Relación Entre La Conductividad Térmica y El Comportamiento Reológico de La Pulpa de Acerola

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Relacin entre la conductividad trmica y el comportamiento reolgico de la pulpa de acerola: Efecto de la concentracin y de la temperatura Cristina G. Pereira,, Jaime V. de Resende, Cuentos MO GiarolaMostrar msdoi: 10.1016 / j.lwt.2014.04.016Obtener los derechos y contenidos

ReflejosSe analiz la estructura y tamao de partcula de las pulpas de acerola.El modelo Herchel-Bulkley se utiliz para determinar los parmetros reolgicos.La viscosidad aparente se correlacion con la temperatura por la ecuacin de Arrhenius.Los valores de conductividad trmica fueron estimados por el modelo de Maxwell-Eucken.Se propuso ecuaciones que expresan conductividad como una funcin de la viscosidad aparente.

AbstractoEste estudio tuvo como objetivo evaluar la conductividad trmica y el comportamiento reolgico de la pulpa de acerola en concentraciones de 5,5, 7,5, 9,5, 11,5 y 13,5 Brix y temperaturas de 20, 30, 40, 50 y 60 C.Entre los modelos que se utilizan para determinar la conductividad, Maxwell-Eucken se utiliz para la adquisicin de datos.Ecuaciones lineales se ajustaron para evaluar la influencia de la concentracin y la temperatura de la conductividad trmica de la pulpa.Tambin se examinaron la estructura de la pulpa, los tamaos de partcula y la relacin entre los slidos solubles e insolubles.El comportamiento reolgico, viscosidad aparente especficamentefrente avelocidad de cizallamiento, fue influenciada tanto por el contenido de slidos solubles y la temperatura.Entre los modelos matemticos utilizados para probar el ajuste de los datos experimentales, el modelo Herschel-Bulkley proporcionado los mejores ajustes estadsticos y luego se utiliz para determinar los parmetros reolgicos.La viscosidad aparente se correlacion con la temperatura por la ecuacin de Arrhenius.Acerola pulpas fueron dilucin por cizallamiento y aumenta la conductividad trmica con la disminucin de la viscosidad al aumentar la temperatura.Las estructuras y las concentraciones tenan un impacto sobre la conductividad trmica eficaz.Los valores de temperatura y de concentracin se han corregido y fue propuesto ecuacin que expresa la conductividad en funcin de la viscosidad aparente, que permiten la evaluacin de una relacin existente entre las dos propiedades.Palabras clave Pulpa de acerola; Conductividad trmica; Reologa; La viscosidad aparenteNomenclaturaBAjuste de parmetros -CLos coeficientes de las ecuaciones ajustadas -EunLa activacin de la energa J / g molKHndice de consistencia (Herschel-Bulkley) Pa snRGas J constante / g mol KTTemperatura C o KXFraccin volumtrica -cConcentracin BrixkConductividad trmica W / m K o W / m CXFraccin de masa -zla temperatura o la concentracin C o Brix

Velocidad de cizalla s-1Viscosidad Pa sDensidad kg / m3Esfuerzo cortante PaLos subndicesunAparentecContinuodDispersareEficazyoComponente puromeMaxwell-EuckennNmero de componentesnHndice de comportamiento de flujo (Herschel-Bulkley)papParalelosSerie

1. IntroduccinAcerola (Malpighiaspp.), tambin llamado Antillas cerezo, es un rbol tropical que produce fruta muy rica en vitamina C (Manica et al., 2003).En Brasil, este rbol se planta en todas las regiones, y Pernambuco, Cear, So Paulo y Baha son los principales productores (Ritzinger, Kobayashi, y Oliveira, 2003).La acerola es un fruto climatrico y es altamente perecedero, por lo que esta fruta requiere de un proceso de comercializacin gil (Ritzinger et al., 2003, 198 pp.).Para la tramitacin de la acerola, los procesos trmicos, que comprenden la transferencia de calor, incluida la calefaccin, la refrigeracin y la congelacin, se necesitan.El correcto dimensionamiento de un sistema de produccin de alimentos a menudo se basa en datos precisos sobre la termofsicas (Mercalli, Sarkis, Jaeschke, Tessaro, y Marczak, 2011) y las propiedades reolgicas de la fruta y las necesidades de transporte del producto (Ikhu-Omoregbe, 2009) .Entre las propiedades termofsicas, la conductividad trmica es considerado el ms influyente durante el procesamiento trmico, y esta propiedad es altamente dependiente de la composicin y temperatura de los alimentos (Carson, 2006).Este conocimiento permite que el tiempo de procesamiento y la cantidad de energa necesaria en el proceso trmico a estimar.El comportamiento reolgico de la comida tambin debe ser considerado debido a que estas propiedades proporcionan una mejor comprensin de la organizacin estructural de alimentos y son importantes para los clculos de ingeniera de procesos, incluidos los equipos tales como agitadores, bombas, intercambiadores de calor, tuberas y homogeneizadores (Conceio, Fernandes, Prado, y Resende, 2012).Teniendo en cuenta la demanda del consumidor de alimentos procesados con alta calidad, hay una necesidad de definir cambios en las propiedades reolgicas de alimentos en operaciones que puedan afectar a su aceptabilidad global de procesamiento.Por eso es importante la determinacin del comportamiento reolgico de pastas y el desarrollo de modelos que describen el comportamiento reolgico en trminos de concentracin del producto y temperatura de procesamiento (Nindo, Tang, Poderes, y Takhar, 2007).El conocimiento del comportamiento reolgico tambin es importante para determinar la funcionalidad de los ingredientes en nuevos productos, control de calidad de la textura del producto final o intermedio y evaluacin por correlacin con los datos sensoriales (Steffe, 1996).Para evaluar la conductividad trmica y las propiedades reolgicas de pulpa de fruta, se necesitan varios parmetros importantes tales como la temperatura, la concentracin de slidos solubles, la humedad y la composicin qumica (Rahman, 2009).Grandes cantidades de datos sobre el efecto de estos factores sobre la conductividad trmica y la reologa han sido publicados en la literatura nacional e internacional (Azoubel, Cipriani, El-Aouar, Antonio, y Murr, 2005).Los estudios publicados sobre la influencia de la velocidad de cizallamiento de la conductividad trmica de los fluidos no newtonianos se realizaron para el jugo de mango porIkhu-Omoregbe (2009)y para el concentrado de jugo de naranja y el concentrado de jugo de mango a tres temperaturas diferentes medios deQi Lin, Chen , Chen y Bandoadhayay (2003).EnIkhu-Omoregbe (2009), el concentrado de jugo se encontr que era de dilucin de cizalla y los valores de conductividad trmica aumenta con la tasa de cizallamiento creciente.Tambin se encontraron Las conductividades trmicas a aumentar con la presencia de slidos en el zumo.Adems, se encontraron los valores de conductividad trmica a ser significativamente mayor con las partculas ms gruesas para una temperatura dada y la velocidad de cizallamiento.Tambin se observ la conductividad trmica para aumentar asintticamente a un valor constante con el tiempo de cizallamiento.Los modelos se basan en la suposicin de que la relacin entre conductividad trmica y velocidad de cizallamiento es lineal.En la obra deQi Lin et al.(2003), los valores de la conductividad trmicafrentese compararon velocidad de cizallamiento para el concentrado de jugo de naranja y el concentrado de jugo de mango a tres temperaturas medias diferentes.Se puede observar que la conductividad trmica para ambos fluidos aumenta significativamente, con el aumento de la velocidad de cizallamiento.El efecto de la temperatura sobre la conductividad trmica a la misma velocidad de cizallamiento era visible y fue ms significativo a mayor temperatura, especialmente para el zumo de mango.Lee e Irvine (1997)observaron para fluidos no newtonianos tales como carboximetilcelulosa acuosa (CMC) y Separan soluciones, que el aumento de la conductividad trmica con la velocidad de cizallamiento fue mayor para las soluciones de menor concentracin que para soluciones de alta concentracin.La conductividad trmica de ambas soluciones de CMC y Separan aument con el aumento de temperatura y velocidad de cizallamiento.Sus resultados mostraron una relacin lineal entre la velocidad de cizalla y la conductividad trmica.Los estudios anteriores mostraron que las sustancias alimenticias lquidas no newtoniano y semi-slidos tienen diferentes conductividad trmica bajo un ambiente de cizallamiento.Por tanto, si existe un efecto de la velocidad de cizallamiento en la conductividad trmica y la viscosidad aparente tambin se relaciona con velocidad de cizalladura es razonable sugerir que no habr cambios en las conductividades trmicas cuando la viscosidad aparente de estas sustancias se modifican.El objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento reolgico de la pulpa de acerola, determinar su conductividad trmica y desarrollar ecuaciones para la evaluacin simultnea de las influencias de la temperatura y la concentracin de la conductividad y la reologa de la pasta.Posteriormente, la conductividad trmica puede estar relacionado con la viscosidad aparente como una funcin de la concentracin y la temperatura.2. Material y mtodos2.1.Preparacin de la muestraAcerola fue comprado en el mercado local de Lavras-MG.La separacin de la pulpa se realiz con un aparato extractor de pulpa elctrico (Macanuda, Joinville, Santa Catarina), produciendo una pulpa con 7,5 Brix.Una porcin de la muestra se retir y se diluy a 5,5 Brix, y la otra porcin se concentr en un liofilizador (Edwards High Vacuum - Modelo - L4KR).La pulpa se retir despus de 34 h, antes de que fuera totalmente seca por congelacin.Despus de la liofilizacin, se obtuvo un producto con una concentracin aproximada entre 14,0 y 15,0 Brix.Estas concentraciones se ajustaron a 9,5, 11,5 y 13,5 Brix mediante la adicin de agua destilada.Los slidos solubles se determinaron mediante la lectura directa de un refractmetro porttil (Atago - N1, Tokio, Japn).2.2.Los anlisis qumicosPosteriormente, la composicin qumica aproximada de la pulpa se caracteriz a diferentes concentraciones.La cantidad de humedad, protena, fibra y cenizas se determin de acuerdo con la metodologa de laAOAC (1996), y se determin el contenido de grasa de acuerdo con la metodologa delInstituto Adolfo Lutz (2008, 1020 pp.).Los hidratos de carbono se determinaron por la diferencia entre el total (100%) y los porcentajes de humedad, protena, grasa, fibra y cenizas.2.3.Los slidos insolubles y tamaos de partculasLas imgenes de slidos insolubles fueron adquiridos utilizando un microscopio de luz (ML 5000 Meiji, Meiji Techno America, Santa Clara, CA, EE.UU.) con una cmara de vdeo adjunto (Cole-Palmer 49901-35, Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, EE.UU.) y el filtro de luz polarizada.Para determinar los slidos insolubles en pulpas de fruta a diferentes concentraciones, las muestras se centrifugaron a continuacin (SPLABOR, modelo SP-701, Presidente Prudente, Brasil) a 3248 gdurante 20 min, y la masa de precipitado y el volumen final se midieron.El precipitado se separ, se sec en horno de vaco a 65 C durante 48 h y los slidos insolubles (g / 100 g de pulpa) se determinaron.2.4.Determinacin de las propiedades reolgicasEn este trabajo, las mediciones reolgicas se realizaron utilizando un viscosmetro rotacional DVIII Ultra Brookfield con cilindros concntricos (Brookfield Engineering Laboratories, Stoughton, EE.UU.).Un termostato de bao de Brookfield (Brookfield Engineering Laboratories - Modelo EX 200) estaba unido a la camisa de cilindro del viscosmetro que contiene la muestra para la estabilizacin de la temperatura.El ajuste se confirm mediante la lectura del sensor viscosmetro.Los experimentos se realizaron a temperaturas de 20, 30, 40, 50 y 60 C.Las muestras se sometieron a aumentar la velocidad de cizallamiento, que vari linealmente 3,3 a 61,2 s-1.Durante los 6 min de carrera experimental, se registraron 12 puntos de datos.SC4-31 husillo (11,76 mm de dimetro y 30,68 mm de longitud) se utiliz para la pulpa a 5,5 Brix, se utiliz SC4-34 husillo (9,39 mm de dimetro y 29,36 mm de longitud) a la concentracin de 7,5 Brix y el husillo SC4 -25 (4,78 mm de dimetro y 17,70 mm de longitud) se utiliz para las concentraciones de 9,5, 11,5 y 13,3 Brix.A partir de los valores de tensin (cizallamiento ) y velocidad de cizallamiento (), Se calcularon los parmetros reolgicos para el Herschel-Bulkley, la ley de energa y modelos Casson.El procesamiento de datos se realiz mediante el Reocalcsoftware(versin V.3.1, Brookfield Engineering Laboratories, Stoughton, EE.UU.) para capturar los datos.2.5.Evaluacin del efecto de la temperatura sobre la viscosidad aparenteEl efecto de la temperatura sobre la viscosidad a una velocidad de cizalla especfica de 9,9 s-1se evalu por la Ecuacin(1), que es anlogo al modelo de Arrhenius.ecuacin(1)

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dondeunaes la viscosidad aparente (Pa s);Bes el ajuste de parmetros;Tes la temperatura absoluta (K);Eunaes la energa de activacin (J / g mol) y R es la constante de los gases (8,314 J / g mol K).2.6.Evaluacin de la conductividad trmicaEn la literatura, hay modelos estructurados para la determinacin de las conductividades trmicas de ciertos tipos de alimentos en ciertos rangos de temperatura que slo requiere el conocimiento de la composicin qumica.Estos modelos asumen que el alimento est hecho de una mezcla de sustancias puras, tales como hidratos de carbono, protenas, cenizas, grasa, agua y otros componentes, que tienen sus propias conductividades trmicas y que en su conjunto dan lugar a la conductividad trmica de la comida como un todo .Estos componentes puros se dice que tienen una conductividad trmica intrnseca.La relacin entre la conductividad trmica efectiva de los alimentos y las conductividades intrnsecas de sus componentes y la fraccin de volumen de cada componente puede ser descrito por la ecuacin(2).ecuacin(2)ke = f (k1, k2, k3, ..., X1, X2, X3, ...)GireMathJaxen

dondekees la conductividad trmica efectiva de los alimentos;k1,k2,k3, ... son los valores de las conductividades trmicas intrnsecas de los componentes de los alimentos;yX1,X2,X3, ... son las fracciones de volumen de cada componente (Miyawaki y Pongsawatmanit, 1994).La fraccin en volumen de cada componente se determina por la ecuacin(3).ecuacin(3)

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dondexies la fraccin de masa de cada componente yXi = 1.Las ecuaciones utilizadas para la determinacin de las conductividades trmicas y densidades de los componentes puros estn presentes enAshrae (2002).El modelo terico para la prediccin de la conductividad trmica de la pulpa es Maxwell-Eucken, como se muestra la ecuacin(4).ecuacin(4)

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Dondekmees la conductividad trmica Maxwell-Eucken (W / m K),cindica la fase continua ydindica la fase dispersa.La fase continua se considera que est compuesto de agua y la fase dispersa de los componentes tales como carbohidratos, protenas, grasas, fibras y ceniza.3. Resultados y discusin3.1.Anlisis fsico-qumicos de la pulpaTabla 1muestra la composicin qumica de la pulpa a concentraciones de 5,5, 7,5, 9,5, 11,5 y 13,5 Brix.Tabla 1.Composicin qumica y la desviacin estndar (SD) de la pulpa se analizaron a diferentes concentraciones.Artculo (g / 100g)Concentracin ( Brix)

5.57.59.511.513.5

Humedad94.077 (0.0038)92.102 (0.0153)90.113 (0.0198)87.949 (0.0120)85.624 (0.0946)

Protenas0.744 (0.0161)0.992 (0.0215)1.242 (0.0269)1.513 (0.0328)1.805 (0.0391)

Grasas0.074 (0.0219)0.099 (0.0292)0.124 (0.0366)0.151 (0.0446)0.180 (0.0532)

Los hidratos de carbono4.336 (0.0165)5.729 (0.0304)7.183 (0.0316)8.754 (0.0313)10.455 (0.0515)

Fibras0.541 (0.0428)0.752 (0.0570)0.902 (0.0714)1.100 (0.0870)1.312 (0.1038)

Ceniza0.228 (0.0141)0.325 (0.0594)0.436 (0.0349)0.532 (0.0112)0.623 (0.0183)

Opciones de tablaEstos anlisis fisicoqumicos se realizaron debido a que los datos de composicin de la pulpa son necesarios para la evaluacin de la conductividad trmica utilizando modelos como el de Maxwell-Eucken.Para utilizar estos modelos matemticos es necesario conocer las fracciones de masa y volumtricos de cada componente de la pasta que se calcula con la composicin proximal.3.2.Los slidos insolubles y tamaos de partculasFig.1muestra las fotografas de pulpas de frutas de acerola en concentraciones de 5,5 Brix (Fig. 1a), 9,5 Brix (Fig. 1b) y 13,5 Brix (Fig. 1c) obtenida por microscopa de luz polarizada, lo que indica la diferencia entre concentraciones en sus estructuras.Fig.1muestran que para el concentrado de pulpa de acerola haba gran nmero de fibras y aglomeraciones de fibras presentes.Los tamaos de algunas partculas variaban de 50 a 300 micras.

Fig.1.Las fotografas obtenidas por microscopa de luz polarizada para pulpas acerola en concentraciones de: (a) 5,5 Brix;(B) 9,5 Brix;y (c) 13,5 Brix.Opciones FiguraFig.2A muestra la fotografa de precipitados de muestras con diferentes niveles de slidos solubles despus de la centrifugacin.Despus de la separacin, el contenido de slidos insolubles (g / 100 g de pulpa) se represent como una funcin de los slidos solubles ( Brix), como se muestra enla Fig.2b.Hubo una relacin lineal (R2= 0,98) que indica que el contenido slido insoluble en las muestras analizadas es directamente proporcional al total contenido de slidos solubles.El contenido de slidos solubles ( Brix) es fcil de medir en condiciones de produccin de pulpa y por lo tanto puede ser considerado como indicativo de la cantidad de slidos insolubles presentes en las muestras y se utiliza como parmetro de concentracin en las siguientes secciones.

Fig.2.(A) Fotografa de muestras precipita con diferentes niveles de slidos solubles despus de la centrifugacin.(B) Los slidos insolubles (g / 100 g de pasta) en la pulpa de acerola como una funcin del contenido de slidos solubles totales ( Brix).Opciones Figura3.3.ReologaLos parmetros reolgicos se evaluaron a diferentes concentraciones de pulpa de acerola (5,5, 7,5, 9,5, 11,5 y 13,5 Brix) y las temperaturas de 20, 30, 40, 50 y 60 C.Entre los modelos utilizados para describir el comportamiento reolgico de la pulpa, el Herschel-Bulkley (Ecuacin(5)) proporcion los mejores parmetros estadsticos para ajustar los datos experimentales, la obtencin de un mnimoR2de 0,974.El modelo se utiliz para determinar los parmetros de lmite elstico (o), ndice de consistencia (KH) y fluyen ndice de comportamiento (nH) en todas las concentraciones y temperaturas analizadas.La viscosidad aparente a partir del modelo Herschel-Bulkley se calcul utilizando los parmetros del modelo de la ecuacin(6).ecuacin(5)

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dondees el esfuerzo cortante (Pa);oes el lmite elstico (Pa);KHes el ndice de consistencia (Herschel-Bulkley) (Pa sn);es la velocidad de cizallamiento (s-1);nHes el ndice de comportamiento de flujo (Herschel-Bulkley).ecuacin(6)

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dondeunaes la viscosidad aparente (Pa s);KHes el ndice de consistencia (Herschel-Bulkley) (Pa sn);es la velocidad de cizallamiento (s-1);nHes el ndice de comportamiento de flujo (Herschel-Bulkley) yoes el lmite elstico (Pa).Tabla 2enumera los parmetros obtenidos por el modelo Herschel-Bulkley usando el software Rheocalc para la pulpa en concentraciones de 5,5, 7,5, 9,5, 11,5 y 13,5 Brix y a todas las temperaturas en el anlisis.Los resultados indicaron que todas las muestras de pulpa de acerola tenan comportamientos cizalla (ndice de flujo;n