DESHIDRATACIÓN DEL NOPAL CON ATEMPERADO EN LECHO FLUIDIZADO

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1 DESHIDRATACIÓN DEL NOPAL CON ATEMPERADO EN LECHO FLUIDIZADO San Martín-Azocar, A 1., Anaya-Sosa, I 1., Vizcarra-Mendoza, M.G 2*. ENCB-IPN, Departamento de Graduados en Alimentos 1 UAM-I, Área de Ingeniería Química 2 Av. San Rafael Atlixco no. 186, Col. Vicentina, Iztapalapa, México, D.F. INTRODUCCIÓN El nopal es una cactácea endémica del continente americano perteneciente a los géneros Opuntia y Nopalea. El nopal deshidratado se utiliza como base de medicamentos acorde con la herbolaria. Se le atribuyen propiedades curativas en afecciones renales, inducción de partos, alivio de dolores y cicatrices causadas por quemaduras, tratamiento de diabetes mellitus, problemas de colesterol y azúcar. Se dice que entre los indígenas de México uno de los usos más frecuentes era el empleo de las pencas del nopal como apósito caliente para aliviar procesos escoriatorios e inflamaciones (Claridades Agropecuarias, 2001). El secado de alimentos es un proceso cada vez más utilizado con fines de conservación. Como es un proceso que involucra la transferencia simultánea de calor y masa, el efecto térmico aunado a la disminución del contenido de humedad, puede alterar física y químicamente al alimento. En el caso específico del nopal, la poca efectividad del polvo o cápsulas deshidratadas (Pujari, 2003), puede deberse probablemente a que los tiempos prolongados a los que se sujeta el material al ser deshidratado de manera convencional, provocan una situación de estrés térmico e hídrico que disminuyen su calidad de producto deshidratado. Este material, debido al tipo de estructura que presenta y a su alto contenido de humedad inicial, sufre un fuerte encogimiento o deformación (San Martín, 2004). Para materiales sensibles al calor mucha de la resistencia al secado reside dentro de él mismo. Así, indudablemente altas velocidades de transferencia de masa y de calor aplicadas a la superficie, sólo resultan en un sobrecalentamiento o sobresecado de la capa superficial provocando problemas de calidad sin mejoría en la cinética de secado. La velocidad de migración de la humedad desde la parte interna del sólido hacia el frente de evaporación a menudo controla la velocidad de deshidratación.

2 Entre las diversas opciones que existen para deshidratar alimentos, se cuenta con la técnica de secado con tiempos de atemperado, la cuál consiste en someter al sólido a tiempos de secado alternados con tiempos de reposo fuera del secador. Durante el tiempo de reposo éste puede permanecer a la misma temperatura de secado (se mantiene el estrés térmico) o bien, se deja que el material tienda a alcanzar la temperatura del medio ambiente. En ambos casos, el sólido se mantiene en atmósfera aislada a fin de minimizar el intercambio de humedad con el exterior. Esta etapa del ciclo permite que la humedad se difunda de la porción central de la partícula hacia la superficie, redistribuyéndose así el gradiente interno de humedad. De ahí que al inicio de un nuevo ciclo, se presentan condiciones parecidas a las iniciales, pero con contenidos de humedad menores (Pan y col. 1999; Tolaba y col., 1999). Existen estudios en productos vegetales, donde se ha analizado el efecto del secado utilizando ciclos de atemperado sobre el consumo de energía, tiempo de secado y calidad del producto deshidratado, en todos se ha comprobado que al menos uno de estos parámetros se ve beneficiado (Troegger, 1980; Hemati y col.,1992; Pan y col., 1997; Pan y col.,1999; Tolaba y col.,1999; Soponronnarit y col.,1999; Shei y Chen, 1999; Chen y Wu, 2000; Chou y Chua, 2001; Anaya y col., 2003). En este trabajo se hace un estudio comparativo de las curvas de secado de nopal obtenidas a 3 temperaturas distintas, de manera convencional y con ciclos de atemperado y 2 formas de atemperar. Posteriormente se hace un análisis de los tiempos de secado y totales de proceso y de los coeficientes de difusión obtenidos en los experimentos. MATERIALES Y METODOS Materia prima. Como materia prima se utilizó nopal verdura, cuyas pencas fueron obtenidas siempre de la misma zona de cultivo, Distrito Federal. Las pencas de nopal se limpiaron y se trocearon en cubos de aproximadamente 1 cm 3. Equipo experimental. El secador de lecho fluidizado, presentado en la figura 1, consiste en un túnel de sección cuadrada de acero inoxidable de 0.2m por lado a través del cual circula el aire. En uno de sus extremos se coloca un tubo cilíndrico desmontable de acrílico,

3 de 0.1m de diámetro interno por 0.2m de altura, que contiene en la parte inferior, una malla 80 (1.78x10-4 m de abertura). El aire del medio ambiente es suministrado al equipo por medio de un ventilador accionado por un motor de 1 HP controlado por un inversor de frecuencia marca Siemmens, modelo Vector micromaster, que regula las rpm del rotor pudiendo así fijar el flujo de aire que se suministra al equipo, que alcanza un máximo de 0.02m 3 /s a condiciones estándar. El aparato también está equipado con un calentador de gas LP, con el que se calienta el aire alimentado al secador. A: Ventilador B: Quemador de gas C: Medidor de Flujo D: Secador C D A B FIGURA 1.- EQUIPO EXPERIMENTAL Caracterización física e hidrodinámica de los cubos de nopal. Antes de deshidratar, se cortaron los trozos de nopal fresco fijando un centímetro por lado, para así tener cubos de 1 centímetro cúbico de volumen. De la literatura, (Kunii & Levenspiel, 1990), se tiene reportada la esfericidad de los cubos igual a Esto permite, obtener el diámetro equivalente a una esfera, de los cubos, a partir de la siguiente ecuación: π d 2 = φ S (6A C ) = 6φ Posteriormente, para la obtención del diámetro equivalente d e de las partículas de nopal deshidratadas, se midió el volumen desplazado por 10 trozos de nopal, en una probeta cargada previamente con aceite vegetal. El volumen desplazado se divide S

4 entre 10 para obtener el volumen promedio de 1 partícula de nopal, y este valor se utiliza como el volumen equivalente de la esfera, V e : V π = 6 3 e d e La densidad empacada, ρ e, de los trozos de nopal se determino, introduciendo en una probeta de 100cm 3, la masa de nopal, m, necesaria para llenar totalmente el volumen de referencia, V, y con la ecuación siguiente se obtuvo esta densidad: m ρ e = V Debido a la dificultad que presenta este material para fluidizar, la determinación de la velocidad mínima de fluidización se realizó midiendo la caída de presión en función del flujo de aire, moviendo continuamente el material y observando visualmente la región de flujo de aire en la que el material se mantenía suspendido en la corriente de aire. Curvas de secado convencional Antes de comenzar, para cada esquema de secado, se midió la humedad inicial del nopal en una termobalanza digital Brainweight MB300, y se hizo el cálculo del peso que debía alcanzar la carga, para una humedad final de 10% b.h., ya que ésta es la humedad de los productos comerciales de nopal deshidratado. Una muestra de cubos de nopal previamente pesada, 200g (relación altura (L) a diámetro (D) del lecho: L/D = 0.5), se introdujo al secador, previamente estabilizado a la temperatura de operación y flujo de aire deseados. Una vez fluidizado el material, cada 3 minutos, se pesa la carga de nopal, hasta que se alcanza el peso final calculado. Curvas de secado con atemperado Estas curvas se obtuvieron sacando el sólido del secador, a intervalos de tiempo fijos. La carga de nopal puede sujetarse a dos formas de atemperado, una, manteniendo la misma temperatura de secado, u otra, dejando que el sólido se enfríe durante el tiempo que permanece fuera del secador (temperatura ambiente de 23±2 C). En ambos casos, el sólido se encuentra en un recipiente herméticamente cerrado (Incubator Hotpack), que impide el intercambio de masa con los alrededores. El contenido de humedad base seca, se calculó a partir de la ecuación:

5 P(t) P X = P donde X es el contenido de humedad del sólido en base seca, P(t) es el peso de la muestra al tiempo t y P ss es el peso de materia seca contenida en la muestra. Con este parámetro se construyeron las gráficas de humedad del nopal base seca en función del tiempo. A fin de facilitar la comparación entre las curvas de secado, éstas se graficaron normalizando el contenido de humedad, considerando el contenido de humedad inicial y el de equilibrio, por medio de la siguiente ecuación: ss ss X X * X = X X * O Diseño experimental. En la literatura (Palma, 2002) se establece que el nopal puede soportar tratamientos térmicos hasta los 80 o C, sin afectar su calidad (actividad enzimática de invertasa y peroxidasa). De la misma manera, de pruebas preliminares se pudo comprobar que el aumento del tiempo de secado (t S ) combinado con tiempos de reposo (t R ) fuera del secador, favorecía la actividad enzimática (San Martín, 2004). En base a esto, los experimentos aquí desarrollados se fijaron a los niveles indicados en el cuadro 1. Cuadro 1.- Niveles de los parámetros del diseño experimental PARÁMETRO NIVEL Temperatura ( o C) x 15 Ciclos: t S x t R (minutos) 15 x x 45 A cada temperatura, se obtuvieron curvas convencionales (sin ciclos de atemperado) y curvas de secado con ciclos de atemperado a la temperatura ambiente (ATA) y a la temperatura de secado (ATS). En todos los experimentos, el tiempo total del proceso de secado corresponde al tiempo que dura cada ciclo por el número de ciclos necesarios para alcanzar un contenido de humedad final del 10% bh. Suponiendo que el proceso de secado es gobernado por el movimiento difusivo de la humedad dentro del sólido, se linealiza la solución de la Segunda Ley de Fick para un solo término de la serie, ya que los tiempos de secado son largos, y de la recta

6 obtenida, se calcula el coeficiente de difusión respectivo (Aguerre, 1982), considerando al sólido una esfera de radio r: 2 2 π X π Ln = D 6 r e t Finalmente, para calcular los coeficientes de difusión promedio D ), se ponderaron ( e los coeficientes obtenidos considerando la fracción de variación del contenido de humedad de cada ciclo de secado (yi), de acuerdo a la siguiente ecuación: D e = i y D i e,i RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el cuadro 2 se muestran los resultados experimentales correspondientes a la caracterización física e hidrodinámica de los trozos de nopal. Resalta el hecho del fuerte encogimiento (>60%) que experimenta el nopal seco respecto al fresco, debido fundamentalmente a la fuerte reducción de contenido de humedad que es del orden de un 80% b.h. En la medida que se elimina más contenido de agua, se originan esfuerzos de contracción dentro del material lo que ocasiona el fenómeno de encogimiento (Mayor, L. y Sereno, A.M., 2004). Cuadro 2.- Valores característicos de los trozos de nopal. PROPIEDAD VALOR H o (Kg/Kg) bs d (m) fresco d e (m) seco ρ e (kg/m 3 ) 432 U mf (m/s) 1.54 En la figura 2, se puede apreciar que conforme aumenta la temperatura de operación del secador, la velocidad de secado del nopal aumenta, aunque a temperaturas comprendidas entre 70 y 80 o C las curvas no son significativamente diferentes. Este fenómeno pone de manifiesto la evidencia de que cuando el nopal

7 se deshidrata a altas temperaturas, se presentan condiciones para un secado rápido debido a los gradientes de humedad y se propicia por lo tanto, la formación de la costra externa que limita fuertemente la difusión del agua fuera del material (Mayor, L. y Sereno, A.M., 2003), lo que explica el fenómeno que se observa en esta figura. 1,2 Humedad adimensional 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 60 C 70 C 80 C 0, t (minutos) Figura 2.- Curvas de secado convencional de nopal en lecho fluidizado. En la figura 3 se presentan las curvas de secado con ciclos de atemperado, con el sólido fuera del secador: atemperamiento a temperatura ambiente (ATA) y a la temperatura de secado (ATS), a 60, 70 y 80 o C y ciclos de 15x15, 15x30 y 15x45. Humedad adimensional Secado con atemperado (60ªC) 15x15 ATA 15x30 ATA 15x45 ATA 15X15 ATS 15x30 ATS 15x45 ATS t (minutos) Humedad adimensional Secado con atemperado (70 C) 15x15 ATA 15x30 ATA 15x45 ATA 15x15 ATS 15x30 ATS 15x45 ATS t (minutos)

8 Humedad adimensional Secado con atemperado (80 C) t (minutos) 15x15 ATA 15x30 ATA 15x45 ATA 15x15 ATS 15x30 ATS 15x45 ATS Figura 3.- Curvas de secado de nopal a diferentes temperaturas y diferentes ciclos. Del análisis de estas gráficas se puede observar que no hay diferencias apreciables entre atemperar a temperatura ambiente y a la temperatura de secado, sobretodo para el caso en que el sólido permanece fuera del secador intervalos de 45 minutos e independientemente del nivel de temperatura al que es sometido. Sin embargo, también puede notarse que el fenómeno observado en la figura 2, en este caso, en que se seca por ciclos, alternando el secado con el atemperamiento, si se nota un efecto mas marcado de la temperatura sobre el proceso. También puede notarse que persiste la tendencia a que la velocidad de secado sea mayor a la temperatura de 80 o C. Finalmente, del análisis de estas gráficas se puede observar que aunque la tendencia de las curvas es la misma, el tiempo que toma en llegar al contenido de humedad final es menor en un ciclo completo, cuando se atempera a temperatura ambiente, exceptuando el caso a 80 ºC,15 X 45. En el Cuadro 3 se presentan los resultados correspondientes al tiempo total de secado (suma de todos los tiempos de secado) y de proceso (suma de los tiempos de secado mas los de reposo).

9 Cuadro 3.- Comparación entre los dos esquemas de secado con atemperado. ATEMPERADO A ATEMPERADO A TEMPERATURA TEMPERATURA AMBIENTE (ATA) DE SECADO (ATS) TEMPERATURA DE OPERACIÓN ( o C) s (min) CICLO r (min) TIEMPO TOTAL DE SECADO (min) TIEMPO TOTAL DEL PROCESO (min) TIEMPO TOTAL DE SECADO (min) TIEMPO TOTAL DEL PROCESO (min) SECADO CONVENCIONAL 132* * * SECADO CONVENCIONAL * SECADO CONVENCIONAL 105* * * * τ S : tiempo de secado; τ r : tiempo de reposo. *Valores significativamente diferentes (p<0.05) ATA + ATS: x ± σ 2 de tiempo total de proceso = ± ATA + ATS: x ± σ 2 de tiempo total de secado = ± Al comparar los tiempos totales de secado se aprecia que estos valores son mayores en el atemperado a temperatura de secado que en el atemperado a temperatura ambiente, como ya se había señalado en la figura 3. Es probable que en el atemperado a temperatura de secado, la pérdida de agua se vea dificultada por una capa superficial impermeable, puesto que el agua no se acumula en la superficie debido a la exposición del nopal a altas temperaturas. Cuando se atempera a temperatura ambiente, la humedad y el calor interior del material se difunden a la superficie, en la medida que el contenido de humedad en la superficie del nopal durante el atemperado se incrementa, la velocidad de secado es mayor cuando se reanuda el calentamiento (Chua y col, 2003). Se observa que en todos los casos el tiempo total de proceso es mayor en los esquemas de secado con ciclos de atemperado que en aquellos de secado convencional; sin embargo, los tiempos totales de secado, que representan el tiempo efectivo que el material está dentro del equipo y en contacto con el aire de secado, disminuyen en los secados con ciclos de atemperado. Otros autores han encontrado la misma tendencia al secar productos

10 vegetales con ciclos de atemperado (Anaya, 2003; Chou y Chua, 2001, Chua, 2003). Para el caso del nopal se encuentra que las mejores condiciones son a 70 C, 15 X 30 debido a que el tiempo de secado es de 60 minutos, comparado con 111 minutos en el proceso convencional a la misma temperatura y es el de menor duración de los esquemas probados en este estudio. En términos generales, el secado a 70 C en todas las combinaciones de tiempos de secado con tiempos de atemperado, es el más adecuado al presentar los menores tiempos de secado. En el caso de los tiempos totales de secado, éstos disminuyen en los secados con ciclos de atemperado, respecto a los secados convencionales. Cabe destacar que los mayores tiempos de secado son los registrados en los esquemas a 60 C, siendo significativamente mayor el valor de 60 ºC del secado convencional (p<0.05). En el cuadro 4 se presentan los coeficientes de difusión efectivos obtenidos para cada tramo de secado durante las diferentes corridas con ciclos de atemperamiento. Cuadro 4. Coeficientes de difusión de nopal deshidratado utilizando ciclos de atemperado a dos temperaturas de reposo. Temperatura de secado ( C) Coeficiente de difusión experimental (1x10 9 ) (m 2 /s) ATA ATS 60 o C Convencional 1.56* 15 X 15 (2.40) (2.16) 15 X 30 (1.97) (2.20) 15 X 45 (2.16) (2.20) 70 o C Convencional X 15 (3.20) (2.63) 15 X 30 (3.50) (2.56) 15 X 45 (2.53) (2.39) 80 o C Convencional 3.60* 15 X 15 (2.85) (2.5) 15 X 30 (3.60)* (3.03) 15 X 45 (2.79) (2.98) *: Valores significativamente diferentes (p < 0.05). ATA + ATS: x ± σ 2 = 1.85 ± 1.06 Los coeficientes de difusión efectiva oscilan entre 1.97 y 3.06 x 10-9 m 2 /s, valores de orden similar a los encontrados o señalados por otros autores para otros productos vegetales (Anaya, 2003; Mujumdar, 2000). En general, los coeficientes de difusión efectiva de los esquemas de secado de nopal con ciclos de atemperado a temperatura ambiente son mayores que los obtenidos para atemperado a

11 temperatura de secado debido a la diferencia entre la temperatura del material y el ambiente, que permite la redistribución de la humedad en el interior del alimento, con lo que se logra su eliminación con menos estrés térmico, esto explicaría los menores tiempos de secado para los atemperados a temperatura ambiente. Destacan los coeficientes difusivos a 80 C por ser significativamente mayores en el proceso convencional, lo que podría implicar una mayor velocidad de transferencia de masa, sin embargo, hay que considerar que las curvas obtenidas para los esquemas de secado con ciclos de atemperado se hacen asintóticas en la última parte del proceso, y es en esta etapa donde se reduce la velocidad de secado. Se podría inferir que de las tres temperaturas analizadas, 60 C es la menos conveniente para secar nopal, porque los coeficientes difusivos son los menores, lo que se refleja en tiempos de secado mayores, con excepción del esquema de 15x30 con la temperatura de atemperado igual a la de secado. Shei y Chen (1999) recomiendan tiempos cortos de aireación y tiempos largos de reposo para el caso del arroz. Pan y col. (1997) afirman que una diferencia de temperatura entre el material y el aire del ambiente ocasiona la evaporación de la humedad a costa de su calor sensible. También la distribución de la humedad después del reposo empieza a ser uniforme, lo cual proporciona condiciones parecidas a las originales, pero con contenidos de humedad menores. En este estudio se encuentra que los mejores tiempos de reposo no son los más cortos, sino de 2 y 3 veces el tiempo de secado, probablemente por la naturaleza de la estructura del nopal, que tiene un contenido muy grande de humedad inicial, además de tener entre dos placas compactas de fibra, que forman una costra que dificulta la eliminación de agua por lo que los períodos de reposo prolongado son mejores, además de que este biomaterial tiene una estructura diferente muy similar a la de un gel de polisacáridos y proteína, entre dos placas. Al emplearse condiciones de secado rápido y/ó presencia gradientes intensos de humedad dentro del material, fenómenos provocados por el proceso de atemperado, los contenidos bajos de humedad en la superficie del nopal indujeron la formación de una costra exterior rígida y porosa que determinó el volumen; por otra parte, la fuerte pérdida de humedad provocó el encogimiento subsecuente, provocando finalmente un efecto de endurecimiento en la superficie de las placas fibrosas y un encogimiento de la parte

12 gelatinosa, este comportamiento lo ilustran Pakowski y col, La formación de esta costra ha sido reportada por varios autores para otros biomateriales (Mayor. L. y Sereno; A.M. 2004) CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos y analizados en el presente trabajo se puede concluir que: - El esquema de secado que presenta más ventajas para secar nopal es el de 70 ºC, con ciclos de atemperado a temperatura ambiente, en la combinación de 15 minutos de secado y 30 minutos de reposo. - Se podría inferir que la deshidratación de nopal con ciclos de atemperado permite reducir el tiempo de secado al que está expuesto el producto durante el proceso, disminuyendo por lo tanto los costos de energía de operación. - Para secar nopal con ciclos de atemperado resulta más conveniente utilizar atemperados a temperatura ambiente que a temperatura de secado. - De las temperaturas analizadas para secar nopal la menos ventajosa es la de 60 ºC, ya que el proceso se completa y los tiempos de secado son altos. - Los coeficientes de difusión efectiva son del orden de 10-9 m 2 /s, similares a los reportados para otros productos vegetales. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aguerre, R.J., Suárez, C., Viollaz, P.E Drying kinetics of rouge rice grain. Journal of Food Technology 17: Anaya, I.; Cruz y Victoria, M.; Muñoz, J.L. y Vizcarra, M Quality assessment of dried-bean with biochemical parameters. International Journal of Food Properties. 6 (3): Chou, S.K. y Chua K.J New hybrid heat pump drying technologiesstatus and potential for drying food and heat sensitive materials. Proceedings of Second Inter-American Drying Conference. Boca de Río, Veracruz, México Chen, Ch. y Wu, P The study of interrupted drying technique for rouge rice. Drying Technology. 18(19):

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