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XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS
LUGO, 26-28 Septiembre, 2007
CINÉTICAS DE DESHIDRATACIÓN DE ZANAHORIAS MEDIANTEDESHIDRATACIÓN
OSMÓTICA Y SECADO CON AIRE
M. J. Vázquez Vila(p), F. Chenlo Romero, R. Moreira Martínez, B.
Pacios Penelas
Abstract
Water is a basic component for obtaining a food material of
quality, but high content of waterimplies a perishable material.
Effective methods of preservation are necessary to prolong the
periods of storage of foodstuffs until use.
Textural, physical and nutritional characteristics of food
materials are generally modified bythermal processes. In this
sense, osmotic dehydration combined with air drying is an
interestingmethod to reduce water content of samples. In this work,
experimental dehydration kinetics ofcarrots (Daucus carota L.)
during osmotic dehydration operation and also during drying
bynatural convection with and without pre-treatment of osmotic
dehydration were determinated.Cylinders of carrot with different
diameters were employed and immersed into sodium chloridesolutions
with different concentration at several temperatures and times of
contact.
Water loss and acquisition of osmotic solute in samples increase
with temperature and solutionconcentration. Solids gain and water
loss values are also depended on specific area of samples.
Kinetic constants during drying were determined by fitting the
experimental data to first-orderkinetics. Drying rate increases
with temperature and decreases with diameter of
samples.Nevertheless, the quality of dried samples decays
dramatically with drying temperature.Regarding to drying rates of
samples previously treated with osmotic dehydration stepdecreased
respect to raw samples.
Keywords: kinetics, osmotic dehydration, air drying, carrots
Resumen
La presencia de agua resulta imprescindible para una calidad
aceptable de los alimentos perotambién los hace altamente
perecederos; así para poder almacenarlos es necesario someterlosa
eficaces métodos de conservación.
Las características físicas, texturales y nutricionales de los
alimentos se ven modificadas entratamientos térmicos. En este
sentido, la deshidratación osmótica combinada con el secadocon aire
resulta ser un método interesante para reducir el agua de las
muestras. En este trabajose hace un estudio cinético de la
deshidratación osmótica y del secado con aire sin y
conpretratamiento osmótico de la zanahoria (Daucus carota L.). Se
han utilizado cilindros dezanahoria de diferentes diámetros y como
medio osmótico disoluciones de cloruro sódico dedistintas
concentraciones a varias temperaturas de proceso y tiempos de
contacto.
La pérdida de agua y la ganancia de solutos osmóticos en las
muestras aumentan con latemperatura y la concentración de la
disolución. Los sólidos ganados y el agua perdida tambiéndependen
del área específica de las muestras.
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Las constantes cinéticas durante el secado se han determinado
ajustando los datosexperimentales a una cinética de primer orden.
La velocidad de secado aumenta con la
temperatura y disminuye con el diámetro de las muestras. Sin
embargo, la calidad de lasmuestras disminuye con la temperatura de
secado. La velocidad de secado de las muestraspreviamente tratadas
con deshidratación osmótica disminuye.
Palabras clave: cinéticas, deshidratación osmótica, secado con
aire, zanahorias
1. Introducción
La gran mayoría de los alimentos, en particular los de origen
vegetal, son específicos de unadeterminada época del año. Los
alimentos de alta calidad más demandados son tambiénaltamente
perecederos. Afortunadamente, mediante la aplicación juiciosa de la
tecnologíaactual, la disponibilidad de alimentos perecederos puede
ser aumentada contribuyendo así enuna forma útil, al bienestar
humano.
En este estudio se ha utilizado como materia prima la zanahoria
(Daucus carota L.). Aunque esun producto de la temporada de otoño e
invierno, se puede disponer de ella fácilmente encualquier momento
del año. La zanahoria representa, después de la patata, el
principaltubérculo cultivado en el mundo. Constituye una fuente
importante de azúcares, vitaminas (B1,B2, B6 y B12) y
β-caroteno (precursor de la vitamina A), siendo por ello importante
en laalimentación, especialmente en la infantil. Para la
realización de este trabajo se escogió lavariedad Nantesa por su
gran presencia en el mercado.
2. Objetivos
El agua es el componente mayoritario de los alimentos. Su
presencia contribuye de forma
importante a su envejecimiento y deterioro, por lo tanto la
disminución del contenido de agua enun alimento reduce la
posibilidad de su alteración biológica y las velocidades de
losmecanismos de degradación.
La finalidad principal de los procesos de conservación basados
en la reducción del contenido enagua es alargar la vida útil de los
alimentos. Sin embargo, es importante recalcar que laeliminación de
agua permite también disminuir considerablemente el peso de los
mismos, locual consigue ahorros económicos importantes tanto en lo
referido al transporte como almantenimiento.
El principal objetivo de este trabajo es el estudio de las
cinéticas de deshidratación de lazanahoria durante la
deshidratación osmótica (Matusek y Méresz, 2002) y el secado
porconvección natural sin y con pretratamiento osmótico (Górnicki y
Kaleta, 2007).
3. Metodología
La deshidratación osmótica (DO) es el proceso mediante el cual
se lleva a cabo la eliminaciónde agua de alimentos a partir de la
inmersión del producto en una disolución hipertónica. En ellatiene
lugar una transferencia de agua del alimento a la disolución y una
transferencia de sólidosde la disolución a la zanahoria.
El proceso de secado con aire caliente por convección natural
(CN) consiste en la separaciónparcial del líquido contenido en la
zanahoria introduciéndola en una estufa a una
temperaturadeterminada. Se producen cuatro procesos de transporte:
transmisión de calor desde el aire
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hasta la superficie del producto, transmisión de calor desde la
interfase sólido-aire hasta elinterior del sólido, transferencia de
materia a través del sólido y transferencia de vapor desde la
interfase sólido-aire hacia el seno del aire.
En el laboratorio se prepararon muestras de zanahoria de
geometría cilíndrica de 4,5; 7 y 9 mmde diámetro y con una longitud
igual a 16 mm. Para realizar el secado con aire caliente
porconvección natural las muestras se introdujeron en una estufa
marca P Selecta que trabaja enun intervalo de 0 a 80ºC (±1ºC)
seleccionando una temperatura de 40 o 55ºC. El peso de lasmuestras
se controló utilizando una balanza analítica Sartorius BP 210 S
(±0,0001 g) a lo largodel tiempo. Al final del experimento se
determinó el contenido en sólidos de las muestrasintroduciéndolas
en una estufa (K Tarma) a 90ºC; los resultados de las cinéticas de
secadoconvectivo se presentan como kg de agua/kg de sólido seco
frente al tiempo.
Las muestras que se han sometido a deshidratación osmótica
tenían las mismas característicasgeométricas que las del proceso de
secado con aire. En este caso se han realizado ensayos
con distintas concentraciones de cloruro sódico (17, 22 y 26% en
peso) y para la concentracióndel 26% en peso se estudió el efecto
de la temperatura (25, 35 y 45ºC) a distintos tiempos deproceso
(15; 30; 60; 120; 180 y 300 minutos). Para llevar a cabo dichos
experimentos lasmuestras se introducen en botes herméticos con un
determinado volumen de disoluciónconcentrada de sal. Los
recipientes se mantienen a una temperatura determinada dentro de
unbaño termostatado y tras el tiempo de proceso se sacan las
muestras de los botes y se secancon papel de filtro para eliminar
el exceso de líquido. Las muestras se pesan y se introducen enla
estufa a 90ºC, con el fin de conocer el contenido en sólidos de las
muestras que se hansometido a deshidratación osmótica.
Con el objetivo de disminuir más la humedad de las muestras de
zanahoria sometidas adeshidratación osmótica durante una hora,
éstas se someten, posteriormente, a un proceso desecado con aire a
40ºC durante 3 o 6 horas.
4. Resultados
A continuación, se presenta el análisis de los resultados
obtenidos para la deshidrataciónosmótica y el secado convectivo sin
y con pretratamiento.
4.1 Deshidratación osmótica
En el tratamiento de los datos obtenidos durante la realización
del proceso de deshidrataciónosmótica se analizaron diferentes
parámetros característicos de este proceso (Singh, B. et al2007) y
se aplicó el modelo propuesto por Hawkes y Flink (1978) para la
obtención de loscoeficientes de transferencia de materia (en
Moreira y Sereno, 2003).
Los parámetros determinados con los datos experimentales
obtenidos experimentalmente sonlas pérdidas de agua (WL), el
contenido en humedad normalizado (NMC), los sólidos ganados(SG) y
el contenido en sólidos normalizado (NSC).
La pérdida de agua y contenido en humedad normalizado
cuantifican la pérdida de humedad enel proceso de deshidratación
osmótica.
)(
)()(
00
00
S m
S mS mWL
−
−−−
= (1)
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0 X
X NMC = (2)
− m0 masa total inicial (kg)
− S0 masa de sólidos inicial (kg)
− m masa total a un tiempo determinado (kg)
− S masa de sólidos a un tiempo determinado (kg)
− X contenido de humedad en un determinado tiempo
(kg agua/kg sólido seco).
− X 0 contenido inicial de humedad
(kg agua/kg sólido seco)
La evolución de estos parámetros con el tiempo se presenta en
las Figuras 1 y 2,respectivamente para WL y NMC. En estas figuras
también se muestra, a modo de ejemplo, lainfluencia del diámetro
(Figura 1), de la temperatura de proceso (Figura 2) y de la
concentraciónde la disolución osmótica (Figura 3) sobre WL o
NMC.
Al representar WL frente al tiempo de deshidratación
osmótica (Figura 1) se observa que lasmuestras de menor tamaño
alcanzan el máximo en pérdida de humedad ya a la media hora; lasde
los otros dos diámetros más grandes no presentan dicho máximo hasta
más adelante. Porsu parte, al representar NMC frente al tiempo de
proceso (Figura 2) se observan dos zonas: laprimera, hasta
transcurrida 1 hora de tratamiento, en la que el valor del NMC
disminuyefuertemente, la segunda, a partir de 1 hora, donde el
valor de NMC se mantiene prácticamenteconstante. Así se puede
concluir que la pérdida de humedad aumenta al aumentar
latemperatura y con el grosor, como variable, no se aprecia una
tendencia constante.
En la Figura 3 se observa la influencia de la concentración de
la disolución osmótica sobre el
parámetro NMC, lo que indica que el contenido en humedad
normalizado es menor al aumentarla concentración. En todos los
ensayos posteriores se ha trabajado con la concentración de saldel
26% en peso.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1 2 3 4 5
tiempo (h)
W L
9 mm
7 mm
4,5 mm
Figura 1. Evolución de WL con el tiempo para distintos diámetros
de muestra (45ºC y 26% NaCl).
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5/10
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 1 2 3 4 5
tiempo (h)
N M C
25ºC
35ºC
45ºC
Figura 2. Evolución de NMC con el tiempo a distintas
temperaturas (26% NaCl, 7 mm).
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 1 2 3 4 5
tiempo (h)
N M C
17% 22% 26 %
Figura 3. Evolución de NMC con el tiempo a distintas
concentraciones de NaCl (25ºC, 7 mm).
Los sólidos ganados representan la cantidad de sal que toma el
tejido del alimento de ladisolución osmótica en relación al peso
inicial.
o
o
m
S S SG
)( −= (3)
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El contenido en sólidos normalizados indica la relación entre la
base seca a un tiempodeterminado y la inicial.
oS
S NSC = (4)
Las siguientes gráficas (Figuras 4 y 5) muestran la evolución de
estos parámetros con eltiempo, a la vez que dan una idea del efecto
que tienen sobre el proceso las variablestemperatura y diámetro de
muestra. De ellas se deduce que la ganancia de sólidos aumenta
alelevar la temperatura y al disminuir el grosor.
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 1 2 3 4 5
tiempo (h)
S G
9 mm
7 mm
4,5 mm
Figura 4. Evolución de SG con el tiempo para diferentes
diámetros (26% NaCl, 45ºC).
0
1
2
34
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5
tiem o h
N S C
25ºC
35ºC
45ºC
Figura 5. Evolución del NSC con el tiempo a distintas
temperaturas (26% NaCl, 7 mm).
132
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El modelo de Hawkes y Flink (1978) permite describir las
cinéticas de pérdida de humedad y deganancia de sólidos. Las
ecuaciones que sirvieron de base para obtener los coeficientes
de
transferencia de materia son (Moreira y Sereno, 2003):
5,01 t k NSC s
−= (5)
5,01 t k NMC w
−= (6)
A partir de este método se obtienen los coeficientes de
transferencia del agua (k w ) y del solutoosmótico
(k s) que se presentan en la Tabla 1.
Coef. (h-0,5) T (ºC) 25 35 45
k w 0,3339 0,3707 0,4103k s 2,1832
2,2833 2,8387
Tabla 1. Coeficientes de transferencia en deshidratación
osmótica (26% NaCl, 7 mm).
Se correlacionan los coeficientes de transferencia de materia
con la temperatura, bajocondiciones estáticas y con cloruro sódico
(26% en peso) como agente osmótico, obteniéndoselas expresiones que
se indican a continuación:
3484,01084,0 T k w = (7)
4295,05318,0 T k s =
(8)
Tal y como se observa, a tiempos cortos de deshidratación
osmótica los coeficientes detransferencia, tanto para el agua como
para el sólido, aumentan con la temperatura.
4.2 Secado convectivo por aire caliente
Se calculan las constantes cinéticas para distintas temperaturas
de secado así como paramuestras de distintos diámetros. Para
realizar el cálculo de las constantes cinéticas desecado
(k d ) se hace un ajuste de las curvas del contenido en
humedad frente al tiempo a unacinética de primer orden. La
expresión utilizada es:
t k
o
d e X X X X
⋅−
=
−
−
*
*
(9)
donde X * es la humedad de equilibrio. El
término de la izquierda de la ecuación (9) secorresponde con la
humedad normalizada. Los resultados obtenidos para la constante
dedeshidratación se presentan en la Tabla 2, donde se observa que
la velocidad de secadoconvectivo aumenta con la temperatura y
disminuye con el grosor de las muestras.
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Temperatura Diámetro(ºC) (mm)
9 7 4,5
40 0,1169 0,2035 0,3044
55 0,2629 0,2884 0,3279
Tabla 2. Constantes cinéticas de secado,
k d (h-1
), para la zanahoria en diferentes condiciones.
Las tendencias descritas se observan gráficamente en las Figuras
6 y 7.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20 25
tiempo (h)
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
40ºC
55ºC
Figura 6. Influencia de la temperatura en el secado convectivo
de muestras de 7 mm.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 10 20 30 40
tiempo (h)
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
9 mm
7 mm
4,5 mm
Figura 7. Influencia del diámetro en el secado convectivo a
55ºC.
134
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4.3 Proceso combinado: secado convectivo por aire caliente con
pretratamientoosmótico
En la Figura 8 se presenta el comportamiento de las muestras que
han sido pretratadasosmóticamente en comparación con las muestras
que se han secado únicamente porconvección natural, en el primer
caso la humedad disminuye más lentamente, esto es debido ala
presencia de la sal absorbida en el proceso de deshidratación
osmótica, la cual impide laeliminación de agua (Lewicki et
al , 2002; Phanindra et al., 2001).
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20 25
tiempo (h)
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
40ºC
55ºC
DO+CN 40ºC
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20 25
tiempo (h)
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
40ºC
55ºC
DO+CN 40ºC
( X - X * ) / ( X 0 - X * )
Figura 8. Evolución de la humedad con el tiempo de muestras de 7
mm en secado convectivo (40 y 55ºC)y en el proceso deshidratación
osmótica (DO, 1h, 26% NaCl, 25ºC)+secado convectivo (CN, 40ºC,
3h).
5. Conclusiones
• El nivel de deshidratación y la ganancia de sólidos
aumentan al aumentar la concentraciónde la disolución osmótica y la
temperatura de deshidratación y, durante la primera hora,
alaumentar el tiempo de deshidratación osmótica.
• La ganancia de sólidos durante el proceso de
deshidratación osmótica aumenta al disminuirel grosor de la
muestra, pero la pérdida de agua sufre fluctuaciones a lo largo del
proceso.
• A pesar de la existencia de mayor área superficial, el
aumento del diámetro ocasiona unaumento de la duración de la
primera fase de la deshidratación osmótica y disminuye lavelocidad
de pérdida de agua y la ganancia de sólidos. Esto se atribuye a la
existencia deuna mayor resistencia al transporte debida al aumento
de espesor que dificulta la salida deagua y entrada de sólidos en
la muestra.
• Durante la primera fase de la deshidratación osmótica el
nivel de deshidratación de lasmuestras y la ganancia de sólidos,
evaluados como NMC e NSC, están relacionados demanera lineal. En
esta primera etapa de deshidratación osmótica el comportamiento de
lazanahoria se adapta al modelo propuesto por Hawkes y Flink. Los
coeficientes detransferencia para el agua y para el sólido aumentan
con la temperatura.
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• La velocidad de secado convectivo aumenta con la
temperatura y disminuye con el grosorde las muestras. En el proceso
combinado la humedad disminuye más lentamente, esto es
debido a que la sal que poseen las muestras pretratadas
dificulta la eliminación de agua.
• La deshidratación osmótica presenta ventajas frente a
los métodos tradicionales hastaniveles medios de deshidratación
osmótica, tanto desde el punto de vista energético comoen lo
referente a las calidades organolépticas y nutricionales del
producto tratado.
Referencias
Górnicki, K. y Kaleta, A. (2007), “Drying curve modelling of
blanched carrot cubes under naturalconvection condition”, Journal
of Food Engineering, Vol 82, pp.160-170.
Lewicki, P., Vu Le, H. y Pomaranska-Lazuka, W. (2002), “Effect
of pre-treatment on convectivedrying of tomatoes”, Journal of Food
Engineering, Vol. 54, pp.141-146.
Matusek, A. y Merész, P. (2002), “Modelling of sugar transfer
during osmotic dehydration ofcarrots”, Periodica Polytechnica
Series Chemical Engineering, Vol. 16, pp.83-92.
Moreira, R. y Sereno, A. M. (2003), “Evaluation of mass transfer
coefficients and volumetricshrinkage during osmotic dehydration of
apple using sucrose solutions in static and non-staticconditions”,
Journal of Food Engineering, Vol. 57, pp.25-31.
Phanindra, A.S., Radhakrishna, K., Nagaraju, P.K. y Vijaya Rao,
D. (2001), “Effect ofcombination drying on the physico-chemical
characteristics of carrot and pumpkin”, Journal ofFood Processing
Preservation, Vol. 25, pp.447-460.
Singh, B., Panesar, P.S., Gupta, A.K. y Kennedy, J.F. (2007),
“Optimisation of osmoticdehydration of carrot cubes in sucrose-salt
solutions using response surface methodology”,
European Food Research Technology, Vol. 225, pp. 157-165.
Agradecimientos
Los autores quieren agradecer la financiación parcial de este
trabajo a la Xunta de Galicia(Proyecto
PGI-DIT04TAL265004PR).
Correspondencia
María José Vázquez Vila
Universidad de Santiago de Compostela. Departamento de Enxeñaría
Química. Facultad de Ciencias. Alfonso X O Sabio s/n, 27002,
Lugo, España
Phone: +34 982 285900 ext 24135 Fax: +34 982 285872
E-mail : [email protected]
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