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DESHIDRATACION Y CONCENTRACION DE CREMOGENADOS DE FRUTAS TROPICALESMEDIANTE VENTANA REFRACTIVA

DEHYDRATION AND CONCENTRATION FOR TROPICAL FRUITS USING REFRACTANCEWINDOWS TECHNOLOGY

1Guillermo Salamanca Grosso; Mnica Patricia Osorio TangarifePedro A. Martnez Gutirrez

1Grupo de Investigaciones Mellitopalinolgicas y PropiedadesFisicoqumicas de Alimentos

Facultad de Ciencias Departamento de QumicaUniversidad del Tolima Campus Universitario de Santa Elena parte Alta

A. A. 546 Ibagu Tolima ColombiaEmail: salamancagrosso@gmail.com

RESUMEN

En la industria de los alimentos ha ganado importancia las tcnicas de secado con el uso intensivode energa trmica. Estos mtodos sin embargo dependiendo de su intensidad inciden en la

calidad final del producto. El advenimiento de las tcnicas mediante ventana refractiva posibilitaeficientes operaciones de deshidratacin mediante conduccin y conveccin con la generacin deproductos que no pierden sus atributos sensoriales ni sus propiedades fisicoqumicas. Se haestudiado la cintica de secado y cambios en las propiedades cromticas de cremogenados deFresa, Guanbana, Guayaba, Lulo, Mango, Mora, Papaya, Pia y Tomate de rbol, por un periodode tiempo de secado de 45 min. En el procesado se aprovecha la energa trmica del vapor deagua, que es transferida mediante conveccin y radiacin en proporciones que dependen del laconductividad trmica (k; W/m K) de un sistema polmero interpuesto entre el vapor y el productoen proceso. El flujo de calor causa un incremento trmico entre 328 - 338 K. La transferencia decalor ganada por el producto est en funcin de la masa, la capacidad calorfica (Cp, Kj/kg K) y ladiferencia de temperatura (T, K), al inicio y al final del proceso. El calor ganado por la pelculaest en funcin de la conductividad del material (k, W/m K) y las diferencias trmicas entre el aguay la pelcula. Se evaluan los cambios en las propiedades cromaticas durante la operacin de

secado antes y despues del proceso, asi mismo la velocidad de secado.

Palabras clave: Secado de alimentos. Cintica color. Propiedades fisicoqumicas. Ventanarefractiva.

ABSTRACT

The use of thermal energy has gained special position in the food industry especially in the dryingprocess. These methods however depending on its intensity affect the final product quality. Theadvent of refractive techniques through window enables efficient operations of dehydration byconduction and convection to the generation of products that do not lose their sensory attributesand physicochemical properties. We have studied the drying kinetics, changes in the colorproperties of purees Strawberry, Soursop, Guava, Lulo, Mango, Blackberry, Papaya, Pineapple andTomato Tree, for a period drying of 45 min. The process uses heat energy from water vapor that istransferred by convection and radiation in proportions that depend on the thermal conductivity (k, W/ m K) of a polymer interposed between the steam and the product being . The heat flux causes atemperature increase from 328 to 338 K. The transfer of heat gained by the product is a function ofmass, heat capacity (Cp, kJ / kg K) and the temperature difference (T, K) at the beginning and endof the process. The heat gained by the film is based on the conductivity of the material (k, W / m K)and temperature differences between water and film. Changes in chromatic properties during thedrying process before and after, sothe same drying rate are evaluated.Keywords: Food Drying. Color kinetics. Physicochemical properties. Refrantance Windows.

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INTRODUCCIN

En la industria agroalimentaria se aplicanmtodos de conservacin que se basan en laimplementacin de tratamientos trmicos,atmosferas modificadas, conservas, envasadoasptico y recubrimientos comestibles, siendo losde mayor aplicacin los tratamientos trmicos, enespecial el secado de alimentos que permite lareduccion desde un 90-95% hasta 4.0%inhibiendo el crecimiento de los agentesmicrobianos de significacion alimentaria. Eldesarrollo de reacciones enzimticas que afectenlas caractersticas del producto, convirtindoseen uno de los tratamientos de conservacin mseficientes en la industria agroalimentaria. Elmtodo de secado implica gastos energticoselevados por la aplicacin durante tiemposprolongados de proceso, adems la aplicacin detratamientos trmicos en algunos casos generan

variaciones que afectan la calidad final delproducto, como pardeamiento y degradacin decomponentes nutricionales. (Mohapatra y Rao,2005; Brennan, 2006; Falade y Abbo, 2007).

La deshidratacin mediante el mtodoalternativo de ventana refractiva es un nuevoconcepto para el diseo de evaporadores deproductos procesados agroalimentarios. Estesistema se basa en la trasmisin de la energatrmica de agua caliente que circula en el equipoa travs de una pelcula de contacto polmeroconductor que contiene el producto en la

superficie de este, Nindo, et al, 2004;Salamanca et al, 2010). Productos procesadoscomo zumos de fruta y cremogenados sonexpuestos a este sistema de deshidratacinalimentado con agua caliente a 368 K, por unperiodo de tiempo de 20 a 40 minutos en funcinde los componentes del producto y lacomplejidad de este. La energa trmica del aguacaliente es transferida mediante conveccin yradiacin en proporciones que dependen del laconductividad trmica (k; W/m K) del polmeroconductor. Este flujo de calor genera la elevacininstantnea de la temperatura en el producto,alcanzando temperaturas del orden de 328 a 388K conservando sus propiedades funcionales sinprdida de los valores nutricionales, (Abonyi, etal, 2002; Nindo & Tang, 2007; Salamanca et al,2011).

En este trabajo se evalua el proceso de secadomediante ventana refractiva y la cintica dedegradacin de color de cremogenados de Mango(Mangfera indica), Mora (Rubus glaucus), Fresa

(Fragaria vesca L.), Papaya (Carica papaya),Tomate de rbol (Cyphomandra betacea),Guayaba (Psidium guajaba), Pia (Ananascomosus), Guanbana ( Annona muricata) y Lulo(Solanum quitoense).

MATERIALES Y MTODOS

Materia prima: Se utilizaron frutas frescas enestado optimo de madurez para consumoconsiderando los criterios de las Normas TcnicasColombianas (NTC): Mango (5139); Mora (4106),Fresa (4103), Papaya ( (1270), Tomate de rbol(4105), Guayaba (1263), Pia (4102), Guanbana(5208) y Lulo (5093). La elaboracion de loscremogenados se realizo conforme a lametodologia desctita por Salamanca et al, 2008.

Prototipo: Se implemento un prototipo del equiporeferenciado por Nindo, et al (2007). Este

prototipo consiste de un tanque con recirculacinde agua caliente en acero inoxidable de 0.37 x0.27 x 0.15 m acoplado con un sistematermostatado con regulacin de 353 a 423 K ycon opciones de monitoreo trmico a travs determocupla NI USB TC01 de NationalInstruments. Las operaciones de secado serealizan haciendo uso de una pelcula polimricacon k= 0.155 KW/m K y un sistema de extraccindel agua removida del producto en forma devapor.

Parmetros: Las determinaciones analticas

efectuadas fueron: Humedad, pH, Brix,conductividad (mS) y slidos inicos solubles (ppt)tomadas en las pulpas. Para efectuar dichasdeterminaciones se tuvo en cuenta los mtodosdescritos en el manual de mtodos analticos paraalimentos de la AOAC (2000).

Estabilidad del color: El estudio de laspropiedades cromticas y sus cambios se realizoa travs del anlisis de imgenes, haciendo usode camara cromatica, segn especificaciones dedescritas por Len, et al, (2006). Siguiendocriterios del sistema de CIELab, Francis &Clydesdale (1975; Hutchings, 1994). Se utiliz lacombinacin de los parmetros cromticos enrelaciones que describen la variacin del colorcaracterstico durante el proceso, Salamanca, etal, (2009). Mediante el parmetro E se determinael cambio total de color:

E = (L+a*2 +b*2)1/2 (1)

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segn Li (1998) el parmetro E cuantifica unaevaluacin sensorial para el cambio de colortotal segn la siguiente escala:

Diferencia rastreable E = 0,0 0,5Diferencia ligera E = 0,5 1,5Diferencia perceptible E = 1,5 3,0Diferencia apreciable E = 3,0 6,0Diferencia grande E = 6,0 12,0Diferencia obvia E > 12,0

Se utilizaron tambin las coordenadaspsicomtricas ngulo de tono (h*) y croma (C*),Shin & Bhowmik (1995). Los datos obtenidos seanalizaron mediante el software OriginPro v. 8.

h* = arctg [ b*/a* ] (2)

C* = [ (a*)2 + (b*)2 ]1/2 (3)

RESULTADOS Y DISCUSIN

Los principales parmetros fisicoqumicosasociados a los cremogenados de frutastropicales se relacionan en la tabla 1. Para elcaso del lulo se observan valores finales demasa y humedad de 42.91 (g) y 74.71 (g H2O/gmuestra) respectivamente, y una tendenciaexponencial para la relacin X/X0 vs t esto esdebido a la adicin en una relacin de 20% p/pde maltodextrina, agente adicionado en laindustria de alimentos para obtener frutosdeshidratados. Las maltodextrinas tienden a

absorber humedad y contribuyen al cuerpo ovolumen de muchos sistemas alimenticios,Fennema (2000), por ende el cremogenado delulo presento valores finales mayores de masa yhumedad, presentando una texturacaramelizada. Los dems cremogenadospresentan una tendencia caracterstica para elsecado de frutas, los valores finales de masa yhumedad varan en funcin de lascaractersticas propias de cada fruto.

Operacin de secado: En la figura 1 relacionala evolucin del proceso de secado de losdiferentes cremogenados mediante el mtodode ventana refractiva, en la figura 1. B segrafica la relacin X/X0 en funcin del tiempoque determina la variacin de humedad en loscremogenados procesados, esta se ajusta afunciones sigmoidales de tipo Boltzmann lascuales son caractersticos para representarprocesos de secado en la industria dealimentos, Martnez, et al, (2010). Segn Barta(2006), se puede observar varias fases durante

el proceso de secado, las cuales son el resultadode los cambios ocurridos durante este. En laprimera etapa del proceso se iguala latemperatura inicial del producto (288 K) a latemperatura indicada para el proceso (328 388K) y se da lugar al transporte de humedad,seguido a esto se presenta una etapa en la cual elflujo de humedad es constante hacia la superficiedel cremogenado expuesto en la pelculapolimrica, provocando que la superficie de estese encuentre hmeda. Las curvas de velocidad desecado permiten identificar desde el principio delproceso un periodo de velocidad decreciente,donde la velocidad de secado disminuye a medidaque se retira humedad del producto. Esto indicaque el proceso es controlado por la difusin deagua libre presente en los cremogenados.

En la fase final del secado se observa que lafraccin de agua contenida en los cremogenados

tiende a 0. Diversos autores reportan tiempos desecado mayores a 60 minutos para el secado defrutas tropicales mediante diferentes mtodos;secado convectivo por microondas Contreras, etal, (2008), Diaz, et al, (2003), secado por flujo deaire caliente Falada & Abbo, (2007), Koyuncu, etal, (2007), Chong, et al, (2007), Ramallo &Mascheroni (2011), con concentraciones dehumedad finales similares a las obtenidas por elsecado mediante el mtodo de ventana refractiva.

Tabla 1. Parmetros fisicoqumicos asociados a

los cremogenados de frutas tropicales.

Fruta Brix pH Cond.(mS)

TCD(ppt)

Humedad (%)

Inicial Final

Mango 17,9 4,26 2,15 1,40 82,30 7,10

Mora 6,04 2,73 3,36 1,61 89,96 4,08

Fresa 8,02 3,22 3,24 1,63 89,47 4,97

Papaya 7,60 5,23 5,18 1,79 88,29 3,46

T. rbol 8,01 3,6 4,73 2,39 87,78 4,38

Guayaba 7,10 3,72 2,51 1,29 87,08 2,34

Pia 9,11 3,37 2,47 1,25 86,35 2,84

Guanbana 15,5 3,57 1,53 0,48 80,66 6,47

Lulo 10,2 3,11 6,43 3,25 89,15 4,71

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Figura 1. (A) Evolucin de la masa decremogenados de frutos tropicales en funcin

del tiempo de proceso. (B) Secado yvelocidad de secado (C)..

Temperatura de proceso: Bajas temperaturasde proceso son favorables para conservar laactividad de los biocomponentes propiospresentes en los frutos tropicales, Grabowski, et

al, (2003). La figura 2 relaciona los perfiles detemperatura durante el proceso de secado parael agua caliente, cremogenados de fruta yambiente, se observo una elevacin de latemperatura del cremogenado a la temperaturade proceso. Uno de los factores que determinade manera crtica la velocidad de secado es ladiferencia de temperatura de bulbo seco de airey la de bulbo hmedo de la superficie delcremogenado que est siendo secado, esta se

conoce como depresin de bulbo hmedo,Brennan (2006).

Figura 2. Perfiles trmicos para unaoperacin de secado: (A) Temperatura agua,

(B) Producto, (C) Ambiente.

Estabilidad del color: El mtodo de ventanarefractiva utiliza temperaturas bajas deprocesamiento en pro de garantizar ladegradacin mnima de los componentes deinters en pulpas y zumos de fruta. En la Tabla2 se relacionan los datos para los parmetroscromticos de los frutos expuestos al procesode secado mediante el mtodo de ventanarefractiva, se observ la variacin de losparmetros L, a*, b*, h* y C* y segn el ANOVArealizado a los datos obtenidos se determinuna diferencia significativa entre estos (p

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Tabla 2. Relacin de parmetros cromticos de cremogenados antes y despues del proceso desecado mediante ventana refractiva.

Luminancia (L): Se ha presentado unadisminucin del parmetro en los cremogenadosde fruta procesados, esto indica que el color

evoluciona hacia tonos oscuros, se destacan loscremogenados de mora, fresa y guayaba en loscuales los valores finales de este parmetro sonde 21.49, 28.94 y 26.77 respectivamente, siendoestos los que tienden a tonos ms oscuros enrelacin a las frutas procesadas. Loscremogenados de mango y papaya son los quemenor variacin en luminancia tienen, siendo losvalores finales para este parmetro de 45,06 y43,46 respectivamente.

Cromaticidad verde/rojo (a*): Se evidencianvariaciones en las matrices evaluadasde diferente

tipo en los cremogenados procesados. ParaMango, Papaya y Tomate de rbol se presentaronvalores finales de 14.48, 30,66 y 20,11, con pocoscambios en la variabilidad del parmetro a* enrelacin a los datos inciales. En loscremogenados de Mora, Fresa y Guayaba sepresento la mayor variacin con valores finales de19.95, 39.38 y 29.86, respecto de los valoresiniciales; en los cremogenados de Pia,Guanbana y Lulo se presenta un incremento enlos valores.

Cromaticidad amarillo/azul (b*): Loscremogenados presentaron una tendencia a ladisminucin en el valor del parmetro, conexcepcin del cremogenado de Guanbana parael cual el valor de tiende a aumentar. Lospignentos de las frutas amarillas, rojas y naranjageneralmente se acompaan de carotenoides,estos compuestos presentan estabilidad relativa ala temperatura, pero se degradan cuando seincrementa el tiempo de procesado. La

deshidratacin al aire expone los carotenoides aloxigeno con lo cual se puede producir una extensadegradacin de los mismos, Fennema (2000),

Dergal (2006); las antocianinas son los pigmentosresponsables de los colores rojo, anaranjado, azuly purpura principalmente de frutas y flores, lostratamientos trmicos influyen en la destruccin delas antocianinas; se ha visto que en las fresas sepresenta una relacin logartmica entre la prdidadel color y la temperatura, Dergal (2006).

Figura 3. Evolucion de los parametroscromaticos en funcion del tiempo de secado.

Frutainicial Final E

L a* b* C* L a* b* C*

Mango 52,52 18,77 56,95 59,96 45,06 14,48 53,20 55,13 9,39

Mora 37,26 54,97 20,15 58,54 21,49 19,95 0,87 19,97 42,97Fresa 52,71 52,49 34,10 62,60 28,94 39,38 22,30 45,26 29,60

Papaya 49,95 34,71 55,08 65,10 43,46 30,66 50,07 58,72 9,14

Tomate de rbol 55,11 23,77 48,12 53,67 41,61 20,11 38,79 43,69 16,81

Guayaba 42,06 42,52 17,41 45,95 26,77 29,86 14,32 33,11 20,09

Pia 53,74 -13,18 46,16 48,01 42,52 -1,95 25,78 25,85 25,84

Guanbana 53,32 -0,84 8,06 8,10 43,56 3,00 16,27 16,54 13,31

Lulo 51,92 -0,68 55,05 55,06 42,45 6,05 48,94 49,31 13,13

0 20 40

0

1000

2000

3000 Mora

F r e s a

Gu a y a b a

L

x

a

*

Tiempo(min)

0 20 40

1800

2400

3000

Ma ng o

TomatedeArbol

P a pa y a

L

x

b

*

Ti e mp o ( mi n )

0 20 40

-40000

-20000

0

20000

Pi na

L ulo

Guanabana

L

x

a*

x

b

*

Tiempo(min)

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Croma (C*): este parmetro expresa colores vivoso colores apagados, por lo tanto, que los valoresde este parmetro cromtico para loscremogenados tengan una tendencia hacia 0indica que ha ocurrido una variacin en el color,Ahmed, et al, (2002), McGuire (1992). Loscremogenados tienden a disminuir el valor de C*lo que indica colores menos puros en relacin alcolor inicial. Para la Guanbana se evidencia unaumento de C*.

Cambio total de color (E): Se presenta unavariacin de color para todos los casos, segn lametodologa de Li para el anlisis sensorial de elcambio total de color se observa una diferenciagrande para los cremogenados de mango >papaya, y una diferencia obvia para loscremogenados de Mora > Fresa > Pia >Guayaba > Tomate de rbol > Guanbana > Lulorespectivamente. Tras la desecacion mediante

ventana refractiva los cremogenados de Mango,Tomate de rbol y Papaya muestranpardeamiento; en Mora, Fresa y Guayaba,presentan tonalidades osbcuras y rojizas. Loscremogenados de Pia y Lulo presentantonalidades del amarillo y verdozas intensas.Finalmente el cremogenado de G muestra ciertopardeamiento posiblemente al efecto de losazucares de la pulpa. La valoracin de losparametros se ajusta a cineticas de orden cero yprimer orden (Analisis no incluido).

CONCLUSIONES

Se ha evaluado la concentracion decremogenados de frutas, mediante la tecnica deventana refractiva, donde los tiempos deproceso no superan los 40 minutos, la velocidadde secado esta en funcin de las caractersticasde la materia prima inicial. El procesdadopresenta ventajas adicionales en relacion a otrastecnicas descritas en la liteartura, se aprovechala a energa trmica del vapor de agua, estransferida mediante conveccin y radiacin enproporciones que dependen de la conductividadtrmica del polmero conductor. Este flujo decalor genera aumento instantneo de latemperatura en el producto sin causar undeteriro excesivo del mismo. El trabajo presentadirectrices para el proceso de frutas tropicalesmediante este mtodo alternativo.

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