MODELADO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA DE ARÁNDANOS. Zecchi B., de Mattos R., Cabrera L., Martín A., Gerla P. y Martínez Garreiro J.

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1 MODELADO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA DE ARÁNDANOS Zecchi B., de Maos R., Cabrera L., Marín A., Gerla P. y Marínez Garreiro J. Insiuo de Ingeniería Química, Faculad de Ingeniería, Universidad de la República Julio Herrera y Reissig 565, Monevideo, Uruguay Palabras clave: deshidraación osmóica, arándanos, modelado La invesigación vinculada a producos de arándanos en nuesro país, se ha desarrollado fundamenalmene relacionada a aspecos agronómicos de la producción primaria. El arándano es un ipo de frua, que puede ser someido a diversos procesos de secado aunque con disinos resulados en cuano a calidad y cualidades del produco. Una alernaiva al produco naural fresco o congelado es el produco deshidraado en forma de pasas de arándano confiadas. Ese produco puede obenerse realizando previo al secado una deshidraación osmóica con soluciones de diversos azucares. Esa combinación mejora la exura del produco final obenido, disminuye iempos de proceso y cosos energéicos. Se desarrolló la invesigación de un proceso de deshidraación osmóica para la producción de pasas confiadas de arándano de humedad inermedia (enre 8% y 4%), ensayando disinas soluciones de azúcares. La esraegia para lograr el desarrollo del produco y de su proceso de producción, es una combinación de información experimenal (produco y proceso) y de la formulación de modelos eóricos, empíricos o semiempíricos que vinculan las principales variables del proceso. Se realizaron deerminaciones experimenales de las cinéicas de deshidraación osmóica de arándanos en soluciones de sacarosa y frucosa y los resulados experimenales ano para la pérdida de agua como la ganancia de sólido se ajusaron con los disinos modelos disponibles del proceso. Del ajuse de cada uno con los daos experimenales, se deerminaron los parámeros de cada modelo y los errores de predicción respecivos. En general se lograron buenos ajuses para odos los modelos ensayados, con errores medios relaivos menores de.% para la pérdida de agua y de 5.5% para la ganancia de sólido. Esos modelos permien predecir las concenraciones de azúcar y agua con el iempo de proceso para deerminadas condiciones de operación y pueden uilizarse para deerminar las mejores condiciones operaivas, el cálculo del iempo requerido para deerminado cambio y para el conrol del proceso.

2 INTRODUCCIÓN Como consecuencia de la demanda y el valor comercial de alimenos deshidraados de origen naural, se han desarrollado nuevos producos, procesos y ecnologías de deshidraación y secado que conducen a producos mejores y más diversos. La producción nacional de arándanos es comercializada en forma de produco fresco o congelado casi exclusivamene. Sin embargo, el arándano es un ipo de frua que ano por su pequeño volumen como por el ipo de piel que presena (mecánicamene resisene y con una capa cerosa), puede ser someido a muy diversos procesos de secado con disinos resulados en cuano a calidad y cualidades del produco. En el caso de los arándanos, una alernaiva al produco naural o congelado es la producción de pasas de arándano confiadas, para las que exise un mercado exerior significaivo. Ese produco deshidraado de humedad inermedia requiere inroducir una eapa previa al secado, en la que se realiza la deshidraación osmóica en soluciones de diversos azucares. Esa eapa de osmosis, produce una imporane reducción de la canidad de agua a eliminar en la eapa de secado que es energéicamene muy cososa, a la vez que alera las caracerísicas de la frua someida al secado, modificando las caracerísicas del produco deshidraado y resalando su sabor. La inroducción de azucares en la frua permie obener un produco final con mayor humedad pero con igual capacidad de conservación debido a la incidencia del conenido de azucares en la frua sobre la acividad de agua. El proceso de secado siguiene, puede hacerse por una combinación de ecnologías de las cuales la combinación de convección y vacío es una buena opción que ya ha sido esudiada por ese grupo. Asimismo se han invesigado diversos preraamienos de la frua naural ya que los arándanos presenan una piel cerosa y resisene que dificula ano la salida de agua como el ingreso de azucares. La incorporación de una eapa de preraamieno (químico, mecánico o érmico) para aumenar la permeabilidad de la piel de los arándanos, facilia los procesos ano de secado como de ósmosis, reduciendo considerablemene el iempo de esas operaciones. La selección de una ecnología o combinación de ecnologías que se adecuen al ipo de produco, así como las condiciones operaivas durane el proceso de producción, inciden ano en las caracerísicas del produco final como en la relación calidad/coso del mismo y son objeo de coninua invesigación para el desarrollo de producos y procesos en odo el mundo. En el caso de producos deshidraados, el objeivo de la combinación de disinas ecnologías de secado, y oras operaciones como osmosis y preraamieno químico, apuna a lograr una esraegia de deshidraación más flexible, que conemple la

3 evolución de las caracerísicas del produco al reducirse su humedad, se adape a la ermo sensibilidad creciene del mismo durane el avance de la deshidraación y logre un produco final de calidad superior con un proceso más eficiene y de coso adecuado al valor del produco. En la bibliografía se encuenran muy pocos esudios sobre modelado del proceso y en paricular de las cinéicas de deshidraación osmóica y secado de arándanos, que den una descripción analíica del proceso y permian predecir su evolución en función de las condiciones de las disinas operaciones y su incidencia sobre el produco resulane. El proceso de secado de arándanos y paricularmene la combinación de secado convecivo y a vacío así como el proceso de pre raamieno químico que resuló muy efecivo en la reducción del iempo de proceso, ya ha sido esudiado por ese grupo en rabajos previos. En el presene rabajo se esudia el proceso de deshidraación osmóica de arándanos como eapa previa al secado, uilizando diferenes soluciones hiperónicas de disinos azucares (sacarosa, xilosa, frucosa, dexrosa) en disinas concenraciones, emperauras y iempos de conaco. Se ensayan disinos modelos eóricos y empíricos para describir la deshidraación osmóica con el fin de predecir la variación de la pérdida de agua y la ganancia de sólido con el iempo durane la deshidraación osmóica. Esa eapa de osmosis puede dejarse ranscurrir hasa alcanzar disinas concenraciones en el produco que luego será someido a secado. Esas variaciones en el proceso de deshidraación osmóica incidirán sobre las caracerísicas del produco final (pasas de arándano) que se obiene después de la eapa siguiene de secado. Ese produco puede obenerse con humedades que van enre el enre el y el 4%, y sus cualidades diferirán dependiendo de su conenido de humedad final pero ambién de las condiciones de cada eapa del proceso de producción, por lo cual disponer de modelos predicivos de cada eapa del proceso en función de las variables operaivas, resula de mucha uilidad para la deerminación de las mismas y el conrol del proceso. MATERIALES Y METODOS Se uilizaron arándanos culivados en nuesro país, de variedad O Neil que fueron acondicionados en nuesro laboraorio en un freezer a -8ºC. Previo a cada ensayo, los arándanos congelados se clasificaron por amaño, seleccionando los de diámero enre y 6 mm. Anes de cada ensayo las muesras de arándanos se descongelaron, se ermosaizaron a emperaura ambiene durane una hora. Inmediaamene se deerminaron los valores de la humedad inicial y solidos solubles

4 iniciales en una pare de la muesra uilizando una esufa de vacío a 7ºC (AOAC, 99) y un refracómero ATAGO respecivamene. Los resulados obenidos fueron: 8% (b.h.) de humedad inicial y ºBrix de concenración inicial para los sólidos solubles. Ensayos de cinéica de deshidraación osmóica Se uilizaron dos soluciones osmóicas de diferenes azúcares (sacarosa y frucosa). La solución de sacarosa de 7 ºBrix se preparó a parir de sacarosa pura diluyéndola en agua desilada. La solución de frucosa de 77ºBrix fue suminisrada por una empresa del mercado. Se uilizó una relación en peso de (solución hiperónica /arándanos) de : para minimizar los cambios en la concenración de la solución durane el proceso. Previo a la deshidraación osmóica, los arándanos se preraaron químicamene con una solución de soda caliene (NaOH % en peso a ebullición durane 3 segundos) y luego se enjuagaron con agua. El exceso de agua superficial se eliminó con papel absorbene. Los arándanos y la solución osmóica se colocaron en recipienes en un baño de agua ermosaizado a 45ºC. Cada recipiene cuena con un sisema de agiación que asegura uniformidad de la emperaura y la concenración de la solución hiperónica en la que se sumergieron los arándanos. Se fueron reirando los arándanos a diferenes iempos, se enjuagaron con agua para eliminar el exceso de solución superficial y se secaron con papel absorbene Cada muesra se pesó y se deerminó su humedad y el conenido de sólidos solubles (grados Brix) correspondienes al iempo de muesreo. Modelos El modelado de la deshidraación osmóica resula complejo debido a que en el sisema exisen dos flujos opuesos y simuláneos de solvene y soluo en condiciones alejadas del equilibrio, a la vez que el produco se encoje y deforma durane el proceso. Los modelos más frecuenemene uilizados para describir ese proceso vinculan la variación de la pérdida de agua (WL) y la ganancia de sólidos (SG) con oras variables del proceso. Sin embargo esos modelos suelen no ser exrapolables a condiciones diferenes de las experimenales en las que se obuvieron los parámeros del modelo. Oro ipo de modelo es el fenomenológico basado en la segunda ley de Fick para la difusión en esado no esacionario. Para geomería esférica, considerando consanes la difusividad y la concenración en la inerfase, resula el modelo de Crank (975): LW LW LW 6 = π exp n n e π LW n= R SG SG SG 6 = π exp n n e π SG n= R D D (a) (b)

5 siendo D e, la difusividad efeciva del agua que sale del sólido, D e la difusividad efeciva del azúcar que ingresa al sólido,(frucosa o sacarosa según corresponda) y R el radio del arándano. LW y SG represenan, respecivamene, los valores de la masa de agua pérdida por el sólido y la masa de soluo que ingresó al sólido cuando se alcanza el equilibrio, mienras que LW y SG represenan los valores iniciales de conenido de agua y soluo en el sólido. Para la deerminación de los parámeros (D e y LW ) y (D e y SG ) en las ecuaciones (a) y (b) respecivamene, se consideraron los primeros érminos de la serie. Ese modelo fenomenológico realiza suposiciones que no se cumplen esricamene en el ensayo experimenal de deshidraación osmóica, como el manenimieno de la densidad, la forma y el volumen ya que los arándanos se conraen y deforman durane el proceso. Por esa razón la difusividad efeciva incluye variaciones de propiedades físicas, geoméricas y cambios esrucurales de la mariz del produco. Eso hace que en el modelo algunos parámeros omen valores que engloban esas variaciones implíciamene y por lo ano el modelo no represenará esricamene la incidencia de los diferenes parámeros sobre el proceso. Oros modelos empíricos o semiempíricos han sido desarrollados y aplicados a procesos de deshidraación osmóica de diferenes producos. El modelo de Magee (978) propone: LW = k + (a).5 k o SG = k + (b).5 k o donde k y k o son parámeros cinéicos asociados la salida de agua del produco mienras que k y k o son parámeros cinéicos asociados al ingreso de azucares en el sólido (frucosa o sacarosa). Tano k como k son parámeros cuyo valor esá vinculado a los diferenes mecanismos de ransferencia de masa que ocurren durane el proceso de deshidraación osmóica. El modelo de Azuara (99) modela la pérdida de agua y ganancia de soluo a parir de los balances de masa correspondienes, represenados por las ecuaciones (3a) y (3b), cada una de las cuales incluye dos parámeros de ajuse, s, LW y s, SG respecivamene: LW = s LW + LW (3a) SG = s SG + SG (3b)

6 Por úlimo, el modelo empírico de Page (949), definido por las ecuaciones (4a) y (4b), presena dos parámeros de ajuse para el solvene A, B, (Ec. 4a) y dos para el soluo A, B, (Ec. 4b): ( A B ) LW = exp (4a) B ( A ) SG = exp (4b) Se deerminaron los parámeros de cada uno de los diferenes modelos a parir del ajuse de los daos experimenales de pérdida de agua y ganancia de sólidos obenidos durane la deshidraación osmóica de arándanos. Se deerminó ambién en cada caso el error relaivo promedio para evaluar el ajuse y deerminar cuál o cuáles de los modelos represena mejor el proceso de deshidraación osmóica. El error se calculó según: i = n Xcalc Xexp %e = (5) n i = Xexp donde X represena el valor de LW o SG, calculado por el modelo correspondiene (X calc ), el valor obenido experimenalmene es (X exp ), y n es el número de daos experimenales omados a disinos iempos de proceso. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las figuras y represenan los valores calculados de pérdida de agua (LW) y ganancia de sólidos (SG) en función del iempo de deshidraación osmóica en solución de sacarosa y las curvas de ajuses para los disinos modelos LW (%) 3 Daos experimenales Modelo CranK Modelo Magee Modelo Azuara Modelo Page Tiempo (hr) GS (%) 5 5 Daos experimenales Modelo CranK Modelo Magee Modelo Azuara Modelo Page Tiempo (hr) Figura Pérdida de agua en solución de sacarosa Figura Ganancia de sólido en solución de sacarosa

7 Las figuras 3 y 4 muesran los valores calculados de pérdida de agua (LW) y ganancia de sólidos (SG) en función del iempo de deshidraación osmóica en solución de frucosa y las curvas de ajuses para los disinos modelos. LW (%) Daos experimenales Modelo CranK 5 Modelo Magee Modelo Azuara 5 Modelo Page Tiempo (hr) GS (%) Daos experimenales Modelo CranK Modelo Magee Modelo Azuara Modelo Page Tiempo (hr) Figura 3 Pérdida de agua en solución de frucosa Figura 4- Ganancia de sólido en solución de frucosa En las ablas y se presenan los parámeros asociados a los diferenes modelos para diferenes soluciones hiperónicas (sacarosa y frucosa) y los errores medios relaivos del ajuse enre los modelos y los daos experimenales para la pérdida de agua (LW) y para la ganancia de sólidos (SG) durane la deshidraación osmóica en solución de sacarosa y frucosa. Tabla - Modelos de pérdida de agua (LW): Parámeros y error del ajuse enre el modelo y los daos experimenales con las diferenes soluciones osmóicas Modelo Crank Magee Azuara Page D e (m /s) LW %e k ko %e s LW %e A B %e Solución de: Sacarosa 4,95E- 5,7, 8,85 5,55,6,3 47,4 3,,4 -,38,4 Frucosa,9E- 53,9 9,9 6,4,94,,53 5,4,8,59 -,36, Tabla - Modelos de ganancia de solidos (SG): Parámeros y error del ajuse enre el modelo y los daos experimenales con las diferenes soluciones osmóicas Modelo Crank Magee Azuara Page D e (m /s) SG %e k ko %e s SG %e r A B %e Solución de: Sacarosa,7E- 6, 3,7 6,99,34 3,4,385 3,4 5,5,5 -,67 4, Frucosa,44E- 49, 3, 5,97 3,3 3,,394 58,5,8,58 -,3 3,

8 De la abla surge que en general odos los modelos resulan adecuados para describir la pérdida de agua durane la deshidraación osmóica, con errores relaivos medios de ajuse enre.4 y % para el caso de la sacarosa y enre.8 y. % para la frucosa. Para soluciones hiperónicas de sacarosa resula que la pérdida de agua puede considerarse mejor represenada por el modelo de Page, Azuara y Magee que por el de Crank, que presena un ajuse no an bueno. Para la frucosa se da el mismo comporamieno respeco a los modelos pero con errores relaivos menores. Para la ganancia de sólidos el modelo de Azuara resula ser el menos adecuado cuando se uiliza sacarosa como solución osmóica con un error relaivo medio de 5.5% mienras que, los oros modelos presenan errores relaivos medios enre 3.4 y 4.%. Para la frucosa los errores de ajuse varían enre.8 y 3.% para odos los modelos. Asimismo, y a pesar de que los errores son bajos, el modelo de Magee no resula una buena represenación de la realidad a iempos coros ya que predice un valor no nulo de pérdida de agua y de ganancia de sólido para iempo igual a cero. Los resulados del modelo de Crank permien comparar los valores de difusividad efeciva obenidos con los deerminados por oros invesigadores en sisemas similares y resulan en ser del mismo orden de magniud lo cual valida la capacidad del modelo para predecir la variación de concenraciones de soluo y solvene durane el proceso, aun inroduciendo valores de difusividad efeciva de azucares y agua omados de la bibliografía para producos similares. A su vez, la deerminación experimenal del valor a iempo infinio LW =55,9 resula del orden del valor esimado según el modelo de Crank. Aunque los valores del error para la perdida de agua según el modelo de Crank son de alrededor del %, se considera que ese modelo es adecuado para describir el proceso de deshidraación osmóica de arándanos. Maemáicamene resula ser más complicado pero presena la venaja que, es posible uilizar valores de bibliografía para el coeficiene efecivo de difusión y las concenraciones de equilibrio (LW o SG ) y obener una predicción acepable de la evolución del proceso sin realizar deerminaciones experimenales de ningún parámero. CONCLUSIONES Todos los modelos presenados son aplicables para predecir la deshidraación osmóica de arándanos. Sin embargo los modelos de Crank, Page y Azuara son más

9 adecuados para describir el proceso que el modelo de Magee en las condiciones ensayadas. Dada la simplicidad de la ecuación de Page y que la magniud de los errores de ajuse de ese modelo es similar a la de oros modelos más complejos, se considera que ese es el más adecuado desde el puno de visa de prácico. Esos modelos permien predecir las concenraciones de azúcar y agua con el iempo de proceso para deerminadas condiciones de operación y pueden uilizarse para deerminar las mejores condiciones operaivas, el cálculo del iempo requerido para deerminado cambio y para el conrol del proceso. BIBLIOGRAFIA Crank J. (998). The Mahemaics of Diffusion. Claredon Press. Oxford Grabowski, S., Marcoe, M., Quan, D., Taherian, A.R., Zareifard, M.R., Poirier, M., Kudra, T. (7).Kineics and qualiy aspecs of Canadian blueberries and cranberries dried by osmo-connecive mehod. Drying Technology, 5(), pp Jusin, S., Zhongli, P., McHugh, T., Wood, D., Hirschberg, E., Olson, D. (8). Drying and qualiy characerisics of fresh and sugar-infused blueberries dried wih infrared radiaion heaing. LWT- Food Science and Technology, 4 (), pp Marcoe, M., Taherian, A.R., Grabowski, S., Tanguay, M., Zareifard, R.M. (5). Fluidizaion of osmoically dehydraed small fruis. AIChE Annual Meeing, Conference Proceedings, p. 5. Nsonzi, F., Ramaswamy, H.S. (998). Osmoic dehydraion kineics of blueberries. Drying Technology, 6 (3-5), pp Nsonzi, F., Ramaswamy, H.S. (998). Qualiy evaluaion of osmo-convecive dried blueberries. Drying Technology, 6 (3-5), pp Ochoa-Marinez, C. I., Ramaswamy, H. S., & Ayala-Apone, A. A. (7). A comparison of some mahemaical models used for he predicion of mass ransfer kineics in osmoic dehydraion of fruis. Drying Technology, 5(), Ramaswamy, H.S., Nsonzi, F. (998).Convecive-air drying kineics of osmoically pre-reaed blueberries. Drying Technology, 6(3-5), pp Shi, J., Pan, Z., McHugh, T. H., & Hirschberg, E. (9). Effec of infusion mehod and parameers on solid gain in blueberries. Food and Bioprocess Technology, (3), 7-78.

10 Shi, J., Pan, Z., McHugh, T.H., Wood, D., Hirschberg, E., Olson, D. (8). Drying and qualiy characerisics of fresh and sugar-infused blueberries dried wih infrared radiaion heaing. LWT - Food Science and Technology, 4 (), pp Shi, J., Pan, Z., McHugh, T.H., Wood, D., Zhu, Y., Avena-Busillos, R.J., Hirschberg, E. (8). Effec of berry size and sodium hydroxide prereamen on he drying characerisics of blueberries under infrared radiaion heaing. Journal of Food Science, 73(6), pp. E59-E65. Daos del Auor: Bera Zecchi: En 995 obuvo el íulo de Ingeniera Química en la UDELAR y en 5 el íulo de Magiser en Ingeniería Química. Es Profesor Adjuno (G º3, DT) del Depo. de Operaciones Uniarias del Insiuo de Ing. Química de la Faculad de Ingeniería. Su área de rabajo es la Ingeniería de Procesos para el mejoramieno de ecnologías de producción y conservación de producos agroindusriales alimenarios y no alimenarios. Las áreas emáicas de su especialidad son fenómenos de ranspore y ransferencia de calor y maeria asociados a esos procesos. Trabaja como docene universiaria, invesigadora y realiza asesoramieno en el área de procesos de secado por diferenes ecnologías aplicadas a procesos y producos, así como en modelado y opimización de procesos.

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