LA INDUSTRIA DE LOS ALIMENTOS DESHIDRATADOS Y LA IMPORTANCIA DEL CONTROL DEL PROCESO. Antonio Vega (*), Marcelo Chacana y Roberto Lemus. Departamento de Ingeniería en Alimentos. Universidad de La Serena. Casilla 599. La Serena. (*)
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La deshidratación es una de las técnicas más ampliamente utilizada para la conservación de alimentos. El secado al sol de frutas, granos, vegetales, carnes y pescados es una práctica usada desde la antigüedad por nuestros antepasados quienes debían conservar los alimentos para las estaciones del año de menos abundancia, proporcionando al hombre una posibilidad de subsistencia en épocas de carencia de alimentos. Sin embargo, a menudo se discute que las ésta técnica de secado produce pérdidas relacionadas con el alto contenido de humedad final, propicio para el ataque de insectos y microorganismos además de la activación de cambios químicos que conducen a la pérdida al deterioro de la calidad del producto y la disminución de su rendimiento. Hoy en día la industria de alimentos deshidratados constituye constituye un sector muy importante importante dentro de la industria alimentaria mundial. Es por ello, que el uso de equipos industriales automatizados en el proceso de secado presenta importantes ventajas y diferencias con respecto al tradicional secado solar, entre ellas se pueden mencionar: menor tiempo de proceso, mayor calidad, productos más homogéneos, menor contaminación, mayor valor agregado, ya que se pueden manejar ciertas variables tecnológicas que participan en el proceso de secado (temperatura y velocidad del aire de secado, densidad de carga, pretratamientos, pretratamientos, etc).
La importancia nutricional de los alimentos deshidratados
En la actualidad la tendencia mundial es consumir productos ecológicos y saludables, como pueden ser los alimentos deshidratados, esto es una constante especialmente en Estados Unidos y Europa. En nuestro país el consumo de productos deshidratados mayoritariamente se hace de forma indirecta, ya que estos representan gran parte de los ingredientes de sopas, salsas, infusiones, platos preparados o congelados, aderezos, especies, desayunos integrales, snack de frutos secos, etc. El interés por los efectos beneficiosos de los alimentos deshidratados sobre la salud humana ha sido avalado por estudios epidemiológicos que relacionan el consumo frecuente de frutos secos y la reducción del riesgo de sufrir enfermedades cardiovasculares (Fraser et al., 1992; Sabaté,
1999). Por otra parte se ha demostrado que la ingesta de alimentos deshidratados es una medida fácil para prevenir enfermedades que son la mayor causa de morbilidad y mortalidad del mundo occidental (Sociedad Española de Cardiología, 2000; Krauss et al., 2000), por lo mismo los frutos secos son alimentos de gran valor nutricional por su facilidad en aportar una extensa variedad de sustancias beneficiosas (minerales, fibra, vitaminas, etc). No obstante, algunos alimentos deshidratados al ser muy energéticos y ricos en grasa, fueron evitados durante años, ante la creencia de que su consumo implicaba el aumento del peso corporal. Sin embargo, investigaciones recientes han dado un resultado sorprendente, pues estudios que han utilizado frutos secos como un suplemento a la dieta no han puesto de manifiesto cambios de peso de los participantes. (Mc Manus et al., 2001).
Importancia económica deshidratados
de
los
alimentos
Según se observa en la figura 1, el mercado mundial de deshidratados ha mostrado un crecimiento continuo, a pesar del surgimiento y desarrollo de nuevos productos con tecnologías que emergentes no tradicionales, generalmente ligados a la innovación y a su mayor valor agregado, sin embargo, el mercado de los productos deshidratados es muy importante en Europa, Asia y Estados Unidos donde los volúmenes de producción son muy elevados (figura 2). 145.000 140.000 s a d a l e n o T e d s e l i
M
135.000
Para la economía chilena, el sector de los alimentos deshidratados es muy importante, ya que según el estudio de síntesis de exportaciones de Chilealimentos (http://www.chilealimentos.com, 2006), las exportaciones de productos deshidratados presentan una variación positiva bastante significativa (62 %) entre los años 2003-2005. Pasando de un total de 196.839 millones de US$ en 2003 a 319.091 millones de US$ en 2005. Por otra parte, con la apertura de nuevos tratados de libre comercio (TLC), la exportación de productos deshidratados tiene una ventaja comparativa considerable al tener una desgravación arancelaria, siendo el producto estrella el pimentón rojo deshidratado. Otro producto importante que se liberalizará será la manzana deshidratada (http://www.agroeconomico.cl, 2006).
130.000
Tabla 1. Exportaciones de alimentos de Chile, periodo 2003-2005 (valor en miles de US$).
125.000 120.000 115.000 110.000 105.000 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Años
Figura 1. Volumen del mundial del mercado de alimentos deshidratados (1999-2004). Estados Unidos 9%
2004 215.198 251.151 137.580 113.897
2005 212.201 319.091 136.634 111.243
208.461
240.450
250.976
37.182
44.456
54.337
803.931
1.002.732
1.084.482
Uso de la informática y el control automático en el control de procesos
Resto del mundo 15%
Europa 17%
Conservas Deshidratados Congelados Jugos Pescados y mariscos Caramelos y chocolates TOTALES
2003 166.117 196.839 101.791 93.541
Asia Pacifico 59%
Figura 2. Mercado mundial de deshidratados (fuente: http://www.datamonitor.com).
En la actualidad las exigencias del mercado mundial de alimentos deshidratados obligan a enfrentar una fuerte competencia, incrementando simultáneamente la producción y la calidad, asimismo se requiere mayor regulación ambiental y ordenanzas de seguridad alimentaria (Solar y Pérez, 1998). Es por eso que resulta imperioso el control de los procesos en la industria donde se aplique tecnología de alimentos. En lo posible se deben controlar las variables de trabajo a tiempo real, para evitar perturbaciones no deseadas en el proceso. Una forma sencilla de controlar los procesos de secado
tanto a nivel piloto como industrial es el uso de interfases que sean fácilmente conectadas a PC. Las interfases son la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos de línea de proceso a computadores. El RS-232C (figura 3) es un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas) (http://www.camiresearch.com, 2005).
Figura 3. Interfase RS 232 conectada a PC. Diseño y construcción de un secador piloto
El estudio de la cinética de secado es esencial para diseñar un correcto proceso de secado que permita además obtener un producto de calidad. Por otro lado un buen modelo matemático del proceso de secado puede considerarse como una herramienta muy eficiente para salvar obstáculos, tales como, daños al producto, consumo excesivo de energía, desgaste del equipo o la disminución del rendimiento (Olivas et al., 1999). Por lo tanto contar con el equipo correcto para el estudio del secado de los alimentos es un requisito imprescindible, es por ello que, los criterios fundamentales en el diseño de un secador piloto es que debe ser multipropósito, de fácil mantenimiento, fácil montaje y desmontaje y de reposición rápida de sus partes y piezas, con el cual
se pueda simular con exactitud un proceso industrial. Los cálculos de los costos reales a escala industrial requerirán la estimación correcta a nivel piloto poniendo énfasis en: el costo total de la fabricación de equipo y tubería, costo de instalación, duración de servicio, costos de mantenimiento: cantidad y tiempo, requerimientos de tiempo y costo para reemplazar o reparar, tiempos muertos para reemplazos o reparaciones, costos de servicios de control adicionales, valor del dinero en el tiempo, factores que inciden en el pago e contribuciones, como la depreciación y las variaciones de impuestos y tasa inflacionaria (Perry, 1997). Debido a que los alimentos deshidratados actualmente presentan un potencial de desarrollo e interés comercial para el mercado externo, es que el Departamento de Ingeniería en Alimentos de la Universidad de La Serena decide mediante un proyecto de la Dirección de Investigación mejorar su equipamiento relacionado con la ingeniería de diseño y construcción de un secador por aire caliente totalmente automatizado (figura 4). Este equipo se caracteriza por estar construido integramente de acero, cuenta con un ventilador que genera un flujo de aire con una velocidad máxima de hasta 9 m/s, la fuente calefactora consiste en 6 tubos de Nicrom que permiten generar una temperatura máxima de 100 ºC. En la cámara de secado se encuentran dispuestas bandejas de acero inoxidable que permiten depositar el producto a secar, este gabinete presenta un sensor de temperatura que permite cuantificar la temperatura de bulbo seco, todo ello además del ventilador está gobernado en un panel de control. Es importante mencionar que en la parte superior del gabinete de secado se encuentra una balanza con la capacidad de capturar datos de variación de masa a tiempo real los que son transmitidos hacia un computador mediante una interfase RS-232.
sobre la calidad del producto terminado y en la cinética de secado. La figura 5 se muestran las curvas de secado a diferentes temperaturas (40, 60 y 80 ºC) para pimiento, manzana y papaya a una velocidad de aire de 2 m/s. 1,2 Pimiento 40ºC Pimiento 60ºC Pimiento 80ºC Manzana 40ºC Manzana 60ºC Manzana 80ºC Papaya 40ºC Papaya 60ºC Papaya 80ºC
1
0,8
Figura 4. Secador piloto de funcionamiento convectivo del Departamento de Ingeniería en Alimentos de la Universidad de La Serena.
o w X / 0,6 w X
0,4
0,2
Algunos datos experimentales 0
El secado de vegetales con altas temperaturas afecta a las propiedades organolépticas del producto y su valor nutricional. Durante esta operación se afecta la textura, color, densidad, porosidad y características de adsorción de materiales, además se puede presentar los fenómenos de endurecimiento y encogimiento, por lo que la temperatura de secado es una variable a tener en cuenta en los estudios cinéticos, pues aunque temperaturas elevadas pudieran acelerar el proceso, la pérdida de calidad del producto no compensaría la reducción de tiempo de proceso, p.e. Krokida et al., (2003) han estudiado el efecto de algunas variables tecnológicas, tales como, temperatura de aire, humedad relativa del aire de secado, velocidad del aire y el tamaño de partículas, que influyen en el secado de varios vegetales modelando la cinética del proceso con ecuaciones empíricas (Vega et al., 2005). Como se comentó, el secador piloto del Departamento de Ingeniería en Alimentos de la Universidad de La Serena, permite el control sobre variables tecnológicas fundamentales del proceso de secado, tales como: temperatura de secado o bulbo seco, velocidad del aire y densidad de carga, entre otras, lo que permite analizar su influencia
0
200
400
600
800
1000
Tiempo (minutos)
Figura 5. Curvas de secado de pimiento, manzana, papaya a diferentes temperaturas.
Utilizando el mismo equipo, se realizó un estudio (Vega y Lemus, 2006) donde se ha modelado la cinética de secado por aire caliente de papaya chilena (Vasconcellea pubescens ) a diferentes temperaturas (40, 50, 60, 70 y 80º C) con velocidad de aire de 2,5 ± 0,2 m·s -1 (figura 6). Durante la experiencia se observaron los periodos de inducción, velocidad constante y decreciente. Los modelos matemáticos aplicados fueron el modelo de Newton, Henderson-Pabis y Page. Además de usó la ecuación difusional de Fick para calcular el coeficiente difusional de agua. Los parámetros cinéticos de cada modelo (k 1, k 2 y k 3) y el coeficiente de difusión efectiva (Dwe) presentaron dependencia con la temperatura, evaluadas por la ecuación de Arrhenius. Dando para este último parámetro una energía de activación de 31,60 kJ/mol. Al comparar los valores experimentales con los calculados, se demostró que el modelo de Page obtuvo la mejor calidad de ajuste en cada curva de secado,
representando una excelente herramienta para estimar el tiempo de secado de este producto.
Los autores agradecen a la Dirección de Investigación de la Universidad de La Serena y al Gobierno Regional Coquimbo y su programa tesis regionales por el financiamiento otorgado para el desarrollo de este trabajo.
14,0 40 ºC
12,0
50 ºC
) 10,0 s . m g 8,0 / a u g 6,0 a g ( t w
Agradecimientos
60 ºC
Referencias
70 ºC 80 ºC
Fraser GE, Sabaté J, Beeson WL, Strahan TM. (1992).A possible protective effect of nut consumption on risk of coronary heart disease: the Adventist Health Study. Arch Intern Med; 152:1416-24.
4,0
X
2,0 0,0 0
200
400
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Tiempo (minutos)
Figura 6: Curvas de secado experimentales de la papaya para las cinco temperaturas de trabajo. Conclusiones
En la actualidad la deshidratación, mediante la utilización de aire caliente sigue siendo una de las formas de conservación de alimentos más utilizada, esto favorecido por las normas del mercado internacional de los alimentos procesados el cual exige tecnologías limpias y productos más sanos y naturales. El estudiar la cinética de secado de un producto alimenticio y modelar matemáticamente este proceso es una herramienta útil para predecir el tiempo óptimo de secado del producto en condiciones determinadas, asimismo este análisis contribuye a la obtención de un producto de buena calidad. El diseño y construcción de equipos secadores a escala piloto permite estudiar en profundidad el proceso de secado de alimentos y al considerar automatización, además de aplicación de informática, se puede controlar en línea (a tiempo real) y corregir sobre la marcha posibles inconvenientes de esta compleja operación unitaria.
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