CYTED Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo Proyecto 106PI0297- Bases científicas y tecnológicas para la producción de alimentos a partir de plátano/banana verde
Avances del proyecto por el grupo Mx1
etapa 1 OBJETIVOS PRINCIPALES * Reforzar los conocimientos del grupo MX1 con el intercambio de experiencias e información generados con anterioridad por el grupo Br3 * Fortalecer conocimientos sobre el proceso piloto para la elaboración de harinas de plátano y el escalamiento de nivel laboratorio-escala pilotoescala industrial * Conocer las características fisicoquímicas más importantes de la materia prima y productos
CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS CEPROBI
DEPARTAMENTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO
Actividades realizadas a) Caracterización de la materia prima, plátano verde (Musa paradisiaca paradisiaca L.) variedad variedad nanicao:
* sólidos totales, * sólidos solubles * humedad, * pH, * acidez total, * firmeza, * tamaño, * aspecto general.
1
MATERIALES y MÉTODOS b) Secado:
PROCESAMIENTO
Se realizaron repeticiones de las pruebas de secado, para adquirir experiencia con el equipo de secado y las metodologías empleadas, a saber: * A partir de la experiencia previa del grupo Br3, se determinó realizar el secado a una sola temperatura (55 ºC) y desligar la fuente de calor a diferentes tiempos (2, 3.5, 4 y 6 horas) de iniciado el proceso
AVANCE DE RESULTADOS
DE LA BANANA
SECADO
ANÁLISIS FISICOQUÍMICOS
CURVAS
DE SECADO
FISICOQUÍMICOS 0.8
Cuadro 1: Caracterización física y química del banano verde ( Musa cavendishi , var
0.7
Nanica) 0.6
Determinación
Cantidad
Firmeza (N)
32.64 ±3 .50
Sólidos totales (%)
31.66 ± 1.35
Humedad en bh
0.68 ± 0.01
Humedad en bs
2.17 ± 0.15
Sólidos solubles (%)
1.46 ± 0.15
pH
5.68 ± 0.11
Acidez Total (% ácido málico)
3.93 ± 0.62
Almidón resistente (AR)
25.91 ± 0.41
0.5
h b d a d e m u H
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tiempo (min)
Figura 1. Curvas de secado a 55 ± 0.9ºC, con velocidad de aire de 1.5 m/s, para tres tiempos de secado ensayado base húmeda. Tiempo 2h (♦); 4 h (●); ▲ 6
2
2.5
2.5 2
2
S S G 1.5 K / O 2 H G K 1 ( X
1.5
s b d a d e m u H
1
0.5
0.5
0 0
0 0
50
100
150
200
250
300
350
50
100
400
150
200
250
300
350
400
TIEMPO DESECADO (MIN)
Tiempo (min)
Figura 2. Curvas de secado a 55 ± 0.9ºC, con velocidad de aire de 1.5 m/s, para tres tiempos de secado ensayados base seca. Tiempo 2h (♦); 4 h (●); ▲ 6 h (■).
Figura 3. Secado a 55ºC,velocidad del aire 1.5 m/s; desconexión de la fuente de calor a las 2 horas (♦) valores experimentales; (---) valores ajustados con un modelos exponencial
3
2.5 2.5
2 2
) s s 1.5 g / O 2 H g 1 ( X
S S G K / O 2 1.5 H G K ( X
1
0.5
0.5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (min)
0 0
50
100
150
200
250
300
350
TIEMPO DESECADO (MIN)
Figura 4. Secado a 55ºC,velocidad del aire 1.5 m/s; desconexión de la fuente de calor a las 4 horas. (♦) valores experimentales; (---) valores ajustados con un modelo exponencial
Figura 5. Ajuste lineal de los resultados experimentales en la etapa constante de secado, de 0 a 30 min, para el secado de 4h
3
0.03 ) n i m0.025 * s s g / O 0.02 2 H g ( o d 0.015 a c e s e d 0.01 d a d i c 0.005 o l e V
2.5
2 ) s s 1.5 g / O 2 H g (
1
X
0.5
0 0
50
100
150
200
250
300
0 0
0.5
1
Tiempo (min)
1.5
2
2.5
X (gH2O/gss)
Figura 6. Ajuste exponencial de los resultados experimentales en la etapa decreciente de secado, 30 a 240 min, para el secado de 4h
Figura 7. Velocidad de secado. ( ) resultados experimentales, y ( ) resultados generados usando los dos modelos empíricos para ambas etapas de secado: constante y decreciente, para el secado a 4h
2.5
2.5
2
2 S S G 1.5 K / O 2 H G K 1 ( X
s s 1.5 g / O 2 H g 1 X
0.5 0.5
0 0 0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo (min) 0
50
100
150
200
250
300
350
400
TIEMPO DESECADO (MIN)
Figura 8. Secado a 55ºC,velocidad del aire 1.5 m/s; desconexión de la fuente de calor a las 6 horas (♦) valores experimentales; (---) valores ajustados con un modelo exponencial
Figura 9. Ajuste lineal de los resultados experimentales en la etapa constante de secado, de 0 a 30 min, para el secado de 6h
4
1.6 1.4
0.025
1.2
) n i 0.02 m * s s g / O 2 H 0.015 g ( o d a c e s 0.01 e d d a d i c o 0.005 l e V
) 1 s s g / O 2 0.8 H g ( X 0.6
0.4 0.2 0 0
100
200
300
0
400
0
Tiempo (min)
CONDICIÓN ECUACIÓN EMPIRICA ETAPA CONSTANTE
X= 0.0209 t + 2.0298 X= 0.0196t + 2.2091
R2
ETAPA DECRECIENTE
0.9963 X= 3.9977 EXP (-0.0175)t 0.9982 X= 2.5026 EXP (-0.0118)t
1
1.5
2
2.5
X (gH2O/gss)
Figura 10. Ajuste exponencial de los resultados experimentales en la etapa decreciente de secado, 30 a 240 min, para el secado de 6h
4 HORAS 6 HORAS
0.5
R2 0.9742 0.9959
Cuadro2. Modelos empíricos ajustados por regresión en etapas constante y decreciente, para 4 y 6 horas de secado
Figura 11. Velocidad de secado. ( ) resultados experimentales, y ( ) resultados generados usando los dos modelos empíricos para ambas etapas de secado: constante y decreciente, para el secado a 6h
CONDICIÓN
MODELO EMPÍ RI CO EXP ONENCIAL
2 HORA S 4 HORA S 6 HORA S
X = 1. 6996E XP (-0. 0057)(t ) X = 2. 5998E XP (-0. 0138)(t ) X = 2. 3547E XP (-0. 0116)(t )
R2 0. 8841 0. 9733 0. 9971
Cuadro 3. Modelos empíricos ajustados por regresión exponencial de los datos experimentales (sin considerar etapas constante y decreciente), para las tres condiciones de secado
5
Conclusiones parciales Baini y Langrish, (2006), para banana madura, en secado escalonado, con más de un escalón.
•Detener la fuente de calor alas dos horas de iniciado el proceso, no permite llegar la humedad del producto hasta la calidad de harina, (ver Figura 2), en las condiciones ensayadas en este experimento.
Conclusiones parciales
• Los resultados encontrados en estos experimentos deben complementarse con los experimentos sobre secado hechos por el grupo Br3 (secado en condiciones diferentes de temperatura y velocidad del aire), para calcular y escoger las condiciones de deshidratación más adecuadas que pudieran servir para el diseño óptimo del proceso de deshidratación de banana verde
• Los modelos exponenciales que consideran todo el secado como decreciente, tienen buen ajuste, pero no son la mejor opción porque no incluyen los efectos intrínsecos del material ni de las condiciones de proceso • Tampoco son la mejor opción en el caso del secado escalonado,ya que las variaciones en el secado implican un diseño matemático en etapas, o un diseño matemático con un modelo complejo que se ajuste a esas variaciones y sea reproducible
Aplicación de algunas de las experiencias del Intercambio de Investigador del Grupo Mx1 al grupo Br3, en el desarrollo del proyecto Cyted 102PI0297 en el grupo Mx1
etapa 2 EVALUACIÓN DE LA COMPOSICIÓN FISICOQUÍMICA DE PLÁTANO MACHO ( Musa paradisiaca L) DURANTE LA ETAPA DE MADURACIÓN
6
Tabla 1 .
Valores de los parámetros de color de la cáscara de plátano a diferentes tiempos de almacenamiento
L* (Luminosidad ) a* b*
Tabla 2 .
Características de la pulpa de plátano a diferentes tiempos de almacenamiento
2 días
5 días
8 días
11 días
14 días
2 días
5 días
8 días
11 días
14 días
Textura (N)
5.69
5.455
5.544
5.353
5.415
52.093
48.243
62.418
54.118
43.835
5.43
6.083
6.086
5.69
5.083
-10.958
-3.305
-0.923
3.22
5.455
pH. Acidez titulable (%)
1.879
2.151
2.953
3.602
4.332
0.23
0.33
0.433
0.63
0.83
41.093
45.933
46.614
47.046
48.076
30.695
18.513
16.665
25.58
Tabla 3.
14.283
Contenido de Almidón Total y Almidón Resistente de la pulpa de plátano a diferentes tiempos de almacenamiento (%)
5 días
8 días
11 días
14 días
Almidón total
57.66
56.21
51.57
51.44
Almidón resistente
38.14
38.75
30.78
35.11
Sólidos solubles Sólidos totales (%)
etapa 3 Secado En Lote De Plátano Macho Verde ( Musa paradisiaca L.) A Tres Temperaturas
7
Parte 1: ADAPTACIÓN DE LA ESTUFA DE SECADO
Figura 3. Aspecto interno 4
Figura 1. Aspecto externo
5
Figura 2. Aspecto interno Figura 4 y 5. Brazo, arnés y balanza digital para el registro de la pérdida de peso
6
7
Parte 2. Secado de rodajas de plátano macho verde (Musa paradisiaca L.) a tres temperaturas a) Selección y acondicionamiento de la materia prima •Plátano macho verde (Musa paradisiaca L., variedad macho Criollo), de la Central de abastos de la ciudad de Cuautla, Morelos, México,de la ciudad de Martínez de la Torre, Veracruz.
8
•Un máximo de 24 h pos colecta. •200 g del plátano menos manchado y c on el color verde más intenso en cada prueba. Los plátanos fueron lavados con hipoclorito de sodio al 5.0% (el exceso retirado con agua destilada), cortados en rodajas de aproximadamente 4 mm de grosor con un cuchillo sin retirar la cáscara Figuras 6, 7 y 8. Modificac ión definitiva para el registro del peso: placa, arnés y balanza digital
•Sumergidos en una solución de ácido cítrico al 0.3% (p/v), por un tiempo de 2 minutos; el exceso fue removido por esc urrimiento.
8
FUNDAMENTO b) Caracterización de la materia prima, plátano verde (Musa paradisiaca L.) variedad macho: * sólidos totales, * humedad, * pH, * acidez total (ácido málico), * firmeza, * aspecto general.
•Para modelar el comportamiento del secado de plátano macho verde es necesario describir el comportamiento del secado y predecirlo bajo diferentes condiciones (MacCabe, ) • El modelo propuesto es empírico • Se asume que solo sigue una tendencia decreciente •La transferencia de masa está dominada por la difusión de liquido y flujo capilar dentro del material (Demirel, 2002, Nguyen, 2006), •Depreciable la transferencia de masa del vapor de agua desde la superficie del material al aire •La resistencia interna del producto es la que controla la velocidad de secado (Demirel, 2002). •No se consideran los efectos de convectivo en la superficie como el encogimiento
Donde: • La transferencia de humedad durante el secado ocurre desde el interior de una placa infinita homogénea, con difusividad y dimensiones constantes durante el proceso.
X es la humedad (kg w/kg ss) Xe es la humedad de equilibrio (kg w/kg ss) Xo es la humedad inicial (kg w/kg ss);
• La solución de la ecuación, expresión de la segunda ley de Fick, (1), se realiza por el método de separación de variables para las siguientes condiciones frontera (Demirel):
L, es la distancia (m) en la dirección de la difusión (o grosor) cuando la rodaja se seca solamente por una cara
D, es la difusividad efectiva del líquido (m 2 h-1)
X = Xo X = Xe dX/dt = 0
t=0 L=L t = t L = h/2 t=t L=0
dX /dt = D* (d2X /dL2)
La solución para la ecuación (1) en el periodo de secado decreciente para sólidos no porosos, sin considerar el periodo transiente inicial y para tiempos largos de secado, está expresada de la siguiente manera (Demirel, Nyguyen, Gekas):
(1)
Xrs = (Xt – Xe)/(Xo-Xe) = 8/π2[exp{-D*t*(π2/4*L2)}]
(2)
9
Donde Xrs es la humedad adimensional o razón de humedad removible (Demirel). Si la pérdida de humedad ocurre por ambas caras, L equivale a la mitad del grosor de la rodaja.
RESULTADOS
La ecuación 2 puede r eescribirse como:
Xrs = Ae –Kt
PLÁTANO
pH
INMADURO MADURO
4.43 5.88
(3)
ACIDEZ (% ÁCIDO MÁLICO) 1.26 1.08
TEXTURA (N)
SÓLIDOS TOTALES (BH)
5.26 8.25
63.2 64.4
Donde A es una constante, y K es la constante de secado (m -1) Cuadro 1. RESULTADOS DE PRUEBAS FISICOQUÍMICAS
La humedad de equilibrio se calculó de manera empírica, en el punto donde la curva de dX/dt vs X, corta el eje de la humedad (X). En ese momento la velocidad de secado es cero, es decir dX/dt=0. Este modo de calcular Xe se puede aplicar cuando el secado ocurre por un tiempo largo, cuando se puede llegara al equilibrio
2.500
Al graficar el Ln(Xrs) contra el tiempo (minutos) se obtiene el valor de la constante K a partir de la pendiente de la recta lograda. De aquí se puede calcular el coeficiente de difusión D de acuerdo con la siguiente relación:
Xss 40.8 2.000
Xss 47.3 Xss 53.8
1.500 s s g / O 2 H g
Pendiente (m) = -
1.000
2
π
D/4L2 = K
(4)
Despejando, D de la ecuación 2, queda así:
0.500
D = -(K*4L2)/π2
(5)
0.000 0
100
200
300
400
500
600
minutos
Figura 1. Curvas de secado de rodajas de plátano macho verde a tres temperaturas: 40.8 ºC; 47.3ºC; 53.8 ºC.
10
La dependencia de la difuisvidad con la temperatura fue calculada con una ecuación tipo Arrhenius: D = Do * exp (-Ea/(R*T))
(6)
Donde: D = difusividad; Do = Difusividad inicial (también constante de integración) Ea = Energía de activación (Kj/mol); R= Constante de los gases ideales (8.3144 x10-3 kj mol/º K ), y T= Temperatura (ºK).
Cuadro 1. Humedad de equilibrio, constantes de velocidad de secado, coeficientes de difusión, ecuaciones empíricas y sus coeficientes de correlación para las tres temperaturas de secado de rodajas de plátano macho verde. T(ºC) 40.8 47.3 53.8
Xeq k= m (h-1) D (m2/s) ECUACIÓN EMPIRICA R2 (gH2O/gss) 0.074 0.156 7.02043E-11 ln(Xsr)=-0026t-0.024 0.9992 0.071 0.372 4.18526E-10 ln(Xsr)=-0062t-0.039 0.9934 0.079 0.498 5.60285E-10 ln(Xsr)=-0083t-0.058 0.996
A partir de la pendiente de la recta que se genera de graficar 1/T vs Ln D, se despeja Ea.
0.5 0
Ln(Xsr47.3) 0
100
200
300
-0.5
400
500
600
Ln(Xsr53.8)
2.500
experimental
Ln(Xsr40.8)
) r s X ( n L
modelo
2.000
-1
) s s 1.500 g / O 2 H 1.000 g ( X
-1.5 -2 -2.5
0.500 -3
0.000 -3.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
HORAS
-4 -4.5
Minutos
Figura 2. Curvas de logaritmo natural de la humedad adimensional [Xsr = (X-Xe)/(Xo-Xe)] contra el tiempo de secado y la línea de tendencia lineal ajustada de cada serie de datos: 40.1 ºC; 47.3ºC; 53.8 ºC.
Figura 3. Curvas de la simulación del secado y los datos experimentales. , Xss Datos experimentales obtenidos a 40.8 ºC; , Xsm datos simulados con la ecuación empírica encontrada para 40.8ºC.
11
2.000
1.800
1.800
experimental
1.600
) s s g / O 2 H g ( s s X
experimental
1.600
modelo
1.400
modelo
1.400
1.200 ) s s
1.000
1.200
g / O 2 1.000 H g ( s s 0.800 X
0.800 0.600 0.400
0.600
0.200 0.400
0.000 0
1
2
3
4
5
6
7
8
HORAS
0.200 0.000 0
1
2
3
4
5
6
7
8
HORAS
Figura 4. Curvas de la simulación del secado y los datos experimentales. , Xss Datos experimentales obtenidos a 47.3ºC; , Xsm datos simulados con la ecuación empírica encontrada para 47.3ºC.
Figura 5. Curvas de la simulación del secado y los datos experimentales., Xss Datos experimentales obtenidos a 53.8 ºC; , Xsm datos simulados con la ecuación empírica encontrada para 53.8 ºC.
9 8
Cuadro 2. Tiempo de secado para una humedad final del 20% bh, para cada una de las temperaturas de secado, calculado con cada una de las ecuaciones empíricas encontradas TEMPERATURA (ºC) X bh Xbs Tiempo (h) Vel Secado Incial (gH2o/gss/min) 40.1 0.2 0.576 8.195 0.0061 47.3 0.2 0.542 3.337 0.0069 53.8 0.2 0.543 2.649 0.0136
7 S 6 A R O H5
4 3 2 30
35
40
45
50
55
TEMPERATURA (ºC)
Figura 7. Tiempos de secado para alcanzar una humedad de 20% bh, a partir de una humedad inicial promedio de 63.8 % bh.
12
CONCLUSIONES PARCIALES
•Los modelos empíricos-difusionales para el secado de plátano macho verde propuestos predicen el secado dentro de las temperaturas ensayadas razonablemente bien, considerando un sólo periodo de secado decreciente y sin considerar los efectos convectivos y de encogimiento del material. •Los valores de D y Ea encontrados en este estudio son similares a los encontrados en otros estudios para banana y plátano maduros. Sería conveniente incluir el efecto del encogimeinto y de la convección en el modelo en un estudio posterior, para hacer el análisis más cercano a la realidad.
BIBLIOGRAFÍA SELECTA Baini, T. Y T. A. G. Langrish, (2007). Choosing an appropriate drying model for intermittent and continuous drying of bananas. Journal of Food Engineering, 37:330-343. De Mota, R, F M. Lajolo, C. Ciacco y B R. Cordenunsi, (2000). Composition and functional properties of banana flour from different varieties. Starch/Starke, 52(2-3) s: 63:68. Demirel, D. y M. Turhan, (2003). Air-drying behavior of Dwarf Cavendish and GrosMich el banana slices. Journal of Food Engineering, 59: 1-11. De Oliveira, R. A., W. P. de Oliveira y K. J. Park, (2006). Determinaçao da difusividade efetiva de raiz de chicória. Engenharia Agricola Jaboticabal, 26(1): 181-189. Cano-Chauca, M, A. M. Ramos, P. C. Stringheta, J. A. Marques y P. I. Silva, (2004). Curvas de secagem e avaliação da atividade de água da banana passa. B.CEPPA, Curitiva, 22(1): 121-132. Daramola, B y S. A. Osanyinlusi, (2005). Production, characterization and application of banana (Musa sp) flour in whole maize. African Journal of Biotechnology. 5(10): 992-995. Fontain, J. y C. Ratti, (1999). Lumped-Parameter approach for prediction of drying kinetics in foods. Journal of Food Process Engineering, 22:287-305. Gekas, V. (1992). Transport phenomena of foods and biological materias. CRC Press, Inc. 237p.
PRODUCTOS GENERADOS • Ramírez-Estrada, N., López-González, C., Garciá-Suárez, F. L., Bello-Pérez, A., López-Bailón, R., Aguilar-Sandoval, A. Secado En Lote De Plátano Macho Verde (Musa Paradisiaca L.) A Tres Temperaturas, Presentado en la categoría de Cartel en el IX
Congreso Nacional de Ciencia de los Alimentos y V Foro deCiencia y Tecnología de Alimentos, Guanajuato M`´exico,Abril de 2007 • Tesis Profesional “Caracterización y optimización de las condiciones de secado de plátano macho verde con un secador de bandejas”, de la C. Natividad Ramírez Estrada, alumna de la carrera de Ingeniería Bioquímica, del Tecnológico de Zacatepec. en proceso
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