EFECTO DE LA APLICACIÓN DE ULTRASONIDOS DE POTENCIA EN LA CINÉTICA DE SECADO DE MANZANA A BAJA TEMPERATURA Santacatalina J.V. 1, Cárcel J.A. 1, Fernández-Salguero J. 2, Mulet A. 1 y García-Pérez J.V. 1* 1 Grupo de Análisis y Simulación de Procesos Agroalimentarios (ASPA), Departamento de Tecnología de Alimentos, Universidad Politécnica de Valencia, Camí de Vera s/n, Valencia, E46022, España, Tel.:+34 96 387 93 76 [email protected] 2 Universidad de Córdoba, Departamento de Bromatología y Tecnología de Alimentos, Campus de Rabanales Edificio C-1, Córdoba, 14071.

Palabras clave: Deshidratación, ultrasonidos, difusividad.

RESUMEN La deshidratación es una de las operaciones más utilizadas en la industria agroalimentaria para la conservación de alimentos. El secado a baja temperatura conserva mejor que el secado convencional con aire caliente las propiedades organolépticas y nutricionales de los productos pero es una operación extremadamente lenta. La aplicación de ultrasonidos de potencia durante el secado podría aumentar la velocidad del proceso sin alterar significativamente las características del producto. En este contexto, el objetivo del presente trabajo es evaluar el efecto de la aplicación de ultrasonidos de potencia durante el secado de manzana a baja temperatura. Para alcanzar dicho objetivo, se deshidrataron muestras cúbicas (8.8 mm de lado) de manzana (Malus domestica cv. Granny Smith) a 5 temperaturas distintas (-10, -5, 0, 5 y 10ºC), con (50W, 21.9 kHz) y sin la aplicación de ultrasonidos de potencia. Todas las experiencias de secado se realizaron con una velocidad de aire constante (2 ms-1) y una humedad relativa inferior al 10%. Se utilizó un modelo difusional para describir las cinéticas de secado y cuantificar la influencia de la temperatura y de la aplicación de ultrasonidos en la difusividad efectiva de agua. Los resultados experimentales obtenidos mostraron que el tiempo de proceso se incrementó a medida que disminuyó la temperatura de secado. La aplicación de ultrasonidos de potencia provocó un aumento de la velocidad de secado y de la difusividad efectiva. Por tanto, los ultrasonidos constituyen una alternativa para acelerar los procesos de secado a bajas temperaturas. INTRODUCCIÓN El secado es un método clásico para conservar alimentos que, además de prolongar su vida útil, tiene la ventaja de reducir el peso para su transporte y de disminuir las necesidades de espacio para su almacenamiento (Ertekin et al., 2004). El secado incrementa la estabilidad de los alimentos porque reduce su actividad de agua, limitando así la actividad microbiológica y los cambios físicos y químicos que se producen durante el almacenamiento (Mayor et al., 2004). Sin embargo, el secado produce una pérdida de calidad en el producto debido a que induce cierto colapso estructural y cambios bioquímicos. Obviamente, la degradación de la calidad del alimento depende de la técnica y de la temperatura de secado. El secado a baja temperatura produce una menor degradación del producto y permite obtener productos deshidratados de alta calidad debido a que conserva mejor las propiedades organolépticas y nutricionales de los alimentos. Entre las técnicas de secado que utilizan bajas temperaturas se encuentra la liofilización a presión atmosférica. Mediante esta técnica se pueden obtener productos de mayor calidad que los obtenidos con el secado por aire caliente pero con un coste menor que en el caso de la liofilización a vacío (Alves-Filho et al., 2007). Así, esta técnica podría convertirse en una alternativa interesante con la que obtener productos deshidratados que mantengan bien las características nutricionales y organolépticas del producto fresco, a precios económicos. El principal inconveniente del secado a baja temperatura es que los tiempos de proceso son muy largos, mucho mayores incluso que los del secado por aire caliente. Los ultrasonidos de potencia (US) se han aplicado recientemente en el secado por aire caliente consiguiendo la reducción del tiempo de procesado y por tanto, el consumo energético de la operación. El potencial de la aplicación de ultrasonidos de potencia para

mejorar el fenómeno de la transferencia de materia durante el secado de diferentes frutas y verduras se ha observado en anteriores trabajos (Gallego-Juárez et al., 2007; García-Pérez et al., 2007). La energía mecánica que introducen los ultrasonidos en el medio contribuye a disminuir tanto la resistencia externa a la transferencia de materia como la interna. Entre otras variables, se ha observado que la influencia de los ultrasonidos es más importante a temperaturas moderadas (70ºC) (García-Pérez et al., 2006). Así pues, esta técnica se podría aplicar en el secado a baja temperatura con el objetivo de acelerar el proceso. El secado es un proceso complejo en el que se produce una transferencia simultánea de materia y de energía, acompañada de cambios físicos y estructurales en el producto. La modelización constituye una herramienta necesaria para analizar estos procesos y la influencia de las condiciones de operación (Mulet et al., 2010). Los modelos de secado se formulan teniendo en cuenta una serie de simplificaciones de la realidad. La más común es considerar que la transferencia de materia dentro del alimento se produce únicamente por los gradientes de humedad, lo que se conoce como mecanismo difusivo (Ortuño et al., 2010). Así, la modelización de las cinéticas de secado permite obtener parámetros como la difusividad efectiva del producto, parámetro esencial para abordar la optimización del proceso de secado (Hassini et al., 2007). La manzana es una de las frutas más consumidas a nivel mundial. La variedad Granny Smith se encuentra entre las más cultivadas debido a que presenta un amplio periodo de cultivo en las zonas de clima templado. Por otra parte, el secado es un método de conservación frecuentemente utilizado para la manzana, debido a que la manzana deshidratada es un componente importante en numerosos productos como snacks, cereales de desayuno y alimentos funcionales entre otros (Vega-Gálvez et al., 2008). En este contexto, el principal objetivo del presente trabajo es evaluar el efecto de la aplicación de ultrasonidos de potencia durante el secado de manzana a baja temperatura.

MATERIALES Y MÉTODOS Materia prima Se obtuvieron muestras de geometría cúbica (8.8 mm de lado) de manzana (Malus domestica cv. Granny Smith) utilizando un utensilio de corte doméstico. Las muestras destinadas a las experiencias de secado a temperaturas por encima del punto de congelación se procesaron inmediatamente después de cortarlas. Por el contrario, las destinadas a ser deshidratadas a temperaturas inferiores al punto de congelación (liofilización a presión atmosférica) se envolvieron en un film plástico y se almacenaron antes de proceder a su secado durante 10 horas a -18±1ºC, lo que aseguró su completa congelación. El contenido de humedad inicial de las muestras se determinó por diferencia de peso, colocando las muestras en una estufa a 70ºC y 200 mmHg hasta que alcanzaron un peso constante (AOAC, 1997).

Experiencias de secado La determinación de las cinéticas de secado a baja temperatura se llevó a cabo en un secadero convectivo con recirculación de aire (Figura 1), ya descrito anteriormente (GarcíaPérez et al., 2012). El secadero funciona de forma completamente automática. Se realizaron experiencias a 5 temperaturas distintas (-10, -5, 0, 5 y 10ºC), con (US; 50W, 21.9 kHz) y sin (SUS) la aplicación de ultrasonidos de potencia. Todas las cinéticas de secado se realizaron con una velocidad de aire constante (2 ms-1) y una humedad relativa inferior al 10%. Las experiencias se realizaron, al menos, por triplicado y se extendieron hasta que las muestras perdieron el 80% de su peso inicial.

Figura 1. Esquema del secadero convectivo asistido con ultrasonidos (García-Pérez et al., 2012): 1. Soplante; 2. Pt-100; 3. Sensor de temperatura y humedad relativa; 4. Anemómetro; 5. Transductor ultrasónico; 6. Cilindro vibrante; 7. Dispositivo para cargar muestra; 8. Tubo retráctil; 9. Mecanismo de desplazamiento vertical; 10. Módulo de pesada; 11. Intercambiador de calor; 12. Resistencia; 13. Cámara de bandejas desecantes; 14. Detalle de colocación de muestras en bandejas.

Modelización de las cinéticas de secado Para describir matemáticamente las cinéticas de secado a baja temperatura de los cubos de manzana se utilizó un modelo difusivo. La ecuación diferencial de difusión se obtiene combinando la ley de Fick y el balance microscópico de materia. La Ecuación 1 muestra dicha expresión para una geometría cúbica, considerando la difusividad efectiva constante y la homogeneidad e isotropía del sólido.

∂Wp ( x,y,z,t ) ∂t

 ∂ 2 Wp ( x,y,z,t ) ∂ 2 Wp ( x,y,z,t ) ∂ 2 Wp ( x,y,z,t )  =D e  + +   ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2  

(1)

donde: Wp = contenido de humedad local (kg w/kg m.s.); t = tiempo (s); De = difusividad efectiva (m2s-1); x, y, z = coordenadas características (m). Para abordar la resolución de la Ecuación 1 se necesitan una serie de hipótesis, condiciones iniciales y de contorno. En este caso se consideró: • la simetría del sólido. • el contenido inicial de humedad y la temperatura homogéneos en toda la muestra. • el tamaño de la muestra constante durante el secado. • la resistencia externa a la transferencia de agua despreciable frente a la resistencia interna. Por tanto, la superficie de la muestra se encuentra en equilibrio con el aire durante el tiempo de secado. Teniendo en cuenta estas consideraciones, la solución analítica a la ecuación de difusión se expresa, en términos de contenido de humedad media, en la Ecuación 2 (Crank, 1975).

 De ( 2 n +1) 2 π 2 t  ∞ −    8 4 L2   W ( t ) = We + (We − W0 )·∑ e 2 2  n =0 (2n + 1) π   

3

(2)

donde: W = contenido de humedad media (kg w/kg m.s.); L = semiespesor del cubo (m); subíndice 0 = estado inicial; subíndice e = estado de equilibrio.

Ajuste del modelo En la modelización de las cinéticas de secado, la difusividad efectiva se identificó ajustando los modelos difusivos a los datos experimentales. Para ello, se consideró como función objetivo a ser minimizada la suma de la diferencia cuadrática entre los valores experimentales del contenido de humedad media y los calculados con el modelo. La identificación se llevó a cabo mediante el método de optimización del Gradiente Reducido Generalizado (GRG), disponible en la hoja de cálculo Microsoft ExcelTM (Microsoft Corporation, Seattle, USA). La bondad del ajuste se determinó a partir del porcentaje de varianza explicada (%VAR, Ecuación 3) (Berthouex et al., 1994).

 S2  %VAR = 1 − xy2  ⋅ 100  Sy 

(3)

donde Sxy y Sy son la desviación estándar de la estimación y de la muestra, respectivamente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Experiencias de secado Las cinéticas de secado experimentales SUS de los cubos de manzana realizadas a diferentes temperaturas se muestran en la Figura 2. Como se puede observar, para las temperaturas superiores al punto de congelación de las muestras (10, 5 y 0ºC) los tiempos de secado aumentaron a medida que disminuyó la temperatura. Sin embargo, la influencia de la temperatura se vio afectada por la congelación de la muestra. Así, las cinéticas de secado a temperatura inferior al punto de congelación (-5 y -10ºC; liofilización a presión atmosférica) fueron más rápidas que otras a temperaturas superiores. Po ejemplo, la cinética del proceso fue más rápida a -5ºC que a 0ºC. Esto probablemente es debido a la degradación que produce la congelación en la estructura de la muestra, lo que facilita la salida de agua de la matriz en forma de vapor por sublimación.

7 6

W (kg W/kg m.s.)

10ºC 5

5ºC 0ºC

4

-5ºC 3

-10ºC

2 1 0 0

10

20

30

40

50

t (h)

Figura 2. Cinéticas de secado (10, 5, 0, -5 y -10ºC y 2 ms-1) de manzana sin aplicación de ultrasonidos.

En la Figura 3 se muestran las cinéticas de secado de manzana a 10, 5, 0, -5 y -10ºC y 2 ms-1 con aplicación de ultrasonidos (50W, 21.9 kHz). Del mismo modo que en el caso de las experiencias SUS, se aprecia un aumento del tiempo de secado al disminuir la temperatura cuando el secado se produce por evaporación (T>0ºC) y también se observa el efecto de la congelación de la muestra.

7 6

W (kg W/kg m.s.)

10ºC 5

5ºC

4

0ºC

3

-5ºC

2

-10ºC

1 0 0

5

10

15

20

25

t (h)

Figura 3. Cinéticas de secado (10, 5, 0, -5 y -10ºC y 2 ms-1) de manzana con aplicación de ultrasonidos de potencia (50W, 21.9 kHz).

La aplicación de ultrasonidos de potencia incrementó la velocidad de secado de los cubos de manzana en todas las temperaturas estudiadas. Así, se obtuvo una de reducción media del tiempo de secado por la aplicación de ultrasonidos del 55% para alcanzar una pérdida de peso del 80% respecto del peso inicial. Esta reducción se puede atribuir a la energía mecánica que los ultrasonidos introducen en la cámara de secado, que provoca la disminución de la resistencia interna y externa a la transferencia de materia. Así, la aparición de fenómenos como la generación de microcorrientes en las interfases o las compresiones y descompresiones que provocan los ultrasonidos en el material sólido contribuyen a facilitar la salida de agua de la matriz. La Figura 4 muestra, a modo de ejemplo, la diferencia entre las cinéticas de secado a -5ºC con y sin la aplicación de ultrasonidos, donde se aprecia que los US provocaron una reducción del tiempo de secado del 59.5%. Esta reducción llegó a ser de hasta el 77.5% para las experiencias realizadas a -10ºC (Figura 5).

7

W (kg W/kg m.s.)

6 5

SUS

4

US

3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

t (h)

Figura 4. Cinéticas de secado (-5ºC y 2 ms-1) de manzana con (US) aplicación de ultrasonidos de potencia (50W, 21.9 kHz) y sin aplicación de ultrasonidos (SUS).

Modelización de las cinéticas de secado Los resultados de la modelización de las cinéticas de secado a baja temperatura de manzana con y sin la aplicación de ultrasonidos de potencia se muestran en la Tabla 1. Como puede observarse el ajuste del modelo a los datos experimentales fue bueno, excepto para las experiencias US a -10 y -5ºC en las que el ajuste resultó pobre con porcentajes de varianza explicada de 95.7 y 94.3%, respectivamente. Este bajo valor de la varianza explicada puede ser debido a que las hipótesis consideradas en la formulación del modelo no se correspondieron con las condiciones experimentales. En este caso, la resistencia externa a la transferencia de agua probablemente no sea despreciable frente a la interna debido a que la aplicación de ultrasonidos disminuye mucho esta última. La Figura 5 muestra un ejemplo del ajuste del modelo difusivo a los datos experimentales de secado a baja temperatura, en este caso a -10ºC con y sin aplicación de ultrasonidos. En dicha figura se aprecia que el modelo ajusta mucho mejor en la experiencia sin US como corroboran los valores del porcentaje de varianza explicada (Tabla 1) obtenidos en ambas experiencias. En cuanto a la difusividad efectiva identificada con el modelo, se observa el aumento que produce la aplicación de ultrasonidos en el valor de la misma para todas las temperaturas estudiadas. Los mayores incrementos de difusividad efectiva por la aplicación de ultrasonidos se dieron para las experiencias a -10ºC. Así, la difusividad efectiva en las experiencias US a -10ºC (13.05—10-11 m2/s) es mayor que la obtenida en las experiencias SUS a 10ºC (8.78—10-11 m2/s), lo que muestra el potencial de los ultrasonidos para acelerar la pérdida de agua en condiciones de liofilización a presión atmosférica. Tabla 1. Resultados de la modelización de las cinéticas de secado de manzana con (US) y sin (SUS) la aplicación de ultrasonidos de potencia.

SUS

US

-10ºC

-5ºC

0ºC

5ºC

10ºC

De (10-11 m2/s)

3.58±0.62

5.48±0.41

3.76±0.51

5.55±0.11

8.78±0.71

VAR (%)

98.3

98.3

99.8

99.9

99.2

-11

13.05±0.45

11.12±0.83

8.40±1.10

12.03±1.20

21.53±0.89

95.7

94.3

99.7

99.7

98.5

De (10

2

m /s)

VAR (%)

7

W (kg W/kg m.s.)

6 5

SUS

4

US Modelo

3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

t (h)

Figura 5. Cinéticas de secado (-10ºC y 2 ms-1) de manzana con (US) aplicación de ultrasonidos de potencia (50W, 21.9 kHz) y sin aplicación de ultrasonidos (SUS) y modelo difusivo.

CONCLUSIONES La aplicación de ultrasonidos de potencia durante el secado a baja temperatura de manzana incrementó la velocidad de secado y, por tanto, redujo los tiempos de procesado. El modelo difusivo utilizado resultó adecuado para describir las cinéticas de secado de manzana a baja temperatura. Asimismo, se observó como la aplicación de ultrasonidos de potencia incrementó los valores de difusividad efectiva para todas las temperaturas ensayadas (entre -10 y 10ºC). Por tanto, los ultrasonidos de potencia constituyen una alternativa apropiada para acelerar los procesos de secado a bajas temperaturas.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) su financiación para la realización de este trabajo a través del proyecto DPI2009-14549-C04-04.

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