DESHIDRATACION DE FRUTAS Y HORTALIZAS CON AIRE AMBIENTE IV. CINETICA DE ADSORCION Y DESORCION DE AGUA EN ZANAHORIAS J. V. Carbonell, A.Madarro, F.Piñaga y J. L. Peña Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (CSIC), Jaime Roig, 11 Valencia10 España
RESUMEN Se determinan las isotermas de adsorción de vapor de agua a 5, 21 y 37 C de las zanahorias saladas (8.2% de NaCl) y no saladas, y se estudia el efecto de algunas temperaturas y tipos de corte del producto (dados, prismas y discos) sobre la desorcion y adsorción del agua. Para actividades del agua superiores a 0.35, las zanahorias tratadas con sal poseen una capacidad de retención de agua mayor que las no tratadas. La adición de sal provoca un descenso de la difusividad del agua en el producto lo que explica la mayor extensión del secado de la zanahoria salada, si bien no modifica la energía de activación asociada a la difusión del agua en el tejido vegetal. Las zanahorias en forma de prismas (10x10x3 mm) se deshidratan mas rápidamente que en forma de dados (10x10x10 (10x10x10 mm) o de discos ( 25mm Ø x 3mm); la rehidratación de aquel tipo de corte es también más rápida y completa.
INTRODUCCION La presión creciente creciente del costo de la energía energía está restando restando el interés interés de la indu indust stri ria a haci hacia a el em empl pleo eo de la deshi deshidr drat atac ació ión n en la co cons nser erva vaci ción ón de alimentos. Es posible que en el futuro las energías alternativas y en especial la energía solar, puedan aportar una solución satisfactoria a este problema de tipo econó económi mico co co con n el que se enfren enfrenta ta la deshid deshidrat ratac ació ión. n. Ho Hoy, y, sin embargo, la contribución de l energía solar en el campo de la deshidratación de alimentos alimentos es reducida reducida y se centra centra fundamentalmen fundamentalmente te en instalacione instalacioness sencillas de muy pequeña capacidad capacidad (Bolin y Salunkhe, 1982). 1982). En el ínterin, como acertadamente apunta Flinck (1977), los esfuerzos ya iniciados deben proseguir en la línea del ahorro energético.
En la línea recomendad por Flinck, este instituto inicio a principios de esta década un programa de trabajo destinado a establecer las posibilidades del secado de frutas y hortalizas utilizando aire a temperatura ambiente procedimiento convencional en el secado de algunos cereales. Formando parte de que el programa, se ha estudiado el efecto de la velocidad y humedad relativa del aire y de la densidad de carga sobre el secado de zanahorias en forma de dados (Madarro et al, 1981), asi como la influencia que ejerce el tratamiento previo de este producto con sal sobre el proceso de secado (Madarro et al. 1982). Se ha demostrado también que el color y la rehidratación de las judías verdes deshidratados con aire ambiente , considerados como factores de calidad, son superiores a los del mismo producto secado de forma convencional con aire caliente y que una fase de secado terminal con aire calentado por energía solar no provoca reducción sensible en estos parámetros de calidad de las judías verdes (Piñaga et al. 1983). Los resultados obtenidos en estos primeros estudios, tanto en lo que respecta al notable ahorro energético del proceso como en lo relativo a la excelente calidad del producto final, aconsejan a bordar el estudio de influencia de las restantes variables sobre el proceso de secado con aire ambiente. La temperatura del aire sufre importantes variaciones de unas zonas a otras, con las épocas del año y a lo largo del día, y dentro de las limitaciones propias del intervalo de variación debe influir de forma acusada en el ciclo de secado. Por otra parte, la forma y tamaño de las partículas afectan a la superficie de evaporación del agua, al recorrido de esta en su difusión a través del producto y a la resistencia del lecho al flujo de aire; la influencia de aquellas variables sobre la cinética de secado debe ser notoria. En este trabajo se exponen los resultados obtenidos en el estudio del comportamiento higroscópico de las zanahorias deshidratadas y en el del efecto de la temperatura del aire, forma y tamaño de las partículas de producto y contenido en cloruro sódico sobre la cinética de adsorción y desorcion de agua.
MATERIAL Y METODOS Materia Prima.- Se utilizan zanahorias de la variedad Chantenay, cortadas
mecánicamente en tres formas: dados ( 10x10x10 mm), prismas (10x10x3 mm) y discos (25 mm Ø x 3mm h).
Las zanahorias se pelan por abrasión, se cortan seguidamente en piezas de geometría y dimisiones antes mencionadas y estas se escaldan con vapor de agua a presión atmosférica; los tiempos de tratamiento térmico son de 3 minutos para prismas y discos y de 8 min para dados. Esta fase de elaboración preliminar se completa con un tratamiento de sulfitacion del producto, el que se realiza por inmersión del mismo, durante 10 min, en una solución acuosa de bisulfito sódico con un contenido teórico en SO2 de 6.000 ppm. La adición de sal, en aquellos casos que se requiere, se realiza simultáneamente con el tratamiento de sulfitacion, sumergiendo el producto, durante 10 min, en la solución saturada de Na Cl. Secado.- Se lleva
cabo en una unidad modular tipo R&D, de la firma Sargen’ts Sons Corp. (EE.UU). es un equipo experimental del tipo de armario en el que es posible la regulación de la temperatura, velocidad, humedad y recirculación de aire de secado. La velocidad del aire se mide con un anemómetro de hilo caliente. La perdida de agua durante el secado se determina pesando periódicamente la bandeja con el producto. Contenido en humedad.- SE utiliza el método oficial de secado en estufa de
vacío. Las condiciones de operación son las siguientes: temperatura, 70 C, presión absoluta inferior a 100 Torr y tiempo, 18 horas. Contenido de cloruro sódico.- se determina por el método de Volhard (AOAC,
1970), basado en la precipitación de los cloruros con AgNO3 y valoración posterior del exceso de ion plata con NH4SCN. Rehidratación.- Se realiza por inmersión en agua del producto deshidratado
contenido en cestillos de malla metálica. Periódicamente se extrae un cestillo con el producto y después de escurrido se calcula el contenido en humedad de la muestra a partir del aumento en peso. Se define el índice de rehidratación (Van Arsdel et al. 1973) como el cociente entre el contenido en humedad del producto después de un tiempo dado de reconstitución y el correspondiente al producto fresco. Esta determinación se realiza en todos los casos por duplicado.
RESULTADOS Y DISCUSION
La figura 1 muestra las isotermas de adsorción de las zanahorias sin sal y con un 8.2% de sal (base seca), para las temperaturas de 5.21 y 37 C. se observa que para cualquiera de las tres temperaturas ensayadas la adición de sal a las zanahorias provoca un notable descenso en la actividad del agua. Para una humedad de 15 Kg agua/100 Kg de materia seca, las zanahorias sin sal poseen una actividad del agua, a temperaturas superiores a 21 C, por encima de 0.6 lo que todavía es compatible con el crecimiento de hongos xerófilos y bacterias halófilas. Para estas mismas condiciones, la adición de sal al 8.2% (base seca) reduce la actividad del agua de las zanahorias a niveles notablemente inferiores a 0.6, en los que el producto es estable frente a las alteraciones causadas por microorganismos (Troller y Christian, 1978). Es interesante observar también como con aire a 21 C y con una humedad relativa de hasta el 60 % es posible reducir la humedad de las zanahorias hasta un nivel residual de 14 Kg agua/100 Kg materia seca. Dado que la humedad de las zanahorias es del 92 %, este contenido de humedad residual representa tan solo el 2% del agua total a separar de la materia prima, supuesto que la humedad optima del deshidratado debe ser como máximo del 4% (Van Arsdel et al, 1973)
Las isotermas correspondientes a las zanahorias tratadas con sal presentan, en todos los casos, una discontinuidad en el intervalo de actividades del agua comprendido entre 0.55 y 0.65. este comportamiento ha sido también puesto de manifiesto por Mazza (1983), estudiando la adsorción de agua a 40 C de las zanahorias tratadas con un 10% de sal. Este fenómeno podría ser atribuido a un proceso de cristalización- solubilizarían de la sal, ya que como muestra la figura 1, la capacidad de retención de agua del sistema desciende más rápidamente al descender aw por debajo de aquellos puntos de discontinuidad. Por otra parte, al comparar las isotermas obtenidas a distintas temperaturas se observa que en buena parte del intervalo de valores de aw, las menores humedades de equilibrio corresponden a la temperatura más baja 5 C de las estudiadas. La aparente anormalidad de estos resultados confirmada con una nueva serie de ensayos proyectada para evitar los posibles errores experimentales. La bibliografía, sin embargo, presenta resultados similares obtenidos con otros productos. En efecto Saravacos y Stinchfield (1965) han encontrado que la adsorción de agua en patatas, melocotones y geles de almidón es máxima entre 10 y 30 C. explican aquellos autores que las isotermas de adsorción de los alimentos pueden interpretarse en función del comportamiento de sus componentes básicos, fundamentalmente polímeros (almidón, celulosa, proteínas y pectinas) y sólidos solubles (azucares, ácidos y sales minerales); estos últimos adsorben muy poco agua a humedades bajas y la adsorción se debe principalmente a los polímeros, mientras que al aumentar la presión de vapor del agua lo hace la contribución de los sólidos disueltos al tiempo que se reduce la de los polímeros. La interacción de ambos efectos fija el comportamiento global de un sistema y explica los resultados aparentemente anómalos encontrados en algunos alimentos. Los resultados obtenidos a 21 C se han utilizado para el cálculo del contenido de humedad correspondiente a la capa monomolecular el que, según Salwin (1959) confiere la máxima estabilidad al producto. Para ello los valores experimentales en el intervalo de aw comprendido entre 0 y 0.4 se ajustan a la ecuación de B.E.T (Brunauet et al. 1938):
En la que W es la humedad del producto en equilibrio con aw, W1 es la humedad correspondiente a la monocapa, y K una constante. Las ecuaciones ajustadas para la temperatura de 21 C, tomada como la representativa del ambiente son: Zanahoria sin sal:
Zanahorias con sal:
Los valores del contenido en humedad correspondiente a la capa monomolecular son de 2.55 y 2.86 Kg agua/100 Kg materia seca, respectivamente, para las zanahorias sin sal y con sal (8.2% base seca). El valor de este parámetro para el caso del producto sin sal es ligeramente superior al de 2% (base seca) citado por Salwin (1962) para este mismo producto, y notablemente inferior al de 4.6% que en una revisión sobre el tema publican Iglesias y Chirife (1976), y de 7.35% calculado de los datos de adsorción publicados por Arya et al (1979) para la zanahoria liofilizada. Estas desviaciones en el valor de la capa monomolecular pueden ser debido a diferencias varietales y al estado de madurez de la materia prima. Estos resultados servirán de base en el diseño de una serie de ensayos de almacenamiento, cuyo objetivo es estudiar comparativamente la estabilidad de las zanahorias deshidratadas con aire ambiente (por ello, con una humedad residual relativamente alta) frente a la del producto secado convencionalmente, con aire caliente hasta niveles de humedad teóricamente considerados como óptimos
EFECTO DEL TAMAÑO Y FORMA DE LAS PARTICULAS SOBRE LA DESORCION Y ADSORCION DE AGUA El la figura 2 se presentan las curvas de secado de zanahoria cortadas en dados de 10*10*10 mm. en prismas de 10*10*3 mm. y en discos de 3 mm de espesor y 25 de diámetro medio. En el curso de estos ensayos de secado,
la temperatura del aire ambiente a variado desde 23,5 hasta 24,5º C en tanto que su humedad relativa ha oscilado entre el 52 y el 54% El proceso de secado más rápido tiene lugar en las partículas en forma de prismas, que son las que poseen la mayor superficie entre las estudiadas
Fig. 2.- influencia de la forma geométrica de las piezas en el secado de zanahorias escaldadas. Condiciones del proceso: temperatura del aire, 23,524,5ºC; humedad relativa 52-54%; densidad de carga, kg/ Contrariamente, sin embargo, a este comportamiento lógico, los dados muestran una mayor velocidad de seccado que los discos, a pesar de que la superficie especifica de los primeros es inferior en un 30% aproximadamente a la de estos. Los resultados obtenidos con estos dos tipos de partículas solo puede explicarse en función a la tendencia de los discos a adherirse entre si, por sus dos superficies circulares, con formación de “agregados” de dimensiones mayores. La estructructura laminar de los discos y la pegajosidad de las superficies frescas contribuye a acentuar la superpocision ordenada de partículas. Por otro lado, el caudal del aire de secado depende de la resistencia del lecho al paso de aquel. En estos estudios se ha comprobado que, para una densidad de carga de 10 kg/ , las velocidades del aire al principio y al final del proceso han variado desde 1.43 a 2.18 m/s en el caso de los dados, y desde 1.10 a 1.68 m/s en el de discos; las partículas en forma de prismas producen una caidad de presión intermedia, con velocidades variando desde 1.20 a 1.98 m/s. Parece existir una mayor ordenación al azar en el lecho de prisma que en el de discos, y en ello explica la menor resistencia de aquel producto al flujo del aire. Las velocidades del aire utilizadas en estos ensayos están por debajo del limite de 2.09 m/s (saravacos y charm, 1962; Mitchell y potts, 1958), por
encima del cual la transferencia de materia viene controlada por el mecanismo de transporte del agua en el interior del solido; ello explica la causada influencia del caudal de aire sobre la velocidad de secado de las partículas estudiadas Los resultados obtenidos en el estudio del proceso inverso el de adsorción de agua por la zanah0oria deshidratada, muestran un comportamiento coherente con el que podrían asumirse a priori considerando la superficie especifica de las partículas. La dispersión de las partículas deshidratadas en el agua de rehidratación (100 ml de agua por 5 g de producto) conduce a la máxima superficie de intercambio en cada caso y, de esta forma, la velocidad de adsorción de agua es máxima en el producto en forma de prisma y minima en el caso de los dados. Por ello, como muestra la figura 3 , resulta que, después de 2.5 horas de rehidratación, las laminillas parecen haber aslcanzado el equilibrio al recuperar el 91% de su contenido inicial de agua, en tanto que, en el mismo periodo, los discos han tomado el 82%, y los dados solo el 75% los resultados anteriores ecidencian claramente que los tres tipos de corte estudiados, el mas interesante para elaboprar, por su mas rápida deshidratación yrehidratacion es el de piezas de 10*10*3 mm.
Fig. 3.- influencia de la forma geométrica de las piezas de zanahoria deshidratada sobre la rehidratación en agua a 23ºC
Hoy, sin embargo, el producto de mayor interés en el ,mercado parece ser el cortado en forma de dados de 10 mm de arista; por ello, los estudios siguientes se han realizado con este tipo de corte.
EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y LA ADICION DE CLORURO DE SODIO Se ha estudiado el efecto de las temperaturas de 25, 33 y 40ºC sobre el secado de dados de zanahoria sin sal y conteniendo un 18% (b.h.) de cloruro sódico. Este nivel de sal corresponde al que se suele adicionar al producto para su consumo. Estos ensayos se ha completado con el empleo de una temperatura de 57ºC, la que se ha elegido como representativa de la fase terminal de un proceso de secado con aire caliente.
Fig. 4.- efecto de la temperatura del aire de secado sobre el tiempo requerido para reducir la humedad de las zanahorias en dados a un nivel del 20% b.h. o
Con un 8.2%, b.s., de sal
o
Sin salar
Como ya se comprobó en un trabajo anterior(madarro et al. 1982), la presencia de sal frena la velocidad de secado de las zanahorias tanto en el periodo en el periodo de velocidad constante como en el de velocidad decreciente. Este efecto se manifiesta para todas las temperaturas objeto de ensayo, de forma que, como resultado del mismo y tal como muestra la figura 4, el tiempo requerido para reducir la humedad del producto hasta un nivel de 0.25 Kg de agua/Kg materia seca (20% b.h.) es, en el intervalo estudiado, un 25% aproximadamente más alta en las zanahorias saladas. Considerando que el tiempo adicional requerido en la reducción de la humedad del producto desde el 20% hasta un final de 7% es de unas 2.5 horas, según se ha obtenido en el ensayo del ciclo realizado a 57ºC, resulta obvio que en un proceso mixto, basado en un secado inicial ambiente y un secado terminal con aire a 57ºC, se puede obtener un ahorro de energía de hasta un 50% respecto al proceso convencional a 57ºC, incluyendo a esta cifra la energía consumida por el sistema de impulsión de aire. Este ahorro de energía es realmente mayor que el indicado, ya que se basa en el
supuesto de un consumo uniforme de la misma y la demanda energética del proceso es menor en las ultimas fases del secado , cuando apenas queda agua que evaporar En la figura 5 se ha representado la variación de la humedad libre relativa (W- )/ ( , frente al tiempo de secado para las dos series experimentales en estudio. Como puede observarse en la citada figura, los puntos experimentales se ajustan perfectamente a una línea recta en el caso de las muestras sin tratamiento previo con sal , en tanto que para las zanahorias con cloruro de sodio, los puntos definen dos periodos distintos; el segundo de ellos refleja un descenso en la velocidad de la velocidad de secado. El punto de transición entre ambos periodos parecen corresponderse, al menos para la temperatura de 25ºC, con el punto de discontinuidad encontrado en la isoterma de adsorción de 21ºC de las zanahorias tratadas con sal, lo que, sin duda, denota un cambio en el estado del cloruro de sodio. En el secado de filetes de pescado, Jasón (1958) ha encontrado este mismo tipo de comportamiento; los resultados de este autor son coherentes con la existencia de un mecanismo de difusión de agua en todo el proceso de secado, con coeficientes de transporte constantes e independientes de la contracción del tejido muscular, que toman valores distintos de cada uno de aquellos dos periodos.
Siguiendo el análisis expuesto por Perry y Chilton (1973), se han comprobado los valores de las pendientes de las líneas rectas representadas en la figura 5 con los de los correspondientes a la constante , calculados mediante la ecuación
Que relaciona, para el valor de la humedad critica , las velocidades de secado en el periodo de velocidad constante, , y en el de velocidad decreciente. En este análisis comparativo se ha considerado, tan solo el primer periodo de velocidad decreciente. La discordancia encontrada entre los valores de estos dos parámetros implica, de acuerdo con los postulantes de partida en la deducción de , que el movimiento del agua en las zanahorias tiene lugar por difusión y que las pendientes de las rectas de la figura 5 están en relación directa con el coeficiente de difusión. En la figura 6 se ha representado la variación con la temperatura del coeficiente de difusión del agua en el secado. Los valores de la difusividad calculados a partir de los resultados de estas experiencias, solo deben considerarse desde el mismo plano comparativo que contempla el estudio, ya que en su deducción se ha utilizado la ecuación integrada de difusión para el caso de solidos en forma de laminas (Sherwood, 1929), y las experiencias de secado se han realizado con piezas en forma de dados. Con esta restricción presente, la que resta carácter absoluto a los valores del coeficiente de difusión, si puede observarse, sin embargo, como aquellos coeficientes alcanzan en el producto tratado con sal valores aproximadamente inferiores en un 25% respecto a los correspondientes al producto sin sal, resultado que explica la mayor duración de los procesos de secado de las zanahorias saladas. Como puede observarse, cada serie experimental se ajusta perfectamente a una línea representativa de una relación tipo Arrhenius.
en el que es una constante (difusividad a temperatura infinita), es la energía de activación asociada al proceso de difusión y R es la constante de gases.
De las pendientes de las rectas obtenidas analíticamente por regresión lineal (véase figura 6) se ha deducido las energías de activación para los procesos de secado. Estas han resultado ser de 1624 y 1629 KJ/Kg respectivamente para zanahorias sin sal y con sal, estos valores son algo superiores al de 1314 KJ/Kg obtenido por Mulet et al. (1983) para el producto sin sal en el intervalo de 50-70ºC de temperatura del aire de secado e inferiores al de 2785 KJ/Kg que publicaron Saravacos y Charm (1962) para el secado de patatas en rebanadas en el intervalo de temperatura de 130-156ºF. La presencia de la sal en las zanahorias, para la concentración del 18%(b.s.), se manifiesta en un descenso del coeficiente de transporte del agua en el interior del producto, si bien no modifica las barreras energéticas del proceso de difusión, ya que las energias de activación son las mismas para los dos tipos de productos estudiados. Con objeto de confirmar estos resultados, se han realizado una serie adicional de experiencias en las que se utilizan zanahorias con un contenido extremo de cloruro de sodio (56% b.s.) ; las temperaturas del aire de secado de este producto han sido las mismas que en el caso del producto sin sal y el del 18% de sal. Los resultados representados en la figura 6, muestran que la energía de activación para el proceso de difusión del agua en el secado de las zanahorias con aquel contenido en sal del 56%, 1595 KJ/Kg, no difiere significativamente de los valores deducidos para los otros dos procesos La figura 7 muestra, finalmente, el comportamiento de rehidratación en agua a 23ºC de las zanahorias con sal y deshidratadas a las dos temperaturas extremas, 25 y 57ºC.
A diferencia de los resultados obtenidos en estudios similares con judías verdes (Piñaga et al.,1983), no se observa efecto adverso alguno en la capacidad de adsorción de agua del producto como consecuencia de posibles de posibles daños térmicos durante el secado: la pequeña diferencia que inicialmente se observa en la velocidad de rehidratación de ambos productos se atenua progresivamente con el curso del proceso de forma que, después de 5 horas , el índice de rehidratación alcanza el mismo valor , 0.97, para las dos muestras
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS
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DESHIDRATACION DE FRUTAS Y HORTALIZAS CON AIRE AMBIENTE IV. CINETICA DE ADSORCION Y DESORCION DE AGUA EN ZANAHORIRIA
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MATERIA: QUIMICA DE ALIMENTOS DOCENTE: DRA. ADELINA HERBAS ANGULO ALUMNOS: ARIAS ESCOBAR DANITSHA DORA ADRIAZOLA MURIEL ABDIEL
COCHABAMBA-BOLIVIA
