secado por aspersion de jugo de frutas
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SECADO POR ASPERSION DE JUGOS DE FRUTAS: EFECTO DE LAS
VARIABLES DE PROCESO SOBRE EL PRODUCTO FINAL
MIGUEL ANGEL CASANOVA LIBREROS
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
SANTIAGO DE CALI
2013
SECADO POR ASPERSION DE JUGO DE FRUTAS: EFECTO DE LAS
VARIABLES DE PROCESO SOBRE EL PRODUCTO FINAL
MIGUEL ANGEL CASANOVA LIBREROS
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar por el título
de Ingeniero de Alimentos
Directora
CLAUDIA ISABEL OCHOA MARTINEZ
Ingeniera Química, M. Sc., Ph. D.
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
SANTIAGO DE CALI
2013
AGRADECIMIENTOS
.
Ante todo agradezco a Dios y a mi Madre que siempre está en mi camino y a
quien jamás encontraré la forma de agradecer el que me haya brindado su mano
en las derrotas y logros de mi vida, haciendo de este triunfo más suyo que mío por
la forma en la que guió mi vida con amor y energía.
A mi familia gracias por ayudarme cada día a cruzar con firmeza el camino de la
superación, porque con su apoyo y aliento hoy he logrado uno de mis más
grandes anhelos.
A mi Directora Claudia, por la colaboración, paciencia, apoyo y sobre todo por su
aporte académico que hizo que este logro se hiciera realidad.
A mis profesores y compañeros gracias por su tiempo y así como también por la
sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.
Sí, a ustedes mis más profundos agradecimientos.
Miguel Ángel.
CONTENIDO
RESUMEN ......................................................................................................................... 8
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 9
1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN ............................................ 11
2 OBJETIVOS ................................................................................................................. 12
2.1. Objetivo general .................................................................................................................. 12
2.2. Objetivos específicos ...................................................................................................... 12
3. METODOLOGÍA ....................................................................................................... 13
4. MARCO REFERENCIAL ............................................................................................. 14
4.1 Historia de la obtención de alimentos en polvo............................................................... 14
4.2 Secado de alimentos ........................................................................................................... 14
4.2.1. Velocidad de secado de alimentos en polvo ...................................................... 15
4.3. Procesos tecnológicos empleados en la obtención de alimentos en polvo .............. 16
4.4. Secado por aspersión ....................................................................................................... 16
4.4.1. Características de los secadores por aspersión ................................................ 17
4.4.2. Funcionamiento de los secadores por aspersión .............................................. 19
4.5. Balances de masa y energía del proceso de secado por aspersión ................. 22
5. CARACTERIZACIÓN DE LOS JUGOS DE FRUTAS EN POLVO .............................. 24
5.1. Tamaño de partícula y densidad aparente................................................................. 24
5.2. Humedad ............................................................................................................................. 26
5.3. Humectabilidad ................................................................................................................... 27
5.5. Color ..................................................................................................................................... 28
6. EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO SOBRE EL PRODUCTO FINAL ....... 30
6.1 Coadyudantes de secado ................................................................................................... 30
6.1.2. Agentes coadyudantes de secado (encapsulantes) ......................................... 31
6.1.3. Propiedades afectadas por los coadyudantes de secado................................ 35
6.2. Flujo de alimentación de materia prima .......................................................................... 38
6.3. Temperatura de entrada y de salida del aire .................................................................. 39
6.4. Velocidad de atomización (atomizadores rotatorios) y presión de atomización
(atomizadores neumáticos)....................................................................................................... 46
6.5. Flujo de aire ......................................................................................................................... 47
7. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 49
8. ANEXOS – TABLA RESUMEN DE ARTÍCULOS CITADOS ....................................... 50
9. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 56
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Curva típica de velocidad secado de alimentos (Treyball, 1996). ......................... 15
Figura 2. Clasificación de los secadores por aspersión según el sistema de atomización
(Masters, 1991) ............................................................................................................................... 17
Figura 3. Esquema básico de un secador por aspersión ......................................................... 22
Figura 4. Imágenes obtenidas por microscopia de barrido (SEM) de guayaba. (Osorio et
al, 2011) ........................................................................................................................................... 26
Figura 5. Estructura de la Maltodextrina (López et al., 2009) ................................................. 33
Figura 6. Mecanismo de secado de las gotas atomizadas (Yanza, 2003) ............................ 36
Figura 7. Densidad aparente del polvo de naranja en función de la temperatura de
entrada, diferentes tipos de maltodextrina ylarazón de la concentración de
jugo/maltodextrina o: m (Goula y Adamapoulos, 2010) ........................................................... 40
Figura 8. Efecto de la temperatura de entrada sobre la densidad aparente y el tamaño de
partícula (Chegini y Ghobadian, 2007) ....................................................................................... 41
Figura 9. Higroscopicidad del polvo de naranja en función de la temperatura de entrada,
diferentes tipos de maltodextrina yla razón de la concentración de jugo/maltodextrina o:m
(Goula y Adamapoulos,2010) ....................................................................................................... 42
Figura 10. Efecto de la temperatura de entrada sobre el rendimiento y los sólidos
insolubles (Chegini y Ghobadian, 2007) ..................................................................................... 43
Figura 11. Comparación entre el polvo recolectado y el polvo residual de tomate secado
con un sistema con aire deshumificado donde np es el porcentaje de polvo recolectado, nr
el porcentaje de polvo residual y n es el porcentaje de polvo recolectado y residual para
un sistema de secado sin aire deshumificado (Goula y Adamopoulos, 2005) ..................... 43
Figura 12. Correlación entre el contenido de licopeno (a) y el contenido de caroteno (b)
con el ángulo de tono (Queck et al., 2007). ............................................................................... 44
Figura 13. Índice de color (a/b) en muestras de tomate en polvo en función de la
temperatura de entrada de aire y la velocidad de atomización (Santos et al., 2008) .......... 46
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Formas de las partículas en polvo (Yanza, 2003) ........................................ 25
Tabla 2. Propiedades físicas de los azúcares y comportamiento durante el secado
por aspersión (Bhandari et al., 1993). ............................................................................ 31
Tabla 3. Comparación de la actividad funcional de los compuestos fenólicos y antocianinas antes y después del secado (Krishnaiah et al., 2012)………..……..46
8
RESUMEN
Las propiedades fisicoquímicas de los productos en polvo (higroscopicidad,
humedad, solubilidad, tamaño y morfología de la partícula) dependen de las
variables de proceso de secado por aspersión (la temperatura de entrada, el flujo
de aire, la presión de atomización, la velocidad de atomización, el flujo de
alimentación de materia prima y los agentes encapsulantes).
El incremento de la temperatura de entrada induce a la degradación por procesos
oxidativos de los carotenos, antocianinas y compuestos fenólicos; estos cambios
en los componentes funcionales se detectan por la degradación del color del
producto en polvo con respecto al jugo original. El incremento de la temperatura
de entrada ocasiona la disminución de humedad, aumento de la higroscopicidad.
El aumento de flujo de aire disminuye el tiempo de secado de las gotas e
incrementa la humedad del polvo final; la presión de atomización modifica la
morfología de partícula y la velocidad de atomización el tamaño de partícula; el
aumento del flujo de alimentación puede incrementar la humedad del polvo; y los
agentes encapsulantes protegen los compuestos funcionales del deterioro térmico
e incrementan el rendimiento.
La optimización de las variables de proceso, mediante modificación de las
variables de procesodisminuye el polvo residual en las paredes del secador, y
conserva en gran medida las propiedades organolépticas originales del jugo de
fruta después del tratamiento de secado.
Palabras claves: Secado por aspersión, variables de proceso, humedad,
higroscopicidad, compuestos funcionales, rendimiento, temperatura.
[9]
INTRODUCCIÓN
Hoy en día el rápido desarrollo económico y la globalización han cambiado las
costumbres alimentarias de la población en general que pide alimentos que sean
seguros, duraderos y fáciles de transportar. Para suplir esta necesidad básica
diferentes estudios se han dedicado a desarrollar y mejorar procesos que
aseguren la inocuidad de los alimentos.
Una enorme cantidad de frutas se producen para su comercialización, sin
embargo debido a que la mayoría de estos frutos son climatéricos y presentan
problemas por su alto contenido de agua cuando se encuentran en fase madura,
son susceptibles a descomposición por microorganismos, reacciones químicas y
enzimáticas, dificultando su transporte. De ahí la necesidad de transformar las
frutas en jugos embotellados, pulpas empacadas al vacío o polvo (Cano-Chaucaet
al.,2005).La ventaja de manejar productos en polvo radica en su fácil manipulación
y transporte, y subaja actividad de agua que favorece una vida de anaquel más
larga (Sudhagaret al., 2002).
Hay varias técnicas de secado para la producción de productos en polvo, entre
ellas están secado por aire caliente, sublimación y secado por aspersión. El
secado por aspersión consiste en la atomización de una solución de jugo que tiene
contacto con un flujo de aire entrante, resultando en la evaporación de una gran
cantidad de agua de manera casi instantánea.
Los polvos de jugo de frutas presentan serias dificultades para el secado por
aspersión porque durante el proceso se apelmaza en las paredes del secador,
forman conglomerados con humedad media y obstruyen el sistema de secado;
todo esto se refleja en un bajo rendimiento de producción de polvo (Goula y
Adamopoulos, 2005a).
El problema delpegajosidad durante el proceso de secadode jugos de frutas se
debe a los azúcares y ácidos orgánicos de bajo peso molecular y temperaturas de
[10]
transición vítrea bajas conllevando a la degradación de compuestos funcionales
(antocianinas, carotenos y compuestos fenólicos) y la modificación de las
propiedades físicas (densidad aparente y real, higroscopicidad, humedad y
tamaño de partícula) (Gomes et al., 2007).
Para prevenir este problema se añaden compuestos con alto peso molecular al
jugo(entre los más comunes se encuentran la maltodextrina y la goma arábiga) y
se optimizan las variables que intervienen en el proceso (tasa de alimentación,
flujo de aire entrante, temperatura de aire, concentración de líquido, presión de
atomización y velocidad de atomización).
[11]
1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN
En el transcurso de los años los avances técnicos en la industria alimentaria han
alargado la vida útil de los jugos de frutas a partir del secado por aspersión;
técnica que consiste en secar soluciones acuosas de pulpa de fruta en un proceso
de un solo paso obteniendo un producto pulverizado, que puede ser restituido a su
estado original si es rehidratado, o dejarse en forma de polvo si se requiere para
cumplir una propiedad funcional como aditivo o conservante; como gran ventaja
disminuye el costo de transporte y protege el producto de la degradación
microbiana al reducirse en cantidad considerable la actividad de agua.
A pesar de las ventajas a nivel industrial, económico y de costo que representa el
secado por aspersión, numerosos estudios cuantifican, en qué grado las variables
de proceso (temperatura, flujo del aire que entra, velocidad, flujo de alimentación,
concentración de líquido entrante, material encapsulante y velocidad del sistema
de aspersión) cambian las propiedades fisicoquímicas y nutricionales del jugo de
fruta, con respecto al polvo de frutas, hallando ganancia o pérdida de propiedades
organolépticas en algunos productos y pérdida de propiedades nutricionales
debido a la termosensibilidad y termoplasticidad de componentes estructurales y
nutricionales a altas temperaturas de secado que dificultan la optimización del
proceso de secado de jugo de frutas (Zeberga, 2010).
Debido a la naturaleza termoplástica de los jugos de frutas que representa
dificultades en el proceso de secado por aspersión es necesario recopilar estudios
teórico-prácticos que contengan la profundidad necesaria para recomendar
metodologías de estudio y optimización del proceso de secado por aspersión de
jugo de frutas donde se evalúen los parámetros de calidad del producto tales
como contenido de humedad final, degradación térmica, retención de aromas,
forma y tamaño de las partículas, apelmazamiento, degradación de vitaminas, y
rendimiento de proceso.
[12]
2 OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Presentar las investigaciones realizadas sobre el efecto de las variables de
proceso de secado por aspersión en las propiedades fisicoquímicas y nutricionales
de los productos obtenidos a partir de jugo de frutas.
2.2. Objetivos específicos
Mostrarlosavances realizados en la investigación de secado por aspersión de
jugo de frutas.
Identificar condiciones de operación óptimas para reducir el daño en las
propiedades nutricionales del polvo de jugo de frutas.
Realizar un análisis crítico de la información de la información recolectada
comparando los resultados obtenidos en diferentes investigaciones.
[13]
3. METODOLOGÍA
Para la compilación de los diferentes trabajos realizados sobre secado por
aspersión de jugo de frutas se realizaron las siguientes actividades
1. Búsqueda de información a partir de:
Libros y revistas científicas tales como: Food Research International, Chemical,
Engineering and Processing, Journal of Food Engineering, Revista Mexicana
de Ingeniería Química, entre otros.
Bases de datos tales como: Science Direct, Scielo, Redalyc, entre otros.
2. Clasificación de información: Se escogió la información pertinente sobre el
secado por aspersión de frutas y esta información se clasificó según la especie
de fruta y la propiedad fisicoquímica que se estudie.
3. Análisis crítico: se realizó un riguroso análisis de la información clasificada con
el fin de observar las propuestas de los autores sobre el estudio del secado por
aspersión de jugo de frutas.
4. Síntesis: se resumió la información analizada y se elaboraron cuadros
comparativos de los documentos recopilados.
5. Escritura del documento final: Por último se redactó el documento con la
información seleccionada y analizada.
[14]
4. MARCO REFERENCIAL
4.1 Historia de la obtención de alimentos en polvo
A lo largo del siglo XIX el procesamiento de alimentos se desarrolló para servir a
las necesidades militares. Las innovaciones en los procesos de alimentos se
dieron a partir de la revolución industrial; Nicolás Appert desarrolló un proceso de
empacado al vacío de alimento en botellas para suplir las necesidades
alimentarias del ejército francés(Barbosa, 2010).
Durante el siglo XX la carrera espacial y los cambios en la conciencia de calidad
de los consumidores, impulsaron el desarrollo de la tecnología de secado por
aspersión. Existen registros de secado por aspersión desde 1860, pero el
concepto de atomización fue patentado por primera vez por el científico Samuel
Percy en 1872 y desde 1901 con esta tecnología se fabrican leche en polvo y
detergentes, pero a partir de 1930 se amplió la gama de productos secos en polvo
considerablemente a jugos, huevos y café (Barbosa, 2010).
4.2 Secado de alimentos
El secado consiste en la remoción de agua de cierto material por medios térmicos,
con el fin de alargar la vida útil del alimento; tiene como principio la disminución de
la humedad, debido a que la mayoría de los microorganismos dejan de ser activos
cuando se reduce el nivel de humedad por debajo de 10%, sin embargo hay
ocasiones que es necesario disminuir la humedad por debajo de 5% en peso para
preservar el sabor y el valor nutritivo y proveer al alimento seco de nuevas
cualidades organolépticas (Geankoplis, 1998).
[15]
4.2.1. Velocidad de secado de alimentos en polvo
La velocidad de evaporación en un proceso de secado por aspersión se lleva a
cabo en dos etapas (Masters, 1991; Treyball, 1996).
Periodo de velocidad constante. La difusión de humedad desde dentro de las
gotas permite tener la superficie saturada de líquido, el tamaño de la gota va
disminuyendo y en la superficie la temperatura permanece constante. El aire de
secado a medida que gana humedad.
Periodo de velocidad decreciente. La velocidad de migración de humedad a la
superficie no es suficiente para mantenerla saturada, apareciendo áreas secas en
la superficie, alcanzando el periodo crítico de humedad en donde la gota no puede
contraerse más en volumen y su temperatura empieza a ascender. En este punto
el aire de secado llega a la temperatura crítica y a la humedad crítica, la
temperatura sigue disminuyendo hasta la fijada por el proceso aumentando su
humedad.
Figura 1. Curva típica de velocidad secado de alimentos (Treyball, 1996).
[16]
4.3. Procesos tecnológicos empleados en la obtención de alimentos en polvo
El factor que determina el método de secado y el tiempo de secado es la
estructura que se desea tener al final del secado. Los métodos de secado se
dividen en procesos de lotes y procesos continuos, dentro de este último grupo se
encuentra el secado por aspersión (Geankoplis, 1998).La elección de un equipo
de secado depende de las cualidades organolépticas que se requieran del
alimento a secar, y las características nutricionales que se quieran conservar. Si la
finalidad es mantener la estructura inicial del producto, el secado solar, en lecho,
bandejas, bandas y al vacío son los más aconsejables; para modificación de
estructuras se utilizan extrusores y secadores de rodillos; si el producto pierde
considerablemente propiedades nutricionales por los métodos de secado antes
mencionados, se aplica la liofilización. Los productos en estado líquido se pueden
convertir en sólidos en polvo,mediante secado por aspersión.
4.4. Secado por aspersión
El secado por aspersión es un proceso que convierte un alimento líquido en un
polvo por evaporación rápida del agua al tener contacto con una corriente de aire
caliente. Se diferencia de los otros métodos de secado en las características del
alimento (líquido en la atomización frente a sólidos o semisólidos para otros
métodos de secado), tiempo de residencia (de 5 a 100 segundos en la
atomización frente a lecho fluidizado que se demora en secar un producto entre 1
y 300 minutos) y tamaño de la partícula (10 a 500 micrómetros para atomización
frente 10 a 3000 micrómetros para lecho fluidizado) (Barbosa y Vega, 1996);
además de estas diferencias el secado por aspersión tiene las siguientes ventajas
(Masters., 1991):
Es una operación de secado continua y fácil y se puede adaptar a un
[17]
control automático completo.
Existe un amplio conjunto de diseños de secadores que se pueden aplicar a
materiales sensibles al calor, corrosivos y abrasivos.
La clasificación de los diferentes tipos de secadores por aspersión se resume en la
Figura 2:
.
Figura 2. Clasificación de los secadores por aspersión según el sistema de atomización
(Masters, 1991)
4.4.1. Características de los secadores por aspersión
Los secadores por aspersión están diseñados para procesar soluciones acuosas a
velocidades de producción relativamente altas. Ellos están formados básicamente
por el suministro de carga, y el sistema de atomización; el sistema de producción y
soplado de gas caliente o aire; una cámara de secado, un sistema de separación
[18]
de gases y sólidos; y finalmente un sistema para la descarga del producto. (Foust,
et al., 1987); a continuación se explican las etapas del proceso.
4.4.1.1 Atomización
Independientemente de la aplicación, la primera etapa involucra el bombeo de un
alimento líquido (usualmente concentrado para minimizar la cantidad de agua a
evaporar durante el secado) a un atomizador. El atomizador se opera de manera
que se producen gotas de un tamaño de partícula específico. Existen dos tipos
comunes de atomizadores, uno de estos se basa en el uso de energía centrífuga
(atomizador de disco rotatorio), otro en la fuerzas por presión (atomizador de
boquilla a presión o neumático) (Barbosa y Vega; 1996).
4.4.1.2 Flujo y contacto con el aire
Esta segunda etapa involucra un dispersor de aire con el fin de crear las mejores
condiciones de contacto entre el producto asperjado y el aire caliente. El contacto
y el movimiento de las gotas y el aire en la cámara de secado puede ocurrir de
tres modos: en paralelo, contracorriente y de flujo mixto (Barbosa y Vega,1996).
[19]
4.4.1.3. Evaporación, secado y formación de la partícula
La combinación de las dos primeras etapas crea las condiciones necesarias para
el secado de las gotas y la formación de las partículas. La etapa más importante
de la operación de atomización es la formación de gotas. El intercambio de
materia y calor empieza justo después de realizada la pulverización y continúa
mientras la gota está en el seno del aire caliente. La gota, que consta de agua y
sólidos en la misma proporción como en el alimento líquido, empieza a perder
agua en forma de vapor y así empieza la formación de la partícula. Al final de la
etapa de secado dentro del atomizador la partícula está completamente formada,
principalmente con sólidos (Barbosa y Vega,1996).
.
4.4.1.4. Almacenamiento del polvo
La mayoría de las partículas formadas durante las tres etapas anteriores se
depositan por gravedad en la parte de abajo, en la sección cónica de la cámara de
secado. De ahí son llevadas a un ciclón en donde se separan las partículas del
aire que las transporta.
4.4.2. Funcionamiento de los secadores por aspersión
El funcionamiento de los secadores por aspersión depende en gran medida, del
tipo de componente atomizador que puede ser de tres tipos: de presión, neumático
y rotatorio.
[20]
4.4.2.1. Inyectores de presión
El principio fundamental de este tipo de inyectores es la conversión de energía de
presión del líquido en energía cinética de las capas del líquido que se atomiza.
Se usan para obtener polvos con tamaño de partículas de 120 a 130 micrómetros;
si se varía la presión se puede controlar el flujo de alimentación y la característica
de atomización, donde es inversamente proporcional a la presión, el tamaño
medio de las gotas es proporcional al flujo de alimento y a su viscosidad, la
transferencia de energía es poco eficiente (Barbosa y Vega, 1996).
Los sistemas de atomización por presión tienen untornillo con un orificio central de
diferente diámetro en milímetros que esparce el fluido de alimentación en forma de
rocío; El tornillo produce un movimiento tangencial de alta velocidad dentro del
líquido que se va a rociar. La fuerza centrífuga resultante hace que el líquido haga
remolinos alrededor de la circunferencia alrededor del agujero deltornillo,
formando un corazón de aire a lo largo del eje del agujero. El fluido gira hacia
afuera formando un cono hueco el cual se rompe en gotas. Para obtener el mismo
grado de atomización con un líquido viscoso se necesita una gran presión (Foust
et al., 1987).
4.4.2.2. Inyectores de dos fluidos (atomizadores neumáticos)
La atomización neumática utiliza como medio gaseoso primario aire o vapor, en el
caso de los ciclos cerrados se utilizan gases inertes. El mecanismo involucra una
alta velocidad del gas que permite crear fuerzas de fricción elevadas lo que causa
la rotura del líquido en gotas. La formación de gotas tiene lugar en dos etapas:
primero el líquido se rompe en filamentos y largas gotas; después los filamentos
del líquido y las gotas grandes se rompen formando gotas pequeñas. Este proceso
de formación de gotas se ve afectado por las propiedades del líquido (tensión
superficial, densidad y viscosidad), así como por las de flujo de gas (velocidad y
densidad) (Barbosa y Vega, 1996).
[21]
Los inyectores de dos fluidos se utilizan en el secado de baja producción,
especialmente si se desea un tamaño fino de partícula. A presiones elevadas, el
líquido sale del tornillo hueco como ligamentos que se convierten en gotitas
mediante una corriente de gas. El tamaño promedio de las gotitas disminuye a
medida que la presión de la corriente de del tornillo hueco aumenta (Foust et al.,
1987).
La desventaja de los inyectores de dos fluidos y de presión es que el fluido que se
va a rociar fluye a través de pasajes angostos, por lo que es necesario tener
fluidos homogéneos, para evitar que un grumo o cristal tapone la salida o erosione
la punta deltornillo, ocasionando una atomización desigual; para mitigar estos
problemas se deben usar tamices dentro de la línea de carga (Foust et al 1987).
4.4.2.3. Atomizadores rotatorios
En la atomización mediante disco giratorio el fluido sale del disco en corrientes
que se rompen en gotitas debido a la fricción a medida que pasan a través de un
flujo de aire o gas, la proporción de carga puede controlarse independientemente
del disco (Foust et al., 1987). Estos atomizadores difieren de los inyectores de
presión y automáticos en que el líquido consigue su velocidad sin alta presión,
mientras que en los dos sistemas de atomización anteriores dependen de la
presión de flujo (Barbosa y Vega, 1996).
Los atomizadores rotatorios generalmente se instalan en el centro del techo de los
secaderos de atomización, para que haya suficiente tiempo de contacto entre la
gota y el aire caliente y permita la evaporación del líquido (Masters, 1991).
[22]
4.5. Balances de masa y energía del proceso de secado por aspersión
El componente primordial a remover en el proceso de secado es el agua. En el
siguiente esquema se muestran las diferentes entradas y salidas de masa y
energía en un secador por aspersión, que permiten plantear un balance de masa y
energía, suponiendo que no haya acumulación másica durante el proceso.
Figura 3. Esquema básico de un secador por aspersión
Se plantea un balance global de masa en la ecuación 1:
(1)sd a ss aHF G F G
Donde FsdyGason los flujos de entrada de solución disuelta y aire
respectivamente;Fss y Gah los flujos de salida de sólido seco y aire
respectivamente.
El balance de energía se plantea en la ecuación 2
[23]
Donde hsd y hason las entalpías de entrada de solución disuelta y aire
respectivamente; hss y haH las entalpías de salida de sólido seco y aire
respectivamente; qL es el calor perdido en las paredes del secador (Barbosa y
Vega, 1996).
4.6. Rendimiento del secado
El rendimiento del secado por aspersión se mide en términos de la eficiencia
térmica, la cual se relaciona con el flujo de entrada de calor requerido para
producir una unidad en peso de producto seco con los parámetros deseados. La
eficiencia térmica global se define como la fracción del calor total suministrado a la
usada en el secadero en el proceso de evaporación(Barbosa y Vega, 1996) como
se muestra en la ecuación 3
T1 es la temperatura del aire caliente a la entrada, T2 la correspondiente a la salida
y T0 la temperatura de aire atmosférico, esla eficiencia de evaporación
(Barbosa y Vega., 1996).
h + q (2)sd sd a a ss ss aH aH LF h G h F h G
1 2
1 0
( )*100 (3)
( )Global
T T
T T
Global
[24]
5. CARACTERIZACIÓN DE LOS JUGOS DE FRUTAS EN POLVO
Los jugos de frutas en polvo se utilizan como aditivos alimentarios que imparten
color y sabor a los alimentos; o se restituyen a su estado líquido original por medio
de rehidratación. Las propiedades inherentes de los polvos de jugo de frutas que
determinan su grado óptimo de aceptabilidad son: tamaño de partícula, densidad
aparente, humedad, humectabilidad, solubilidad y color (Ceballos, 2008).
5.1. Tamaño de partícula y densidad aparente
El tamaño de las partículas producidas por secado por aspersión se encuentra en
rangos de micras, debido a que el alimento líquido que entra al sistema de secado
se esparce en forma de pequeñas gotas teniendo contacto con una corriente de
gas caliente, ocasionando una evaporación casi instantánea del agua presente en
las gotas formando una partícula seca que al juntarse con otras constituyen un
conglomerado conocido como polvo (Yanza, 2003).
El tamaño se utiliza a menudo para caracterizar un producto en polvo. Se ha
descrito que para categorizar un producto como polvo, sus partículas más grandes
no deben presentar un tamaño superior a 1 mm y el 50% de éstas deberán
presentar un tamaño inferior al tamaño medio. En la práctica, las partículas que lo
forman raramente tendrán una forma esférica. En general, éstas pueden estar
compactadas, alargadas, ensanchadas y en algunos casos pueden presentar
forma aplanada o puntiaguda. Esta variabilidad abarca desde una alta
irregularidad, como en el caso de especias y azúcares, una esfericidad intermedia
en almidón y levaduras, hasta formas cristalinas, como azúcares granulados y sal.
Existen diferentes aproximaciones que intentan describir el tamaño y forma de las
partículas con relación a la esfericidad, como se presenta en la Tabla 1 (Masters,
1991).
[25]
Tabla 1. Formas de las partículas en polvo (Yanza, 2003)
Para la medida del diámetro de las partículas, el método de evaluación de la
morfología de un producto en polvo es la microscopía óptica y la microscopía
electrónica de barrido; la microscopía óptica permite el análisis de partículas que
se encuentran en un rango de 50 y 150 micrómetros, sin embargo el análisis con
microscopia electrónica de barrido es proporcional a la longitud de onda utilizada
obteniéndose una imagen detallada de la partícula en polvo como se aprecia en la
Figura4. Con esta técnica es posible caracterizar partículas que poseen un
diámetro menor de 10 micrómetros (Barbosa, 2010).
[26]
Figura 4. Imágenes obtenidas por microscopia de barrido (SEM) de guayaba. (Osorio et
al, 2011)
Cada partícula seca tiene una densidad individual característica, esta densidad se
conoce como densidad real; pero debido a que las partículas están
conglomeradas en forma de polvo con espacios entre ellas y al actuar como un
material higroscópico, la densidad promedio varía mucho respecto a la densidad
real. Esta densidad es conocida como la densidad aparente (Brennanet al.,1998).
5.2. Humedad
Desde mediados del siglo XX los científicos han relacionado la humedad final de
un alimento en polvo con la actividad de agua. La actividad de agua se define a
partir del concepto de capas de agua. Debido a que el agua no se distribuye
uniformemente en la superficie de los alimentos por la presencia de compuestos
hidratados que se forman con proteínas, carbohidratos y lípidos, esta agua es
conocida como agua ligada; por otra parte, el agua libre se distribuye en una capa
o capas disponibles donde se desarrollan actividades enzimáticas, fisicoquímicas
y microbianas que alteran de manera adversa el producto en polvo, por lo que la
actividad de agua es un parámetro determinante de riesgo de deterioro
[27]
fisicoquímico o microbiológico, calidad textural y cualidades sensoriales (Fenema,
2000).
Para el análisis de la actividad de agua en alimentos de muy baja humedad
comúnmente se utilizan isotermas de sorción representadas por modelos
matemáticos basados en modelos empíricos o teóricos. En la literatura hay
diferentes modelos disponibles que pueden dividirse en categorías diferentes:
Modelos cinéticos basados sobre la adsorción de una monocapa de agua
(Modelos de BET, 1938), modelos cinéticos fundamentados en una o múltiples
capas de agua y películas condensadas (Modelo de GAB, 1981), modelos
semiempiricos (modelo de Halsey, 1948) y modelos puramente empíricos
(modelos de Oswin y Smith, 1947) (Goula y Adamopoulos, 2005 a).
5.3. Humectabilidad
La humectabilidad es la capacidad que tienen las partículas de adsorber agua
sobre la superficie para reconstituir el jugo; esta propiedad depende del tamaño de
la partícula (si hay partículas grandes se formarán poros grandes); una porosidad
alta y ángulos pequeños de contacto de superficie mejoran el índice de
humectabilidad. Las partículas más pequeñas tienen una relación área-masa
mayor, no se humedecen individualmente formando grumos al quedar solamente
impregnado con una capa superficial de agua, reduciendo la velocidad de
penetración del agua en la partícula (Brennan et al.,1998).
La estructura de la superficie de la partícula ejerce un importante papel en el
proceso de humidificación; la presencia de estructuras hidrofóbicas dañan la
humectabilidad del producto, si el medio solvente aumenta su viscosidad, el
tiempo de dilución de la partícula sólida aumenta, ocasionando hinchazón de las
partículas y una solución no homogénea.
[28]
5.4. Solubilidad
La solubilidad es la velocidad y el grado en el cual un alimento en forma sólida se
disuelve en agua; es un elemento determinante de las propiedades sensoriales de
un alimento. Entre los factores que afectan la solubilidad están las fuerzas
intermoleculares entre el soluto y el solvente y la temperatura. El principio de “Le
Chatelier” relaciona el efecto de la temperatura en la solubilidad. Si se dan las
condiciones de equilibrio y el calor total de la solución es exotérmico, la solubilidad
es inversamente proporcional a la temperatura; si el calor total es endotérmico la
solubilidad aumenta con el aumento de la temperatura. La agitación y la
pulverización no aumenta la solubilidad, sólo logran acelerar el tiempo donde se
presenta el punto de saturación (Ceballos, 2008).
La solubilidad de un alimento en polvo depende de la microestructura de sus
partículas. Formas cristalinas y amorfas de la superficie del polvo presentan
diferencias en los tamaños, estructuras y propiedades fisicoquímicas (estabilidad
química e higroscopicidad).Cano-Chauca et al. (2005) reportan que al haber más
superficies amorfas se incrementa la solubilidad del polvo de mango en agua y
mayor presencia de estructuras cristalinas disminuye la solubilidad porque las
estructuras presentan un mayor grado de organización y la penetración de las
moléculas de agua se dificulta.
5.5. Color
El color es una de las propiedades sensoriales más importantes en los alimentos
para su aceptación. Los productos vegetales presentan tres principales pigmentos:
clorofila, carotenoides, antocianinas y en algunos casos formación de
antoxantinas.
[29]
Por la importancia que tiene el color como indicador de calidad es medido
cuantitativamente con el sistema de escala CIELAB que utiliza como parámetros
de medida L*, a*, b*. L* mide la luminosidad, b* pauta el cambio de azul a amarillo,
y a* muestra la degradación de verde a rojo; el conjunto de estos parámetros
están expresados en la ecuación 4 donde se mide la degradación de color entre la
pulpa y el polvo final obtenido:
Donde L*0, a*0 y b*0 son los valores L*, a*, b* del patrón y L*p, a*p y b*p los del
producto obtenido (Barbosa, 2010).
Durante el secado por aspersión, los pigmentos pueden afectarse por las
condiciones de entrada de aire (temperatura de entrada, flujo de aire), condiciones
de alimentación de la materia prima (tasa de flujo, inactivación de enzimas y
aditivos) (Abadio et al., 2003). Ceballos, (2008) reportó que en trabajos realizados
se ha observado cinética de degradación de color de primer o segundo orden.
En gran cantidad de productos alimenticios deshidratados derivados de frutas son
frecuentes las reacciones por pardeamiento no enzimático; en humedades
intermedias el pardeamiento enzimático presenta tasas altas porque el agua actúa
como solvente y producto de la reacción. En productos de baja actividad de agua
como los polvos de jugo de fruta el agua no tiene movilidad siendo factor limitante
(Fenema, 2000).
* * * * * *
0 0 0( ) ( ) ( ) (4)p p pE L L a a b b
[30]
6. EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO SOBRE EL PRODUCTO FINAL
La higroscopicidad natural y las propiedades termoplásticas de las frutas son el
problema básico en el transporte y almacenamiento de los jugos de fruta en polvo
(Zeberga.,2010). Chegini y Ghobadian (2007) expusieron quela solución de este
problema en gran medida depende de la optimización de las principales variables
de proceso: coadyuvantes de secado, temperatura de entrada de aire y
temperatura de salida de aire, flujo de alimentación, velocidad de atomización o
presión de atomización y flujo de aire de entrada (Gomeset al., 2007).
6.1 Coadyudantes de secado
La concentración de sólidos solubles en un jugo de frutas está expresada en
grados brix (°Brix) (López et al., 2009), junto a esta variable se encuentra la
viscosidad que determina la fluidez del jugo a través del sistema de secado. La
viscosidad y la concentración de sólidos totales en la mezcla son factores
fundamentales para determinar las condiciones adecuadas de fluido a secar,
porque afectan las condiciones de secado y la calidad del producto final. Una
adecuada viscosidad y un alto contenido de sólidos totales pueden considerarse
puntos críticos a la hora de implementar un proceso de secado por aspersión,
debido a que afecta el rendimiento del proceso (López et al., 2009).
El secado por aspersión de jugo de frutas no se realiza solamente con la solución
de pulpa de fruta debido a la alta termosensibilidad de los sólidos solubles y la
baja temperatura de transición vítrea (tg) propiedad exhibida por los jugos de
frutas. Goula y Adamopoulos (2005b) explican que el fenómeno de temperatura de
transición vítrea se da por el bajo peso de molecular de los azúcares presentes en
la estructura de la fruta, estos azúcares son la sacarosa, glucosa y fructosa que en
el transcurso del secado desarrollan una estructura amorfa conocida como estado
[31]
vítreo. Los sólidos en estado amorfo poseen una viscosidad muy alta (mayor a
1012 pas) que va disminuyendo con el calentamiento llegando a una viscosidad
critica (menor a 107 pa s), esta baja viscosidad ocasiona que la temperatura de
solidificación de estos azúcares baje a rangos de 10 a 20 °C, conociéndose estas
temperaturas como las temperaturas de transición vítrea y estas temperaturas
decrecen con el aumento en el contenido de agua; como consecuencia de esta
propiedad se hace sumamente complejo secar jugo de frutas porque puede
adherirse a la tubería o paredes del secador en forma de costras (Sudhagaret al .,
2002).
En la siguiente tabla se relacionan los factores de higroscopicidad, solubilidad,
punto de fusión y temperatura de transición vítrea causantes de la pegajosidad
que puede también deberse a la interacción de estos factores (Bhandari et al.,
1993).
Tabla 2. Propiedades físicas de los azúcares y comportamiento durante el secado por
aspersión (Bhandariet al., 1993)
6.1.2. Agentes coadyudantes de secado (encapsulantes)
En la industria de alimentos existen un gran número de agentes encapsulantes
que se utilizan en la encapsulación de componentes esenciales con el fin de evitar
[32]
su destrucción por tratamiento térmico o un mal flujo de material por la
temperatura de transición vítrea expuesta en los jugos de frutas.
A pesar de tener la función de proteger los compuestos esenciales poseen
diferentes limitaciones: Los almidones modificados químicamente han demostrado
tener una excelente retención de volátiles durante el secado, pero tienen una
protección pobre a la oxidación; los almidones parcialmente hidrolizados (por
ejemplo., maltodrextrinas y jarabe de glucosa) dan una excelente protección
contra la oxidación del sabor encapsulado pero pobre retención de volátiles, y sus
propiedades emulsificantes son malas. La goma arábiga ha sido el agente
encapsulante seleccionado por muchos años por tener excelente propiedad
emulsificante y buena retención de volátiles. Sin embargo, la oxidación del
encapsulado es limitada y en años recientes su costo y disponibilidad han sido
limitantes para su uso (López et al., 2009).
A continuación se resaltan las características de los aditivos más usados en la
industria de alimentos como coadyudantes de secado.
6.1.2.1. Maltodextrina
Químicamente las maltodextrinas son oligosacáridos (carbohidrato complejo
soluble), o sea un polímero de unos pocos monosacáridos condensados con un
grado de polimerización que va de dos a diez aproximadamente. Las
maltodextrinasestán clasificadas dependiendo de su equivalencia en dextrosa
(ED), es decir, el grado de polimerización (GP) o su poder reductor. Las
maltodextrinas de menor ED (<20) son higroscópicas, y las de mayor ED (entre 20
y 60) tienden a absorber humedad; además, usadas como aditivo alimenticio son
moderadamente dulces. Se producen del almidón de maíz y tienen la apariencia
de un polvo higroscópico blanco cremoso (color de amarillento a pardo) y un
elevado punto de inflamación (mayor de 250ºC). Al ser un oligosacárido aumenta
[33]
los sólidos solubles, motivo por el cual se utiliza como aditivo para aumentar el
rendimiento(López et al., 2009).
Este oligosacárido es de alta solubilidad (aproximadamente 500 g/L) (con un
equivalente de dextrosa mayor a 20), posee un gran número de grupos hidroxilos
los cuales le permiten formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua,
hidratándose y formando moléculas esféricas al mezclarse. A menudo estas
moléculas esféricas establecen contacto entre ellas y dan, incluso en soluciones
muy diluidas, una viscosidad considerablemente superior a la del agua; por
consiguiente, al aumentar la concentración de oligosacáridos debería obtenerse
un rápido incremento de la viscosidad; no obstante, para moléculas de
polisacáridos fuertemente ramificados, el volumen hidratado ocupado es más
pequeño que el resultante de un polisacárido totalmente lineal o poco ramificado,
favoreciendo una menor viscosidad (Lópezet al., 2009).
La estructura de la maltodextrina que se presenta en la Figura 5, posee gran
número de ramificaciones, que adquieren una forma helicoidal de tamaño pequeño
logrando volúmenes más pequeños, dando como resultado una mínima
viscosidad; esto brinda la posibilidad de adicionar buenas cantidades de
maltodextrinas logrando un aumento en sólidos solubles sin afectar de manera
relevante la viscosidad final en la mezcla (López et al., 2009).
Figura 5. Estructura de la Maltodextrina (López et al., 2009)
[34]
6.1.2.2 Goma arábiga
La goma arábiga es un heteropolisacárido ramificado, formado por una cadena
principal de unidades de β-galactopiranosa, a la cual se unen L-ramnopiranosa,
arabinofuranosa y ácido glucurónico, lo que le da la propiedad de ser un
hidrocoloidehidrofílico. En estado natural es una molécula compacta donde el 95%
de este peso lo conforman los polisacáridos y 1-2% las proteínas. La influencia de
grupos ácidos hace que la viscosidad de sus dispersiones se vea afectada por la
adición de ácidos o álcalis y por la presencia de cationes. Dos de sus
características principales son su alta solubilidad en agua, hasta 50%, y la baja
viscosidad que desarrolla en comparación con otras gomas; otra característica es
su compatibilidad con altas concentraciones de azúcares. Por su comportamiento
en la viscosidad, se puede afirmar que todos los hidrocoloides poseen la
propiedad de aumentar considerablemente la viscosidad del medio acuoso en
concentraciones bajas, aproximadamente al 1%. Este poder espesante varía
mucho de una goma a otra, siendo muy elevado para la goma xantan, las
carrageninas, los derivados de la celulosa y las galactomananos, y más limitado
para las pectinas, la goma arábiga y los almidones (Reineccius.,2001)
La razón por la cual la goma arábiga proporciona aumento en la viscosidad es su
capacidad de formar gel, es decir, un estado intermedio entre el estado líquido y el
sólido, constituido por una red macromolecular que retiene entre sus mallas una
fase líquida; esto da la idea de un “orden” en el gel, en oposición a una solución
representativa de un “desorden”. La asociación de cadenas o de segmentos de
cadenas produce un aumento en el espacio y por lo tanto en la viscosidad. En la
medida que las cadenas se organizan entre sí, el gel se hace más rígido, lo que
indica aumento de las características reológicas. Todas las características
anteriores hacen de éste un compuesto que puede aumentar la viscosidad pero
sin mucha repercusión en los sólidos solubles (Lopezet al., 2009).
[35]
6.1.3. Propiedades afectadas por los coadyudantes de secado
Las principales propiedades afectadas por el uso de aditivos son la densidad
aparente y la densidad real. Goulay Adamapoulos (2010) reportaron que la adición
de maltodextrina disminuyó la densidad aparente al secar por aspersión jugo de
naranja (naranjus) con diferentes tipos de maltodextrinas. Osorio et al.(2011)
realizaron corridas experimentales con jugo de guayaba, utilizando como
encapsulante maltodextrina y mezcla de maltodextrina y goma arábiga hallando
que el jugo de guayaba encapsulado con maltodextrina mostró una densidad más
baja que el jugo de guayaba encapsulado con la mezcla de maltodextrina-goma
arábiga, además la pegajosidad del polvo disminuyó.Abadioet al. (2003)
observaron que al utilizar Maltodextrina para secar jugo de piña los valores de
contenido de humedad son más bajos que los obtenidos con otros materiales
encapsulantes. Goula y Adamopoulos (2005a), explicaron que este
comportamiento se debe a la naturaleza encapsulante de la maltodextrina que
actúa como una barrera que protege los sólidos solubles del jugo asperjado de las
moléculas de agua que se puedan adherir a la gota seca, consecuentemente
disminuye la pegajosidad.
Debido a que el incremento de coadyudantes de secado afectan la evaporación y
comúnmente se aumenta el tamaño de las partículas (Masters, 1991),Yanza,
(2003) explicó que las gotas producidas dentro de la cámara de secado tienen una
presión interna mucho menor que la presión presente en el medio de secado, por
lo cual se fractura la gota cuando empieza el proceso de secado, acelerando el
proceso de secado, observándose diferentes tipos de estructuras como las que se
exponen en la Figura 6.
[36]
Figura 6. Mecanismo de secado de las gotas atomizadas (Yanza, 2003)
Osorio et al. (2011) estudiaron el efecto de la maltodextrina y la goma arábiga en
la producción de polvo de guayaba; al analizar las partículas mediante
microscopía electrónica de barrido hallaron que las partículas tenían un diámetro
promedio de 2 a 4 micras, con superficie lisa y algunas estructuras cristalinas que
son resultado de la transformación de azúcares por transición vítrea. Mosquera et
al. (2005) realizando el secado de borojó y fresa determinaron que el mejor
encapsulante es la goma arábiga porque aumenta la temperatura de transición
vítrea, además es uno de los aditivos que no afectan el color y le imprime mayor
viscosidad a la pulpa fresca. Ma y Dolan (2011) encontraron que la encapsulación
con maltodextrina protege la antocianina presente en el polvo de arándano de la
degradación térmica y que la degradación del color que se halló se debe a la
reacción de Maillard, ya que al disminuir la humedad los azúcares libres presentes
en el polvo de fruta quedan con mayor disponibilidad de unirse a iones metálicos
generando pardeamiento enzimático y pérdida de color.
Osorio et al. (2011) observaron que al encapsular jugo de guayaba con
maltodextrina y goma arábiga añadiendo además a la mezcla celulosa cristalina
las partículas obtenidas a través del secado por aspersión exponían morfologías
irregulares; situación contraria se presentó cuando se combinaron los dos
encapsulantes anteriores donde la frecuencia de partículas con formas esféricas
[37]
fue más alta, además se observó que el polvo obtenido del jugo con adición de
celulosa cristalina presentó menor grado de solubilidad. Pérez et al. (2009)
comprobaron la presencia de partículas con morfología irregular en salsa de chile
encapsulado con goma arábiga. Realizando ensayos con proteína de suero de
leche y goma arábiga observaron mejor esfericidad de las partículas; la mezcla de
estos dos compuestos aumentó el tiempo de rehidratación del polvo de jugo de
chile, y disminuyó la solubilidad.
El objetivo de encapsular además de evitar el fenómeno de transición vítrea, dar
mayor grado de uniformidad en las partículas, y evitar la higroscopicidad del polvo
de jugo de frutas; es conservar propiedades funcionales. Osorio et al. (2011)
hallaron que los compuestos volátiles del jugo de guayaba se retuvieron mediante
encapsulación con maltodextrina; además no se observó un cambio drástico de
color. Ma y Dolan (2011) vieron que los compuestos fenólicos y las antocianinas
del jugo de arándano encapsulado con maltodextrina mostraba actividad funcional,
reportándose una retención de 94 y 96 % respectivamente, sugiriendo que estos
compuestos se degradan durante el almacenamiento por procesos oxidativos.
Krishnaiahet al. (2012) observaron que usando carragenanos (compuestos
originarios de algas) y maltodextrina para encapsular jugo de
noni(Morindacitrifolia) se podía conservar la actividad antioxidante, pero la
maltodextrina afectó el contenido de licopeno; el mismo comportamiento lo
observaron Candelas et al. (2006) al secar jugo de tomate
(Licopersiconesculentum) y cuantificar la retención de licopeno en el tomate en
polvo.
Queck et al.(2007) explicaron que la pérdida de carotenoides se producía
mayoritariamente por procesos oxidativos que se desarrollan durante el
almacenamiento, los otros factores causantes de la degradación de los
compuestos funcionales y propiedades fisicoquímicas presentes en los polvos de
jugo de fruta son las temperaturas de entrada y salida del aire de secado.
[38]
6.2. Flujo de alimentación de materia prima
El flujo de alimentación de la materia prima es una variable de proceso que afecta
el producto final de manera considerable en compañía de las otras variables de
proceso, debido a su fuerte interacción con la temperatura de entrada, flujo de
aire, concentración de la solución entrante y tipo de encapsulante.
Santos et al. (2008) y Ceballos (2008) observaron que existe una correlación lineal
entre el aumento de flujo y el aumento de la humedad del producto final, agrega
Santos et al. (2008) que la solubilidad disminuyó con aumento gradual del tamaño
de la partícula, debido a que el flujo de líquido asperjado aumenta y se requiere
mayor cantidad de calor para remover agua de las gotas asperjadas, estas gotas
secas tienen un tamaño considerable que dificultan su rehidratación.
Zeberga(2010) relacionó el aumento de temperatura y de flujo de alimentación con
la disminución del rendimiento de proceso. Goula y Adamopoulos (2005b)
argumentan que un aumento de los sólidos en el flujo de alimentación, aumenta la
viscosidad y consecuentemente aumenta el tamaño de la partícula. En el caso de
la densidad aparente varía en función de la composición del alimento y las
condiciones de secado (Masters, 1991).
Tonon (2008) y Toneliet al. (2006) explican que grandes flujos de alimentación
implican un corto tiempo de contacto entre las gotas asperjadas y el flujo de aire
entrante, ocasionando una transferencia de calor menos eficiente y una tasa de
evaporación baja, lo que causa baja eficiencia de proceso; Toneliet al. (2006)
observaron que para mitigar este efecto es necesario bajar la velocidad de flujo e
incrementar la temperatura de entrada de aire.
[39]
6.3. Temperatura de entrada y de salida del aire
El contenido de humedad, la densidad aparente, el tamaño de la partícula, la
higroscopicidad y el color se afectan significativamente por la temperatura de
entrada del aire. En el secado por aspersión se maneja comúnmente un rango de
temperatura que varía entre 150 y 220°C; ésta es quizás la variable que más
afecta las cualidades organolépticas del producto final (Yanza, 2003).
El contenido de humedad final se afecta considerablemente por el secado por
aspersión, si se tiene en cuenta que el rango de temperaturas es alto para la
obtención de jugos en polvo; Queck et al. (2007) observaron que al secar jugo de
sandía (Citruluslanatus) la temperatura de entrada influyóde manera significativa
en la humedad del producto final debido a la transferencia convectiva de calor,
este contenido de humedad disminuye siempre y cuando la tasa de flujo de
alimentación permanezca constante; pero si la diferencia entre la temperatura de
entrada y de salida es alta es posible que el producto final gane humedad de
manera significativa como observaronCandelas et al. (2005) cuando secaron jugo
de tomate. Estos autores observaron que el porcentaje de humedad del producto
en polvo obtenido fue más alto que el contenido de humedad de los jugos de
tomate en polvo comerciales; Beristain (1996) al obtener aceite de naranja
encapsulado observó grandes diferencias entre la temperatura de entrada y salida
de aire; explica además que este comportamiento es causado porque la ganancia
de humedad del aire de secado de entrada disminuye la temperatura de salida y
satura el flujo másico de aire de agua en la salida del secador; las partículas se
saturan de agua cuando el polvo seco es arrastrado al depósito por el aire de
salida. El incremento de flujo de aire entrante al sistema de secado con un
aumento de la temperatura de entrada también afecta de manera significativa la
humedad del producto final (Goula y Adamopoulos, 2005b).
La densidad aparente se ve afectada de manera significativa por la temperatura de
entrada. Tonon et al. (2008) estudiaron el efecto de la temperatura de entrada
(140, 170 y 200°C) sobre la densidad aparente del jugo de acai (Eurtepe olaracia)
[40]
observando que el incremento de la temperatura causa la reducción de la
densidad aparente, la misma observacion fue hecha por Goula y Adamopoulos
(2010 cuando secaron jugo de naranja a diferentes temperaturas (110, 120, 130 y
140°C). Estos autores también determinaron que la densidad aparente tiende a
disminuir de manera significativa cuando hay un aumento de la temperatura de
entrada como se observa en la Figura 7 y lo mismo corroboran Chegini y
Ghobadian (2007) cuando sometieron a secado jugo de naranja a temperaturas de
130°C, 140°C y 150°C como se observa en la Figura 8.
Figura 7. Densidad aparente del polvo de naranja en función de la temperatura de
entrada, diferentes tipos de maltodextrina ylarazón de la concentración de
jugo/maltodextrina o: m (Goula y Adamapoulos, 2010)
[41]
Figura 8. Efecto de la temperatura de entrada sobre la densidad aparente y el tamaño de
partícula (Chegini y Ghobadian, 2007)
Al incrementarse la temperatura de entrada, las gotas asperjadas que tienen
contacto con el aire de secado sufren la pérdida del contenido de humedad
generando un colapso de la estructura, y por lo tanto la densidad real y aparente
tiende a disminuir (Chegini y Ghobadian, 2007; Finney et al., 2002; Tonon et al.,
2008).
El tamaño de la particula se afecta cuando se usan altas temperaturas de entrada
de aire. Las gotas de agua se secan y se hinchan aumentando el tamaño de
partícula (Chegini y Ghobadian, 2007). Reineccius(2001) reporta que la gotas que
se someten a secado por aspersión en rangos de temperaturas bajas de entrada
de aire se encogen debido a que no se forma del todo una estructura dura
ocasionando que la partícula sea más pequeña, este fenómeno también se
observó en la Figura8 donde el incremento de temperatura ayudó a desarrollar un
tamaño de partícula más grande.
La higroscopicidad es una propiedad que se afecta de manera considerable por la
temperatura de entrada del aire;Goula y Adamopoulos (2010) mostraron que la
higroscopicidad en el jugo de naranja en polvo disminuye con el aumento de la
temperatura, y con la disminución en la razon de concentracionjugo/maltodextrina
( o:m), y aumenta con un incremento del equivalente dextrosa de la maltodextrina
como se observa en la Figura 9.
[42]
Figura 9. Higroscopicidad del polvo de naranja en función de la temperatura de entrada,
diferentes tipos de maltodextrina yla razón de la concentración de jugo/maltodextrina o:m
(Goula y Adamapoulos,2010)
Caso contrario observaron Tonon et al. (2008) con respecto a la higroscopicidad
del jugo de acai: se incrementa debido a un aumento gradual de la temperatura de
entrada obteniéndose una partícula con menor contenido de humedad que al
exponerse al medio ambiente tiende a equilibrar la humedad.
Un buen rendimiento depende en gran medida del coadyudante de secado que
logre minimizar la termoplasticidad de los azúcares presentes en las frutas y de la
temperatura óptima de secado. Goula y Adamopoulos (2010) trabajaron con
rangos de temperaturas de 110, 120, 130 y 140°C en jugo de naranja, observando
que a menor temperatura se incrementa el polvo residual (polvo que se adhiere a
las paredes del secador); Zeberga (2010) observó que si se incrementa la
temperatura y el flujo de entrada del aire el rendimiento es afectado de manera
negativa, como tambien lo observaron Chegini y Ghobadian(2007) cuando
secaron jugo de naranja como se presenta en la Figura 10
[43]
Figura 10. Efecto de la temperatura de entrada sobre el rendimiento y los sólidos
insolubles (Chegini y Ghobadian, 2007)
Por otro lado otras investigaciones afirman que si se deshumidifica el aire, y se
aumenta la temperatura del aire de entrada aumenta el rendimiento de proceso, y
disminuye el producto residual como lo muestran Goula y Adamopoulos (2005) en
la Figura11 cuando trabajaron con jugo de tomate, explicando además que la
razón de estos rendimientos radica en que la deshumidificacion del aire baja la
saturación de vapor de agua en el aire circulante disminuyendo el polvo residual
en las paredes del secador.
Figura 11. Comparación entre el polvo recolectado y el polvo residual de tomate secado
con un sistema con aire deshumificado donde np es el porcentaje de polvo recolectado, nr
el porcentaje de polvo residual y n es el porcentaje de polvo recolectado y residual para
un sistema de secado sin aire deshumificado (Goula y Adamopoulos, 2005)
[44]
La degradacion de los pigmentos presentes en las frutas en polvo sirve también
para medir la degradacion de los compuestos funcionales debido a que los
compuestos que conforman el color de los jugos de frutas en polvo son en la gran
mayoría los que dan origen a los compuestos funcionales que son susceptibles a
las variaciones de las temperaturas de secado. Queck et al. (2007), estudiaron el
efecto de la temperatura (145, 155, 165 y165°C) de entrada sobre el contenido de
licopeno y betacoaroteno en el jugo de sandía hallando que el licopeno y el
betacaroteno decrece considerablemente con la temperatura de entrada.Un
aumento del tono está correlacionado con una disminucion de licopeno y
betacaroteno como se presenta en la Figura 12.
Figura 12. Correlación entre el contenido de licopeno (a) y el contenido de caroteno (b)
con el ángulo de tono (Queck et al., 2007).
Candelas et al. (2005) halló que en las cromatografias de los polvos de jugo de
tomate, no había evidencia suficiente de la formación de cis isómeros propios de
la degradacion térmica del licopeno, añadiendo que la degradación del licopeno en
el tomate es ocasionada en cierta medida por oxidación debido a la gran cantidad
de oxígeno presente en el medio de secado.
[45]
Los carotenoides se oxidan facilmente debido a su gran número de puentes de
hidrógeno conjugados, esas reacciones son las que ocasionan la pérdida de color.
Durante ésta se forman compuestos carbonilos y epóxidos inicialmente en la
cadena del caroteno perdiéndose la actividad funcional (la pérdida de esta
funcionalidad es conocida como la pérdida de la provitamina A), que conllevará al
blanqueamiento de los carotenos. Intensificándose si hay presencia de iones
metálicos (Fenema, 2000).
Las antocianinas y los compuestos fenólicos se afectan por la temperatura de
entrada debido a su alta termosensibilidad. Para evitar el daño térmico de las
antocianinas Ma y Dolan (2011) utilizaron temperaturas de entrada de aire de 90 y
80 °C para secar jugo de arándano, protegiendo la actividad antioxidante de las
antocianinas presentes en este jugo, pero debido a que las temperaturas de
secado son muy bajas en la salida de flujo de aire del secador en relación a las
comunmente usadas por otros investigadores, el polvo de arándano presentó
problemas de adherencia en las paredes a 90 °C o secado insuficiente a 80 °C;
Jiménez et al. (2011) trabajaron con jugo de arándano usando maltodextrina como
encapsulante hallando que la actividad antioxidante se puede preservar usando un
rango de temperatura más alto que el usado por Ma y Dolan (2011).Como se
puede apreciar en la Tabla 3, los mismos resultados obtuvieron Krishnaiah et al.
(2012) encapsulando jugo de noni a 80°C de temperatura de salida hallando que
la actividad antioxidante no se perdía.
Tabla 3. Comparación de la actividad funcional de los compuestos fenólicos y
antocianinas antes y después del secado (Krishnaiah et al., 2012)
[46]
6.4. Velocidad de atomización (atomizadores rotatorios) y presión de
atomización (atomizadores neumáticos).
La velocidad de atomizacion en los atomizadores rotatorios o la presion de
atomizacion en el caso de los atomizadores neumáticos, afecta de manera
significativa el tamaño de partícula y el rendimiento del proceso de secado.
El efecto de velocidad de atomización fue estudiado por Chegini y Ghobadian,
(2005). Los autores observaron que la velocidad de atomización (10000 – 25000
rpm) sobre las propiedades de jugo de naranja en polvo afectaron la humedad
final; a medida que aumenta la velocidad de atomización decrece la humedad. La
velocidad de atomización se relacionó con gotas de diámetro pequeño debido que
un aumento de velocidad implica un aumento de la fuerza centrifuga que
fragmenta las gotas iniciales en gotas más pequeñas.
Francisconi et al. (2003) observaron que el incremento de la velocidad de
atomización oscureció el color del jugo de maracuyá;esto mismo
observaronSantos et al. (2008) cuando realizaron corridas experimentales con
jugo de tomate como se observa en la Figura 13 y Gomes et al. (2007) al secar
jugo de maracuyá y piña.
Figura 13. Índice de color (a/b) en muestras de tomate en polvo en función de la
temperatura de entrada de aire y la velocidad de atomización (Santos et al., 2008)
[47]
Francisconi et al., (2003) explican que el oscurecimiento se debe a que las
pequeñas partículas que se incrementan con un incremento de la velocidad de
atomizacion están expuestas al calor y por lo tanto los compuestos fenólicos,
carotenos, antocianias y otros son susceptibles a oxidarse con el oxígeno presente
en el medio de secado.
La presión de atomización en el caso de los atomizadores neumáticos influye
fuertemente en el tamaño de partícula porque a mayor presión menor es el
tamaño de la partícula (Beristain, 1996). Ceballos(2008) observó que la
atomización por presión presenta muchas dificultades debido a que las fibras
insolubles del jugo de guanábana taponan el sistema y la presión decae
generando deficiencia en el secado de jugos por adherencia de polvo en las
paredes.
6.5. Flujo de aire
El flujo de aire en el sistema de atomización es fundamental para que se realice el
secado por aspersión. Goula y Adamapoulos (2005) observaron que la humedad
del polvo obtenido a partir de jugo de tomate se incrementa con el aumento del
flujo de aire de entrada. La energía disponible de evaporación está en función del
flujo de aire y el movimiento del aire depende en gran medida del grado de
evaporación de la gota asperjada; un bajo flujo de aire aumenta el tiempo de
evaporación de las gotas. Si se incrementa el tiempo de residencia a partir de un
flujo bajo de aire, el secado de las gotas es mayor, y en caso de presentarse un
flujo mayor de aire implica que el tiempo de residencia de las gotas dentro de la
cámara es menor haciendo que la transferencia de vapor de agua de la gota
asperjada hacia el medio sea menor y haya un contenido de humedad más alto
que en el otro caso expuesto (Masters, 1991).Un incremento de la humedad
conlleva a un aumento de la densidad aparente en un producto en polvo afectando
la solubilidad; esto ocurre cuando se incrementa el flujo de aire, observándose que
[48]
los polvos de los jugos de frutas disminuyen su solubilidad por tener una humedad
más alta en comparación con los polvos obtenidos con un flujo mayor de aire.
[49]
7. CONCLUSIONES
Todos los autores citados afirman que debido a la termosensibilidad de los
azúcares presentes en la fruta se dificulta el proceso de secado.
Una alta diferencia entre la temperatura de entrada y salida del aire aumenta el
contenido de humedad del polvo de jugo de frutas.
La deshumidificación del aire entrante al proceso de secado, mejora la fluidez del
líquido a través del sistema de secado, disminuye la pegajosidad y la humedad del
producto obtenido.
Las antocianinas y los compuestos fenólicos se degradan con valores de
temperaturas mayores a 100°C; los agentes encapsulantes como la maltodextrina
y la goma arábiga protege su actividad funcional.
La actividad funcional de los carotenos no se afecta por tratamiento térmico, sino
por degradación oxidativa impulsada por las moléculas de oxígeno presente en el
aire de secado.
El aumento de presión o velocidad de atomización disminuye el tamaño de
partícula.
La variable de proceso que degrada de manera más significativa el color es la
temperatura de secado.
50
8. ANEXOS – TABLA RESUMEN DE ARTÍCULOS CITADOS
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Abadio, F. et al. 2003 Piña Temperatura de aire: 190 °C. Flujo de alimentación: 0,18
kg/min.
Densidad aparente, color y
contenido de humedad.
Los productos obtenidos tienen muy baja densidad, y el uso de bajas velocidades de
atomización y % de maltodextrina es recomendado. Ese nivel es suficiente para obtener productos de flujo libre con buena
densidad.
Barbosa, S. 2010 Mango y Papaya
Agente encapsulante: maltodextrina de 10 y 20 DE
Pegajosidad, solubilidad, atributos de
color, higroscopicidad.
El jugo preparado usando maltodextrina 10 DE y temperatura de 115° C tiene mejor calidad de
atributos y mejores propiedades funcionales.
Beristain, C. 1996 Naranja
Agente encapsulante: Goma Arábiga
goma de mezquite en combinaciones de
20:80, 40:60. 60:40 y 80:20%
Retención de aceite por agente
encapsulante
el agente encapsulante y la temperatura influyeron en la retención del aceite
Candelas, M. et al. 2005 Tomate
Temperatura de entrada de aire :170 y 180 °C ; concentración de maltodextrina de 80 y 100% en
base de solidos solubles de tomate
Color Degradación del licopeno cuando el jugo de
tomate se deshidrata por aspersión. Puede ser debido a la oxidación
Cano, M. et al. 2005 Mango Agentes encapsulantes:
maltodextrina, Goma Arábiga y Almidón
Pegajosidad, higroscopicidad,
y solubilidad
La pegajosidad disminuía cuando se combina la maltodextrina con el almidón
Ceballos, A. 2008 Guanába
na Flujo de alimentación Color
Se hallo que el color fue afectado de manera significativa por el secado por aspersión
[51]
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Chegini, G. &Ghobadian, B.
2007 Naranja
Parámetros estudiados : material agente de secado, flujo de
alimentación, temperatura de salida del aire
Rendimiento
Los resultados estadísticos de los datos experimentales muestra que los parámetros de
temperatura de entrada de aire y tasa de alimentación tiene un significante efecto sobre el rendimiento y deposito de las paredes del
secador individualmente y conjuntamente
Francisconi, D. et al.
2003 Maracuy
á
Adición de azúcar como agente encapsulante en combinación de
maltodextrina
Solubilidad, tamaño de
partícula y color
La combinación de azúcar con maltodextrina oscureció el color del jugo de maracuyá
Gómes A. et al. 2007 Maracuyá y Piña
Velocidad de atomización, concentración de maltodextrina
Color Lacreciente concentración de la maltodextrina favorece menos la retención del colory ayor
acidez
Goula, A. &Adamaupolus, K.
2010 Naranja
Temperatura : 110°, 120°, 130°, 140°, agente encapsulante:
maltodextrina, 6 ED, 12 ED, 21 ED.
Densidad aparente,
temperatura, capacidad de hidratación
yhigroscopicidad
La combinación de adición de la maltodextrina y de uso del aire deshumedecido fue
demostrada ser un modo eficaz de reducir la formación del residuo dentro del secador.
Goula, A. &Adamaupolus, K.
2005(a) Tomate Flujo de aire comprimido, caudal
de velocidad de secado, y la temperatura de entrada de aire.
Rendimiento
La mayoría de temperaturas bajas de salida y humedades del aire del sistema de secado
modificado, resulto en la formación una superficie de partícula sólida, y por lo tanto
decreció la acumulación de residuo, minimizando la termoplasticidad de las
partículas que se pegan.
[52]
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Goula, A. &Adamaupolus, K.
2005(b) Tomate
Temperatura de alimentación : 5 bar, 1.75g/min, 32°C,
temperatura de entrada de aire 110-140 °c, tasa de flujo de
secado de aire 17.5-22.75 m3/h , y caudal de aire comprimido 500-
800 l/h
Humedad, densidad
aparente y solubilidad
Cuanto menor sea el contenido de humedad y mayor la densidad aparente y la solubilidad,
mejor será considerado el producto. En experimentos conducidos bajo las mismas
condiciones de operación usando el secador por aspersión estándar de laboratorio, el
contenido de humedad era alto y la densidad aparente y solubilidad eran bajas. Esto parece promocionar la formación rápida de costra y,
recuperación del producto y también las propiedades del producto.
Jimenez D. et al. 2011 Arándan
o
Temperaturas de entrada de 140° y 160 ° C, alimentación de
flujo de 8.5, 9.1, y 9.6 ml/min, agente encapsulante: Goma
Mesquite
Color y la concentración de
compuestos
La goma Mesquite sirve como un buen agente protector para el color porque esto reduce la
degradación de las antocianinas en las microcápsulas expuestas a la luz (3000 lx), y
temperaturas de 4 y 25°C. después de 4 semanas de almacenamiento a 4 °C en
oscuridad, las muestras mostraban mínimo cambio en el color (delta e=5). Mostrando que
ese método evita la degradación de estos compuestos.
[53]
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Krishnaiah D. et al. 2012 Noni Temperatura de entrada: 90° a 140° C, agentes encapsulantes: Carragenanos y maltodextrina
Actividad de agua, tamaño de
partícula y contenido de
humedad
En adición las partículas de Noni, obtenidas en este trabajo mostraban actividad antioxidante valorable, sugiriendo su posible uso como un aditivo funcional. La actividad antioxidante del polvo de Noni era afectada por la temperatura de secado. Se encontró que los Carragenanos y la maltodextrina eran ayudantes efectivos de
secado, aunque se puede usar preferencialmente maltodextrina.
López B. et al. 2009 Banano Agentes encapsulantes:Goma
Acacia y maltodextrina Viscosidad
La combinación de maltodextrina en un 39,95% con goma acacia en 3,29%, permitió obtener una mínima viscosidad de 634,59 cP y un máximo de 46,44% º Brix, combinación que era necesaria para encontrar el equilibrio entre las dos variables básicas que permite el paso de la mezcla por el equipo de forma fluida con un rendimiento adecuado de producto.
Ma, K. &Dolan, K. 2011 Arándan
o
Temperatura de Aire, Temperatura de salida, agente encapsulante: maltodextrina
Capacidad de absorbancia antioxidante
radical y fenoles totales
La maltodextrina preserva la capacidad antioxidante y estabiliza las antocianinas y fenoles durante el secado por aspersión.
[54]
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Mosquera, L. et al. 2005 Borojó Temperatura de entrada, agente
encapsulante: maltodextrina Compuestos funcionales
En general, los valores en cuanto a la concentración de nutrientes disminuyen luego de someter el producto al proceso de secado,
sin embrago todos los componentesse mantienen disponibles en los rangos aceptados
para el consumo humano, de esta forma, el producto puede considerarse como fuente de
obtención de los nutrientes relacionados.
Osorio, C. et al. 2011 Guayaba Agente encapsulante:
maltodextrina,Goma Arábiga y una mezcla de ambos
Tamaño y morfología de la
partícula
El secado por aspersión de jugo de Guayaba rendía con los dos agentes encapsulante. La
retención de aroma era buena como su liberación por el efecto del agua sobre el polvo
microencapsulado. Por otra parte Se encontraba que un marcado contenido de
pectina influía fuertemente en el comportamiento térmico de las microcápsulas y
que la goma arábiga decrecía la estabilidad térmica del solido. Por lo tanto la vida útil de este producto depende marcadamente de la
humedad durante el almacenamiento. La microencapsulación es una de las maneras de conservar las propiedades funcionales de la
guayaba.
Pérez, A. et al. 2009 Salsa de
Chile Manzano
Agentes encapsulantes, goma arábiga, concentrado de proteína de suero de leche y una mezcla
de ambos
Solubilidad, tamaño y
morfología de la partícula
Las mejores condiciones de rehidratación ocurrían para actividades de agua entre 0.4 -0.5 que correspondían a las condiciones de la cobertura de la monocapamenos suave de la topología de las microcápsulas,lade menor
tiempo de rehidratación.
[55]
Autores Año Fruta Variables del proceso
estudiadas Variables de
respuesta Conclusión
Queck, S. et al. 2007 Sandia Temperatura de entrada, agente
encapsulante: maltodextrina
Humedad, disolución, color,
contenido de caroteno
Los resultados demostraron que con el aumento de la temperatura de entrada, el
contenido de humedad y la disolución disminuía. Sin embargo, no hubo cambios
significativos en las actividades acuosas de los polvos secados por aspersión para todas las
temperaturas de entrada estudiadas.
56
9. BIBLIOGRAFÍA
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