sencillo de primer orden y con bases empíricas que permite determinar la perdida de humedad y absorción de aceite durante el freído de papas fritas o papas a la francesa.

Este modelo considera que las cantidades que me representan adecuadamente el proceso de freído son: el contenido de humedad (X ) y el contenido de aceite del producto (Y )depsues de un tiempo ( t ) de freído. Variables que se definen en un tiempo ( t ) como:

X=mw

ms

(1 ) y Y=ml

ms

(2)

Donde mw es la masa de agua restante en la muestra después de un tiempo t , ml es la masa de

aceite absorbido después de un tiempo t y mses la masa de sólidos secos en la muestra. Lo que

indica que estas variables se trabajan en base seca y su unidad es kg

kgdb.

Para describir el fenómeno de transferencia de masa se escogió un modelo cinético de primer orden, basado en las siguientes suposiciones:

La temperatura del aceite es constante durante el proceso de freído. La concentración de agua inicial es uniforme. Los dos flujos (vapor de agua y aceite absorbido) se consideran independientes entre sí.

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Modelo cinético dehumedad :dXdt

=−KX (X−Xe ) (3 )

Modelo cinético deaceite :dYdt

=−KY (Y−Y e ) (4 )

Donde X e yY e son el contenido de humedad y de aceite en un tiempo infinito ( kgkgdb ), y

K X y KY son las constantes de velocidad de pérdida de humedad y absorción de aceite (min−1 ).

En un tiempo cero la humedad inicial es X o, mientras el contenido de aceite es cero de modo que integrando 3 y 4:

( X−X e)(Xo−Xe )

=exp [−K X t ] (5 )

Y=Y e [1−exp (−KY t ) ] (6 )

Finalmente el efecto de las variables de proceso, específicamente temperatura del aceite (T ∞ ,° C ) y el espesor de la sección transversal de la muestra de papas fritas (d ,mm ), se representa mediante las siguientes ecuaciones empíricas:

K X=0,78 [ T ∞

170 ]1,61

[ d10 ]−2,27

(7 ) KY=0,45 [ T ∞

170 ]−1,7

[ d10 ]

−1,73

(8 )

X e=0,54[ T ∞

170 ]−3,63

[ d10 ]0,89

(10 )Y e=0,26 [ T ∞

170 ]2,35

[ d10 ]−2,25

(11)

Además según Krokida, Oreopoulou and Maroulis, la densidad real (ρp ), la densidad aparente (ρb ), la porosidad (ϵ ) y el volumen específico (ϑ ) se definen en función de la perdida de humedad (X ) y absorción de aceite (Y ) como:

ρp=1+X+Y1ρs

+Xρw

+YρL

(12 )

22

ρp=1+X+Y

1ρbo

+ β '( Xρw

+YρL

)(13 )

ϵ=1−ρp

ρp

(14 )

ϑ= 1ρbo

+β'( Xρw

+ YρL

)(15 )

1.3.2.2 Modelo simplificado para el freído de papas a la francesa de Farinu and Baik

En el balance de energía entre la muestra y el aceite, el calor total convectivo, transferido del aceite a la superficie de la muestra de papa frita es igual a la suma de la energía gastada en calentar la muestra y la energía gastada en la evaporación del agua.

h A (T ∞−T s )=MC pdTdt

+ Lvd mw

dt(16 )

Dónde: T ses la temperatura de la superficie de la muestra (°C), T la temperatura de la muestra

(°C), mw la humedad en la muestra (kg), M la masa de la muestra de papa frita, Lvel calor latente

de vaporización (J/kg), hel coeficiente de transferencia de calor convectivo (W/m2K), C p el calor especifico de la muestra (J/kg°C).

Experimentalmente se determinó que para el freído de papas fritas:

C p=489,8+3313m+24 T−53mT+33,7m2T (17 )

Donde m es el contenido de humedad de la muestra en base húmeda.

Lv=2257 kJkg

h=1,28T∞−1,5 (T ∞−T s )2+0,36T ∞ (T∞−T s )−1,2d T ∞−10,5 (18 )

1.4 EJERCICIO:

Determine la humedad final y el aceite absorbido en un proceso de freído de papas fritas cortadas en tiras de sección transversal de 15x15 mm2, y 40 mm de largo. El tiempo de freído fue de 3 min, la humedad inicial de las papas fritas es de 3,9 kg/kg db y la temperatura del aceite de freído es de 187,8°C. Determine además el calor convectivo suministrado por el aceite en este proceso, si la temperatura de superficie de la papa es 7°C menor que la temperatura del aceite.

23

Primero se determinan las constantes de velocidad y las concentraciones en el infinito mediante las relaciones empíricas para el freído de papas fritas:

K X=0,78 [ 187,8170 ]1,61

[1510 ]−2,27

=0,36475KY=0,45[ 187,8170 ]−1,7

[ 1510 ]−1,73

=0,1884

X e=0,54[ 187,8170 ]−3,63

[ 1510 ]0,89

=0,5397Y e=0,26 [ 187,8170 ]2,35

[ 1510 ]−2,25

=0,13195

En seguida se determinan la humedad final y el aceite absorbido

(X−0,5397 )(3,9−0,5397 )

=exp [−0,36475∗3 ]entonces X=1,665 kgkgdb

Y=0,13195 [1−exp (−0,1884∗3 ) ]=0,06 kgkgdb

Para determinar el calor convectivo suministrado por el aceite es necesario calcular el coeficiente de transferencia de calor convectivo:

h=1,28∗187,8−1,5 (187,8−180,8 )2+0,36∗187,8 (187,8−180,8 )−1,2∗0,015∗187,8−10,5

h=626,2596 W

m2 °C

Qconvec=626,2596 W

m2° C0,0152m2 (187,8−180,8 ) °C=0,9864W

Como fueron 3 min de tiempo de freído el calor convectivo suministrado fue

Q=177 ,545 J

24

2. PROCESO DE HORNEO DE ALIMENTOS

2.1 GENERALIDADES

Es la técnica de procesamiento de alimentos más antigua y popular. El horneo y el asado son básicamente lo mismo. El término horneo se utiliza cuando se somete a esta técnica un alimento rico en hidratos de carbono, por ejemplo en la repostería, mientras que el término de asado se utiliza cuando se somete un alimento con alto contenido proteico como la carne. El horneo o asado se utiliza para aumentar las propiedades organolépticas del alimento aumentando la gama de aromas, gustos y texturas y lleva consigo, paralelamente, la destrucción de carga microbiana y enzimática del alimento y la reducción de la actividad de agua. Este tipo de cocción se efectúa en un ambiente cerrado por medio de aire caliente, y favorece la conservación de los nutrientes propios de cada alimento en su interior, porque el calor seco a altas temperaturas forma una “costra protectora” que permite concentrar casi todos los nutrientes (proteínas, vitaminas y minerales) dentro del alimento de modo que su pérdida en el medio de cocción es mínima.

En un horno de cocción el aire caliente fluye sobre el producto a hornear ya sea por convección natural o forzada por un ventilador, presentándose transferencia de calor por convección desde el aire, transferencia de calor por radiación desde las superficies del horno de calentamiento, y transferencia de calor por conducción desde la superficie de contacto y a través del producto. La humedad en el alimento simultáneamente se difunde a su superficie desde la cual se transfiere rápidamente por convección al aire caliente perdiendo humedad pero formando una costra que “sella” el alimento de modo que permitirá producir un alimento seco superficialmente y húmedo en el interior.

La determinación y predicción de propiedades de transporte (convección, radiación o coeficiente de transferencia de calor de la superficie, difusividad térmica, conductividad térmica del material,

25

coeficiente de transferencia de humedad de la superficie, difusividad de humedad) durante el horneado son esenciales para el modelamiento matemático del proceso.

Entre los parámetros de transporte de calor, el coeficiente de transferencia de calor de la superficie, que expresa los efectos combinados del modo de calentamiento del horno (calentadores inferiores y/o superiores, parrillas), temperatura del aire y de la superficie a calentar, velocidad del aire y propiedades físicas del aire, es el parámetro que determina el tiempo de horneado del proceso, eficiencia y calidad del producto resultante. Este parámetro es usualmente reportado como una combinación de los coeficientes de transferencia de calor por radiación y convectividad térmica. Para determinar el coeficiente de transferencia de calor de la

superficie h [ w

m2 k ], se pueden usar correlaciones de Nusselt para solo condiciones límite

convectivas, el método de capacidad agrupativa o mediante mediciones del flujo de calor en la superficie del material a calentar.

2.2 HORNEADO INDUSTRIAL

Entre los alimentos que comúnmente son horneados se encuentran alimentos populares y con alto requerimiento industrial como el pan, las galletas, los pasteles y los bizcochos.

2.2.1 Maquinaria

Hay varios tipos de hornos de calentamiento en la industria: de calentamiento directo e indirecto; y continuos o discontinuos.

En los hornos de calentamiento directo, la fuente térmica está en contacto con el alimento por lo cual su principal problema es la posible transferencia de olores indeseables en el caso de que los quemadores estén en mal estado.

En los hornos de calentamiento indirecto, la fuente térmica no está en contacto con el alimento, no habrá transferencia de olores pero cuando se apaga el horno continuará calentándose el alimento por inercia térmica.

Los hornos de túneles continuos suelen utilizar una cinta transportadora y los quemadores estarán situados en los extremos superiores. Este sistema suele estar dotado de unos sensores que según la temperatura harán que los quemadores se activen o desactiven, que la cinta vaya más o menos rápida, y que se activen o no lo inyectores de humedad.

Figura 11. Horno de túnel continuo para la industria de panadería

26

Fuente: Spooner Industries

Los hornos de túneles discontinuos son baratos y versátiles, es decir que se pueden utilizar para multitud de funciones. Suelen ser para llevar a cabo trabajos a baja escala. Suelen darse irregularidades en el producto final y se da un mayor gasto de mano de obra y energía. En este tipo de hornos se incluyen los rotatorios cuyo movimiento es utilizado para eliminar la capa límite y está dotado con unos carros encima donde se colocan los alimentos.

Figura 12. Horno a gas de carro rotatorio

2.3 TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGIA DURANTE EL HORNEADO

Matemáticamente el proceso de horneado puede describirse como un sistema con transporte de masa y energía simultáneos en el producto, y con el ambiente dentro de la cámara de horneo. El transporte de calor y humedad en el producto ocurre principalmente por convección natural o forzada, radiación, conducción del molde, evaporación de agua y condensación de vapor.

27

Dependiendo de las características del producto y el tipo de horno, la contribución de cada uno de los mecanismos de transferencia de calor pueden ajustarse para lograr la calidad deseada en el producto. Durante el horneo el calor es transferido principalmente por convección desde el medio de calentamiento y por radiación desde las paredes del horno a la superficie del producto, seguido por la conducción del calor al centro geométrico del producto. Al mismo tiempo la humedad se pierde en la superficie del producto.

Figura 13. Transferencia de masa y energía durante el horneado de pan

Fuente: NICOLAS, V., SALAGNAC, P., GLOUANNEC, P., JURY, V., BOILLEREAUX L. and PLOTEAU J.P. Modeling Heat and Mass Transfer in Bread during Baking.

En general el perfil de temperatura del producto aumenta con el tiempo de horneo, siendo la temperatura superior en la superficie e inferior en el centro del producto. Figura 14.

El perfil de humedad varía considerablemente en la superficie pero no significativamente en el resto del producto debido a la formación de una costra en la superficie que evita la pérdida de humedad interior. Figura 15.

Figura 14. Perfil de temperatura durante el horneo


28

Figura 15. Perfil de Humedad durante el horneo


2.3.1 Modelo de reacción – difusión de Huang, Lin and Zhou

Para el modelado de horneo de pan Huang, Lin and Zhou desarrollaron un modelo de transferencia de masa y energía donde no asumían un cambio instantáneo de fase, las ecuaciones que gobiernan este modelo son las de conservación de masa y energía:

ρC p∂T∂ t

= ∂∂ x (k ∂T∂ x )+λ Γ (1 )

∂V∂ t

= ∂∂ x (Dv

∂V∂ x )−Γ

ρ(2 )

∂W∂t

= ∂∂x (Dw

∂W∂ x )+Γ

ρ(3 )

Para 0<x<L. Aquí Γ es la tasa de cambio de fase (masa por unidad de volumen por unidad de tiempo), Γesta dada por la ecuación de Hertz-Knudsen modificada:

Γ=E (1−ϕ ) √ M2πR

(Pv−c Ps )√T

(4 )

29

DondeE es la tasa de evaporación/condensación, ϕ la porosidad de la tajada de pan, Mes el peso molecular del agua y Res la constante universal de gases, Pv y P s son la presión de vapor y de saturación, y c es una constante de cambio de fase.

Asumiendo gas ideal, se reemplazan los valores de presión en función de volumen de modo (4) se puede reescribir como:

Γ=E (1−ϕ ) ρ

ϕ √ RT2πM

(V−cV s ) (5 )

Las condiciones de contorno son condiciones mixtas en x=0 :

−k∂T∂ x

=hr (T r−T )+hc (T a−T )−λρ Dw∂W∂x

(6 )

−∂V∂x

=hv (V a−V ) (7 )

−∂W∂ x

=hw (W a−W ) (8 )

Donde hr ,hc , hv y hw son los coeficientes de transferencia de calor radiativo, convectivo y los

coeficientes de transferencia de masa de agua líquida y vapor. V a yW aSon el contenido de vapor y agua líquida en el aire del horno.

2.3.1.1 Adimensionamiento

Se procede a adimensionalizar las ecuaciones escogiendo la siguiente escala:

θ=T−T o

T, τ= t

t, ξ= x

L,ρ'= ρ

ρ

Donde T o=298,15K es la temperatura inicial y T=T r−T oes la diferencia entre el radiador y la

temperatura inicial. ρ=284kg

m3 Es la densidad de la harina. Finalmente ellos escogieron una

escala de tiempo difusivo para la ecuación de la temperatura

t=ρC p L

2

k

Por simplicidad:

θT=1

ρo+Wθξξ+S (9 )

30

V t=D1 [ (θ+θo )2 ]θξ lξ−α S (10 )

W t=D2W ξξ+α S (11)

Donde

ρo=ρ (0 )ρ

;D1=Dvo ρCpT

2

k; D2=

Dw ρC p

k;α=

CpTλ

El término para el cambio de fase es ahora:

S=β√θ+θo (V−cV s ) (12 )

Donde

β=λ E (1−ϕ ) ρ L2

ϕk √ R2πM T

El contenido de vapor saturado es:

V s=V so e

γθ−V s1

( ρo+W ) (θ+θo )

Con los parámetros

V so=P soM

ρRT,V s1=

Ps1M

ρ RT, γ=k T

Cabe resaltar que se ha ajustado la presión de saturación de vapor a una función exponencial

Ps=Pso exp [k (T−T o ) ]−P s1 (13 )

La densidad adimensional está dada por ρ=W+ρo

Las condiciones limite en x=0 y x=L son adimensionadas similarmente.

ξ=1 , ( x=L ) ,θξ=V ξ=W ξ=0 (14 )

ξ=0 , ( x=0 ) ,θξ=(h3−h4 ) (θ−1 ) (15 ) ,V ξ=h1 (V−V a ) (16 ) ,W ξ=h2 (W−W a ) (17 )

Donde

h1=hv L,h2=hw L,h3=σT 3 L [ (1+θo )2+(θ+θo )2 ] (θ+1+2θo )

ϵ p−1+ϵ r

−1−2+F sp−1 , h4=

hc L

k

31

Aquí se asumió que la temperatura del aire es igual a la temperatura de radiación.

Tabla 3. Valores de parámetros para el horneado de panUnidad Valor Inicial Valor a T y W

λ J/kg 2.2e6 -k W / m K 0.07 -ρ kg/m3 284 170 + 284WCP J / kg K 3500 -hC W / m2 K 0.5 -σ J / K4 m2 s 5.67e-8 -ϵP - 0.9 -ϵr - 0.9 -R J/mol/K 8.31 -M kg/mol 1.8e-3 -Dw m2/s 1.35e-10 -DV m2/s 8e-7 9e-12T2

hv 1/m 120 3.2e9T-3

hw 1/m 1e-2 1.3e-eT + 2.7e-1W -4e-4TW -7.7e-1W2

Tr K 483 -Ta K 483 -T0 K 298.15 -

32

T K 185 -Va - 5-28e-5 -Wa - 0 -W0 - 0.4 -L m 0.01 -

aSP m 0.12 -bSP m 0.12 -LSP m 0.056 -κ 1/K 0.052227 -

Pa,0 Pascal 3.5655e3 -Ps,1 Pascal 398 -c - 40 -ф - 0.5 -

Tabla 4. Valores de parámetros adimensionalesD1 4.3740D2 1.9 x 10-3

h1 5.054 (Ѳ + Ѳ0)-3

h2 2.6 x 10-3 Ѳ + 2.7 x 10-3W – 7.4 x 10-4 ѲW – 7.7 x 10-3W2

h3 5.13 x 10-2 (Ѳ + 1 + 2 Ѳ0) [(1+ Ѳ0)2 ] (Ѳ+ Ѳ0)2]h4 7.14 x 10-2

α 0.2864β 3.2085 x 107Eϒ 9.662ρ0 5.986 x 10-1

Ѳ0 1.6116BIBLIOGRAFIA

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proyecto de freÍdo y horneado de alimentos

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