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Microwave application on air drying of apple (var. Granny Smith). The influence of vacuum impregnation pretreatment

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_
®
UMI
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UTILIZACION DE MICROONDAS EN
EL SECADO POR AIRE CALIENTE DE MANZANA {var.
Granny Smith). INFLUENCIA DEL PRETRATAMIENTO
POR IMPREGNACIÓN A VACÍO
TESIS PRESENTADA POR:
Ma EUGENIA MARTÍN ESPARZA
D IR IG ID A POR:
PEDRO FITO MAUPOEY
N U R IA M ARTÍNEZ NAVARRETE
Valencia. Julio 2002.
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UMI Number: 3156550
UMI
UMI Microform 3156550
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All rights reserved. This microform edltion ¡s protected agalnst
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300 North Zeeb Road
P.O. Box 1346
Ann Arbor, MI 48106-1346
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1
I
U N IV E R S ITA T
l ¥ l t # l P O LITÉC N IC A
'ÍS K R 7 DE VALENCIA
i
EL D R . PE D R O F IT O M A U P O E Y , C A T E D R Á T IC O D E U N IV E R S ID A D D EL
D E P A R T A M E N T O D E T E C N O L O G ÍA D E A U M E N T O S , V L A D R A . N U R IA
M A R T ÍN E Z N A V A R R E T E , PROFESORA T IT U L A R D E U N IV E R S ID A D D E L
j
M IS M O D E P A R T A M E N T O
C O N S ID E R A N : que la memoria titulada U T IU Z A C IÓ N D E M IC R O O N D A S E N EL
SECADO
POR
A IR E
CAUENTE
DE
M ANZANA
(var.
Granny
Smith).
IN F L U E N C IA D E L P R E T R A T A M IE N T O POR IM P R E G N A C IÓ N A V A C ÍO que
presenta Dña. M a Eugenia M artín Esparza para aspirar al grado de Doctora por la
Universidad Politécnica de Valencia, y que ha sido realizada bajo nuestra dirección en
el Departamento de Tecnología de Alimentos de la Universidad Politécnica de
Valencia, reúne las condiciones adecuadas para constituir su tesis doctoral, por lo que
A U T O R IZ A N a la interesada para su presentación.
Valencia a 1 de Julio de 2002
i
Fdo.: Pedro Fito Maupoey
Fdo.: N uria M artínez Navarrete
Director de la tesis
Directora de la tesis
I
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GRACIAS
En esta larga andadura he tenido la fortuna de conocer a grandes amigos que
no sólo han sido para m í como una segunda fam ilia, sino que además me
han enseñado la hospitalidad de estas tierras, que me han embaucado
para siempre. A ellos, sobre todo, GRACIAS.
A todos mis compañeros de aventuras del departamento, a los que no
nombro por miedo a olvidarme de alguno de ellos.
A m i director, Pedro Fito, y directora, Nuria Martínez, por todo lo que me
han enseñado del apasionante aunque duro mundo de la investigación, y
por su paciencia, con la que ha sido posible que esta tesis saliera adelante.
A Amparo Chiralt, quien aún no siendo directora de este proyecto, no dudó
en ningún momento prestarme la ayuda que necesitara.
Y a todos aquellos que han colaborado en la realización de esta tesis.............
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I
A mis padres, por su inco nd iáo na l apoyo y p o r sus sabios consejos que me han
I
ayudado a seguir adelante
1
A m is hermanos, sie m p e tan atentos y tan dispuestos, con los que he compartido día
i
a día este viaje.
A m i abuela, m i gran ejemplo en el arte de la supervivencia.
'
A m i tío Paco, p o r su cariño y confianza.
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El problema no es describir la realidad, sino aislar en ella lo
que resulta sorprendente en el conjunto de los hecltos
" Parábolas y catástrofes”, R. Thom
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RESUMEN
Se ha estudiado el secado combinado por aire caliente y microondas de manzana
(var. Grarny Smith) no impregnada e impregnada a vacío (IV ) con solución
isotónica, desde el punto de vista cinético, microestructural y de calidad del producto
deshidratado. Para conseguir este objetivo se ha diseñado, construido y puesto en
marcha un equipo que permite controlar y monitorizar las variables del proceso
durante el secado. Las propiedades térmicas y dieléctricas, fundamentales en el
estudio de los fenómenos de transporte de calor y de materia que tienen lugar en el
proceso de secado combinado, han sido relacionadas mediante ecuaciones empíricas
con la temperatura y/o el contenido de humedad del producto. Se ha observado que
los valores de estas propiedades disminuyen con el contenido de humedad. En el
caso de las propiedades dieléctricas, se encontró una relación entre la forma en que el
agua se encuentra ligada en la estructura del alimento y la frecuencia de relajación de
las moléculas de agua. Por otra parte, se ha estudiado el efecto de las condiciones de
tratamiento de secado (velocidad del aire, temperatura de secado, espesor de la
muestra y potencia incidente de microondas), en la velocidad de secado, a partir de
un modelo basado en fenómenos ¿¡fusiónales con dos parámetros cinéticos (ki y k2),
función de la potencia incidente aplicada. La aplicación de microondas en el secado
convectivo supuso una notable reducción en el tiempo de secado, tanto mayor cuanto
mayor fue la potencia aplicada. El estudio microestructural por Cryo-Sem realizado
permite observar la rápida vaporización de agua que tiene lugar cuando se aplican
microondas. La IV no supuso una ventaja adicional al secado combinado pues la
velocidad de secado fue similar o inferior a la alcanzada por las muestras N IV .
Finalmente, se estudió la influencia de las condiciones de proceso en el color y las
propiedades mecánicas del producto deshidratado (IV y N IV ). La IV supuso un
aumento de la resistencia a la fractura y menor pureza y ángulo de tono. La
aplicación de microondas indujo mayores pardeamientos del producto con respecto
al secado por aire caliente (disminución del tono y aumento de la pureza).
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SUM M ARY
Combined hot air-microwave drying has been studied on apple (var. Granny Smith),
with and without vacuum impregnation (V I) pretreatment with isotonic solution,
respect to kinetics, microstructural and final quality items. In order to reach this
objective, a drier has been designed and built that allows to control and to register all
the variables which take place during the drying process. Thermal and dielectric
properties, that are relevant when studying heat and mass transfer phenomena that
occur during the combined drying process, have been related to temperature and/or
moisture content throughout empirical equations. It could be observed that all these
properties decreased with product moisture content. Respect to dielectric properties,
a relationship among water binding forms to food structure and water molecules
relaxation frequency has been found. On the other hand, the eíFect o f drying
treatment conditions (air rate, drying temperature, sample thickness and incident
microwave power) on the drying rate, from an empirical model based on diffusional
mechanisms with two kinetic parameters (k] and k2), both function of the incident
microwave power, has been studied. Microwave application to air drying implied a
notable decrease on drying time, the higher the applied power the higher the
reduction. Microstructural study by Cryo-Sem revealed fast water vaporization
taking place when microwaves are applied. Vacuum impregnation did not implied an
additional advantage for combined drying as drying rate was similar to that of N V I
samples. Finally, it has been studied the influence o f process conditions on the color
and mechanical properties of the dried product (V I and N V I). Vacuum impregnation
implied an increase on the fracture resistance and less purity and tone angle.
Microwave application induced product browning with respect to air drying (tone
decreased and purity increased).
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RESUM
S'ha estudiat el secat combinat per aire calent i microones de poma (var. Grarny
Smith) no impregnada e impregnada a buit (IV ) amb solució isotónica, des de el punt
de vista cinétic, microestructural i de calitat del producte deshidratat. Per a conseguir
aquest objectiu s'ha dissenyat, construit i posat en marxa un equip que permeteix
controlar i monitoritzar les variables del procés mitjanfant el secant. Les propietats
térmiques i dieléctriques, fonamentals en l'estudi deis fenómens de transport de calor
i de materia que tenen lloc al procés de secat combinat, han sigut relacionades
mitjanQant equacions empíriques amb la temperatura i/o el contingut d'humitat del
producte. S’ha observat que els valors d‘aquestes propietats disminueixen amb el
contingut d'humitat. En quant a les propietats dieléctriques, es va trobar una relació
entre la forma en que
I’aigüa es troba lligada en l'estructura de l'aliment i ia
freqüéncia de relaxació de les molécules d'aigüa. Per altra banda, s'ha estudiat
l'efecte de les condicions del tractament de secat (velocitat de l'aire, temperatura de
secat, partint d'un model basat ais fenómens difusionals amb dos parámetres cinétics
(k] y k2), fimció de la poténcia incident aplicada. L'aplicado de microones al secat
convectiu va suposar una notable reducció al temps de secat, major quant major va
ser la poténcia aplicada. L'estudi microestructural per Cryo-SEM realitzat permeteix
observar la rápida vaporització d’ aigüa que té lloc quan s'apliquen les microones. La
IV no va suposar una ventaja adicional al secat combinat, dones la velocitat de secat
va ser similar o inferior a la que es va arribar per les mostres N IV . Finalment, es va
estudiar la influencia de les condicions del procés amb el color i les propietats
mecaniques del producte deshidratat (TV i N IV ). La IV va suposar un augment de la
resisténcia a la fractura i menor purea i angle de to. L ‘aplicació de microones va
induir majors pardejaments del producte en relació al secat per aire calent
(disminució del to i augment de la purea).
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índice
IN D IC E de CONTENIDOS
I. INTRODUCCIÓN
1.1. A N TE C E D E N T E S ________________________________________________1
1.1.1. Antecedentes del uso de las microondas________________________ 2
1.1.2. Ventajase inconvenientes del calentamiento de alimentos por
microondas_________________________________________________4
1.2. CONCEPTOS F U N D A M E N T A L E S ________________________________ 7
1.2.1. Las ondas electromagnéticas__________________________________ 7
1.2.2. Las m icroondas_____________________________________________10
1.3. PROPIEDADES D IE LE C T R IC A S _________________________________ 12
1.3.1. Definiciones________________________________________________12
1.3.2.Factores que influyen en las propiedades dieléctricas ____________ 16
1.3.3. Métodos de m edida__________________________________________25
1.3.4. Métodos de predicción______________________________________ 27
1.3.5. Valores para algunos alimentos_______________________________ 31
1.3.6. Reflexión, absorción, transmisión y refracción de las microondas en
un medio dieléctrico (alim ento)__________________ ;___________ 32
1.3.7.Penetración de las microondas________________________________ 36
1.4. M EC A NISM O S DE C A L E N T A M IE N T O POR
M IC R O O N D A S ____________________________________________________41
1.5. USO IN D U S T R IA L D E LAS M IC R O O N D A S _______________________ 47
1.5.1.
Regulación de las frecuencias de utilización industrial_________ 47
-I -
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Índice
1.5.2. Equipos de microondas_______________________________
48
1.5.3. Aplicaciones de la energía de microondas a la tecnología de
alimentos__________________________________________________ 59
1.5.4. Consideraciones económicas__________________________________ 68
1.6. EL USO DE LAS M IC R O O N D A S EN EL SECADO C O N V E C T IV O
70
1.7. V IA B IL ID A D DEL EMPLEO D EL SECADO C O M B IN A D O SAC-MW .
EFECTOS SOBRE LA C IN E T IC A Y LA ESTRUCTURA DE LOS
A L IM E N T O S ______________________________________________________ 76
I I.
m.
OBJETIVOS Y P L A N D E TR AB A JO __________________________________ 82
D IS E Ñ O Y C O N S T R U C C IÓ N D E U N A IN ST A L A C IÓ N EX P E R IM E N T A L
PARA EL E S T U D IO D EL SECADO C O M B IN A D O POR A IR E C A L IE N T E Y
M IC R O O N D A S ________________________________________________________ 85
111.1. INTERÉS DEL E S T U D IO _______________________________________ 85
111.2. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS B U S C A D A S ____________________86
111.3. D IM ENSIO NES DE LA C Á M A R A D E SE C A D O ________ ;__________ 87
111.4. PO TEN CIA TEÓRICA D E LAS RESISTENCIAS
ELÉCTRICAS______________________________________________________ 87
111.5. DESCRIPCIÓN TÉC N IC A DE LOS COM PONENTES DEL EQUIPO DE
SEC AD O __________________________________________________________ 91
m.5.1. Aplicación de aire caliente__________________________________ 91
m.5.2. Aplicación de microondas__________________________________ 96
- n -
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índice
ID.5.3. Registro de la pérdida de peso_____________________________ 102
I I I .6.
IV .
SOFTWARE D ISEÑ AD O . M A N U A L DEL U S U A R IO ___________ 103
ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN HUMEDAD Y LA
TEMPERATURA
RELEVANTES
SOBRE
EN
EL
LAS
PROCESO
PROPIEDADES
DE
SECADO.
FISICOQUÍMICAS
EFECTO
DE
LA
IMPREGNACIÓN A V A C ÍO _______________________________________ 109
IV .
1. INTERÉS DEL E S T U D IO ____________________________________ 109
IV .
2. M ATERIALES Y M É T O D O S _________________________________ 111
IV.2.1. Materia p rim a ______________________________
IV .
IV .2.2. Medida de las dimensiones__________________
112
IV.2.3. Determinadón de la hum edad_______________
112
IV.2.4. Determinación del contenido en sólidos solubles
113
IV.2.5. Determinación de la densidad aparente_______
114
IV.2.6. Medida de las propiedades dieléctricas________
115
IV.2.7. M edida de las propiedades térmicas__________
117
3. RESULTADOS Y DISC U SIÓ N________________________________ 120
IV.3.1. Caracterización físico-química de la materia prima. Efecto de la
impregnación a v a d o ____________________________________ 120
IV.3.2. Efecto del contenido en humedad sobre la densidad, las
propiedades térmicas y las propiedades dieléctricas de manzana
N IV e I V ________________________________________________124
IV.3.2.1. Calor específico__________________________________________124
IV.3.2.2. Conductividad y difusividad térmicas_____________________ 130
IV.3.3. Propiedades dieléctricas____________________________________132
-III -
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índice
V.
IN F L U E N C IA D E LAS VA R IA B LES D E PROCESO SOBRE LA C IN É T IC A
D E D E S fflD R A T A Q Ó N POR A IR E C A LIE N T E Y M IC R O O N D A S D E
M A N Z A N A ______________________________________________________ 143
V .l.
E S T U D IO D E L A C IN É T IC A D E S E C A D O __________________________143
V. 1.1. INTERÉS DEL E S T U D IO _____________________________________ 143
V. 1.2. MATERIALES Y M ÉTO D O S __________________________________ 145
V .1.2.1. Materia prima. Preparación de las muestras_________________145
V.l.2.2. Caracterización fisicoquímica de la materia prim a___________ 146
V .l .2.3. Equipo experimental_____________________________________ 147
V .l .2.4. Diseño experim ental_____________________________________ 148
V .l.2.4.1. Secado convectivo de manzana fresca __________________148
V.l.2.4.2. Secado convectivo asistido por microondas de manzana
fresca _____________________________________________ 150
V.l.2.5. Conversión de las variables de proceso_____________________152
V .l .2.6. Obtención de las curvas de secado_________________________ 154
V .l .2.7. Obtención de las curvas de velocidad de secado______________156
V.1.3. RESULTADOS Y D ISC U SIÓ N _________________________________ 156
V .l .3.1. Caracterización de la materia p rim a ________________________156
V.l.3.2. Caracterización del secado por aire caliente. Análisis cualitativo
de los resultados experimenlales-efecto de las variables de
proceso y del pretralamiento por I V ________________________157
V .l .3.2.1. Influencia de la velocidad del aire______________________157
V.l.3.2.2. Influencia de la temperatura del a ir e ___________________159
V.l.3.2.3. Influencia del espesor de la muestra____________________ 163
V.l.3.2.4. Influencia del pretratamiento de IV ____________________164
-IV-
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índice
I
iI
|
V.l.3.3. Caracterización del secado por aire caliente asistido con
microondas. Análisis cualitativo de los resultados experimentalesefeclo de la potencia y de la temperatura, y de la I V __________ 168
V.l.3.3.1. Temperatura de la m uestra___________________________ 174
V.l.3.4. Modelo cinético semiempírico basado en fenómenos
difusionales_____________________________________________179
V.l.3.4.1. Validación del m odelo_______________________________ 191
V.2. ESTUDIO
DE
LOS
CAMBIOS
MICROESTRUCTURALES
DE
LA
M ANZANA PRODUCIDOS DURANTE EL SECADO___________________ 194
V.2.1. INTERÉS DEL E S T U D IO _____________________________________ 194
V.2.2. M ATERIALES Y M É T O D O S__________________________________ 1%
V.2.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ________________________________ 198
V.2.3.1. Caracterización fisicoquímica de las muestras_____________ 198
V.2.3.2. Observaciones por C ryo-Sem ___________________________ 199
V.3. PROPIEDADES
MECÁNICAS
Y
COLOR
DE
LA
M ANZANA
DESHIDRATADA________________________________________________ 214
V.3.1. INTERÉS DEL E S T U D IO _____________________________________ 214
V.3.2. MATERIALES Y M É T O D O S __________________________________ 214
V.3.2.1. Materia prima____________________________________________216
V.3.2.2. Medida del color y de las propiedades mecánicas del producto
deshidratado____________________________________________219
V.3.23. Estudio del cambio en las propiedades mecánicas asociado a la
ganancia de agua. Relación con el estado físico del producto
219
-V -
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
índice
V.3.3. RESULTADOS Y D IS C U S IÓ N _________________________________ 219
V.3.3.1. Caracterización de la materia prima (IV y N IV ) en cuanto al color
y a las propiedades mecánicas. Influencia de la impregnación
a v ac ío _________________________________________________ 219
V.3.3.2. Efecto de las condiciones de tratamiento sobre el color y las
propiedades mecánicas de la manzana deshidratada ________ 222
V.3.3.3. Influencia de la impregnación a vacío y de la aplicación de
microondas en el carácter crujiente de manzana deshidratada
por aire caliente_________________________________________ 228
V.3.3.3.1. Influencia de las condiciones de secado: temperatura del aire y
potencia incidente de microondas_______________________ 232
V.3.3.3.2. Influencia de la impregnación a vacío como pre-tratamiento al
secado______________________________________________ 234
V.3.3.3.3. Análisis calorimétrico_________________________________ 236
CONCLUSIONES________________________________________________ 241
BIBLIOGRAFÍA__________________________________________________251
ANEXOS
-VI-
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
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Capitulo I. Introducción
ÍN DICE d e c o n t e n id o s
1.1.
_1
A N TE C E D E N T E S .
1.1.1.
Antecedentes del uso de las microondas
1.1.2.
Ventajas e inconvenientes del calentamiento de alimentos por microondas
2
2
1.2.
_2
C O N C EPTO S F U N D A M E N T A L E S .
1.2.1. Las ondas electrom agnéticas___
_2
1.2.2. Las microondas
_2
1.3.
_2
P R O P IED A D ES D IE L E C T R IC A S .
1.3.1.
Definiciones
_2
1.3.2. Factores que influyen en las propiedades dieléctricas
_2
1.3.3. Métodos de m edida
2
1.3.4. Métodos de predicción________________________________________
_2
1.3.5. Valores para algunos alim en to s________________________________
2
1.3.6. Reflexión, absorción, transmisión y refracción de las microondas en un
m edio dieléctrico (alim ento)_______________________________________ 2
1.3.7. Penetración de las microondas_____________________________________ 2
1.4. M E C A N IS M O S D E C A L E N T A M IE N T O PO R M IC R O O N D A S .
1.5.
U SO IN D U S T R IA L D E LAS M IC R O O N D A S _____________
_2
1.5.1. Regulación de las frecuencias de utilización industrial
2
1.5.2. Equipos de m icroondas___________________________
2
1.5.3. Aplicaciones de la energía de microondas a la tecnología de alimentos
2
1.5.4. Consideraciones económicas respecto de la aplicación de microondas en
la Industria A lim en taria__________________________________________ 2
1.6.
EL U SO D E LAS M IC R O O N D A S E N EL SEC A D O
C O N V E C T IV O
2
I-
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo I. Introducción________________________________________________________
1.7. V IA B IL ID A D
DEL
EM PLEO
D EL
SECADO
C O M B IN A D O
A IR E
C A L IE N T E -M IC R O O N D A S E N A U M E N T O S IM P R E G N A D O S ____________2
- II-
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Capítulo I. Introducción
I. INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES
La deshidratación de frutas y vegetales es una técnica de conservación
empleada ya en la antigüedad por los chinos, los persas, los griegos y los
egipcios. En un principio estos productos se secaban al sol. En la actualidad
el método mayormente empleado es el secado por aire caliente debido a su
versatilidad y facilidad de manejo. Sin embargo, su baja eficacia en la
transferencia de calor hace de este tipo de secado muy lento. La duración del
proceso parece estar relacionada con un aumento del encogimiento del
producto (McMinn & Magee, 1999; Anglea, 1994), y por tanto una reducción
de la capacidad de rehidratación (Nijhuis & Torringa, 1996), además del
desarrollo del estado vitreo en algunos productos como la manzana (Funebo,
2000) y una pérdida de color (Komanowsky et al., 1970) relacionada con
reacciones enzimáticas tipo M aillard. Además otros aspectos relacionados
con la calidad del producto como la estabilidad microbiológica y el valor
nutritivo también se ven afectados por el tiempo de tratamiento y la
severidad de las condiciones empleadas.
Según esto, la aplicación de la energía microondas al secado de frutas y
vegetales podría reducir suficientemente los tiempos de tratamiento como
para dar lugar a un producto deshidratado de mejor calidad.
- 1-
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Capitulo I. Introducción
1.1.1. Antecedentes del uso de las microondas
En
1832,
Michael
Faraday
postuló
la
existencia
del
campo
electromagnético. Menos de diez años después, James G erk Maxwell predijo
matemáticamente, a partir de la hipótesis de Faraday, la existencia de las
ondas de radio. Heinrich Hertz, profesor de física de Karlsruhe (Alemania),
verificó experimentalmente la teoría de Maxwell en 1885. Jacques Arséne
d'Arsonval u tilizó el prim er oscilador de alta frecuencia para experimentar
sobre el efecto de la alta frecuencia (500000-1500000 Hz), corriente alterna de
bajo voltaje, con animales, llegando a la misma conclusión que Hertz: el
único efecto fue la producción de calor. Este descubrimiento constituyó la
primera unidad de terapia por calor con altas frecuencias. La aplicación
potencial al procesado de alimentos tardaría aún en llegar (1940).
A l comienzo de la II Guerra M undial los británicos estuvieron trabajando
intensamente con el objetivo de encontrar una fuente de energía que
aumentara el potencial de sus radares, en un intento de desarrollar un
sistema que pudiera m onitorizar el cielo en caso de un ataque enemigo. En
Febrero de 1940, los catedráticos Randall y Boot consiguieron por fin
construir un tubo electrónico, que denominaron "la cavidad del magnetrón".
La ventaja del sistema era que el magnetrón podía generar una gran cantidad
de energía electromagnética (microondas) a frecuencias hasta entonces
impensables (alto poder de penetración), siendo de tamaño pequeño, lo que
perm itió a los británicos convertirlo en radares que pudieran introducirse en
los aviones sin problemas. El siguiente paso en la historia de las microondas
lo
protagonizó
Percy
Spencer
(Raytheon
Co.,
USA),
al
dejar
involuntariamente una bolsa de palomitas enfrente de una guía de ondas y
-2 -
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Capitulo 1. Introducción
observar cómo de repente éstas comenzaban a saltar. Este descubrimiento
hizo pensar en la posibilidad de calentar alimentos contenidos en una
cavidad cerrada empleando la tecnología microondas. En 1947 la misma
compañía presentó el prim er homo microondas para uso en hostelería e
instituciones.
En 1967, la compañía Amana Refiigeration Inc. puso a la venta el primer
homo microondas doméstico, semejante al que conocemos en la actualidad
incluso en cuanto a su precio.
En los años 60 se estudiaron mucho las posibles aplicaciones de las
microondas en el calentamiento de alimentos, pues en principio todos
aquellos productos con cierto contenido en agua eran susceptibles de ser
calentados mediante esta técnica. Además, teniendo en cuenta que el
calentamiento se produce de modo volumétrico y no solamente en la
superficie de los alimentos, como ocurre en los métodos de secado
convencionales, era de suponer que la calidad del producto fin a l iba a ser
mucho mejor. Sin embargo, la euforia del rápido desarrollo de esta técnica
(años 60 y 70) provocó que se descuidaran en cierta medida los posibles
aspectos negativos que podría presentar el calentamiento por microondas, tal
como la distribución heterogénea de la temperatura que tiene lugar en ciertas
ocasiones.
Los hornos microondas domésticos sufrieron una gran difusión a finales
de los 60 y en la actualidad forman parte del m obiliario de la cocina de casi
todos los hogares del mundo desarrollado. Este fenómeno se justifica
principalmente por el cambio en los hábitos alimentarios de las sociedades
desarrolladas, donde se ha impuesto el grupo de alimentos denominado
"fast food", un tipo de comida que se prepara fácilmente en un microondas.
-3 -
í
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Capítulo I. Introducción
El uso industrial, sin embargo, es aún hoy relativamente escaso, debido
principalmente al elevado coste de las instalaciones, a la falta de información
sobre la tecnología y al siempre reticente empresario, que no tiene asegurado
un beneficio económico inmediato cuando aplica una técnica novedosa
(Schiffmann, 1992; Mudgett, 1986). Sin embargo, todo parece indicar que en
los últim os tiempos se ha retomado el interés en la aplicación industrial del
calentamiento por microondas en el procesado de alimentos. Las aplicaciones
con mayor éxito en su difusión han sido el atemperado, el secado y el cocido
(George, 1997).
1.1.2. Ventajas e inconvenientes del calentamiento de alimentos por
microondas
Frente a los sistemas convencionales de calentamiento de productos
alimenticios, las microondas destacan fundamentalmente por su poder de
penetración. El calentamiento por microondas sigue una ley exponencial, de
forma que es máximo en la superficie y menos intenso a medida que
aumenta la profundidad en el alimento. Sin embargo, puesto que penetran
en el interior del producto y no solamente actúan en su superficie (como
f
sucede en los sistemas de calentamiento convectivo), no se generan
gradientes tan acusados de temperatura y se disminuye la transferencia de
.
calor por conducción desde la superficie al interior del producto. Por lo
tanto, la conversión de energía en calor en todo el volumen del alimento es ;
mucho más eficiente y el calentamiento es más homogéneo que en los
i
procedimientos convencionales. Podemos deducir por tanto que el uso del
!
calentamiento por microondas ofrece muchas ventajas en comparación con
_ _
1
|
I
i
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Capítulo I. Introducción
los métodos convencionales por aire caliente, como la mayor rapidez de la
operación, el inherente ahorro energético y la precisión en el control del
proceso (Decareau, 1985). Por otro lado, mientras que los sistemas de
calentamiento convencionales requieren apreciables periodos de tiempo para
adaptar el suministro de calor a la carga (gran inercia de control), el ajuste de
la energía de microondas a las necesidades del sistema se efectúa
electrónicamente en una pequeña fracción de segundo y en consecuencia los
tiempos de puesta en marcha y parada de la operación son mucho menores.
Otra propiedad fundamental es la absorción selectiva de energía. El calor
se genera en el alimento únicamente en sus componentes polares y cuyas
moléculas (dipolos) presentan cierta libertad
de movimientos. Esta
propiedad es especialmente ú til en los procesos de deshidratación, pues el
calor se genera en la zona húmeda del producto y no en las zonas ya
deshidratadas. Esto se traduce en una mejor retención de las propiedades
nutritivas y organolépticas del producto, pues el daño térmico es mínimo,
obteniéndose en la mayoría de los casos un producto final de mayor calidad
(Giese, 1992).
Por otra parte, los sistemas de calefacción por microondas presentan
dimensiones más reducidas que los equipos convencionales, ya que los
hornos no necesitan aislamiento térmico. Por el contrario tienen el
inconveniente de que es m uy d ifícil conocer la distribución del campo
energético pues resulta modificado tanto por la introducción de una carga en
el sistema, como por los instrumentos de detección. Tampoco pueden
introducirse en las cámaras de aplicación de microondas objetos metálicos,
pues se crean potenciales eléctricos entre éstos y las paredes que provocan
descargas eléctricas. También ocurre lo mismo entre paredes cuando la carga
-5 -
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Capítulo I. Introducción
del sistema es incapaz de absorber la energía proporcionada. Para evitar esto,
se suele disponer, en los equipos importantes, cargas de agua en flujo
continuo que absorben el exceso de energía aportado.
Las aplicaciones de la energía microondas que han tenido mayor éxito
han aparecido después de considerar cuidadosamente la manera y el lugar
donde deben ser aplicadas dentro de la línea de proceso (George, 1997).
Algunas de estas aplicaciones emplean de forma combinada la energía
microondas y el calentamiento convencional, de forma que se puede obtener
un rápido calentamiento interno del producto junto con características
deseables en el producto final a nivel de superficie (George, 1997),
i
provocando pardeamiento, facilitando el secado, la reducción de la carga
bacteriana en superficie, o precalentando el producto, dependiendo del tipo
de producto (Giese, 1992).
La principal desventaja del calentamiento por microondas de alimentos
es la distribución heterogénea de lá temperatura que tiene lugar en ciertas
ocasiones. Por eso, es muy importante controlar este aspecto si se quiere
tener éxito en la implementación de está técnica en la industria alimentaria.
Las consideraciones a nivel de ingeniería de alimentos pueden ayudar a
1
m inim izar estos efectos (George, 1992). El tipo de sistema de distribución de
energía que se emplee (cavidades m ultim odo o sistemas de calentamiento
directos
controlados)
dependerá
de la
aplicación
(Ohlsson, 1991).
Comercialmente se utilizan dos frecuencias, 915 MHz y 2450 MHz. Ambas se
utilizan prácticamente por igual en USA, mientras que en Europa y en Japón
casi todos los aparatos construidos trabajan a 2450 MHz. La primera posee
mayor poder de penetración, calentamiento más homogéneo, mientras que la
segunda da lugar a un calentamiento más rápido del producto.
-6 -
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j
i
j
Capitulo I. Introducción
Este trabajo pretende ser una aportación al conocimiento actual sobre el
uso de las microondas combinadas con métodos convencionales en el secado
de alimentos. Para ello se ha abarcado desde el diseño y construcción de un,
equipo que permita estudiar y modelizar la cinética del proceso, hasta el
efecto sobre algunos aspectos de la calidad del producto.
A
continuación
se
recogen
algunos
aspectos
relacionados
fundamentalmente con las microondas, de interés para entender el
mecanismo de acción y la viabilidad de su uso en relación con las
características del alimento a tratar.
1.2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
1.2.1. Las ondas electromagnéticas
Nos
encontramos
permanentemente
rodeados
por
ondas
electromagnéticas. La luz, los rayos X, la TV, las ondas de radio AM y FM,
los rayos ultravioleta, los infrarrojos y las microondas son algunas de las
manifestaciones más comunes de estas ondas. Todos los cuerpos en el
universo, por encima del cero absoluto de temperatura, emiten ondas
electromagnéticas. La relación entre estas ondas en cuanto a su longitud y
frecuencia se puede encontrar en el espectro electromagnético (figura 1.1).
Algunas de las ondas que forman parte del espectro electromagnético (las
comprendidas entre las ondas de radio y el visible) se utilizan para generar
calor y son la base de varios sistemas de calentamiento (infrarrojo,
-7 -
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Capitulo I. Introducción
microondas y dieléctrico). Su poder de penetración es diferente, de forma
que el efecto de la radiación infrarroja se lim ita a la superficie mientras que
las microondas pueden penetrar en el interior del material que se desee
calentar. Los mecanismos de calentamiento de las microondas se explican
posteriormente (apartado I.4.).
Longitud de onda
Dieléctrico
VMM» / Uftrswiolata
Microondas
300
3
km
km
3(
0.3/3
0.3/
3
(jm
pm
pm
■
Ondas ae tadks
103
105
107
JL
TÍ
In tra rrO 'O
109
10n
7
30
Playos y y rayos X
10’ 3 1015 1017 1019 1021 1023 1025 1027
Frecuencia (Fte)
Figura 1.1. E l espectro electromagnético.
La figura 1.2. muestra una onda electromagnética monocromática plana.
Se puede observar que tina onda electromagnética es la resultante de una
componente eléctrica £ y una magnética H. Ambas son perpendiculares entre
sí y ambas lo son de la dirección de avance. Esto es lo que forma una onda
"plana". La fuerza del campo en cualquier punto se puede representar con
una función seno o coseno, lo que provoca que la onda sea "monocromática".
Además, está "linealmente polarizada" pues los campos eléctrico y
magnético E y H actúan sólo en una dirección. El plano de polarización es YX
para el vector E y ZX para el H.
- 8 -
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Capítulo I. Introducción
Una longitud de onda
Campo
magnético
Dirección
de la onda
Campo
eléctrico
Figura 1.2. Esquema de una onda electromagnética plana.
La figura 1.2. también indica que la onda está avanzando en la dirección
X, a una velocidad equivalente a la velocidad de la luz en el aire o en el vacío
(c), aunque con un valor menor por atravesar otro medio, tal como indica la
ecuación (I.I.):
donde:
V p: velocidad de propagación en el medio (m / s)
c : velocidad de la lu z en el aire (3-108m /s)
s \ : constante dieléctrica relativa del material a través del cual
se propaga la onda (adimensional). El significado físico de
esta propiedad física se explica en el apartado 1.4.
La ecuación (1.2) expresa la relación entre la frecuencia de onda/(H z),
esto es, el número de veces que recorre un ciclo completo por segundo, y la
longitud de onda X (m).
V
f= -ü -
(1.2.)
X
-9Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
Cuando una onda electromagnética pasa a través de un material, su
frecuencia se mantiene, pero no así su longitud de onda, que al variar afecta
a la profundidad de penetración, como se verá más adelante (apartado I.3.5.).
En resumen, todas las ondas electromagnéticas presentan las siguientes'
características comunes:
1.
Su comportamiento físico puede ser descrito por las ecuaciones
matemáticas desarrolladas por Maxwell (1873)
2.
Los campos eléctrico y magnético asociados a ellas viajan
perpendicularmente
entre
sí
con
amplitudes
que
varían
sinusoidalmente.
3.
Su velocidad de propagación en el vacío es la velocidad de la luz.
En otro medio, se ve reducida por el índice de refracción del
medio.
4.
Son reflqadas, absorbidas y transmitidas cuando interaccionan
con un medio.
5.
La relación entre su frecuencia y su longitud de onda es sencilla
(ecuaciones 1.1 y 1.2.)
1.2.2. Las microondas
La energía de microondas es una forma de radiación electromagnética.
Tal y como se observa en la figura I.3., las microondas poseen una longitud
de onda variable entre 103 y 0.3 metros, y están situadas entre los rayos
infrarrojos (710-7 y 10-3 metros) y la radiofrecuencia (0.3 a 3-104 metros) en el
-10-
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Capítulo I. Introducción
espectro de radiaciones electromagnéticas. Puesto que, tal como se ha
explicado anteriormente, la radiación microondas forma parte del espectro
electromagnético, presenta un comportamiento m uy sim ilar al de la luz
visible, radiación que nos resulta mucho más fam iliar. Las microondas, como
la luz visible, se irradian en el espacio a 3-108 m /s, y pueden sufrir los
fenómenos de reflexión, refracción, difracción y absorción. Son reflejadas por
superficies metálicas y refractadas por interfases dieléctricas (es decir,
comportamiento intermedio entre los materiales conductores y aislantes).
Así, de la misma forma que describen las leyes ópticas, los materiales
interaccionan con las microondas de tres formas distintas: primero, reflejan la
radiación microondas que incide sobre dios; después, transmiten las
microondas que hayan penetrado en su interior; y finalmente, absorben parte
de la energía microondas que se está transmitiendo a través de ellos (Buffler,
1992). Todos estos fenómenos físicos se explican más extensamente en el
apartado 1.3.6.
Los fenómenos de difracción (cada cuerpo que recibe una radiación se
convierte en foco emisor) son especialmente importantes en esta gama de
frecuencias, pues su longitud de onda (de 1 mm a 30 cm) es próxima al
tamaño
de
los
objetos
corrientes.
Esta
circunstancia
complica
extraordinariamente la predicción de la distribución del campo energético,
pues al introducir un objeto en él (la carga, los instrumentos de medida, etc.),
los fenómenos de difracción modifican la disposición del campo.
La propiedad más interesante de las microondas, para la tecnología de
alimentos, es su conversión en calor al ser absorbido por los materiales
dieléctricos. Esto puede ser debido a una interacción del campo magnético
con los metales, que no es el caso de los alimentos por contener únicamente
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Capitulo 1. Introducción
trazas de éstos, o a la absorción del campo eléctrico. Esto sí que es lo que
ocurre en los alimentos, que tienen como componente mayoritario al agua,
un dipolo con una distribución de cargas eléctricas no homogénea y una
cierta cantidad de sales ionizadas con las que puede interaccionar el campo
eléctrico. En el apartado siguiente se describen con más detalle estós
mecanismos.
1.3. PROPIEDADES DIELECTRICAS
1.3.1. Definiciones
Las ecuaciones matemáticas desarrolladas por Maxwell (1873) permiten
predecir el comportamiento de la radiación electromagnética cuando entra
en contacto con la materia, sea cual sea el tipo de material o la geometría,
pero es necesario conocer a prio ri dos propiedades características del
material, la perm itividad compleja absoluta
(e *abs)
y la permeabilidad
(M *ab>)
compleja absoluta (ecuaciones 1.3. y I.4.):
abs
(1.3.)
~ j& abs
(1.4.)
Pabs ~ P abs —JP
£ abs = S abs
donde n'abs es la permeabilidad magnética absoluta, n"abs es el factor de
pérdidas magnético absoluto, s'abs es la constante dieléctrica absoluta y s"abs
el factor de pérdidas dieléctrico absoluto.
- 12-
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Capítulo I. Introducción
El asterisco se usa ocasionalmente para denotar que se trata de un valor
complejo. Sin embargo, intemacionalmente no se recomienda su uso. Por
otra parte, siempre que se usen números complejos, la ; se define como V-í.
El término perm itividad se usa más frecuentemente en la ingeniería de
microondas, mientras que en el ámbito de la ciencia de los alimentos se
prefiere emplear el término constante dieléctrica en su lugar. Sin embargo,
puesto que esto puede inducir a confusión con la componente real que lleva
el mismo nombre, a lo largo de esta tesis se empleará la notación descrita en
esta introducción.
Prácticamente todos los alimentos se caracterizan por ser diamagnéticos,
esto es, poseen una respuesta prácticamente nula bajo la acción de un campo
magnético (Nelson, 1973; García, 2001). Por lo tanto, su permeabilidad
magnética coincide con la del vacío y queda por tanto reducida a la unidad
cuando se encuentra referida a ésta. Sin embargo, en los casos en los que las
microondas entran en contacto con un entorno metálico, como es el caso de la
cavidad del homo microondas, es necesario tener en cuenta la permeabilidad
del material. Si el metal es muy magnético, como el acero inoxidable, puede
haber excesivas pérdidas.
La penetración de las microondas en el interior de un alimento depende
en gran medida de la frecuencia de microondas empleada, pero sobre todo
está determinada por las propiedades dieléctricas del producto, pues éstas
definen el modo en que interacciona con el campo electromagnético (en
realidad con la componente eléctrica, pues como ya se ha explicado la
magnética apenas afecta a los alimentos) asociado a las microondas. A su
vez, las propiedades dieléctricas están afectadas por una serie de factores que
se comentan en el apartado siguiente. La propiedad dieléctrica de mayor
- 13Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo I. Introducción
relevancia en el calentamiento por microondas de alimentos es la
perm itividad dieléctrica compleja relativa (er*), magnitud compleja con una
componente real, la constante dieléctrica relativa s /, y una componente
imaginaria, el factor dieléctrico de pérdidas er", las cuales, a su vez, son dos
propiedades dieléctricas de gran interés. El término relativo se introduce'
para mostrar el hecho de que los valores se determinan con relación al aire o
al vacío, volviéndose así adimensionales. Sin embargo, a menudo se omite el
término relativo y por ende el subíndice r.
Cuando un alimento (como cualquier material dieléctrico) se encuentra
sometido a un campo electromagnético (como el generado por las
microondas), se comporta de manera sim ilar a un condensador dentro de un
circuito eléctrico alterno. La constante dieléctrica relativa de un alimento es la
relación entre la capacitancia del alimento y la capacitancia del aire o vacío
bajo las condiciones de estudio. Por consiguiente, los métodos para medir la
capacitancia pueden adoptarse para m edir propiedades dieléctricas.
Conforme aumenta la constante dieléctrica, el condensador es capaz de
almacenar una mayor cantidad de energía. En definitiva, la constante
dieléctrica expresa la capacidad del alimento para almacenar la energía
asociada a las microondas.
De la misma forma, el factor dieléctrico de pérdidas relativo es una
medida de la cantidad de energía que el alimento será capaz de disipar en
forma de calor cuando se somete a un campo eléctrico alterno. Cuanto mayor
es e", más fácilmente disipará el material la energía en forma de calor. En
este sentido, esta es una propiedad muy importante en los procesos de
calentamiento dieléctrico y por microondas. Los materiales con un elevado
factor dieléctrico de pérdidas se conocen como materiales con pérdidas.
- 14-
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Capitulo I. Introducción
Teniendo en cuenta los dos principales mecanismos de conversión en
calor característicos del calentamiento por microondas (apartado I.4.), se
puede deducir que la disipación total de energía expresada por el factor de
pérdidas dieléctrico proviene de la aportación de cada uno de esos
mecanismos, que a su vez pueden expresarse como un factor de pérdidas
dipolar (s"diP) y uno iónico (e"i0n).
Las pérdidas iónicas pueden determinarse a partir de la expresión
definida por Hasted et al. (1948) y revisada por de Loor (1968), To et al.
(1974) y Geyer (1990), entre otros (ecuación 1.5.)
e"¡on = o /2nfeo
(1.5.)
donde o es la conductividad iónica, eléctrica u óhmica (m hos),/la frecuencia
(hertz) y s0 la perm itividad del vacío (8,8510-12 F/m ). Se puede observar que
la absorción electromagnética de materiales iónicos puede caracterizarse por
su conductividad bajo la influencia de un campo eléctrico constante. Por lo
tanto, y a modo de ejemplo, a una frecuencia de 2,45 GHz, el factor de
pérdidas iónico de un alimento salado con una conductividad eléctrica de 11
mmhos asciende a 8,08, con lo que la aportación iónica al calentamiento por
microondas del producto deberá ser considerada.
Los factores de pérdidas dieléctricas se pueden registrar directamente o
en función de la constante dieléctrica y la tangente de pérdidas, tg 5. La
tangente de pérdidas es la propiedad que mide la cantidad de energía
disipada respecto a la energía total acumulada dentro del dieléctrico
(alimento). En un circuito de corriente alterna que contenga un condensador
ideal, la corriente precederá al voltaje en 90°. Cuando un material dieléctrico
-15with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
es introducido en el condensador, este ángulo puede verse reducido; el
ángulo de pérdidas 8 es una medida de esta reducción, y se expresa
habitualmente como una tangente de pérdidas. A l aumentar la tangente de
pérdidas, la cantidad de energía disipada se incrementa. El factor de
¡
I
pérdidas dieléctrico se relaciona con la constante dieléctrica a través de la.
ecuación (1.6.):
s"=e'-tg8
(1.6.)
Todas estas propiedades dieléctricas relativas dependen de una
variedad de factores tales como temperatura, contenido en humedad y
frecuencia, entre otros, por lo que es necesario mantenerlos constantes y
registrarlos cuando se están midiendo estas propiedades. En el apartado
siguiente se explica ampliamente la manera en que cada uno de estos factores
afectan a la constante dieléctrica y al factor de pérdidas.
1.3.2. Factores que influyen en las propiedades dieléctricas
¡
En general, las propiedades dieléctricas pueden relacionarse con la
composición química, estructura física, frecuencia y temperatura. El agua
libre y las sales disociadas tienen una elevada actividad dieléctrica, en tanto
que el agua ligada, sales asociadas y sólidos coloidales tienen una actividad
baja.
-16-
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\
Capítulo
i
i
I
j
Temperatura
|!
|
La dependencia de las propiedades dieléctricas con la temperatura es
relativamente compleja y depende del material. La naturaleza de esta
dependencia es función de los procesos de relajación dipolar que tienen lugar
en las condiciones existentes y a una frecuencia determinada (Nelson &
Datta, 2001). Las figuras 1.3. y 1.4. muestran la influencia de la temperatura
sobre la constante dieléctrica y el factor de pérdidas de diversos alimentos a
una frecuencia fijada. Como puede observarse, al igual que ocurre con otras
propiedades físicas, el valor de ambas propiedades del agua pura cambia
bruscamente alrededor de los 0PC, cuando se produce la transición de fase
del hielo a agua líquida. Por encima de esta temperatura, s' y e" disminuyen
al aumentar la temperatura. En las soluciones acuosas de iones, tal y como
explica Decareau (1985), se puede observar el mismo efecto de la
temperatura sobre el factor de pérdidas cuando la rotación dipolar es el
mecanismo de calentamiento predominante. Sin embargo, cuando es la
conducción iónica la que adquiere importancia, lo que tiene lugar a
temperaturas elevadas, el factor de pérdidas aumenta con la temperatura. En
los alimentos, que son básicamente un conjunto complejo de componentes
inmiscibles y también miscibles, la relación entre la temperatura y las
propiedades dieléctricas a una frecuencia fija se vuelve mucho más compleja.
Como se puede observar en las figuras 1.3 y I.4., la mayoría de los alimentos
que contienen elevadas cantidades de agua, tienen un comportamiento
sim ilar al del agua pura con la temperatura, a excepción del jamón cocido,
que es un alimento con un elevado contenido en sales, y por tanto la
conducción iónica es la predominante.
- 17 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
1. Introd
Capitulo I. Introducción
Este comportamiento para s" es especialmente importante cuando se
habla del calentamiento por microondas: por una parte, como la e" del hielo
es menor que la del agua, su calentamiento es más lento; por otra parte, el
hecho de que s" disminuya al aumentar la temperatura, hace que el
calentamiento del producto sea más homogéneo, ya que las zonas con mayor
temperatura se calentarán menos que las zonas más frías. En cambio, los
productos con muchas sales tendrán problemas de falta de homogeneidad
durante su calentamiento.
80
! Zanahoria»
t cocidas
70
60
30
, ds patatas
Carne de buey 3
50
Puré
40
30
20
Jam ón
10
cocido /
'
Aceita
dem afz
s
*
-2 0
20
Tempera#»» fC )
40
50
-2 0 -1 0
20
40
60
Temperatura fC )
Figuras 1.3. y 1.4. Variación de la constante dieléctrica y delfactor de pérdidas dieléctrico,
respectivamente, con la temperatura. Fuente: Bengtsson y Risman (1971).
El continuo desarrollo de modelos que incorporan la dependencia
térmica
de las propiedades dieléctricas van permitiendo establecer
ecuaciones de predicción de estos valores. Varios autores han sido los que a
lo largo de los últim os 50 años han aportado datos m uy valiosos sobre la
- 18-
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Capitulo I. Introducción
influencia de la temperatura en las propiedades dieléctricas de los alimentos
(Funebo & Ohlsson, 1999; Goedeken et al., 1997; Ohlsson et al., 1974).
Frecuencia
Un fenómeno importante que contribuye a la dependencia de las
propiedades dieléctricas con la frecuencia es la polarización de las moléculas
con momentos dipolares permanentes que tienden a orientarse con el campo
eléctrico aplicado (Nelson & Datta, 2001).
Ohlsson et al. (1974) analizaron la dependencia de la temperatura y la
frecuencia sobre las propiedades dieléctricas de grasa de ternera, temerá
cocida y bacalao, patata cmda y cocida, puré de patata, salsa espesa, agua
destilada y una solución 0,1 M de NaCl. Los resultados obtenidos revelaron
que la constante dieléctrica tiende a aumentar y que el factor de pérdidas
dieléctricas aumenta considerablemente a medida que la frecuencia
disminuye, debido probablemente al incremento de la pérdida de
conductividad a frecuencias menores. Estos resultados coinciden con los
obtenidos por Nelson et al. (1994), Tran et al. (1984) y García et al. (2001),
entre otros al m edir la perm itividad de varias frutas y vegetales o el zumo de
uva en diferentes intervalos de frecuencias. En todos los casos, la constante
dieléctrica disminuyó suavemente a medida que la frecuencia aumentaba,
mientras que el factor de pérdidas disminuyó al aumentar la frecuencia hasta
un valor mínimo para luego invertir su tendencia y aumentar con la
frecuencia. Los autores explican este comportamiento dieléctrico por el hecho
de que a bajas frecuencias la conductividad iónica y la relajación del agua
-19-
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Capitulo I. ixtroducdán
ligada son los fenómenos predominantes, mientras que la relajación del agua
libre tiene lugar a frecuencias mayores.
Composición
El agua es uno de los mayores constituyentes de los alimentos y se sabe
que contribuye al comportamiento dieléctrico por interacciones rotacionales
con el campo electromagnético asociado a las microondas.
La importancia del contenido en humedad sobre el comportamiento
dieléctrico ha sido ratificada por muchos autores debido a las variaciones del
factor de pérdidas y la constante dieléctrica con la cantidad de agua presente.
La figura 1.5. muestra esta relación para una amplia variedad de alimentos.
Puede verse que el contenido acuoso es lo que más influye sobre estas
propiedades, puesto que la mayoría de los alimentos caen en una misma
curva.
En general un aumento en el contenido en humedad supone un aumento
en la constante dieléctrica y en el factor de pérdidas. La proporción existente
en el producto de agua libre-agua ligada influye de manera considerable en
estas propiedades puesto que la m ovilidad de las moléculas de agua ligada
(rotación) está más restringida que las de agua libre, cuando se encuentran
bajo la influencia de un campo electromagnético (Ryynánen, 1995). Se puede
incluso definir en la mayoría de los casos un contenido en humedad crítico
por debajo del cual el valor de las propiedades dieléctricas disminuye
drásticamente. Para los materiales altamente higroscópicos, este valor se
sitúa entre 10 y 40 g agua/100 g materia seca, y para los no higroscópicos
alrededor del 1% (Decareau, 1985).
-20Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
e’ o e
Agua
70-
Carne
de cerdo salada
eo50 40-
Puré
de patatas
o
Magro
Grasa/
Zanahorias cocidas
•Raw pork
Jamón
salado cocido
Carne de buey
o Bacalao cocido
AXnX— Fleta crudo
Cama
a y
de cerdo
Vacuno coddo
s a i*»
^Hígado
G rasa^v.^
30 coddo
20-
Carne
de cerdo
10
Hígado
de cerdo
cocido
carne
de b
„
oa^ < z 3 f* * alM~ °
Vacuno
coddo
T“
G0
o
depaiaias
Caldo
9— — — '
y
o
o&nshcnas cocidas,
«¡opa
°Bacalao coddo
d Agua
° Came
^
u
e
65
70
75
80
85
90
95
100
Conferido en humedad (%)
Figura 1.5. Variación de las propiedades dieléctricas con el contenido en humedad del
producto. Adaptado de Bengtsson y Risnum (1971).
Los datos de la tabla 1.1. muestran cómo afecta el contenido en humedad
de un alimento a las propiedades dieléctricas y a la profundidad de
penetración.
Tabla 1.1. Propiedades dieléctricas aproximadas y profundidades de penetración para
muestras de patata a 25°C y 2450 M H z:
Estado
Hum edad elevada
Hum edad interm edia
Hum edad baja
tg 8
60
10
4
0,3
0,2
0,1
Profundidad de penetración (cm)
1,7
3,0
12,3
Adaptado de los datos de M udgett (1982)
- 21
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Capítulo I. Introducción
El comportamiento dieléctrico del agua puede predecirse con las
ecuaciones de Debye (Decaieau, 1985) para solventes puros en función de la
frecuencia y la temperatura (apartado 1.3.4.).
Las sales disueltas disminuyen el valor de la constante dieléctrica y
aumentan el de la pérdida dieléctrica con respecto a los valores obtenidos
para el agua a una temperatura y frecuencia determinadas (Hasted et al.,
1948). Este comportamiento dieléctrico puede predecirse a partir de los
modelos desarrollados para soluciones acuosas iónicas por Hasted-Debye
(Mudgett et al., 1974), tal y como se explica en el apartado 1.3.4. Estos efectos
están relacionados con las cenizas solubles y constituyentes proteicos.
El estudio más reciente sobre pan pregelatinizado con diferentes
contenido en sal (Goedeken, 1997) justifica el aumento en el factor de
pérdidas con el contenido en sal en el hecho de que las sustancias iónicas
(como la sal) provocan una disipación adicional de energía por conducción
eléctrica a la de la rotación dipolar.
El efecto de los compuestos orgánicos en alimentos semisólidos, o en
general los componentes insolubles e inm iscibles, en contraste con los
efectos provocados por las sales disueltas en una solución iónica, es deprim ir
tanto la constante dieléctrica como el factor de pérdidas por sustitución en el
alimento de fluidos iónicos acuosos dieléctricamente activos por un volumen
igual de grasa. El comportamiento dieléctrico es sim ilar al de las emulsiones
de aceite en agua (Mudgett et al. 1974), y está relacionado con la formación
de suspensiones coloidales del agua con los lípidos, las proteínas y los
carbohidratos (Decareau, 1985). Los valores de las propiedades dieléctricas
de los alimentos sólidos orgánicos son similares a los obtenidos para
compuestos orgánicos y son relativamente constantes en los intervalos de
-22-
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Capitulo 1. Introducción
frecuencias y temperaturas involucradas en los procesos de calentamiento
por microondas. Pueden predecirse con el modelo de Fricke (Mudgett et al.,
1974), tal y como se explica en el apartado 1.3.4.
Kent & Kress-Rogers (1987) observaron que un aumento en la
concentración de sacarosa de las soluciones de azúcar analizadas provocaba
una reducción en la frecuencia de relajación de las mezclas acuosas hacia
valores intermedios entre los de las sustancias puras. Según Decareau (1985),
este efecto puede ser debido a que los azúcares (de la misma manera que
otros constituyentes miscibles como los alcoholes), pueden form ar puentes
de hidrógeno entre sus grupos hidroxilo y las moléculas de agua, tal como se
observa en las experiencias de Buck (1965) y Roebuck et al. (1972). Por tanto,
los alimentos con un elevado contenido de azúcares o alcoholes solubles
(tales como los vinos o los zumos) podrían presentar un comportamiento
sinérgico en lo que se refiere a las pérdidas dieléctricas. Los efectos han sido
estudiados en mezclas de alcohol y agua mediante una combinación
empírica del modelo de Maxwell para mezclas inmiscibles y el modelo de
Debye para líquidos polares puros, designada como modelo Debye-Maxwell
para mezclas inmiscibles (Mudgett et al., 1974b), tal y como se explica en el
apartado 1.3.4.
Los efectos que provocan las proteínas solubles son semejantes a los de
las sales disueltas. Sin embargo, se cree que su importancia es secundaria
para frecuencias de microondas debido a que las proteínas disueltas per se
reflejan las ondas a frecuencias significativamente inferiores a las de la región
de microondas y
son relativamente menores en magnitud en las
concentraciones molares de los alimentos, si las comparamos con los efectos
provocados
por
las
sales
disueltas.
Nótese
que
el
intervalo
de
-2 3 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
concentraciones de sales de 0,05 a 0,15 M en cloruro de sodio son
características de la mayoría de frutas, vegetales y carnes, en comparación
con el de proteínas solubles.
Densidad y Porosidad
Las propiedades dieléctricas de los alimentos están muy afectadas por su
composición, como ya hemos visto, pero también por su estructura física,
aunque en mucha menor medida (Ryynanen, 1995). La constante dieléctrica
del aire es 1,0 (mucho menor que la de los alimentos), y se trata de un medio
transparente a las ondas electromagnéticas a las frecuencias de uso
industrial. Por tanto, su presencia en la estructura interna de los materiales
supone una reducción en sus propiedades dieléctricas. Una diminución de la
densidad im plica una disminución en estas propiedades. La medida de estas
propiedades en productos particulados (pulverizados o granulares), permite
analizar la influencia de la densidad aparente (Nelson & Datta, 2001). Así, tal
y como señala Nelson et al. (1994), existe una relación lineal entre la raíz
cuadrada y cúbica de la densidad aparente y la constante dieléctrica y el
factor de pérdidas en un intervalo muy pequeño de densidades de granos de
arroz (Nelson & Noh, 1992), soja (Nelson, 1985a), y trigo (Nelson, 1985b).
Existen diversas ecuaciones matemáticas que permiten predecir las
propiedades dieléctricas de un material sólido a partir de los valores
correspondientes a una mezcla constituida por aire y las partículas
pulverizadas del sólido (Nelson, 1992a; Nelson,1994; Nelson, 1985b). Estas
ecuaciones relacionan la densidad aparente y las propiedades dieléctricas del
material.
-24Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo I. Introducción
C onductividad térmica y C alor específico
La conductividad térmica juega a menudo un papel menos relevante en
el calentamiento dieléctrico y por microondas con respecto al convencional
debido a la elevada velocidad con que se genera el calor y la consecuente
reducción del intervalo de tiempo en que la conductividad térmica puede ser
efectiva. Sin embargo, hay algunos casos en los que adquiere más
importancia. Por ejemplo, cuando la profundidad de penetración de la
energía electromagnética es pequeña en comparación con el volumen que se
está calentando, la conductividad influirá en el transporte de calor hacia el
interior. Además, es un factor que favorece la distribución homogénea del
calor, que en el calentamiento por campos electromagnéticos puede llegar a
ser deficiente.
El calor específico no es considerado en la mayoría de los casos cuando
se trabaja con el calentamiento electromagnético, que centra su atención en
las propiedades dieléctricas. Sin embargo, el calor específico puede afectar
profundamente al proceso, de hecho puede ser el parámetro más importante,
responsable del calentamiento más rápido de los materiales, mayor de lo que
se esperaría si tuviéramos sólo en cuenta las propiedades dieléctricas.
1.3.3. Métodos de medida
M étodo de la guía de ondas y la línea de transm isión coaxial
Roberts & von Hippel (1946) desarrollaron un método de caracterización
de propiedades dieléctricas de los materiales a partir de la teoría de las líneas
-2 5 with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo 1. Introducción
de transmisión, lo
que manifiesta
que
estas propiedades pueden
determinarse midiendo la fase y la am plitud de la señal de microondas
reflejada por una muestra de material en contacto con el final de una línea de
transmisión cortocircuitada, tal como una guía de ondas y una línea coaxial.
La necesidad de emplear muestras con geometría lam inar o anular provoca
que en ocasiones este método no sea empleado.
Técnica de la sonda "Open-Ended"
Elimina algunos de los inconvenientes que presenta el método anterior y
fue desarrollada por Stuckly & Stuckly (1980). El fundamento reside en el
cálculo las propiedades dieléctricas a partir de la fase y am plitud de la señal
reflejada por la terminación abierta de una línea coaxial insertada en la
muestra de producto que se pretende medir. La medida debe realizarse
cuidadosamente porque frecuencias muy altas o m uy bajas, así como valores
muy bajos de la constante dieléctrica y el factor de pérdidas, pueden inducir
a error. Esta técnica es válida para materiales con factores de pérdidas
mayores de 1. Los aspectos prácticos de esta técnica han sido descritos en
detalle por Engelder & Buffler (1991) y pueden encontrarse en diversas
referencias bibliográficas (Grant et al., 1989; Jerúdns et al., 1990; Kraszewski
et al., 1983; Marsland & Evans, 1987; Nelson et al., 1994a,b, 1995; Stuchly &
Stuchly, 1980; Tran et al., 1984; Tulasidas et al., 1995).
-26-
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Capítulo 1. Introducción
Técnica de la cavidad perturbacional
Se trata de tina técnica mucho más sensible y precisa que intenta paliar
los errores de medida inherentes al empleo de la técnica de la sonda coaxial
cuando se emplean materiales de bajas pérdidas dieléctricas que dificultan
enormemente estas medidas. La técnica consiste en el registro del cambio de
frecuencia y de las características de absorción que se producen en una
cavidad resonante al introducir la muestra en el centro de una guía de ondas
emplazada dentro de la cavidad.
1.3.4. Métodos dé predicción
Para
intentar
explicar el proceso físico-químico
que
define el
comportamiento dieléctrico en alimentos líquidos, se han observado tres
sistemas básicos que modifican la contribución relativa del agua en la
actividad dieléctrica total y que están directamente relacionados con ciertos
componentes del alimento (tabla I.2.). Todas las consideraciones señaladas en
cuanto a la influencia de la composición química del alimento sobre las
propiedades dieléctricas (apartado 1.32.), sugieren un modelo físico-químico
general para el estudio del comportamiento dieléctrico de alimentos líquidos
y
semisólidos,
basado
en las
interacciones
observadas
entre
los
constituyentes del alimento y el agua (Mudgett et al., 1977).
- 27 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo 1. Introducción
Tabla 1.2. Modelos de comportamiento dieléctrico en alimentos líquidos
Iones disueltos
Modelo de
comportamiento
Debye
Hasted-Debye
Desplazamiento
Fricke modificado
Interacción
Maxwell-Debye
Modificación
Mezcla
Agua
Leche
desnatada
Aceite-agua
-
Alcohol-agua
Constituyentes del
alimento
Humedad
Cenizas, proteínas y
sales minerales
Lípidos, proteínas,
carbohidratos
Carbohidratos
Adaptado de Decareau (1985).
El comportamiento, dieléctrico del agua se puede predecir con las
ecuaciones de Debye para disolventes puros como funciones de la longitud
de onda (o la frecuencia) y la temperatura. Para una temperatura
determinada, las propiedades dieléctricas del agua pueden predecirse como
funciones de la longitud de onda (Collie et al., 1948) por las ecuaciones (1.7.)
y (1-8.):
8w
E"w =
l + f t 5A ) 2 + s °
(S8 - S q H ^ A )
i
. ° ,. 2
+ ( x sA )
( I '7 ,)
(1-8.)
donde:
s'w: constante
dieléctrica del agua
s"w: pérdidas dieléctricas del agua
es: constante dieléctrica estática del solvente polar
e0: constante dieléctrica óptica del solvente polar
’ks: longitud de onda crítica del solvente polar (cm)
X: longitud
-
de onda en el dieléctrico (cm)
28-
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Capitulo I. Introducción
La presencia de iones disueltos (cenizas, proteínas) se puede predecir por
el modelo de Hasted-Debye, definido por las ecuaciones (1.9.) y (1.10.)
o
(1.9.) y (1.10.)
(B6- ( 2 - 8 - C - 8 0) - a 6A ) .
-
i
.
/1 \2
l+
(K/X)2
AC
...
l 0 0 0 -w
-e o
donde:
e'¡: constante dieléctrica de la solución iónica acuosa
e"¡: pérdida dieléctrica de la solución iónica acuosa
8: ángulo de pérdida (rad)
w: frecuencia angular (rad/s)
C: concentración de sales disueltas en la solución (equiv/1)
A: conductividad equivalente de la solución iónica (mhocmyequiv1)
El modelo de Fricke m odificado (de M udgett et al., 1974b) para mezclas
inmiscibles (lípidos-protemas-carbohidratos), según la ecuación (1.11.).
e* _ s ~ f í '
+
Xvs) + SÍ ' (l ~ v s) ' x l
[8c ‘(x + v s) + e*(l - v s)J
(I.ll.)
donde:
s*: perm itividad compleja
e%: perm itividad compleja de la fase suspendida
e*c: perm itividad compleja de la fase continua
X: factor de forma, esto es, la relación entre los ejes mayor y menor de
las partículas suspendidas (esferas)
-29-
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Capitulo 1. Introducción
vs: fracción de volumen de la fase suspendida en la mezcla
El modelo de M axwell-Debye para mezclas miscibles asume que las
interacciones alcohol-agua modifican los parámetros de Debye para los
componentes puros de forma que se pueden calcular unos valores
intermedios sustituyendo los valores de las sustancias puras en el modelo de
Fricke según la ecuación (1.12.).
1
Pw-[pa -(l + Va) + p w- ( l - v a)]
[ P w - ( l + v a) + pa- ( l - v a)]
(1.12.)
donde:
p¡: energía incidente en la superficie del dieléctrico (W)
pw: proporción de agua en la mezcla acuosa
pa: proporción del alcohol en la mezcla acuosa
va: fracción de volumen de alcohol en la mezcla acuosa
Todas estas ecuaciones describen el comportamiento dieléctrico de
sistemas modelo. Sin embargo, no son muchas las ecuaciones propuestas de
manera específica para los alimentos. Los alimentos líquidos y semisólidos
pueden ser modelizados como mezclas binarias no miscibles de iones
acuosos y alimento sólido orgánico. Las propiedades dieléctricas pueden ser
predichas basándose en la teoría de mezclas de Maxwell (1873), tal y como
hizo Tran et al. (1984), quién encontró una correlación entre la composición
de diversas frutas y vegetales (patatas, zanahorias, manzanas, melocotones y
peras) y las propiedades dieléctricas dentro de un intervalo de frecuencias
entre 0,1 y 10,0 GHz.
- 30-
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|
_______________________________________________________ Capítulo 1. Introducción
i
í
\
j
Un modelo para la perm itividad compleja puede derivarse del modelo de
j
Fricke para la conductividad compleja de una suspensión coloidal. El modelo
modificado de Fricke se basa en considerar al alimento formado por dos
fases, una fase sólida cuyas propiedades son aproximadamente las de un
sólido orgánico y una fase líquida cuyas propiedades son modelizadas por
las ecuaciones de Debye corregidas para cierta concentración de sales
disueltas
En mezclas donde existen componentes con alto grado de interacción
molecular, puentes de hidrógeno entre moléculas... (mezclas etanol-agua,
carbohidratos-agua, etc.) aparece un sinergismo en el factor de pérdidas. Los
puentes de hidrógeno estabilizan la estructura líquida y desplazan las
longitudes de onda típicas de las mezclas a valores intermedios de las de los
componentes puros.
Calay et al. (1995) propone una serie de ecuaciones que permiten calcular
las propiedades dieléctricas de una cantidad considerable de alimentos en
función de la composición, el contenido de humedad y la temperatura, de
forma que resultan muy útiles para predecir la distribución de temperaturas
en una lámina de producto sometida al calentamiento por microondas.
1.3.5. Valores para algunos alimentos
Mohsenin (1980) proporciona una revisión exhaustiva de las propiedades
dieléctricas de los materiales. Así mismo, Buffler (1992) resume las
propiedades dieléctricas, junto con las térmicas, de algunos alimentos y
materiales, medidas a 2,45 GHz y 20-25°C de temperatura. Diversos trabajos
publican las medidas realizadas con distintos alimentos, en función de la
-3 1 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
frecuencia, temperatura o contenido en humedad (Bengtsson & Risman,
1971; Kent, 1987; Nelson, Forbus & Lawrence, 1994; Tran, Stuchly &
j
Kraszewski, 1984; Nelson, 1992; Goedeken, Tong & Virtanen, 1997; Funebo &
j
Ohlsson, 1999).
En el Anexo 1. se recogen algunos valores de las propiedades dieléctricas
de alimentos semisólidos, predichos por Mudgett (1980) sobre la base de los
niveles de humedad y sales libres (tabla A.I.), las propiedades dieléctricas
(tabla A.2.) de algunas semillas (materiales secos) y las propiedades
dieléctricas de algunos cereales (tabla A.3.). También se incluyen los valores
correspondientes de algunos aceites y grasas (tabla A.4.), donde se puede
observar que, en comparación con otros alimentos, los factores de pérdidas
dieléctricos son m uy bajos.
1.3.6. Reflexión, absorción, transmisión y refracción de las microondas en
un medio dieléctrico (alimento)
Con el objetivo de comprender mejor la trayectoria que seguirían las
microondas al entrar en contacto con los materiales dieléctricos en general, y
por tanto con los alimentos, supongamos un caso m uy
sencillo,
correspondiente a una onda plana incidiendo perpendicularmente sobre una
lámina infinita de producto. Este sería el caso de una onda electromagnética
viajando por el interior de una cavidad de homo vacía, de pared a pared.
Esta presunción es solamente válida cuando la carga de alimento que se
encuentra en el interior del homo es pequeña, aunque en cualquier caso es
muy ú til para explicar de qué forma interaccionan las microondas con el
producto. Por otra parte, consideraremos una lámina infinita, lo que supone
-32-
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i
Capitulo 1. Introducción
asumir una geometría para el alimento que no tiene límites en dos de sus
direcciones pero sí posee un espesor determinado, por lo que no es necesario
considerar qué pasaría en las esquinas o bordes del producto.
Cuando una microonda incide perpendicularmente sobre la superficie de
una lámina, parte de la energía asociada a ella es reflejada desde la superficie
en una magnitud, Pr, que depende principalmente de la constante dieléctrica
del material, e'. El error que se comete al despreciar la influencia del factor de
pérdidas en esta magnitud es inferior al 5% en la mayoría de los alimentos.
La expresión que permite calcular la fracción de potencia de microondas
reflejada por la superficie de una lámina infinita queda simplificada a la
ecuación (1.13.).
En esta expresión, V?" es equivalente al índice de refracción de la luz ti.
La cantidad de energía transm itida en el interior de la lámina desde la
superficie, P0, será igual a (1 - Pr), y se propagará internamente en
perpendicular a la superficie hasta alcanzar la cara opuesta de la lámina. Si el
alimento absorbe una cantidad importante de la energía asociada a las
microondas, o lo que es lo mismo, se trata de un material de elevadas
pérdidas dieléctricas, la energía que se está propagando en su interior
decrece a medida que atraviesa el alimento. Por tanto, en este caso, la
propiedad que va a afectar de manera decisiva en la cantidad de potencia de
microondas absorbida es el factor de pérdidas dieléctrico, e", que asciende
desde un valor igual a cero para un medio no absorbente hasta un valor entre
20 y 30 para alimentos bastante absorbentes, como el jamón o los productos
- 33 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo I. Introducción
salados, o incluso valores superiores. La ecuación (1.14.) permite obtener el
valor de esta magnitud. En el apartado 1.5.2. se explican detalladamente
todos los factores que afectan a la potencia de microondas absorbida por una
carga de producto introducida en un homo microondas.
Pv = 2 t i/6 o s " E 2
(W /cm 3)
(1.14.)
donde Pv es la potencia de microondas absorbida por unidad de volumen, /
la frecuencia (Hz), s0 la perm itividad del vacío (109/367t F/m ), e" el factor de
pérdidas relativo del producto y E el campo eléctrico en el interior del mismo
(V /m ).
En resumen, a medida que la energía microondas se propaga a través de
la lámina, la potencia en cualquier punto considerado, P, y la potencia
disipada por unidad de volumen, Pv, decrece, mucho más rápidamente
cuanto mayor sea el valor del factor de pérdidas del material. En el siguiente
apartado aparece el concepto de profundidad de penetración de las
microondas, que permite cuantifícar y explicar mejor este fenómeno.
Tal y como muestra la figura (I.6.), si la radiación microondas incide
sobre la superficie de la lámina con un ángulo a, parte de la onda es reflejada
con el mismo ángulo y la parte transmitida se refracta con un ángulo (3
respecto a una línea imaginaria perpendicular a la superficie (dirección
normal). La magnitud de este ángulo p viene definida por la ley de Snell
aproximada (ecuación (1.15.)). La aproximación no incluye el factor de
pérdidas, puesto que, como ya se ha comentado, para prácticamente todos
los alimentos el error que se comete con esta sim plificación es inferior al 5%.
- 34-
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j
Capítulo I. Introducción
sena
RAYO INCIDENTE, P¡
(1.15.)
RAYOS REFLEJADOS, P,
AIRE (e' = 1)
ALIMENTO (40 < e' <70)
AIRE (s' = 1)
RAYOS TRANSMITIDOS, Pt
Figura 1.6. Fenómenos de reflexión, absorción y transmisión de las microondas en un medio
dieléctrico. Adaptado de Buffler (1992).
El rayo refractado puede alcanzar la cara opuesta de la lámina si la
absorción por parte del producto es pequeña, de manera que una parte de
esta potencia de microondas puede sufrir de nuevo una reflexión hacia el
interior de la lámina (según la ecuación 1.13.), mientras el resto es transmitida
fuera de la superficie opuesta. El proceso de reflexión podría continuar hasta
que no exista ninguna energía remanente en ninguna de las dos interfases de
la lámina, esto es, hasta que toda la potencia haya sido absorbida gracias a las
m últiples reflexiones dentro del producto.
En cualquier caso, independientemente de la dirección con la que las
microondas inciden sobre la lámina, la potencia total de microondas que es
transmitida (Pt), reflejada (Pr) o absorbida (Pa) por ella resultará de sumar
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Capítulo I. Introducción
todas las correspondientes potencias en cada reflexión que se suceda. Por lo
tanto, la fracción de potencia transmitida final será Pt = 1 - Pr - P«
1.3.7. Penetración de las microondas
Tal y como se explicó en el apartado I.3.2., cuanta más potencia de
microondas absorba un material, menor será su poder de penetración en el
interior del mismo. Por eso, es importante definir un parámetro que defina la
profundidad a la que penetran antes de que la potencia aplicada se reduzca a
un cierto porcentaje del valor inicial. Este parámetro, denominado
profundidad de penetración, depende de la constante dieléctrica y del factor
de pérdidas dieléctrico, y es un punto de referencia muy ú til para determinar
la eficiencia del calentamiento de un determinado alimento por microondas.
A lo largo del tiempo, este término ha sido definido de diferentes formas,
induciendo a confusión. En las diferentes referencias bibliográficas donde
aparece definido este término, se han encontrado tres posibles acepciones
dependiendo de la cantidad de radiación de microondas que permanece en el
producto a una profundidad definida: la profundidad de penetración de la
potencia de microondas, D(P/e) o dp, la profundidad de penetración del
campo eléctrico, D (E /e) y la profundidad de penetración de la m itad de la
potencia, o semiespesor de absorción, D(P/2).
- 36-
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Capítulo 1. Introducción
|
Profundidad, de penetración de la potenáa, D(P/e) o dp
í
i
í
¡
Este concepto es el más importante en el calentamiento de los alimentos
por microondas dado que éste depende directamente de la potencia
"disponible" en un determinado lugar del producto.
La ecuación (1.16.) permite calcular la potencia en cualquier punto de una
lámina infinita de material para una onda plana incidente.
P (z)/P 0 = erz/ á?
(1.16.)
donde P(z)/P0 es la fracción de potencia remanente en el producto en
función de la distancia a la interfase de incidencia (z), y e es la base
logarítmica neperiana. La unidad más comúnmente empleada para la
distancia z y para la profundidad de penetración dp es el centímetro.
La profundidad de penetración en este caso se define como aquella a la
que la potencia de microondas se ha reducido a 1 /e o 36,8% de su valor
inicial en la superficie, P0, que es equivalente a la potencia incidente menos la
potencia reflejada (figura 1.7.). Esta definición de profundidad de penetración
es la más aceptada actualmente.
-37-
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Capitulo I. Introducción
Fracción de campo eléctrico o potencia
Pr
I jO
E(Z)
l
■P(Z)
—
1J0
dp
2 j0
D ( E /e )
Profundidad de penetración; dp
Distancia en el interior de la lámina; Z
Figura 1.7. Representación esquemática de las tres acepciones del concepto de
profundidad de penetración. Adaptado de Buffler (1992).
La pro fun d id ad de penetración del campo eléctrico, D (E /e)
De la misma forma que la potencia, el campo eléctrico se atenúa en el
interior del alimento según una ley exponencial (ecuación 1.17.):
E = E0 • e-to
(1.17.)
donde:
E0 = intensidad del campo eléctrico en la superficie de un alimento
(V /m )
E = intensidad del campo eléctrico a una profundidad x (V /m )
k = constante de atenuación
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Capítulo 1. Introducción
I
x = profundidad (m)
En este caso, la profundidad de penetración es aquella en la que el valor
■
)
¡
E
E0, valor del campo en la superficie del producto, se reduce a — = 0,368Eo.
e
j
Sustituyendo E por (E0/e ) en la ec. (1.17.) puede verse que x = l/k , y por lo
|
tanto la expresión que permite calcular la profundidad de penetración del
campo eléctrico asociado a las microondas en un determinado producto
I
¡
vendrá dada por la ecuación (1.18.).
S
D(E/e) =x = — = d
k
(1.18.)
La profundidad de penetración de la mitad de la potencia, o semiespesor de absorción,
;
D(P/2)
Para cada sustancia se puede definir un espesor de semiabsorción,
D(P/2), que es la profundidad a la que la potencia incidente en el producto
se reduce a la mitad del valor en superficie. Otros autores consideran el
campo eléctrico en lugar de la potencia de microondas para definir este
espesor de semiabsorción y entonces lo llaman X>¿. Por lo tanto, partiendo de
la ec. (1.19.) con este supuesto, su expresión vendrá dada por la ecuación
(1.20.).
~
= e_kx^ =0.5
(1.19.)
-39-
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Capítulo I. Introducción
0.693 ln2
k " k
La tabla (1.3.) resume las relaciones existentes entre las tres definiciones
descritas para la profundidad de penetración.
Tabla 1.3. Relaciones entre las diferentes definiciones de profundidad de penetración
M ultiplicar
D(E/e) = 1 /k
D(P/e) = dP
D(P/2)
D(E/e)
Para obtener
D(P/e)
1
2,0
2,885
0,5
1
1,443
D(P/2)
0,347
0,693
1
Adaptado de B uffler (1993)
La profundidad de penetración de un material es m uy dependiente de la
constante dieléctrica y el factor de pérdidas dieléctrico, y su relación viene
dada por al ecuación (1.21.). Existen numerosas referencias donde esta
expresión aparece incorrecta.
A. V2
Para una frecuencia de 2,45 GHz, —— = 2,76 cm. Cuando es un material
271
de bajas pérdidas dieléctricas, la ecuación (1.21.) puede reducirse a la forma
simplificada expresada por la ecuación (122.). Aunque esta aproximación
debería ser utilizada solamente con aquellos materiales de muy pocas
-40Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo 1. Introducción
pérdidas (e" «
1), como las grasas y los aceites, la realidad es que la
precisión para la mayoría de los alimentos es mejor del 5% (Buffler, 1992).
D p = D(P/e) = ~ —i"
d.22.)
Existe en bibliografía una amplia revisión de la profundidad de
penetración de muchos materiales, realizada por Metaxas (1985).
Como puede apreciarse, la profundidad de penetración es inversamente
proporcional a la frecuencia. Las radiaciones a 2450 MHz son menos
penetrantes que a 915 MHz, pero se absorbe mayor cantidad en los
productos (pues la potencia absorbida es proporcional a la frecuencia)
1.4. MECANISMOS DE CALENTAMIENTO POR MICROONDAS
Algo que hay que tener siempre en cuenta es que las microondas y los
dieléctricos no son formas de calor sino formas de energía que se manifiestan
en fonna de calor cuando interaccionan con los materiales. Existen diversas
formas de conversión de energía, como puede verse en la lista parcial
mostrada en la tabla 1.4. y se describe seguidamente. Hay que mencionar que
entre ellas la conducción iónica y la rotación dipolar son los dos mecanismos
más interesantes en el fenómeno del calentamiento por microondas.
j
-4 1 -
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Capitulo I. íntroducáón
Tabla 1.4.
Lista parcial de conversión de energía. Mecanismos*
Conducción iónica
Rotación di polar
Polarización
Estiramiento dipolar
Histéresis ferroeléctrica
Resonancia eléctrica
Piezoelectricidad
Resonancia magnética nuclear
Resonancia ferromagnética
___________ Resonancia ferrimagnédca__________________________________
Adaptado de Schiffmann (1995).
Conducción iónica
Puesto que los iones son unidades de carga, la presencia de un campo
eléctrico alterno les induce a moverse en la dirección opuesta a su polaridad,
acelerándolos. Esto provoca que choquen con moléculas de agua no
ionizadas, generando energía cinética que se traduce en una aceleración.
Cuando la polaridad del campo cambia, los iones se mueven en el sentido
opuesto. Cuando esto sucede varios millones de veces por segundo, se
suceden infinitas colisiones y transferencias de energía. Por tanto, existen dos
etapas de conversión energética: la energía del campo eléctrico se transforma
en energía cinética inducida "ordenada", que a su vez se transforma en
energía cinética "desordenada", momento en el cual puede hablarse de calor.
La figura 1.8. (a) muestra la interacción entre las microondas y los iones sodio
y cloro.
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Capitulo 1. Introducción
Campo eléctrico alterno
Hidrógeno
Oxígeno
Ión
Sodio
Rotación
o=
ClIón
Cloro
M olécula de agua
Figura 1.8. Interacción de las microondas con los materiales.
(a) Conducción iónica
(b) Rotación dipolar. Adaptado de Buffler (1993)
La potencia desarrollada por unidad de volumen (Pv) por medio de la
conducción iónica se puede obtener a partir de la ecuación (1.23.):
Pv = E2 -q-n-|A
(1-23.)
donde:
E: intensidad del campo eléctrico aplicado (V.m)
q: cantidad de carga eléctrica en cada ión
n: densidad iónica (número de iones por unidad de volumen)
p: nivel de m ovilidad de los iones
-43Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo I. Introducción
Cabe señalar que, como se puede observar en la ecuación (1.23.)/ la
potencia absorbida por este mecanismo es independiente de la frecuencia
aplicada.
Rotaáón Dipólar
Muchas moléculas, como el agua, son dipolares, esto es, poseen un centro
'
de carga asimétrico. La estructura molecular característica del agua es en
forma de V (figura 1.8. (b)), con dos átomos de hidrógeno (con una carga
positiva) imidos a un mismo átomo de oxígeno (con dos cargas negativas)
formando un ángulo cercano a 105°. Las cargas se encuentran por tanto
separadas físicamente, por lo que constituyen un dipolo. Otras moléculas
pueden transformarse en "dipolos inducidos" debido al estrés causado por el
campo eléctrico.
Antes de aplicar ningún campo eléctrico, las moléculas de agua se
encuentran orientadas al azar y térmicamente agitadas de acuerdo a la
temperatura que posee el alimento. Bajo la acción de un campo eléctrico
alterno, los dipolos se ven sometidos a la acción de una fuerza rotacional que
tiende a orientarlos en la dirección del campo, provocando colisiones con
otras moléculas vecinas. Cuando el campo eléctrico cambia de polaridad, los
dipolos tienden nuevamente a alinearse en la nueva dirección del campo, con
1
lo que se suceden aún más colisiones. Cuando el campo cae hasta cero
(relajación),
los
dipolos
retoman
a
su
orientación
al
azar para
inmediatamente alinearse de nuevo cuando el campo eléctrico ha adquirido
una polaridad opuesta. Estos fenómenos de caída y subida del campo
eléctrico sucediéndose a una frecuencia de millones de veces por segundo
-44-
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¡
I
Capítulo 1. Introducción
i
3
provoca que los dipolos a su vez se relajen y alineen millones de veces por
segundo, lo que genera una transformación de energía del campo eléctrico en
I
energía potencial almacenada en el material y por tanto un almacenamiento
I
aleatorio de energía térmica o cinética en el material. En los alimentos con un
i
¡
elevado contenido en humedad, este mecanismo de calentamiento por
rotación dipolar es el que adquiere mayor importancia,
i
La dependencia de la temperatura y del tamaño de partícula para que se
;
produzca la subida o la bajada del campo define una frecuencia denominada
|
frecuencia de relajación (fc), caracterizada por ser el punto donde se absorbe
j
la mayor cantidad posible de energía. También se puede definir el tiempo de
í
|
relajación x = Vi n / 0 correspondiente al tiempo necesario para que una
molécula excitada se relaje hasta alcanzar el 36,8% de su situación original,
una vez haya desaparecido la fuente de estimulación (el campo). Para
moléculas pequeñas, como el agua y los monómeros, la frecuencia de
relajación es casi más alta (18 GHz para el agua) que la frecuencia de
microondas y es tanto mayor cuanto mayor es la temperatura, causando una
ralentización en la transformación de energía. Las moléculas de gran tamaño,
como los polímeros, tienen una frecuencia de relajación a temperatura
j
ambiente mucho más baja que la frecuencia de microondas, pero aumenta
hasta aproximarse a ésta según aumenta la temperatura, lo que im plica una
mejor conversión de la energía en calor. Esto debe producir una disipación
de energía en los materiales que a temperatura ambiente son muy
transparentes a las microondas, lo que se demuestra por el hecho de que el
agua y los monómeros absorben mejor las microondas que los polímeros.
Puesto que son los líquidos y los monómeros los que requieren calor en el
secado o el curado, y no el sustrato de polímeros, es posible ejecutar bien el
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Capítulo I. Introducción
proceso, a menudo a temperaturas más bajas. De hecho, es incluso posible
secar estos materiales, como los alimentos, a temperaturas bajas o de
congelación (Metaxas & Meredith, 1983).
La ecuación (1.24.) permite calcular la potencia desarrollada en el caso de
la rotación dipolar:
Pv = k E 2fe'tan8
o
(1.24.)
Pv = k E 2 fe"
donde:
k: constante dependiente de las unidades de medida empleadas
E: intensidad del campo eléctrico, en voltios por unidad de distancia
f. frecuencia
e': constante dieléctrica relativa, o perm itividad relativa
tan 8: tangente de pérdidas o factor de disipación
e": factor de pérdidas
La ecuación (1.24.) revela además que E y / son función del equipo,
mientras que e', s" y tan 8 son factores relacionados con el material que se
está calentando. En él apartado (1.3.) se explicaron todas estas propiedades y
la potencia absorbida por un dieléctrico al someterlo a la acción de las
microondas.
Otro aspecto importante a tener en cuenta es que debido a que la
frecuencia / varía, es necesario incrementar la intensidad dél campo eléctrico
con el fin de mantener un determinado nivel de Pv. Puesto que las
frecuencias de calentamiento dieléctrico son mucho más bajas que las de
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Capítulo I. Introducción
microondas, las intensidades del campo deben ser mucho mayores si
queremos comparar las potencias desarrolladas en el sistema dieléctrico.
1.5. USO INDUSTRIAL DE LAS MICROONDAS
1.5.1. Regulación de las frecuencias de utilización industrial
Los términos dieléctrico y microondas son a veces confusos y deben ser
definidos lo mejor posible. Los sistemas de menor frecuencia operan a
frecuencias a través de al menos dos bandas: HF (3-30 MHz) y VHF (30-300
MHz). Por tanto, los términos Alta
Frecuencia (HF), dieléctrico y
radiofrecuencia (RF) pueden usarse, en ocasiones, indistintamente. Sin
embargo, está globalmente aceptado que el calentamiento dieléctrico tiene
lugar a frecuencias comprendidas entre 1 y 100 MHz, mientras que el
calentamiento por microondas ocurre entre 300 MHz y 300 GHz. Las
longitudes de onda de las microondas abarcan desde 1 mm a 1 m. La tabla
1.5. muestra las bandas industrial, científica, y médica (ISM) establecidas por
acuerdo internacional. Cabe destacar que estas asignaciones de frecuencias
han sido realizadas por la "International Telecommunication Union (ITU)) y
que algunas frecuencias son específicas para determinados países. Por
ejemplo, el empleo de la frecuencia 915 MHz en el procesado de alimentos
está perm itida en EE.UU. pero no en Europa.
Las aplicaciones prácticas del calentamiento y el secado a frecuencias
dieléctricas o de microondas son las mismas, pero los métodos de generación
-47-
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Capítulo I. Introducción
y los equipos son distintos. Estas aplicaciones se detallan más adelante
(apartado I.5.3.).
Tabla 1.5. Frecuencias designadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para
uso industrial, científico y médico
Intervalo de frecuencias
(MHz)
6,765-6,795
13,553-13,567
26,957-27,283
40,66-40,70
433,05-434,79
902-928
2.400-2.500
5.725-5.875
24.000-24.250
61.000-61.500
122.000-123.000
244.000-246.000
Límite máximo de radiación
Bajo estudio
Ilim itado
Ilim itado
Ilim itado
Bajo estudio
Ilim itado
Ilim itado
Ilim itado
Ilim itado
Bajo estudio
Bajo estudio
Bajo estudio
Fuente: Schiffmann (1995).
1.5.2. Equipos de microondas
Los componentes de un equipo de microondas están representados en el
siguiente esquema (figura 1.9.):
La fuente de energía transforma la energía eléctrica de la red en alta
tensión, aumentando el voltaje hasta el nivel necesario de forma sim ilar a
como lo haría un transformador. Está conectada al generador de microondas
que se alimenta al tubo generador, refrigerado por aire, el cual convierte la
energía eléctrica en energía de microondas.
Una guía de ondas ("Travelling wave")/ de superficies metálicas,
conduce la energía de microondas generada en el magnetrón hasta el
-48-
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Capitulo I. Introducción
aplicador o cavidad, donde se introduce el producto (carga) que se desea
calentar. Dado que es preciso im pedir que se formen ondas estacionarias al
componerse las ondas incidentes y reflejadas (para evitar el desarrollo de
puntos fríos y calientes, como se explica más tarde), ya que podrían afectar al
generador, se suelen interponer entre la guía de ondas y la cavidad,
circuladores (dispositivos no disipadores de energía) que dejan pasar la
energía únicamente en el sentido generador-carga y derivan la energía
parcialmente reflejada por la carga hacia una carga de agua continuamente
refrigerada o de aire (en este caso el circulador se denomina Aislador), donde
se transforma en calor, evitando que la potencia reflejada por el sistema
incida en el magnetrón, dañándolo.
La unidad de control regula el sum inistro de energía al generador de
acuerdo con la capacidad de absorción de energía del producto situado en el
aplicador. Esta cantidad de energía determina la velocidad de calentamiento
del producto, razón por la cual es tan importante controlarla. Los sistemas de
microondas también disponen de un control del tiempo de duración de la
operación para ajustarlo a las necesidades específicas de cada proceso. Los
equipos más sofisticados han sustituido estos controles con simples
dispositivos por microprocesadores que no sólo controlan automáticamente
estas variables, sino que también son capaces de programar en una o
m últiples etapas el procesado del producto.
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Capitulo I. Introducción
Refrigeración del
generador con ventilador
Energía eléctrica
Generador de
microondas
(MAGNETRÓN)
Fuente
energía a alta
tensión
Carga de agua para
absorber ondas reflejadas
Salida agua
ENERGÍA
Sistema
control
Guía
de ondas
APLICADORO
CAVIDAD
Salida PRODUCTO
Entrada PRODUCTO
Absorción exceso energía
Figura 1.9. Esquema de los principales componentes de un equipo de microondas
La figura LIO. muestra la sección de un microondas.
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Capitulo 1. Introducción
SALIDA AIRE
CAJA DE
ALIMENTACIÓN
GUÍA DE ONDAS
SAUDA AIRE
MAGNETRÓN
CONDENSADOR
ÍKANbtOKMAUUK
TO-FNFRG1A
PUERTA
VENTILADOR
w
DE REFRIGERACIÓN
FILAM ENTO DEL
TRANSFORMADOR
CORRIENTE DE AIRE
A continuación se describen con más detalle algunas de las partes
fundamentales de un homo microondas.
El magnetrón
El magnetrón es un tubo de vacío que sirve de oscilador, rodeado por una
estructura a modo de soporte con ranuras de refrigeración
incorporadas (figura 1.11.).
Figura 1.11. Magnetrón (Cortesía de Richardson Electroniccs, S.A.)
- 51 -
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Capítulo I. Introducción
En la parte superior existe una antena de aproximadamente 2 cm de
longitud que irradia la potencia de microondas de manera similar a un
transmisor walkie talkie.
La caja de reducidas dimensiones situada en la parte inferior se llama caja
de alimentación ("Filter box"), y en su parte frontal se encuentran dos
terminales que sirven para conectar el generador de potencia al filamento del
magnetrón. Además, la caja contiene un par de inductores y condensadores
que filtran o protegen al magnetrón de cualquier emisión electromagnética
esporádica que escape de los alrededores del generador de potencia. La
estructura interna del magnetrón (figura 1.12.) se denomina diodo (una
contracción de di, que significa dos, y electrodo). El diodo de un magnetrón
comercial
está
constituido
por
un
tubo
de
cobre
cilindrico
de
aproximadamente 4,5 cm de diámetro y 1,25 cm de altura, y que está cerrado
por ambos extremos con platos de cobre cilindricas de forma que todo el
espacio en su interior se encuentre en condiciones de vacío. Dentro del tubo y
extendiéndose alrededor del centro como las ranuras de una rueda, se
encuentran normalmente 12 platos de cobre o ranuras, que dejan alrededor
del centro un espacio de cerca de 0,95 cm de diámetro donde se sitúa el
filamento en forma de anillo en espiral.
- 52 -
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Capítulo I. Introducción
A LA ANTENA
FILAMENTO
AI FTASDE
REFRIGERACIÓN
ESTRUCTURA
d e l An o d o
Figura 1.12. Estructura interna del ánodo de un magnetrón (Buffler, 1993)
Esta estructura de cobre hueca que incorpora una zona circular resonante
de microondas se denomina ánodo, y se encuentra rodeando a un emisor de
electrones -cátodo- situado en su parte central. El ánodo está constituido,
como ya se ha explicado, por un conjunto de elementos separados entre sí un
cuarto de longitud de onda formando ranuras (cavidades oscilantes), las
cuales se cargan alternativamente al abrir el circuito (figura 1.13.). Así,
podemos considerar que la carga positiva gira alrededor del ánodo y, cuando
éste se alimenta con un alto voltaje continuo respecto al cátodo, atrae a los
electrones emitidos. De esta manera se genera un campo magnético cuyas
líneas son perpendiculares a las trayectorias de los electrones, lo que
posibilita un giro alrededor del cátodo. Este giro sincronizado induce un
campo eléctrico en la estructura del ánodo.
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Capítulo I. Introducción
AUNA
ANTENA
X/4
FILAM ENTO
Figura 1.13. Sección transversal del ánodo de un magnetrón (Buffler, 1993)
Si aumentamos el voltaje los electrones giran más rápidos dando más
potencia a la salida, lo mismo sucede si disminuimos el campo magnético al
alcanzar más electrones el ánodo.
La estructura del homo microondas: la cavidad multimodo y el
agitador de modos
Uno de los problemas más graves asociados al calentamiento por
microondas es el desarrollo de puntos calientes y puntos fríos dentro del
-54-
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i
Capitulo 1. Introducción
producto, debido en parte a los altos y bajos valores de campo eléctrico que
I
se producen en el homo y que son intrínsecos a la estructura de la cavidad.
La geometría y las propiedades dieléctricas son los otros factores que
\
influyen en la uniform idad del calentamiento. Por lo tanto, el diseño correcto
j
del aplicador es un factor prim ordial pues define la distribución con la que se
!
disipa la energía en el material en forma de calor, y la velocidad de
!i
disipación de la energía (en combinación con el nivel de potencia
;
suministrada). Desgraciadamente, este fenómeno está gobernado por leyes
i
físicas y la mayoría de las veces no puede solucionarse este problema.
Las variaciones del campo eléctrico en una cavidad se suceden porque las
microondas son reflejadas por las paredes metálicas de manera sim ilar a la
reflexión de los haces de luz por un espejo. En las paredes metálicas el campo
eléctrico es nulo y en el centro asciende a un valor máximo. Las amplitudes
de las microondas que circulan por el interior de la cavidad se van sumando
y restando, dando lugar a regiones de mayor y menor magnitud del campo
eléctrico. Las distribuciones de estos comportamientos estacionarios del
campo eléctrico en las tres dimensiones de la cavidad se denominan ondas
estacionarias. Cada una de estas distribuciones del campo eléctrico
que
pueden aparecer en una cavidad determinada con un máximo y su
correspondiente mínimo del campo, se denomina modo. Lá manera con la
que se introduce la potencia de microondas en la cavidad determina el
número de modos generados o "excitados". La distribución de amplitudes
final, y por ende, la de los puntos fríos y calientes, depende de esta
excitación. La figura 1.14. representa tres modos en direcciones ortogonales,
con uno, dos y tres máximos, en una cavidad de homo microondas.
-55I
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Capitulo I. Introducción
AM PLITUD
M AXIM A AMPLITUD
M ÍN IM A -
PAREDES DE LA CAVIDAD
DEL HORNO (METÁLICAS)
Figura 1.14. Modos u ondas estacionarias en una cavidad multimodo (Buffler, 1993)
En una cavidad, los modos existen en Jas tres dimensiones, por lo que la
distribución
homogénea
del
calor
no
dependerá
solamente
del
t
emplazamiento del alimento dentro del horno, sino también de la altura
existente por debajo de la bandeja que se sitúa normalmente en los hornos
microondas (obliga a que las microondas incidan sobre la parte inferior del
alimento asegurando su calentamiento en esa zona). La frecuencia de los
modos en una cavidad está relacionada con sus dimensiones por la ecuación
(1.25.), donde / es la frecuencia del modo (GHz), l, m y n e1 número de
máximos en el modo en la dirección x, y y z, respectivamente, de la cavidad,
A , B y C son las dimensiones x, y y z de la cavidad (m), y c es la velocidad de
la luz (0,30 m /ns).
- 56-
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i
j
Capítulo I. Introducción
Para evitar lo máximo posible la formación de puntos calientes y fríos en
la cavidad se emplea una pieza metálica con aspas (similar a un ventilador)
que gira a una velocidad determinada, denominada agitador de modos. A l
variar la manera en que cada modo es excitado, cambia la am plitud de cada
uno de ellos, y por lo tanto, la suma de amplitudes de todos los modos
provoca un campo eléctrico variable con el tiempo sobre el producto, lo que
produce una distribución más homogénea de esos puntos calientes y fríos y
en consecuencia del calor. El agitador de modos ha sido sustituido en los
hornos microondas domésticos por una bandeja giratoria de material plástico
(figura 1.16.), para evitar que el producto a calentar apoye directamente sobre
la pared metálica del fondo y conseguir que el aporte de energía se realice a
todas las superficies del producto (incluida su base, pues si se apoyase sobre
el fondo metálico al reflejar éste toda la energía recibida impediría su
transmisión por la superficie del fondo del objeto situado en la cámara).
Entrada de energía
Magnetrón
do m icroondas
Agitador
fe
Recinto
metálico
Producto
/
r
Producto
\
(b) Con agitador
NÉéBIli \
Producto
(a) Con bandeja giratoria
(c) Con desplazamiento de paredes
Figura 1.15. Homo de microondas multimodo (Fuente: Astigarraga, ] & Astigarraga, /.,
1995)
57 -
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Capitulo I. Introducción
Para tratamientos de productos sólidos en régimen continuo se utilizan
j
túneles de aspecto sim ilar a los convencionales (figura 1.17.). En las entradas
y salidas del túnel se colocan dispositivos "energy-trappings" (trampas para
recuperar energía perdida). Tienen dos funciones fundamentales:
a) Evitar las pérdidas de radiación por los orificios por dónde entra y sale el i
¡
producto (evitar daños biológicos a los operadores).
b) Absorber energía cuando no hay carga en el túnel y evitar que la energía
reflejada hacia el tubo generador pueda dañarlo.
Filtro»
Con disipadoro*^Sin dblp«dorosl
aaaaaa
Biia n n l
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/ / / / . i / // /A i / / / / / 1r / / / i i / / / / . i / / / a i y //1 y ///
py
O’-'O'-
Banda transportadora m
P,< 1 mW/cm’ a 1 m
Para el calentamiento de productos líquidos se utilizan equipos de diseño
especial, pero prácticamente no han superado todavía la escala de laboratorio
o planta piloto.
Las unidades modulares tienen mayor aceptación al perm itir una mayor
flexibilidad en el tratamiento del producto, ajustando el consumo de energía
a voluntad en cada módulo.
La velocidad de calentamiento, esto es, la potencia absorbida por el ■
alimento situado en el interior de un homo microondas (carga), depende
varios factores, por orden de importancia, el magnetrón, la energía
suministrada, el volumen de la carga y su geometría, la temperatura del
producto, su calor específico, la temperatura del recipiente que contiene el
- 58-
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!
Capítulo I. Introducción
producto (en su caso), la posición de la carga dentro del alimento y varios
parámetros relacionados con el tipo de cavidad (Buffler, 1992).
1.5.3. Aplicaciones de la energía de microondas a la tecnología de alimentos
La tabla 1.6. resume las principales aplicaciones de la energía microondas
en la industria alimentaria, con los principales objetivos de cada operación y
algunos ejemplos de alimentos susceptibles de ser procesados de esa manera.
A continuación se comentan las ventajas e inconvenientes del uso de las
microondas frente a los procesos convencionales utilizados en la industria de
alimentos.
Tabla 1.6. - Aplicaciones típicas de la energía microondas en el procesado de alimentos
A p licació n
Atemperado
O bjetivos
Alcanzar una
tem peratura por encima
de la congelación
Secado a vacío
Liofilización
Escaldado
Horneado
Tostado
Carne, Pescado, M antequilla
Semillas, granos, zumos cítricos
Reducir el contenido en
humedad
Secado
Cocido
A lim en to s
Carne, vegetales, frutas
Pasta, arroz, alimentos tipo “snack”
Modificar el sabor y la
textura
Inactivar enzimas
Calentar y activar
levaduras
Calentar y favorecer las
reacciones térmicas
Calentamiento
Inactivar
microorganismos
Pasteurización
patógenos
Inactivar esporas de
Esterilización
microorganismos
Adaptado de George (1992)
Bacon, elaborados cárnicos, patatas
Fruta, maíz, patatas
Pan, pastelería, bollería
Nueces, café, cacao
Platos precocinados
Productos lácteos, comidas
preparadas
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Capítulo I. Introducción
Atemperado/Descongelación de productos congelados
Sin ninguna duda, es la aplicación del calentamiento por microondas más
extendida industrialmente. Existen alrededor de 400 sistemas funcionando
en Estados Unidos para carne, pescado, vegetales y frutas y al menos cuatro
para mantequilla en Gran Bretaña (Schiffmann, 2001). La mayoría de los
estudios realizados ya en la década de los 70 y 80 (Aronowicz, 1975;
Bezanson, 1975; Rogov et al., 1985; Rogov et al., 1987) pero incluso en la
actualidad Gong & Yiyong, 1999), han analizado el comportamiento y las
características finales de diversos tipos de carne durante el atemperado con .
microondas. El producto final presenta buenas características con un tiempo
de procesado m uy corto. La importancia económica de la industria de la
pesca unida a la necesidad de congelar el producto recién capturado
impulsaron la búsqueda de nuevas técnicas de descongelación rápida. En
este sentido, Anón (1981, 1982) aplicó microondas con esta finalidad. El
intento realizado por Cadeddu (1981) en el empleo de túneles de atemperado
por microondas en el estiramiento del cuajo durante la producción de queso
Mozzarella no resultó adecuado.
Frente a la creencia popular, la descongelación adecuada de un producto
es prácticamente imposible utilizando únicamente energía de microondas. La
constante de pérdidas (e "r) del agua es aproximadamente 1000 veces superior
a la del hielo (prácticamente transparente a las microondas). Esto hace que
las primeras fracciones de agua de descongelación absorban prácticamente la
totalidad de la energía proporcionada al alimento, por lo que el producto
llega a alcanzar temperaturas elevadas en las zonas con presencia de agua
líquida (si no se interrumpe el proceso se produce una fuerte deshidratación
local), mientras que otras zonas permanecen completamente heladas. Este
-60-
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Capitulo I. Introducción
'
inconveniente se ha paliado descongelando con bajas densidades de
: microondas en cámaras refrigeradas a temperaturas entre 0 y -10°C, de forma
que aparece un gradiente de temperaturas entre el interior y la superficie,
descongelándose desde dentro hacia fuera. En la industria se utilizan para
llevar al producto congelado desde su temperatura hasta (-5)-(-2)°C, es decir,
a irnos grados por encima de su temperatura inicial de descongelación, de
manera que cuando la fracción de agua líquida empieza a ser demasiado
elevada dejan de aplicarse las microondas para evitar sobrecalentamientos en
determinadas zondas del producto. En este sentido se utilizan con grandes
canales de carne. A pesar de estos inconvenientes la notable reducción del
tiempo en la descongelación (5-10 minutos para 15-40 kg de producto
congelado en lugar de 4-5 días) permite conseguir unos rendimientos
cercanos a las 10 T m /h de producto procesado. Además, se reducen
considerablemente las pérdidas de sangre u otros fluidos presentes en la
carne, evitando las consecuentes pérdidas económicas. La descongelación
con microondas se realiza en Estados Unidos a 915 MHz de frecuencia por su
mayor poder de penetración.
En la actualidad se estudian otras posibles aplicaciones de esta técnica
con otros productos como el arroz (Yanai et al, 2001), las patatas (Hoke et al,
2000) o los cereales (Schwab & Brown, 1993), con unos resultados
esperanzadores en cuanto a las buenas propiedades físicas y sensoriales
conseguidas. Por otra parte algunos estudios (Chamchong & Datta 1999a,
1999b; Jun et al., 1998) están enfocados a alcanzar un mejor conocimiento de
la relación entre el equipo (potencias aplicadas y ciclos de trabajo) y el
producto (propiedades dieléctricas, carga y geometría).
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Capítulo I. Introducción
Calentamiento de productos precpeinados
í
Es la principal aplicación práctica de los microondas domésticos y de j
restauración pues se consigue un recalentamiento rápido, cómodo e
higiénico del producto (Burfoot & Foster, 1991; Dealler et al., 1990; Snyder &
i
Matthews, 1986). Sin embargo, actualmente se han realizado diversos |
estudios en un intento de no sólo mejorar las características físicas y ¡
sensoriales del producto recalentado (Gropper et al., 1997; Jim et al., 1996a,
1996b; Kuo et al., 1998; McWatters et al., 1999; Schalch, 1994), sino de :
conseguir la mayor uniform idad en el calentamiento del producto (Lobo & ¡
Datta, 1998; N i et al., 1999; Richardson, 1992; Swain et al., 1994).
Cocinado de platos
El calentamiento por microondas es tan rápido que lleva el producto a la
temperatura deseada en un tiempo tal que no permite su cocinado: el
producto está caliente, retiene muy bien sus principios nutritivos pero no
alcanza n i la apariencia n i el sabor típico del plato cocinado, por lo que es
preciso combinar el
tratamiento
por
microondas
con las
técnicas
convencionales (Chung et al., 2000). Aún así, las microondas se utilizan
industrialmente en la cocción de pollos (1500 kg pollo/hora) y de bacon (con
ventaja sobre los procedimientos: de fritura al aceite o de calentamiento por
infrarrojos) y se continúa con el estudio de esta técnica, con productos tales
como pescado (Sahin & Sumnu, 2002), alubias (Negi et al., 2001), yema de
huevo (Murcia et al., 1999), camarón (Gundavarapu, 1998).
I
1
- 62 -
|
i
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Capítulo I. Introducción
Horneado
El horneado de algunos productos de bollería por microondas se realiza a
escala industrial, mientras que el de masas para elaboración de pan está
todavía en fase experimental (Campaña et al., 1993; Ozmutlu et al., 2001a,
i
2001b). También sigue bajo estudio la aplicación a masas para la elaboración
I
|
de tartas o pasteles (Daglioglu, 2000; Sumnu, 2001; Sumnu et al, 2000; Sumnu
j
et al, 1999; Zhang et al., 2001). Aparte de la mejor retención de vitaminas y
|
principios nutritivos, el efecto fundamental es el mayor volumen que
|
adquieren las piezas horneadas con microondas, del orden de un 25 a 30%
i
superior al que consiguen por el método clásico con aire caliente. No se
detectan diferencias en el sabor. Como efecto secundario se aprecia un menor
contenido en mohos en los productos horneados con microondas. En el caso
|
I
j
del pan se requieren otra fuente adicional de energía para conseguir en la
corteza, el color y la textura deseados.
¡
j
Escaldado de productos vegetales
Frente al método tradicional de escaldado en agua caliente tiene la
ventaja de que evita la pérdida de nutrientes (vitaminas, etc.) y sustancias
colorantes que pasarán al agua de escaldado, como se ha observado en
tomates (Begum & Brewer, 2001), zanahorias (Kidmose & Martens, 1999),
alubias (Kaur & Kapoor, 2001), semillas de soja (Ho et al., 1999), espárragos
(Kidmose & Kaack, 1999), champiñones (M ourik & Bartels, 1999) o fresas
(Wrolstad et al., 1980). Además evita la producción de aguas contaminantes.
Estudios recientes revelan que se puede evitar en cierta medida el
pardeamiento enzimático, por ejemplo en patata (Severini et al., 2001),
aunque algunos investigadores aseguran que la inactivación enzimática
I
- 63-
i
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Capítulo 1. Introducción
conseguida por microondas es bastante defectuosa en muchas verduras y
hortalizas, principalmente en la superficie del producto donde aparecen
problemas. Algunos autores (Chung et al., 2000) proponen combinar el ;
escaldado por microondas con otros métodos (vapor ó agua caliente).
j
Como inconveniente cabe citar la posibilidad de deshidratación :
superficial del producto, especialmente en hojas (espinacas, coles, etc.). Está
en discusión el posible efecto "per-se" (independientemente del efecto
j
térmico) de la radiación de microondas sobre los enzimas.
Esterilización y pasteurización de productos alimenticios
La mayoría de los trabajos de investigación sobre este tema discuten el
posible efecto "per se" de la energía microondas.
Los productos sólidos se suelen esterilizar envasados en los recipientes
definitivos y, en el caso de las microondas, no pueden ser metálicos (ni la ,
totalidad del envase n i la tapa). Este es, entre otros, uno de los factores que
lim itan la utilización de esta técnica.
Debido al rápido calentamiento del producto, se consigue una mejor
retención de los principios nutritivos del producto, en comparación con las
técnicas actuales (Ohlsson, 1991), pero en realidad esta aplicación no ha
pasado de la escala de laboratorio en muchos casos. Las principales razones
son el elevado coste y la relativa seguridad microbiológica, ambas derivadas ■
de la heterogeneidad del calentamiento, que no asegura que todos los puntos
del alimento alcancen la temperatura necesaria para provocar la muerte
microbiológica necesaria (Buffler, 1992). Por otra parte, se ha estudiado la j
posible aplicación combinada de peróxido de hidrógeno con un tratamiento í
-64-
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Capítulo I. Introducción
|i
|
con microondas para inactivar algunos microorganismos (Kuchma, 1998),
|
encontrándose un efecto sinérgico entre ambos factores.
|
Permite la pasteurización de productos envasados en vidrio, plástico y
papel. Los alimentos que han respondido mejor a este tratamiento han sido
|
los productos de bollería, los platos preparados y los quesos suaves (Burfoot
i
& James, 1992).
]
j
j
j
:
También se ha ensayado esta técnica con la esterilización de leche (Sierra
j
& Vidal Valverde, 2001; Suk et al., 1999; Suk & Joo, 1999; Valero et al., 2000) y
zumos de frutas (Fox, 1994; Nikdel et al., 1993), en dispositivos adecuados de
régimen de trabajo continuo.
i
l
j
|
Deshidratación de productos alimenticios
La aplicación de las microondas al secado de alimentos ha recibido
también una amplia atención en los últim os tiempos (Decareau, 1986;
j
George, 1997; Gould, 1995; Ohlsson, 1991; Richardson, 1991). El calor
j
volumétrico generado por las microondas induce un gradiente de presiones
interno que vaporiza y "expulsa" el agua hacia la superficie, lo cual acelera
enormemente el proceso, cuando se compara con la deshidratación con aire
caliente (Steele, 1987) o por infrarrojos, dependiente de la velocidad de
difusión del agua en el interior del producto hacia la superficie.
Teniendo en cuenta las ventajas que ofrece esta técnica cuando se
compara con otros métodos convencionales de secado (reducción del tiempo
de proceso /aum ento de la eficiencia, reducción de los gradientes de
humedad y temperatura, disminución del sobrecalentamiento superficial
/calentamiento más homogéneo, conservación de la porosidad /m ejor
I
j
I
rehidratación,
reducción
del
encogimiento,
descenso
del
consumo
-65-
1
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Capítulo I. Introducción
energético), no es de extrañar el gran número de publicaciones desarrolladas
en los últim os años.
Algunas de las aplicaciones estudiadas incluyen el secado de pasta y
otros productos derivados de cereales (Beke, 1999; Gunasekeran, 1990; Ji et
al., 1999; Niewczas et al., 1996; Shivare et al., 1991; Shivare et al., 1994), el
secado de legumbres (Adu & Otten, 1996a, 1996b, 1996c), la producción de
productos en polvo solubles instantáneos (café, té ,...), el secado de productos
lácteos (Suk et al., 1997) o el secado de carne y pescado (Lin et al., 1999).
Diversos autores (George, 1992; Schiffmann, 2001) han señalado que la
aplicación óptima de las microondas en el secado se produce al final del
’
periodo de velocidad de secado constante. Existe pues una zona de
j
aplicación óptima de las microondas que comienza en las proximidades de la
humedad crítica. El resultado global puede dar lugar a un menor tiempo de
secado y una disminución de las reacciones deteriorativas de la calidad
(Decareau & Peterson, 1986). En este sentido, el secado final de papas fue
una de las primeras aplicaciones industriales de la energía microondas. Se
aplica en la fase final de la fritura cuando queda un pequeño contenido en
humedad (6-8%) y las patatas están ya doradas. Permite quitar parte de la
humedad que llevan las patatas fritas (hasta aproximadamente 2%) sin
causar un pardeamiento excesivo. El producto final queda crujiente y con un
color final muy aceptable. En realidad se acorta un poco el tiempo de fritura,
I
antes de que las patatas comiencen a adquirir coloraciones oscuras locales, lo
que permite además aumentar la capacidad de las instalaciones. A l combinar
la fritu ra tradicional, hasta alcanzar la fase de velocidad de evaporación del
j
agua decreciente, con la aplicación de microondas a partir de ese punto, se
-66-
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Capitulo I. Introducción
I consigue que todo el proceso se desarrolle a velocidad constante. Se
I consigue, pues, un aumento considerable de la eficiencia del equipo.
1
También aumenta su estabilidad en el almacenamiento y disminuye el
¡ riesgo de enranciamiento. Además permite u tilizar patatas con alto
| contenido en azúcares, que se descartan en los procesos normales.
|
En 1993 se desarrolló un sistema para producir un producto sim ilar a las
i patatas fritas pero sin grasa o de bajo contenido graso al evitar la etapa de
j fritura (Gaon & widersatz, 1993).
j
En el campo de la deshidratación, las microondas se han aplicado
í también como un procedimiento de mejora de técnicas tradicionales, como el
] secado a vacío y la liofilización. El secado a vacío suele utilizarse en
j
productos termolábiles en los que una gran parte del proceso tiene lugar en
j
el período de velocidad de secado decreciente. El uso de microondas como
i1
j
| elemento calefactor durante el secado a vacío puede dar lugar a importantes
| reducciones en el tiempo de secado, en los costos de la operación e incluso en
l
i
las condiciones de higiene, dando lugar a productos de mejor calidad
(George, 1992). Las principales líneas de aplicación del secado con
| microondas a vacío se han dado en concentrado de frutas (Drouzas et al.,
i'
j 1996; Kiranoudis et al., 1997; Yongsawatdigul et al., 1996a, 1996b), en
| hortalizas (Lin et al., 1998), en pescado (Lin et al., 1999), en productos
I "instantáneos" tales como té, café y leche y en el secado de granos (Pominski
& Vinnett, 1989), arroz y pasta (Velupillai et al., 1986; Wadsworth et al., 1990;
Wadsworth et al., 1986).
En Francia se ha desarrollado una técnica que puede tener importancia
práctica, que consiste en la deshidratación a vacío, por microondas, de zumos
|
- 67 -
|
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Capítulo I. Introducción
de frutas espumados. Esta técnica puede ser competitiva de la liofilización
para la obtención de este tipo de productos.
Por su parte, el calentamiento, o mejor dicho, el suministro de calor por
microondas a los productos en proceso de liofilización es una solución
técnica perfecta. El principal problema que presenta la liofilización es el
transporte de calor a través de las capas secas del producto congelado hasta
el núcleo congelado, y en este sentido, las microondas, al crear calor "in situ"
y solamente donde hay moléculas polares (agua líquida), evitan el
recalentamiento del producto seco y aceleran extraordinariamente los ciclos
de secado por liofilización.
La calidad del producto liofilizado mejora sensiblemente si el aporte de
calor se hace por microondas, pues el tratamiento térmico que sufre la parte
de producto seco es m uy poco intenso y mucho más breve (Chen et al., 1993).
El proceso de liofilización utilizando microondas permite por otra parte
aumentar la densidad de carga de los equipos sin que se produzca el efecto
de "sombra" que tiene lugar con productos sólidos cuando se emplean
fuertes densidades de carga y se calienta por rayos infrarrojos.
Recientemente se ha estudiado su aplicación en leche (Ben Souda et al.,
1989) y en zanahoria (Lin et al., 1998).
1.5.4. Consideraciones económicas respecto de la aplicación de microondas
en la Industria Alimentaria.
El principal obstáculo para la difusión de la producción de calor por
microondas es el elevado coste del proceso. En suma se trata de producir
-68'
1
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Capítulo I. Introducción
calor mediante energía eléctrica que es, de por sí, más cara que la energía
procedente de la combustión, y con un rendimiento no muy elevado.
Normalmente los equipos tienen una
pérdida
del 10% en la
transformación de la corriente de entrada en alta tensión, y un 40% de la
energía se disipa en forma de pérdidas en el tubo de microondas, con un
sistema de refrigeración. El rendimiento global del proceso es pues del orden
del 50%, y utiliza la forma más cara de la energía que puede utilizarse para
calentamiento: la electricidad.
Por otra parte, al elevado coste de los equipos hay que afladir la lim itada
vida del tubo generador de microondas. Los magnetrones tienen una vida
típica de 2 a 3000 horas, y el Klystron de 6000 h (el Klystron se utiliza para
potencias superiores que las generadas con el magnetrón y su costo es
proporcionalmente mucho mayor). Por este m otivo se comprende la escasa
viabilidad económica de esta técnica en los procesos en que se precisa
aportar una importante cantidad de calor: deshidratación, concentración, etc.
De aquí las investigaciones que combinan los tratamientos con microondas al
final del proceso con los otros medios convencionales en la primera parte en
que se evapora la mayor proporción del agua (Funebo & Ohlsson, 1999).
El proceso resulta viable económicamente para aquellos casos en que el
costo de la materia prima es despreciable en relación con el precio final del
producto (productos de gran valor añadido): recalentamiento de platos
precocinados en bares y restaurantes, secado final de patatas fritas, horneado
de donuts, etc. En este sentido, han surgido recientemente diversos estudios
encaminados a evaluar la posibilidad de emplear el calentamiento por
microondas en el secado de alimentos enriquecidos, sobre todo vegetales
(Zhang et al., 2000) y frutas (Vielledent et al., 2001), por tratarse de alimentos
|
- 69-
i
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Capítulo I. Introducción
con una elevada porosidad que permite la aplicación de la impregnación a
vacío como vía de enriquecimiento.
1.6. EL USO DE LAS MICROONDAS EN EL SECADO CONVECTIVO.
La deshidratación de alimentos es un proceso complejo en el que se ven
involucrados fenómenos de transferencia de materia y de calor simultáneos
(Chirife, 1983; Bruib & Luyben, 1980). Dependiendo de la aplicación,
diferentes fenómenos son los dominantes, y el esclarecimiento de los
mecanismos que gobiernan estos fenómenos es fundamental si se desea
implementar en la industria un nuevo proceso.
En el secado convectivo por aire caliente de sólidos, los fenómenos que
deben ser considerados son la difusión de humedad en el interior del sólido
hasta la superficie externa, la vaporización y la transferencia por convección
del vapor en el seno de la corriente de aire, la transferencia por conducción
de calor en el interior de la masa sólida, y la transferencia de calor por
convección desde el seno del aire a la superficie del sólido. Para cada uno de
estos fenómenos, se debe asumir un mecanismo que lo describa. Cada
mecanismo se expresa, generalmente, usando una fuerza impulsora y una
propiedad de transporte (coeficiente). Las propiedades de transporte
comúnmente utilizadas son el coeficiente de difusión de humedad en el
interior del producto, el coeficiente de transferencia de masa en la interfase,
la conductividad térmica, y el coeficiente de transferencia de calor en la
interfase.
-70-
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Capitulo I. Introducción
Si conjuntamente con el aire caliente, se aplican microondas, será
necesario considerar el calor volumétrico producido por ellas, que constituye
un término adicional en el balance general de calor.
Aunque han sido varios los intentos por describir los fenómenos
característicos del secado por microondas, existe aún m uy poca literatura
acerca de modelos básicos para materiales biológicos. Tal y como se explicó
en la introducción de la presente tesis, la generación de calor por las
microondas tiene su origen principalmente en la rotación dipolar de
moléculas de agua libre (Metaxas & Meredith, 1983; Decareau, 1985) y, en
este sentido, las diferentes formas en las que se puede encontrar el agua
ligada en los alimentos adquieren un papel muy importante en la velocidad
de pérdida de humedad durante el proceso de secado.
Adu et al. (1996a) estudiaron el efecto del incremento de la
higroscopicidad en el calentamiento por microondas de soja a 2,45 GHz
manteniendo la potencia absorbida por el producto constante a lo largo del
proceso. La temperatura del alimento aumentó rápidamente en las etapas
iniciales del secado, alcanzando un máximo, para posteriormente dism inuir
gradualmente con el contenido en humedad del producto durante la etapa
de velocidad de secado decreciente. Este comportamiento revela que un
aumento en la fuerza con la que las moléculas de agua se encuentran ligadas
produce un incremento del calor de sorción puesto que la energía necesaria
para liberar esas moléculas de forma que puedan rotar y generar calor, se
hace cada vez mayor. En otro trabajo, los mismos autores descubrieron que el
secado por microondas de una capa fina de alubias blancas a una potencia
absorbida constante puede describirse por medio de una aproximación con
tres términos a las soluciones en serie teóricas de la ecuación difusional de
-7 1 I
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Capítulo I. Introducción
Fick para un coeficiente de difusión variable con el tiempo. Esto parece
indicar que el secado de alubias blancas tiene lugar principalmente en el
periodo de velocidad de secado decreciente, característico de la difusión,
fenómeno controlado internamente por el propio producto. Shivare et al.
(1994) estudiaron la cinética de secado por microondas de maíz mediante un
modelo empírico que sustituye el contenido en humedad de equilibrio por
un valor de humedad de superficie en la solución analítica a la segunda ley
difusional de Fick para una esfera homogénea e isotrópica. Esta ecuación
i
modificada ha sido también utilizada en la descripción del secado convectivo
'
de arroz, el secado con microondas de trigo y el secado combinado por
!
i
microondas y lecho fluidizado de arroz.
Constant et al. (19%) propusieron un conjunto de ecuaciones para
describir los mecanismos físicos de transferencia de calor y materia que
j
tienen lugar durante el secado con generación de calor volumétrico
¡
involucrado, es decir, con microondas. Asumen al medio en equilibrio
í
termodinámico y consideran que cuando la temperatura del medio excede a
la del punto de ebullición impuesto por la presión externa, el gradiente de
presión gaseosa actúa como una fuerza impulsora adicional (además de los
mecanismos difusionales) tanto en la fase gaseosa como en la fase líquida del
producto.
Todos los trabajos mencionados asumen que la absorción de potencia de
,
microondas fue uniform e a lo largo del producto alimentario en cualquier
instante dado del tiempo de secado, de forma que la transferencia de materia
‘
pudiera describirse más fácilmente. Sin embargo, los perfiles de temperatura
j
deben ser igualmente estudiados cuando se pretende desarrollar modelos
i
!
que reproduzcan la cinética de secado por microondas. El método de los
- 72 -
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Capítulo 1. Introducción
j
elementos finitos (Finite Elemente Method, FEM) es un método numérico
j
relativamente nuevo empleado en la ingeniería de alimentos. Su flexibilidad
en el manejo de configuraciones geométricas irregulares y de las propiedades
del material, y su precisión al analizar alimentos heterogéneos y no
isotrópicos, lo convierten en el método numérico preferido para describir el
proceso de calentamiento por microondas de alimentos (Lin et al., 1995).
Además, la distribución de humedad y de temperatura dentro de los
alimentos puede predecirse a partir de este método en la mayoría de los tipos
de alimentos durante el calentamiento por microondas. Zhou et al. (1994a)
investigaron el efecto del gradiente de temperaturas en el gradiente de
humedad durante el calentamiento por microondas de patata y pan, usando
el método de los elementos finitos. Descubrieron que para alimentos muy
densos (patata), este efecto es despreciable, mientras que para alimentos poco
densos y porosos (pan), la mayoría del movimiento de humedad era debido
al gradiente de temperatura. Zhou et al. (1994b) desarrollaron un modelo en
tres dimensiones con este método numérico de los elementos finitos y lo
validaron con soluciones analíticas, software comercial (Twodepep) y datos
experimentales de formas cilindrica y lam inar de patata. La temperatura
predicha por FEM coincidió con los valores medidos. Lin et al. (1995)
emplearon el mismo software en dos dimensiones para calcular la densidad
de microondas absorbida en cualquier punto de un gel de sodio-alginato en
función de las propiedades dieléctricas y la geometría (rectangular y
cilindrica) del material. Encontraron que las predicciones de temperatura en
las muestras de forma laminar se correspondían con las medidas
experimentales, pero las de las muestras de forma cilindrica se desviaban en
la zona central. Además, este trabajo explica cómo cualquier variación en la
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Capítulo I. Introducción
difusividad térmica, las propiedades dieléctricas o la potencia incidente de
microondas, produce un cambio significativo en las temperaturas predichas.
Otros trabajos más recientes de Vilayannur et al. (1998a, 1998b) analizan
mediante el método de los elementos finitos la influencia del tamaño y la
forma en las distribuciones heterogéneas de temperatura y humedad
desarrolladas en muestras de patata calentadas con microondas.
Diversos autores han realizado un considerable esfuerzo para predecir la
1
distribución de temperatura a lo largo del alimento a partir de las ecuaciones
de calor de Maxwell para la distribución de energía microondas. Tal es el
j
caso de Fleischman (1999), que emplearon láminas de temerá cruda, y cuyos
5
resultados revelaron la existencia de un intervalo de temperaturas
|
significativamente sensible al espesor de la lámina, que podría tener claras
1
implicaciones en las operaciones de servicio de alimentación donde bandejas
!
de comida son calentadas por microondas.
|
El secado combinado por aire caliente y microondas ha sido estudiado
con mucha menor profundización. Tal y como explican Funebo & Ohlsson
(1999), la combinación de aire caliente y energía microondas facilita la
transferencia de materia si se compara con el secado convectivo, lo que se
traduce en mejor aroma, rehidratación mejor y más rápida y tiempos de
secado mucho menores. La combinación de microondas con aire caliente
(Berecz et al., 1999; Funebo, 1997,1998; García & Bueno, 1998; García, 19%;
i
Gogus & Maskan, 2001; Khraisheh et al., 2000; Raghavan & Silveira, 2001;
Sharma & Prasad, 2001; Riva et al., 1991; Torringa et al., 2001), permite
i
evacuar el agua evaporada del secador, aumentando la velocidad de
evaporación, lo que disminuye la temperatura superficial del producto
asegurando su calidad (Gunasekeran, 1990).
- 74-
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Capitulo I. Introducción
Son muy interesantes las aplicaciones realizadas al secado de frutas
(Bñbao et al., 2000; Canet, 1988; Erle & Schubert, 2001; Funebo, 1997; Funebo
& Ohlsson, 1998; John & Otten, 1989; Krokida & Maroulis, 1999; Krokida et
al., 2000; Laguerre et al., 1999; Lewicki et al., 2001; Martín et al, 1999; Maskan,
|
2001a, 2001b; Raghavan & Venkatachalapathy, 1999; Raghavan & Silveira,
j
2001; Ruiz et al., 2000; Tulasidas et al., 1995a, 1995b; Tulasidas et al., 1996;
i
Tulasidas et al., 1997; Wang et al., 1996, 1999), hortalizas (Erle & Schubert,
I
2001; Funebo & Ohlsson, 1998; Funebo, 1997; Jun et al., 1998; Prabhanjan et
j
al., 1995; Riva et al., 1991; Torringa et al., 1993; Zarebski & Mroczkowski,
!
;
1995) y especialmente las aplicaciones al secado de patata (Fathima et al.,
!
2001; Ji et al., 1992; Kubota et al., 1992; Rice, J., 1993; Schlipalius et al., 1989).
Shivare et al. (1991) secaron trigo en un homo microondas modificado
i
|
empleando un intervalo de potencia incidente de microondas desde 60 a 600
|
W y un flujo transversal de aire caliente (30,50 y 80°Q. El tiempo de secado
|
total pudo reducirse considerablemente al aumentar la potencia incidente de
■ microondas y la temperatura de secado. Los resultados obtenidos también
demostraron que el concepto de capa fina sólo puede aplicarse a los lechos
con una altura inferior a 0,05 m puesto que durante el secado combinado se
generó un gradiente de temperatura a través del lecho de grano de trigo.
Prabhanjan et al. (1995) estudiaron el secado combinado por aire caliente y
microondas de zanahorias (en capa fina) en un homo microondas doméstico
empleando dos niveles de potencia de microondas y dos temperaturas (45 y
60°C). El tiempo de secado disminuyó un 25-90% y la influencia de la
temperatura del aire de secado en la velocidad de secado fue claramente
inferior cuando se aplicó el nivel superior de potencia, probablemente
debido al mayor flujo de vapor de agua facilitado por las microondas. En el
- 75-
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Capítulo I. Introducción
mismo trabajo quedó demostrado que los modelos difusionales no se
ajustaban bien a los resultados experimentales, y propusieron el modelo
empírico de Page. Finalmente, cabe mencionar las investigaciones realizadas
en el secado combinado de manzana y champiñón por Funebo et al. (1999)
empleando bajos niveles de potencia incidente de microondas (0,6-1 W /g),
tres velocidades de aire (0,5,1 y 1,5 m /s) y 40,60 y 80°C de temperatura del
aire de secado. La temperatura interna desarrollada en el alimento les sirvió
de indicador de la potencia absorbida, que mantuvieron constante a lo largo
del proceso de secado. Tal y como se esperaba, la velocidad de aire, la
potencia de microondas absorbida y la temperatura del aire fueron
inversamente proporcionales al tiempo de secado, siendo la temperatura del
centro del alimento más importante que la temperatura del aire de secado.
1.7. VIABILIDAD DEL EMPLEO DEL SECADO COMBINADO AIRE
CALIENTE-MICROONDAS EN ALIMENTOS IMPREGNADOS.
|
La impregnación a vacío (IV) de un producto poroso consiste en el
|
intercambio del gas interno o líquido ocluido en los poros (espacios
'
intercelulares)
\
por liquido
extemo, por la
acción
de mecanismos
1
hidrodinámicos (HDM ) provocados por cambios de presión en el sistema.
j
(Fito y Pastor, 1994). Este mecanismo se describe y modeliza (Fito, 1994)
j
como un fenómeno de transferencia de materia que ocurre en operaciones
sólido-líquido y es especialmente importante cuando se trabaja en
condiciones de vacío. Según estos autores lo que le ocurre al producto
cuando se sumerge en un líquido y se somete a presiones subatmosféricas es
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Capitulo I. Introducción
que el gas ocluido en los poros sufre una expansión para equilibrarse con la
presión impuesta al sistema, lo que implica, por una parte, un nivel de
desgasificación de la estructura porosa del alimento, función de la presión
aplicada y, por otra, una penetración del líquido por capilaridad una vez
alcanzado el equilibrio de presiones en el sistema. Posteriormente, cuando se
instaura la presión atmosférica se crea un nuevo gradiente de presiones que
actúa como fuerza impulsora y que hace que los espacios intercelulares o
poros se llenen parcialmente de líquido. La cantidad de líquido que
impregne el sistema dependerá del nivel de desgasificación y por tanto, de la
presión de trabajo. Esta penetración de líquido puede ser reversible y está
controlada por la compresión o expansión del gas ocluido en los espacios
intercelulares. Además de variaciones en la composición, los cambios de
presión comportan cambios considerables en la estructura, debido a las
propiedades viscoelásticas de los alimentos (Pastor,1994; Andrés 1995), lo
que ha llevado a la conclusión de que el HDM puede tener lugar acoplado
con fenómenos de deformación -relajación (DRP) de la m atriz sólida del
alimento poroso. La actuación del HDM y DRP estará afectada por la
microestructura del alimento y sus propiedades mecánicas, pudiendo ambos
fenómenos a su vez provocar importantes cambios en las propiedades físicas
del producto.
La mayoría de los alimentos sólidos son porosos y por tanto, susceptibles
a la actuación de mecanismos de transporte hidrodinámicos durante su
procesado si se producen gradientes de presión en el sistema. Las
operaciones unitarias que implican transferencia de materia en sistemas
sólido-líquido son muy habituales en la industria de alimentos, y la
impregnación a vacío podría jugar un papel muy importante en la eficacia y
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Capitulo I. Introducción
rendimiento de estas operaciones. Las principales ventajas que ofrece la
impregnación a vacío son cinéticas de transferencias de masa más rápidas,
mayor ganancia de solutos (sal, azúcar,etc) en tiempos cortos, mejor
conservación del color y mejora del mismo en algunos productos, y
conservación del sabor y aroma del producto fresco, al perm itir trabajar a
bajas temperaturas sin incrementos importantes del tiempo de proceso
(Chiralt et al., 1999).
La impregnación a vacío de alimentos ha sido empleada con diferentes
fines en el procesado de alimentos al perm itir la incorporación de solutos
específicos en el producto poroso con el objetivo de adaptar su composición a
ciertos requerimientos de calidad o estabilidad (ácidos, conservantes,
azúcares y otro depresor de la actividad del agua, etc.). Por ejemplo, se ha
utilizado para introducir sales de calcio en solución en el interior de
manzanas peladas, tomates o patatas, como pretratamiento para incrementar
la firmeza del tejido parenquemático (H ill et al, 1947; Archer ,1962; Drake y
Spayd, 1983),prolongar la vida de almacenamiento (Poovaiah & Moulton,
1982), reducir el marchitamiento (Conway & Sams, 1983), y prevenir el
derrumbamiento de la estructura (Bangerth et al., 1972). Arteca (1982) obtuvo
j
un elevado nivel de calcio en patatas impregnadas a vacío con solución de
CaCh . Me Guire y Kelman (1984) reducen la severidad del deterioro por
!
|
ablandamiento en patatas inoculando calcio por infiltración a vacío. Otra de
j
i
las aplicaciones de interés es el salado de queso por impregnación a vacío
(Chiralt & Fito, 19%). Una característica microestructural importante en el
queso recién prensado es su porosidad (Eino et al., 1976), lo que lo convierte
’
i
j
en un producto susceptible de impregnación por cambios de presión.
- 78-
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Capítulo I. Introducción
En este sentido, la impregnación a vacío puede considerarse como una
herramienta en el desarrollo de productos de frutas y hortalizas con su
composición convenientemente modificada pero sin alterar la estructura
celular original (Chiralt et al., 1999), y por lo tanto podría englobarse en la
ingeniería de matrices (Fito et al., 2001a, 2001b). Además, la IV también
modifica algunas propiedades físicas del producto (densidad, conductividad
y difusividad térmicas, dieléctricas), lo que puede comportar ventajas en
algunos procesos tales como la congelación, el secado por aire caliente o
microondas o la deshidratación osmótica (Martínez-Monzó, 1998; MartínezMonzó et al., 1998, Martín et al., 1999).
-79-
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CAPÍTULO II
OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO
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Capítulo II. Objetivos y Plan de Trabajo
n. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO
OBJETIVO GENERAL: Estudiar la aplicación de la energía microondas en
combinación con aire caliente al proceso de secado de manzana y manzana
pretratada por impregnación a vacío con solución isotónica.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1. Caracterización de las propiedades dieléctricas y térmicas de la materia
prima en función del contenido en humedad a la frecuencia de uso
industrial de las microondas. Influencia de la impregnación a vacío con
solución isotónica en el valor de dichas propiedades.
2. Análisis de las variables de proceso a tener en cuenta para el diseño y
construcción de un prototipo de secador que combine el secado por aire
caliente con la aplicación de microondas y permita obtener datos para
modelizar la operación.
3. Desarrollo de un modelo matemático que relacione la cinética de secado
con las diferentes variables que intervienen en el proceso de secado
combinado por aire caliente y microondas y que facilite el diseño de
instalaciones industriales y la optimización de procesos tradicionales de
deshidratadón. Validaaón del mismo mediante los experimentos
correspondientes.
-81-
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Capítulo II. Objetivos y Plan de Trabajo
4. Evaluación del efecto de diferentes tratamientos de secado sobre la
calidad del producto final.
PLAN DE TRABAJO
1. Revisión bibliográfica de toda la información existente acerca de la
aplicación de energía microondas en el procesado de alimentos, con especial
interés en la concerniente a procesos de secado de fintas.
2. Diseño y construcción del prototipo de secador que combine el secado por
aire caliente con la aplicación de microondas y que permita la adquisición de
datos relacionados con el avance del proceso.
3. Caracterización física de la materia prima: calor específico, difusividad y
conductividad térmicas, propiedades dieléctricas. Estudio del efecto del
contenido en humedad y la impregnación a vacío en dichas propiedades.
4. Realización de diferentes ensayos de deshidratación en el equipo construido
variando las variables de proceso (espesor de muestra, temperatura y
velocidad del aire de secado, y potencia incidente de microondas). Se
analizarán los resultados obtenidos en términos de cinética de secado, a
partir de la pérdida de humedad por parte del producto a lo largo del
proceso.
-82-
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Capítulo II. Objetivos y Plan de Trabajo
5. Desarrollo de un modelo matemático de los procesos combinados de secado
por aire caliente y microondas a partir del análisis global de transferencia de
materia.
6. Evaluación de propiedades relacionadas con la calidad del producto final
deshidratado: se analizarán las propiedades mecánicas y el color de muestras
totalmente deshidratadas bajo diferentes condiciones de tratamiento. Se
estudiarán los cambios sufridos por el producto con respecto a la manzana
sin deshidratar.
7. Análisis
microestructural
de muestras deshidratadas
en
diferentes
condiciones
-83-
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CAPÍTULO III
DISEÑO
Y
CONSTRUCCIÓN
DE
UNA
INSTALACIÓN
EXPERIMENTAL
PARA
EL
ESTUDIO
DEL
SECADO
COMBINADO POR AIRE CALIENTE Y MICROONDAS
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Capítulo ni. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
INDICE DE CONTENIDOS
I I U . IN TE R É S D E L E S T U D IO ____________________________________________ 85
m.2. E S PE C IFIC A C IO N E S T É C N IC A S B U S C A D A S ________________________ 86
III.3 .
D IM E N S IO N E S D E L A C Á M A R A D E SE C A D O ______________________87
m.4. P O T E N C IA T E Ó R IC A D E LAS R E S IS TE N C IA S E L É C T R IC A S _________ 87
III.5 .
D E S C R IP C IÓ N T É C N IC A D E LO S C O M P O N E N TE S D E L E Q U IP O D E
S E C A D O ___________________________________________________________ 91
m .5.1. Aplicación de aire caliente__________________________________________91
m.5.2. Aplicación de microondas__________________________________________96
m .5.3. Registro de la pérdida de peso____________________________________ 102
in.6. SO FTW A RE D IS E Ñ A D O . M A N U A L D E L U S U A R IO _________________ 103
-1 -
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Capitulo Hl. Diseño y puesta apunto del equipo de secado
IN D IC E DE FIGURAS
!
i
Figura ffl.1 . Esquema del equipo de inyección de aire calien te_________________ 92
Figura Ü I.2. Esquema de la línea de aplicación de m icroondas_________________ 97
Figura m .3. Equipo diseñado y construido para el estudio del secado combinado
por aire caliente y microondas_________________________________ 102
Figura III.4 . Pantalla inicial del program a una vez ejecutado _________________ 104
Figura III.5 . Pantalla de introducción de datos previa al registro de las variables del
proceso_____________________________________________________ 104
Figura Ü I.6. M enú desplegable "m ostrar gráficas"___________________________ 105
Figura m .7. Evolución relativa de la humedad del producto___________________106
Figura 111.8. Ventana-indicador de las potencias de microondas aplicada, reflejada y
absorbida___________________________________________________ 106
Figura III.9 . M enú desplegable "grabar datos"_______________________________ 107
- III -
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Capítulo El. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla E L I. Propiedades del aire húm edo_____________________________________90
Tabla H I.2. Dimensiones características de las resistencias_____________________ 92
Tabla III.3 . Características técnicas del magnetrón n l!0 2 5 0 -2 ___________________ 98
g
¡
-V -
I
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Capítulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
i n i.
DISEÑO
Y
CONSTRUCCIÓN
DE
UNA
INSTALACIÓN
i
i EXPERIMENTAL PARA EL ESTUDIO DEL SECADO COMBINADO
! POR AIRE CALIENTE Y MICROONDAS
IIL 1 . IN T E R É S D E L E S T U D IO
El secado por aire caliente es una técnica de deshidratación de alimentos
utilizada con la finalidad de alargar su vida ú til y más recientemente
enfocada también al desarrollo de nuevos productos. Sin embargo, en
algunos casos este método conlleva una pérdida de calidad del producto
asociada a las altas temperaturas empleadas y /o a la larga duración del
proceso. El secado por microondas se ha descrito como un método
alternativo con algunas ventajas adicionales frente al secado convectivo.
Entre las ventajas se pueden citar la rapidez de la operación y el ahorro
energético (Decareau, 1985). Además, puesto que las microondas penetran en
el alimento y no actúan solo a nivel de superficie, la conversión de la energía
en calor es más eficiente. La aceleración del proceso conlleva una mayor
calidad del producto en términos de sabor, textura y valor nutricional (Giese,
1992). Sin embargo, la escasa información en relación con la tecnología de
microondas y su alto coste son las principales razones que han lim itado su
implantación en la industria de alimentos (Schifímann, 1992; Mudget, 1986).
Desde este punto de vista, un proceso de secado que combine ambos
métodos puede aunar las ventajas que proporciona cada uno de ellos: el
calentamiento interno rápido del producto debido a la energía de
microondas con los efectos de superficie deseables producidos por las
-85-
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Capítulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
técnicas convencionales como son un cierto pardeamiento, la reducción
superficial de la carga microbiana o el precalentamiento del producto (Giese,
1992).
La
optimización
de
estos
equipos
requiere
un
estudio,
fundamentalmente sobre la cinética del proceso en función de las variables
de la operación.
El equipo que se presenta en esta tesis fue diseñado en colaboración con
el Departamento de Comunicaciones de la Escuela Técnica Superior de
Telecomunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, de manera
que pudieran variarse de forma controlada tanto la potencia aplicada de
microondas como la temperatura y velocidad del aire empleadas para en el
secado convectivo. Respecto a la frecuencia de las microondas, se fijó en 2,45
GHz, única autorizada legalmente en Europa para uso en la industria
agroalimentaria (Intemational Telecommunication Union). En cuanto a la
humedad relativa del aire, se prefirió que el equipo trabajara directamente
con aire ambiente, sin necesidad de un acondicionamiento previo. Aunque
esto dificulta el estudio del proceso, abarata el coste de la operación.
ffl.2 . ESPECIFICACIONES TÉCNICAS BUSCADAS
Teniendo en cuenta las características de los productos sobre los que se
pretendía realizar el estudio de deshidratación, esto es, principalmente
frutas, y considerando la posibilidad de desarrollar futuras investigaciones
con otros productos agro-alimentarios, el diseño del equipo de secado se
realizó de acuerdo a las siguientes especificaciones técnicas:
-86-
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Capítulo ni. Diseño y puesta apunto del equipo de secado
i
i
Caudal máximo del aire
250 m3/h
Temperatura máxima del aire de secado
100 °C
Frecuencia de las microondas
2450 MHz
Potencia máxima de incidencia de las microondas 2000 W
HI.3. DIMENSIONES DE LA CÁMARA DE SECADO
¡
Dado que la operación de secado que se pretendía poner en práctica
im plica la aplicación combinada de aire caliente y microondas, la cámara de
secado debía ser obligatoriamente un aplicador a la carga. Se eligió una
cavidad resonante rectangular multim odo adaptada de un homo microondas
doméstico (escala hostelería) Por lo tanto, las dimensiones de la cámara de
, secado no fueron prediseñadas sino que vinieron marcadas por el modelo de
homo microondas elegido, en este caso 84,3 cm. Con el fin de controlar la
dirección del flujo de aire caliente, se construyó en el interior de la cámara
una sección rectangular que actuara a modo de conducción. El material
empleado fue teflón (prácticamente transparente a las microondas) y las
dimensiones finales 146 x 146 mm.
III.4. POTENCIA TEÓRICA DE LAS RESISTENCIAS ELÉCTRICAS
La cantidad de calor (Q) necesaria para incrementar la temperatura del
aire será función del caudal másico de aire que circula por una sección
definida (q), del calor específico del aire húmedo (cp) y del salto térmico que
-87-
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
se desee provocar (AT), de acuerdo a la relación expresada por la ecuación
(III.1.):
Q = q • cp •AT
(kcal/h)
ec. (EH.1.)
Para poder explicar los cálculos realizados con el fin de obtener la
potencia eléctrica teórica necesaria para lograr el salto térmico deseado, hay
que considerar la sección de libre paso del aire y las necesidades máximas del
proceso.
Como se indicó previamente, la sección transversal de la cámara de
secado (sección rectangular de teflón) tiene imas dimensiones de 146 x 146
mm, y por tanto su superficie (S) asciende a 0,021316 m2.
Las necesidades máximas del proceso en lo que se refiere a la aplicación
de aire caliente
serán, de acuerdo a las especificaciones técnicas
mencionadas:
o Velocidad del aire en la cámara (v)
2-4 m / s
o Temperatura máxima del aire de secado (T)
100°C
o Salto térmico máximo entre el aire de entrada y el de salida: 80°C
El caudal volum étrico (Gv) de aire que circula por esta sección se calcula
por medio de la ecuación (III.2.):
Gv = S - v
(m3/h )
ec. (m.2.)
-88Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo ni. Diseña y puesta a punto del equipo de secado
En el caso correspondiente al máximo valor posible de velocidad del aire
de secado:
Gv = 0,021316 x 4 = 0,0853 m3/s = 306,95 m3/h
El caudal másico de aire es la cantidad de aire, expresada en kg de aire
seco (as), que circula a lo largo de una sección definida en la unidad de
tiempo. Sabiendo el caudal volumétrico que circula por esa sección y la
densidad del aire húmedo que está circulando, podemos deducir el caudal
másico a p a rtir de la ecuación (IH.3.).
q = Gv •Pah
(kg as/h)
ec. (DI3.)
La densidad del aire húmedo (pah) está relacionada con la humedad
absoluta del mismo, y ésta a su vez con la humedad relativa ambiental.
La humedad relativa ambiental (<p) es la relación entre la cantidad de
vapor de agua contenida en un determinado volumen de aire y la que
tendría si estuviera saturado. La humedad absoluta (Xa) es el contenido en
humedad de un volumen de aire o gas expresado en kg agua/ kg aire seco.
La ecuación (III.4.) relaciona ambos parámetros y la ecuación (IÜ.5.),
deducida a partir de la ley de los gases perfectos, permite calcular la
densidad del aire húmedo.
X a = 0,622•
^
(kg agua/kg as)
ec. (D3.4.)
siendo P la presión total del sistema (101500 Pa) y ps la presión de
saturación, expresadas en atmósferas.
- 89 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo DI. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
p
ah
------- ÍE J ^ (2 9 -1 8 )
0,082-T 0,082-T
(kgas/m 3)
*
ec.(m.5.)
siendo Tía temperatura del aire expresada en °K.
El calor específico del aire húmedo es la cantidad de calor necesaria para
elevar 1°C la temperatura de 1 kg de aire seco más la cantidad de calor
necesaria para elevar 1°C la temperatura del vapor de agua que lo acompaña
(esto es, la humedad absoluta) y viene expresado por la ecuación (III.6.).
cp = c a+ Xa-cv
(kcal/(kg°C))
ec. (III.6.)
siendo cael calor específico del aire puro e igual a 0,24 kcal/(kg°C)
cv el calor específico del vapor de agua e igual 0,46 kcal/(kg°Q
La tabla III.1. recoge, a modo de ejemplo, los valores obtenidos '
considerando una humedad relativa ambiental del 70% y una temperatura ¡
ambiental igual a 20°C.
!
Tabla III.1. Propiedades del aire húmedo
psa 20°C (atm)
Xa (kg agua/kg as)
Pah (kg a^m3)
cP(kcaV(kg°q)
q(kga^h)
0,023
72
0,010
5
1,199
0,245
6
368,1
63
-90-
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Capitulo OI. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
En este caso, la cantidad de calor necesaria para producir un salto
térmico de 80°C vendrá dada por la ecuación (III.7.).
Q = 368,163 •0,2456 •80 = 7233,666kcal/h
ec. (HI.7.)
Por lo tanto, la potencia máxima requerida por el sistema asciende a 8,4
kW.
I
HI.5. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LOS COMPONENTES DEL EQUIPO
DE SECADO
En este apartado aparecen detallados los componentes de las dos líneas
que constituyen el equipo diseñado, totalmente independientes entre sí
físicamente (dispuestas paralelamente) y
en lo que respecta a su
funcionamiento, con el fin de emplearlas conjuntamente o por separado. Con
la primera de estas líneas se consigue aplicar aire caliente dentro de la
cavidad del homo, y con la segunda, microondas.
HL5.1. Aplicación de aire caliente
La figura m i. muestra el esquema de la línea correspondiente a la
aplicación de aire caliente en la cavidad del homo, con todos los
componentes que la integran y que son descritos detalladamente a
-9 1 -
continuación.
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Capítulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
Balanza
Hkjrómetro
Term ostato
Pt 100
Pt 100
□
RS232C
Tarjeta VB-EZ
Adquisición Datos
_JL_
Á
Paneidecontrol
Ventilador
Cámara de secado
Anemómetro
Resistencias
Figura 111.1. Esquema del equipo de inyección de aire caliente
Como ventilador se eligió un extractor heliocentrífugo modelo TD250/100 de la casa comercial SoIer&Palau, con un diámetro de 100 mm y un
caudal máximo de 250 m3. Este tipo de ventiladores se emplea integrado en
las conducciones cilindricas de la instalación.
Se dispusieron 8 resistencias eléctricas de aletas en serie, de la casa
comercial Julio Martínez Naya, Ref. 19-3M, de 1000 watios cada una, y con
las dimensiones especificadas en la tabla III.2. Todas las resistencias están
protegidas por un termostato que impide que la temperatura final alcanzada
supere el lim ite previamente seleccionado manualmente.
Tabla III.2. Dimensiones características de las resistencias
Diámetro x Longitud (mm)
Resistencia 19-3M
19x165
Aleta ALG
25x50
Aleta ALP
40x70
-92-
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
Con el fin de conseguir una temperatura del aire de secado constante y
estable, se dispuso un relé estático variable (SCR) que, dirigido desde el
controlador de temperatura, regula la potencia de las resistencias. Este
dispositivo fue distribuido por la casa comercial Sistemat S.L. (modelo
Zerospan 700).
A l equipo se acoplaron los siguientes sensores de medida
1.
Velocidad del aire: anemómetro
Anemómetro de rueda alada con teleemisor de corriente continua,
indicado para m edir corrientes de aire dirigidas, libres de turbulencias,
en un intervalo de velocidades de 0-20 m /s y temperaturas entre -30 y
80°C. En concreto, se eligió el modelo 1468, de la casa comercial W ilh.
Lambrecht GMBH. Es un instrumento de medida idóneo para ser
empleado en conducciones. Además, las medidas realizadas con este tipo
de anemómetros son independientes de la densidad de la corriente de
aire, por lo que los valores registrados no necesitan corregirse con
variaciones de temperatura o presión. Esto supone una ventaja frente a
otros métodos de medida de velocidades de aire, como los tubos de Pitot
según Prandtl o los tubos de Venturi.
Está constituido básicamente por diez alas unidas rígidamente
formando un sistema m uy ligero que gira alrededor de un eje. La tensión
de medición es transmitida al indicador mediante un cable de conexión
de dos conductores de 3 m.
-93-
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Capitulo OI. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
2.
Humedad relativa del aire de entrada a la cámara
Higrotransmisor modelo HD 8908 distribuido por la casa comercial
Sistemat, S.L. Incorpora una sonda higrométrica capacitiva (modelo
H5000) que mide entre el 30 y el 100% de HR con una precisión de ±2% y
una sonda de medida de temperatura PtlOO que podría ser utilizada para
la medida de la temperatura del aire.
La sonda de humedad es un condensador cuyo dieléctrico es un
polímero higroscópico. Debido a que la constante dieléctrica del agua es
aproximadamente 80, se obtiene una variación grande de la capacidad
cuando varía el contenido de humedad de este polímero. Las ventajas
especiales de este tipo de sonda son una buena linealidad, insensibilidad
a las variaciones de temperatura, tiempo de respuesta corto y gran
duración. Uno de los inconvenientes que presenta radica en que pierde
precisión temporalmente si se forman condensaciones en su superficie (el i
valor transmitido es mayor que el real debido a un incremento de su
capacidad).
La señal se transmite mediante tres hilos de forma que la intensidad
de la corriente es linealmente proporcional a la humedad relativa. La
resistencia de los cables de conexiones no afecta a la precisión del
í
transmisor ya que la señal transmitida es una intensidad y no una j
tensión. La variación del valor de la resistencia de la sonda PtlOO
(termorresistencia) se transforma en una señal de intensidad que varía
linealmente con la temperatura.
-94-
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j
Capitulo ni. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
3.
Temperatura del aire ambiental y a la entrada de la cámara
Termopares PtlOO (de platino de 100 f i de resistencia) situados antes
y después de las resistencias. Miden la temperatura del aire en el centro
de la sección del tubo, gracias a las piezas de teflón insertadas en el
interior del conducto que los sostienen en la misma posición.
Para el control y /o medida de algunas variables del proceso, se colocaron
en el equipo los siguientes Indicadores de medida:
1.
Controlador-Indicador de la temperatura del aire de secado
Distribuido por la casa comercial Sistemat, S.L. (modelo TTM-109),
permite obtener una lectura continua de la temperatura del aire a la
entrada del homo. Permite seleccionar una temperatura del aire de
secado (SP: "set point") y controlarla. Una sonda de temperatura (la
situada después de las resistencias) mide la temperatura real del aire y la
medida es transmitida al controlador. La diferencia entre el valor leído y
el valor elegido -SP- puede ser variada pero en el equipo construido se
mantuvo en ±0,1 °C. El tipo de control es un algoritmo de ajuste PID
(Proporcional, Integral y Derivado).
Para obtener todos los parámetros PID fue necesario realizar una
búsqueda para cada temperatura de secado deseada mediante la función
"Auto-Tunning" del controlador. Una vez conocidos, estos valores
permiten alcanzar la temperatura deseada en un espacio de tiempo más
breve.
-95Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo ni. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
2.
Indicadores de la temperatura y humedad relativa ambiental
Distribuidos por la casa comercial Sistemat, S.L. (modelo TTM-109),
permiten obtener una lectura continua de estas variables. La función
controladora no está activada en este caso. Además, están conectados a
una tarjeta de adquisición de datos VB-EZ que permite registrar en un
ordenador las medidas realizadas a lo largo de todo el proceso de secado.
3.
Indicador de la velocidad del aire
Presenta las mismas funciones que los anteriores y se conectó a la
misma tarjeta de adquisición de datos, pero fue distribuido por la casa
comercial M artin & Marten (Modelo West 8010).
m.5.2. A plicación de microondas
La figura III.2. muestra el esquema del sistema acoplado a la cavidad del
homo para la aplicación de las microondas.
-W G^ ETRON-
Z>
inademe'
GUIA DE ONDAS
CAVIDAD
DEL HORNO
AISLADOI
GENERADOR DE
■ MICROONDAS—
CARCA DE AGUA
CONTROLADOR
Figura 111.2. Esquema de la lútea de aplicación de microondas
-96-
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\j
Capítulo ni. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
i
1
ü
|
A continuación de describen cada una de las partes integrantes.
¡3
I
La fuente de alimentación de este tipo de equipos transforma la corriente
I alterna de 220V proveniente de la línea eléctrica en corriente continua del
í orden de miles de voltios. En el caso que nos ocupa, el modelo seleccionado
i
j (SM 745, distribuido por la casa comercial Richardson Electronics, S.A.)
¡ puede proporcionar una potencia máxima de 2000 W. La corriente principal
| suministrada al magnetrón tiene una intensidad de 720 mA (40°C) y posee un
í relé de protección a sobrecalentamientos. La potencia de salida puede
•i seleccionarse mediante el regulador situado en la parte frontal entre 0 y 100%
| de su potencia máxima.
El magnetrón o generador de microondas es un tubo de vacío que sirve de
i oscilador, consistente en una estructura de cobre hueca que incorpora una
zona circular resonante de microondas -ánodo- rodeando a un emisor de
' electrones -cátodo- situado en su parte central.
El ánodo está constituido por un conjunto de elementos separados entre
sí un cuarto de longitud de onda formando ranuras (cavidades oscilantes),
las cuales se cargan alternativamente al abrir el circuito. Así podemos
considerar que la carga positiva gira alrededor del ánodo y, cuando éste se
alimenta con un alto voltaje continuo respecto al cátodo, atrae a los electrones
emitidos. De esta manera se genera un campo magnético cuyas líneas son
perpendiculares a las trayectorias de los electrones, lo que posibilita un giro
alrededor del cátodo. Este giro sincronizado induce un campo eléctrico en la
estructura del ánodo. Si aumentamos el voltaje los electrones giran más
-97Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
rápidos dando más potencia a la salida, lo mismo sucede si disminuimos el
campo magnético al alcanzar más electrones el ánodo.
El magnetrón empleado fue distribuido por la casa comercial Richardson
Electronics (modelo N L 10250-2), y sus características se resumen en la tabla
III.3.
Tabla 111.3. Características técnicas del magnetrón NL10250-2
F R E C U E N C IA (M H z )
2450
Potencia de salida (kW )
1,90
Voltaje del filam ento (V ): Vf
4,6
Corriente del filam ento (A ): If
19
Voltaje del pico del ánodo (kV ): V ap
4,0
Corriente principal del ánodo (m A): Ia
725
Corriente del pico del ánodo (m A ): I ap
2100
Sistema de refrigeración del magnetrón
A ire
La guía de ondas rectangular ("travelling wave") canaliza las ondas
resultantes de la excitación de campo descrito. Es un tubo de sección
rectangular empleado para transportar la energía electromagnética hacia el
aplicador propiamente dicho (cavidad resonante). En este se u tilizó el
modelo NL10320/WG, distribuido por Richardson Electronics Ibérica, S.A.
Dado que es preciso im pedir que se formen ondas estacionarias al
componerse las ondas incidentes y reflejadas, ya que podrían afectar al
generador, se interpusieron entre la guía de ondas y la cavidad, circuladores
(dispositivos no disipadores de energía) con tres aberturas, una para conectar
a la guía de ondas y, por tanto, al magnetrón, otra para conectar a la carga y
-98Reproduced with permission o fth e copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
la tercera para la carga de agua. Éstas dejan pasar la energía únicamente en el
sentido generador-carga y derivan la energía parcialmente reflejada por la
carga ú til hacia la carga de agua, donde se transforma en calor.
El aislador ("Isolator") es un tipo de circulador (guía de ondas con tres
puertos de salida que permite d irig ir selectivamente la energía en base a la
j
¡ dirección de la propagación de las ondas) con una carga simulada ("dummy
I load") conectada a uno de los puertos. Esta carga puede ser o bien agua
¡ continuamente refrigerada o bien aire, y evita que la potencia reflejada por el
sistema incida en el magnetrón, dañándolo. En el equipo descrito se ha
empleado agua. La temperatura de la carga de agua aumenta como
consecuencia de la disipación de esta energía reflejada, y por ello, el aislador
está continuamente alimentado mediante una serie de gomas por agua
proveniente de la red.
Para m edir la potencia incidente (hacia la carga u homo) y la reflejada
por el sistema, transmitidas ambas a través de una sonda o cable coaxial, se
conectó al medidor un acoplador direccional con medidor de potencia
("Directional Coupler") que consta de unos atenuadores, irnos diodos y un
amplificador. Así, ajustando el valor de la potencia hasta un nivel adecuado
para que el sistema de medición funcione correctamente, y gracias a la
atenuación que produce en las ondas que circulan por la guía de ondas,
permite realizar las medidas.
La onda incidente ("forw ard") está atenuada 20 dB y la reflejada
("reflected") 16 dB antes de pasar por los respectivos diodos que alimentan al
amplificador. Cada diodo rectifica la corriente de entrada a un nivel de mV.
-99-
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Capítulo ID. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
El amplificador del acoplador amplifica la señal 10-15 dB aproximadamente
y la convierte de -0,1 a -4 V, enviándola a la tarjeta de adquisición VB-EZ
conectada al ordenador. Las ecuaciones (III.8.) y
(III.9.) optimizan,
respectivamente, las lecturas de salida de la potencia incidente (hasta 200 W)
y la reflejada (hasta 100 W) del amplificador. A partir de estos valores se
consideró un comportamiento lineal entre tensión y potencia.
Pincidente = 15,51 V 3 - 4,8570V2 + 4,2690V + 0,05808
ec. (UI.8.)
Pnrf.ej.da = 7,1086V3 - 15,321V2 + 28,2512V + 0,4415
ec. (fll.9.)
Este sistema de medida fue calibrado y testado frente al medidor usado
en el Laboratorio de Calentamiento por Microondas de la Escuela Técnica
Superior de Ingenieros de Telecomunicaciones de la U.P.V., con una
precisión de ±0,5 W.
Por últim o, la cavidad empleada fue un homo microondas doméstico (de
hostelería), perteneciente al grupo
de las denominadas "cavidades
m ultim odo", por ser capaces de soportar una gran cantidad de modos (Eimn,
Himn) dentro de un margen estrecho de frecuencias. Para este tipo de cavidad
rectangular el número de modos depende de las dimensiones de la misma
(a,b,d) y deben satisfacerla ecuación (ALIO.).
2
2
2
'm n '
'n n '
zr
—. +
+
la
Id
l
l b
J
2
ec.
ec (111.10)
C
)
-100-
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
donde reimn es la pulsación de los modos resonantes y c la velocidad de la
luz.
Este homo fue modificado con un agitador de modos incorporado para
conseguir una distribución más uniforme del campo eléctrico, esto es, del
calentamiento del producto, en el interior de la cavidad. El agitador de
modos consiste en unas aspas metálicas dobladas 45° y con giro constante
que interfieren en la trayectoria de las microondas provocando una variación
de las condiciones de contorno de la cavidad del horno. Están dobladas de
esa manera para desviar la energía que proviene del alimentador y provocar
así que la energía reflejada esté continuamente cambiando. Este tipo de
desviación de las aspas se usa cuando se trabaja con cargas que absorben
mucho la energía microondas, como los alimentos, sobre todo los de alto
contenido de humedad (Alcaraz, F.J., 1998). La velocidad de rotación viene
estimada por el producto (1 /N *w r), que debe ser pequeño en comparación
con el tiempo de proceso (siendo N el número de aspas y w r las revoluciones
por segundo). El motor empleado para conseguir esta rotación ha sido
distribuido por la casa comercial Crouzet (modelo 82.704.2).
Como ya se ha comentado previamente, dentro del horno microondas se
colocó un prisma hueco de teflón con el fin de conducir el flujo de aire en una
sola dirección evitando posibles turbulencias. El teflón es un material
prácticamente transparente a las microondas, por lo que este prisma no
interfiere en absoluto con el comportamiento de las mismas dentro de la
cavidad descrita.
En la figura III.3. se muestra una fotografía del equipo construido y de la
disposición de la muestra en la cavidad del mismo.
- 101 -
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Capítulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
SJHPPP*!
Figura III.3. Equipo diseñado y construido para el estudio del secado combinado por aire
caliente y microondas
III.5.3. Registro de la pérdida de peso
Con el fin de medir la masa del producto en tiempo real durante el
proceso de secado se dispuso una balanza electrónica encima de la cavidad
del horno, de tal forma que la muestra quedara suspendida de la misma. El
modelo elegido es el PG503-S de la casa comercial Mettler-Toledo, con una
precisión de 0,001 g y una capacidad máxima de 510 g. Dispone de una
conexión de interface RS232C directa al ordenador para registro continuo de
pérdida de peso.
III.6. SOFTWARE DISEÑADO. MANUAL DEL USUARIO
Con el objetivo de poder registrar automáticamente todas los variables
involucradas (condiciones del aire de secado, potencias incidente, reflejada y
absorbida de microondas y peso del producto) a lo largo de la operación de
-102-
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
deshidratación, se diseñó un programa informático sobre Visual Basic que
recoge la evolución de todos estos parámetros desde la tarjeta de adquisición
de datos VB-EZ.
A continuación se presenta una descripción detallada del programa con
un ejemplo de una experiencia de secado (50°C, 2 m /s , aprox. 9 W de
potencia incidente) de una lámina de manzana de 7 mm de espesor.
Una vez ejecutado el programa, y previamente al comienzo de la
experiencia de secado, aparece la siguiente ventana (figura III.4.) donde
todos los menús están desactivados, excepto el que permite iniciar el registro
informático de las variables mencionadas.
E m p e z a r)
Figura 111.4. Pantalla inicial del programa una vez ejecutado
El programa necesita que se introduzca previamente tanto el intervalo de
tiempo que se quiere considerar, como el valor de la humedad inicial del
producto que se va a deshidratar, expresada en g agua / g producto seco
(figura III.5.).
- 103 -
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Capitulo 111. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
FT
||
Mostrar Gráficas
Monitorización del secador
Grabar Datos Acabar
Introduzcael tiempoeritoemedfck* ensegundo*
20
Ar#
Figura ¡11.5. Pantalla de introducción de datos previa al registro de las variables del proceso
El menú desplegable "Mostrar Gráficas" (figura III.6.), nos permite, por
una parte, ver en tiempo real la evolución con el tiempo de la masa del
producto, la humedad relativa ambiental, la temperatura ambiental y la
velocidad del aire de secado, en gráficas independientes. Como ejemplo, la
figura III.7. muestra la curva de variación de masa registrada en la
experiencia de secado puesta como ejemplo. Por otra parle, permite usar a
modo de indicador la ventana donde aparecen los valores de las potencias
incidente, reflejada y absorbida de microondas a lo largo del proceso, y a la
que se accede desde la opción "Medida de la Potencia" (figura III.8.). Los
sensores de potencia incidente y potencia reflejada conectados a la tarjeta de
adquisición de datos del equipo son los que mandan de forma continuada las
señales necesarias para visualizar en pantalla estos valores.
- 104-
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
Monitorización del secador
Grabar Datos
Mostrar Gráficas
E3 3
Acabar
M asa
Velocidad del aire
Temperatura ambiente
Medida de la Potencia
Humedad ambiente
Figura 111.6. Menú desplegable "Mostrar Gráficas"
M o n ito r iz a c ió n del s e c a d o r
Mostrar gráficos
Grabar gatos
¿cabar
f ír a f ir a d e la m a s a
165%
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Figura III. 7. Evolución relativa de la humedad del producto
- 105 -
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Capitulo FU. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
Il—l
|
Monitorización del secador
Mostrar Gráficas Grabar Datos Acabar
------ 1
||
W LLl
! - ■
Potencia Incidente |WJ
Potencia Reflejad* M
Potencia Absorbida (W ]
8.564413
| 3 475447
5.089966
Figura 111.8. Ventana-Indicador de las Potencias de Microondas aplicada, reflejada y
absorbida
Una vez finalizado el proceso de secado, y solamente en este momento
(nunca previamente), se deben grabar todos los datos registrados por la
tarjeta de adquisición en el disco duro del ordenador. El menú desplegable
"Grabar Datos" nos permite, tal y como se observa en la figura III.9., crear
archivos independientes para cada uno de los parámetros evaluados.
M onitorización del secador
Mostrar Gráficas
Grabar Datos
Masa
Velocidad del aire
Temperatura ambiente
Potencia
Humedad ambiente
Figura 111.9. Menú desplegable "Grabar Datos"
-1 0 6 -
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Capitulo III. Diseño y puesta a punto del equipo de secado
Estos archivos son fácilmente exportables a Microsoft Excel 5.0 o
superior, lo cual facilita enormemente el manejo de la información recogida.
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CAPÍTULO IV
ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN
HUMEDAD Y LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES
FÍSICAS DE RELEVANCIA EN EL PROCESO DE SECADO.
INFLUENCIA DE LA IMPREGNACIÓN A VACÍO.
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
IV.
ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL CONTENIDO EN
HUMEDAD
Y
LA
TEMPERATURA
SOBRE
LAS
PROPIEDADES FISICAS RELEVANTES EN EL PROCESO
DE SECADO. EFECTO DE LA IMPREGNACIÓN A VACÍO.
IV . 1. INTERÉS DEL ESTUDIO
La necesidad de conseguir productos de elevada calidad y además
uniforme exige no sólo partir de una materia prima de buena calidad,
sino también eficacia y suficiente control en las operaciones de
procesado de esos alimentos. Para conseguir este objetivo es necesario
establecer criterios de diseño de los equipos basados en un modelo
descriptivo completo del proceso, para lo cual se necesita estar en
posesión de suficientes datos de las propiedades físicas del producto
involucradas.
La deshidratación, como cualquier proceso térmico, está controlada
en gran medida por las propiedades térmicas del material que se está
deshidratando, al in flu ir en la eficiencia energética dél proceso. Estas
propiedades son, principalmente, la conductividad y difusividad
térmicas, relacionadas con la velocidad de transporte de calor por
conducción, y el calor específico y entalpia, relacionadas con la carga
térmica. Todas ellas están afectadas por la presión, la temperatura, la
composición, y las propiedades estructurales del alimento, factores que
pueden sufrir cambios importantes durante el secado.
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
Cuando junto con el aire caliente se aplican microondas, el proceso
estará además controlado en gran medida por las propiedades
dieléctricas del material, responsables de la absorción de energía y su
transformación en calor en el interior del producto. Estas propiedades
están afectadas por los factores mencionados anteriormente, así como
por la frecuencia empleada, tal y como se explica en el apartado 1.3.2.
Existen métodos experimentales que permiten realizar la medida de
estas propiedades térmicas. No obstante, para obtener buenos
resultados con algunas de ellas, es necesario disponer de una muestra
con una geometría perfectamente definida y con superficies planas que
permitan un buen contacto entre la fuente emisora de calor y el
producto. Esto es relativamente sencillo de conseguir cuando se trata de
productos frescos como la manzana. Sin embargo, se complica cuando
la misma muestra es sometida a un proceso de deshidratación para
dism inuir su humedad, ya que entonces las superficies se vuelven
irregulares debido a la deformación y encogimiento sufrido. Por este
motivo, muchos autores han tratado de desarrollar ecuaciones
predictivas que relacionen las diferentes propiedades térmicas con el
contenido en humedad, aunque en muchos casos éstas han resultado
ser dependientes del producto (Rahman, 1995; Donsi et al., 1996b; Miles
et al., 1991; Mohsenin, 1980; McMinn & Magee, 1998; Calay et al., 1995;
Funebo & Ohlsson, 1999; Nelson, 1992b; Nelson & Noh, 1992; Nelson,
1985a; M udgett et al., 1974a; Nelson, 1985b), probablemente debido a la
influencia de la estructura en los fenómenos de transmisión de calor
(M cM inn & Magee, 1998).
-110Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
En este sentido, en el presente capítulo se analiza la influencia del
contenido en humedad, la porosidad del producto, y la temperatura, en
todas las propiedades térmicas mencionadas de manzana Granny Smith.
La impregnación a vacío con solución isotónica permitió analizar el
efecto de la porosidad. En los casos en que ha sido posible, se han
realizado medidas experimentales en muestras con diferente contenido
en humedad (cp, e', e"), mientras que en los otros casos (k y a), se han
aplicado
ecuaciones
de
predicción
específicas
para
manzana
encontradas en bibliografía. El objetivo final ha sido encontrar
correlaciones que permitan predecir estas propiedades en todo el
intervalo de temperaturas empleado y contenidos en humedad
alcanzados en los procesos de deshidratación estudiados, tanto por aire
caliente como combinados con microondas.
IV . 2. MATERIALES Y MÉTODOS
IV.2.1. M ateria prima
Para este estudio, al igual que para todas las experiencias que se
describen en posteriores capítulos, se trabajó con coronas circulares de
manzana var. Granny Smith, obtenidas a partir de rodajas a las que se
les extrajo el corazón con un sacabocados metálico de 20 mm de
diámetro (muestras NIV). Además, se prepararon rodajas con las
mismas características pero impregnadas a vacío (5 m in a 50 mbar + 15
- 111 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
m in a presión atmosférica, Fito et al., 1996, 1994) utilizando una
solución isotónica como líquido de impregnación (muestras IV). La
solución de impregnación, preparada a partir de zumo de manzana de
la marca comercial "Hacendado", con una concentración en sólidos
solubles de 12° Brix (solución isotónica). El porcentaje de impregnación
se calculó a partir de la variación de peso sufrida a consecuencia del
proceso de impregnación a vacío (ecuación IV .l.).
%l =
m NIV
■100
(IV.l.)
TV.2.2. Medida de las dimensiones
Las dimensiones de las rodajas de manzana obtenidas (coronas
circulares) a lo largo de toda la tesis, es decir, el espesor y los diámetros
exterior e interior, se m idieron empleando un pie de rey. El espesor se
m idió en cuatro puntos distintos, equidistantes entre sí y los diámetros
en dos, según dos ejes imaginarios perpendiculares entre sí.
ÍV.2.3. Determinación de la humedad
El contenido de humedad de la materia prima se determinó
mediante d método oficial 20.013 (AOAC, 1980), especial para frutas
ricas en azúcares, basado en la medida de la pérdida de masa de una
muestra colocada en d interior de una estufa de vacío y a una
- 112 -
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
temperatura no superior a 63°C, hasta obtener un peso constante. La
muestra se disgregó previamente con arena de mar lavada de 0,2 mm.
Los pesos se determinaron con una balanza analítica de la casa
comercial Mettler-Toledo (precisión de 0,001 g y capacidad máxima de
510 g). La medida se realizó por triplicado para cada manzana
empleada.
El contenido en humedad inicial se calculó según la ecuación (IV2.).
11 1 o
kgagua
kg muestra
(IV.2.)
siendo Pi y P2 los pesos respectivos del recipiente con la muestra
disgregada húmeda y seca, respectivamente, y P0 el peso del recipiente
con la arena de mar, sin muestra.
TU.2 A. Determinación del contenido en sólidos solubles
El contenido en sólidos solubles, expresado como °Brix, se m idió
empleando un refractómetro modelo Abbe Atago 89553 de la casa
comercial Zeiss, teimostatado a 20°C con la ayuda de un baño
termostático. Cada muestra se analizó por triplicado.
La extracción de la fase líquida para el caso de las muestras con
mayor contenido en humedad se realizó por simple presión. En las
muestras más secas se procedió a la homogeneización con una cantidad
conocida
de agua destilada (Magua), utilizando
para
ello
un
homogeneizador marca "U ltraturrax" a 8000 rpm (Martínez-Monzó,
-113-
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
1998). La fracción másica de sólidos solubles de la muestra original se
calculó de acuerdo a la dilución realizada según la ecuación (IV.3.),
obtenida a partir del balance de masa en el sistema.
_ (M pxwo + M aeua)° Brixmedidos
(100-° Brixmedidos)M 0
siendo M agUa la cantidad de agua añadida y Mo y xwo el peso y el
contenido de humedad inicial de la muestra, respectivamente.
IV.2.5. Determinación de la densidad
La densidad aparente (pa, incluye el aire ocluido en los poros) y real
( p r,
no incluye la fracción gaseosa del producto) de las muestras de
manzana IV y N IV sin deshidratar se determinaron con un picnómetro
a 20°C utilizando agua destilada como líquido de referencia. Las
medidas se realizaron por triplicado con muestras de aproximadamente
5 g de peso, siendo desaireadas con la ayuda de una bomba de vacío en
el caso de la p, evitando en la medida de lo posible la presencia de
burbujas en el picnómetro. El método del picnómetro se basa en la
determinación del volumen de agua desplazado por la muestra cuando
es introducida en el picnómetro de volumen conocido lleno de un
líquido de referencia (agua destilada). El procedimiento consistió en
pesar el picnómetro enrasado con agua destilada (Pi) y enrasado con la
muestra y agua destilada (P2), así como la muestra introducida en el
-114Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
picnómetro (P3). Los valores de la pa y pr (kg /m 3) se obtuvieron
mediante la ecuación (IV A ).
Pa,r =
Pagua
P agua
(IVA)
= 1000 kg /m 3
JV.2.6. Medida de las propiedades dieléctricas
En la presente tesis, las propiedades dieléctricas de la manzana (var.
i
i
Granny-Smith) se determinaron empleando la técnica de la sonda
coaxial de terminación abierta (Stuchly & Stuchly, 1980), conectada a un
analizador de redes (HP 85070B dielectric probe kit) y a un ordenador
|
con el software adecuado (Hewlett Packard, 1991). El analizador de
>
redes, junto con el software, permiten transformar el coeficiente de
I
reflexión de la onda en las dos componentes de la permitividad
¡
dieléctrica del material bajo estudio. Los aspectos prácticos de esta
¡
técnica han sido descritos en la introducción (apartado I.3.3.).
La figura IV .l muestra un esquema del dispositivo empleado y un
i
detalle del contacto entre la sonda y la muestra bajo estudio.
*
S
j
Í
]
Se realizó una calibración previa con tres tipos diferentes de carga
de propiedades dieléctricas conocidas (el aire, una pieza metálica
cortocircuitada preparada de fábrica y agua deionizada) y una primera
comprobación sumergiendo la sonda de nuevo sobre el agua
|
deionizada. Los requisitos mínimos del equipo de medida se resumen
en la tabla IV .l.
¡i
íi
i
____________________________________________________________
|
-115-
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
D□
O 0□ 0
□
0 □ 0 0 D
□ □ □ D O
-jnnh-
D □ D
ÍU M U U
□a □
/
/ A ANALIZADOR
h
DE REDES
FINAL
CORTOCIRCUfT.
LINEA DE TRANSMISION
MUESTRA
Figura IV .l. Esquema del equipo empleado en la medida de las propiedades dieléctricas
de manzana. Detalle del contacto entre sonda y muestra.
Tabla IV .l. Requisitos del método de medida
Constante dieléctrica
Tangente de pérdidas
Permeabilidad magnética relativa
Rugosidad
Diámetro
Grosor
<100
>0.05
1
<25 nm
>20 mm
20 mm
Fuente: Hewlett Packard, 1991
Las propiedades dieléctricas fueron medidas al menos por
triplicado
a
20°C
en
muestras
de
manzana
(rodajas
de
aproximadamente 7 cm de diámetro inicial y 3 cm de espesor inicial),
tanto N IV como IV con diferente contenido de humedad. Para ello se
procedió a una deshidratación parcial de las rodajas en una estufa a
50°C hasta alcanzar seis niveles diferentes de contenido en humedad en
ambos tipos de muestras. Posteriormente, las muestras preparadas se
almacenaron envasadas a vacío a 5°C durante 24h para favorecer una
-116-
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
distribución homogénea del agua en el producto. El intervalo de
frecuencias empleado fue 2,4-2,5 GHz, con el objetivo de registrar los
valores a 2,45 GHz.
ÍV.2.7. Medida de las propiedades térmicas
Determinación del calor específico
El calor específico fue determinado en las muestras no impregnadas
también con diferente contenido de humedad. La técnica empleada fue
la calorimetría diferencial de barrido (DSC) utilizando para ello un
calorímetro diferencial de barrido marca Seiko Instruments, Modelo
DSC5200C0, Chiba, Japan.
Se analizaron seis niveles de humedad diferentes por triplicado. La
deshidratación parcial de las muestras se realizó en una estufa a 40PC
hasta alcanzar el contenido de humedad deseado en cada caso.
A partir de las rodajas deshidratadas se cortaron muestras de 10 a
20 mg que se colocaron en crisoles de alum inio semiherméticos (P /N
SSCOOOC008 de ANAME) sellados de tal forma que hubiera un buen
contacto del producto con el fondo del recipiente, para facilitar la
transferencia de calor. Los crisoles se colocaron en la cámara
calorimétrica junto a otro crisol con un material de referencia inerte
(aire). El calibrado se realizó antes de cada medida sustituyendo el
crisol con la muestra por otro con aire, primero, y agua destilada,
después. Los crisoles se pesaron después de cada medida para asegurar
que no existieron pérdidas de agua durante el análisis.
- 117 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo IV. Propiedades fisicas de manzana deshidratada__________________
Los ensayos se realizaron programando un barrido de temperaturas
desde 10 hasta 70°C, a una velocidad de calentamiento de 5°C/m in.
Determinación de la difusividad y conductividad térmicas
La conductividad térmica (k) se ha predicho utilizando un modelo
(ecuación IV.5.) propuesto por Krischer (citado en Keey, 1972), que
combina los modelos en paralelo y en serie, y que emplea un factor de
distribución de los poros de la misma manera que Chaudhary &
Bhandari (1968). El modelo fue desarrollado para cuerpos porosos y
secos, y el factor de distribución resultó ser únicamente dependiente de
la estructura. Martínez-Monzó (1998) determinó que el modelo era
adecuado para la manzana a temperaturas relativamente bajas (3040°C), a las cuales los fenómenos convectivos puedan ser despreciados
frente a los conductivos.
k
''i1 -e
1 -a
e ^
-+ a --------- j- -----( l- e ) k s + ek
v K5
ky
(IV .5.)
donde kg es la conductividad de la fracción gaseosa ks la de la no
gaseosa, s la porosidad y a, el factor de distribución de los poros,
definido como la fracción volumétrica del material con poros
perpendiculares a la dirección de transferencia de calor. (1-a) como la
fracción volumétrica del material con poros paralelos al flujo de calor.
Los valores de K> fueron estimados a partir de la composición
mediante la ecuación (IV.6.) y el valor tomado para Kg fue 0,0295
-118-
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
W /m K (Rha, 1975). Los valores de porosidad correspondientes a cada
contenido de humedad analizado fueron determinados a partir de las
densidades aparente y real calculadas mediante las ecuaciones (IV.7.) y
(IV.8.) propuestas por Lozano et al. (1980) para manzana deshidratada
por aire caliente en todo el intervalo de humedades por encima del
punto de congelación. La ecuación (IV.9.) relaciona la porosidad con las
densidades mencionadas. El valor de a=0 adoptado corresponde a un
sistema en el que los poros se encuentran distribuidos de forma paralela
al flu jo de calor, como ha sido observado para manzana (MartínezMonzó, 1998).
ks = xw •(0,59075f 0,00098601 T)+(1 - xw)(0,19306f0,000849977)
(IV.6)
Donde T es la temperatura en °C y xw la fracción másica de agua.
pap = 852-462-e-0'66^
(IV.7.)
pr =1540-e^'051x’' -1150-e'2,40X'
(IV .8.)
siendo Xw la humedad del producto expresada en g agua/g materia
seca
Pr - Pap
e = ---------- -
(IV.9.)
Pr
A partir de los resultados de conductividad obtenidos se estimaron
los valores de la difusividad térmica (a) predichos por el modelo de
acuerdo con la ecuación (IV.10.) para las distintas temperaturas
consideradas.
-119Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
a =— -—
(IV.10.)
c p ‘ P«p
donde paes la densidad aparente de la muestra (kg / m3) y cPel calor
específico del producto (J/kgC ).
IV .
3. R E S U L T A D O S Y D IS C U S IÓ N
ÍV .3 .1 . Caracterización físico-química de la materia prima. Efecto de la
impregnación a vacío.
La tabla IV .2. muestra el resultado de las medidas de contenido en
humedad, °Brix y densidad aparente realizadas en la manzana sin
pretratamiento por impregnación a vacío (NIV) y en las IV.
Tabla IV .2. Valores medios del contenido en humedad, °Brix y densidad aparente
IV
N IV
88,2 ± 0,6
86,4 ± 0,8
°B rix (g s s /lO O g F L )
12,3 ± 0,6
12,2 ± 1,0
p. (k g /m 3)
989 ± 32
834 ± 11
%I
16,5 ± 4,3
-
(b.h.)
FL: fracción líquida del alim ento
La impregnación a vacío con solución isotónica de las muestras
supuso únicamente un incremento en la densidad aparente del 18,6%,
debido al descenso provocado en la porosidad ocasionado por la
- 120-
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
sustitución de parte del gas ocluido en los poros por la solución de
impregnación. La composición química representada por el contenido
en humedad y los °Brix permaneció prácticamente invariable después
del proceso de impregnación, como era de prever dado que se
impregnó con solución isotónica.
La tabla IV.3. muestra los valores obtenidos del calor específico y las
propiedades dieléctricas para la manzana NIV e IV, así como los valores
calculados de la difusividad y de la conductividad térmica a 45°C. Así
mismo, aparecen, con fines comparativos, los valores obtenidos de
todas estas propiedades por diferentes autores, publicados en la
bibliografía detallada en dicha tabla.
En las muestras NIV, la variación del calor específico, obtenido a
intervalos de 0,3°C, con la temperatura, presentó un comportamiento
lineal (apartado IV.3.2.). Aunque el bajo valor de la pendiente indica la
escasa variación de esta propiedad en el intervalo de temperaturas
estudiado, en la tabla IV.3. aparece reflejado el valor medio del calor
específico obtenido a 45°C empleando la ecuación (IV.12.). El valor de
esta propiedad sólo fue medido en la manzana NIV ya que aunque es
dependiente de la composición química, no está tan afectado por la
estructura porosa del alimento y, puesto que, como se ha dicho
anteriormente, la impregnación no supuso grandes cambios en la
composición global del producto (contenido de humedad y °Brix), se
consideró que la evolución del calor específico con la humedad y con la
temperatura sería sim ilar en las NIV y las IV.
La conductividad térmica se calculó a partir de las ecuaciones
(IV.5.), (IV.6.), (IV.7.), (IV.8.) y (IV.9.), descritas en el apartado IV.2.7. a
!
-121-
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
45°C. La difusividad
térmica se determinó a partir de esta
conductividad y de la densidad aparente calculada con la ecuación
(IV.10.).
La comparación de los valores de las propiedades obtenidas en este
trabajo con los que se han encontrado en bibliografía permite confirmar
la bondad de los métodos experimentales o de las ecuaciones de
predicción utilizadas.
Tabla IV.3. Valores medios de las propiedades térmicas y dieléctricas
IV
Valores
R ef. IV
Cp (J /g C)
a - 107 (m 3/s )
1,51
1,56 12)
N IV
Valores
R ef. N IV
3,957 ± 0,008
3,724-4,0171»
1,469
1,51 (2)
0,47
0,48 (2)
0.43(3)
K (ff/m C )
0,56
e’
61,8 ± 4,3
56,3 ± 0,9
57,6H)
”
11,9 ± 0,9
12,7 ± 0,6
12,3W
tg 8
0,192 ± 0,003
0,23 ± 0,01
0 ,2 1<4)
e
0,64 (2)
(V manzana (Rediman, 1995) <2>manzana Granny Smith (Martínez-Monzó, 1998)
<3> manzana Stark Delicious *,«,=0,844 g/g (bh) (Donú et a l, 1996) w manzana
Granny Smith (Tran et al., 1984)
De los valores obtenidos puede deducirse que los cambios
producidos por la impregnación a vacío sin cambios de composición de
la muestra se traducen en un ligero aumento de la conductividad
térmica de las muestras impregnadas debido fundamentalmente a los
cambios estructurales asociados a la sustitución del gas de la fracción
porosa por un líquido, con unos valores de conductividad térmica más
elevados que el gas. Esto concuerda con lo mencionado por diversos
autores (Szczesniak, 1983, Sweat, 1986 y Maroulis et al., 1990), quienes
- 122-
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
afirman que en general un aumento en la porosidad implica un
descenso en la conductividad térmica de los alimentos. El aumento de
la conductividad térmica de la muestra IV frente a la NIV justifica lo
propuesto por algunos autores (Wang & Sastry, 1993; McArdle et al.,
1974) respecto a las ventajas de la impregnación a vacío en la mejora de
la eficacia de algunos tratamientos térmicos. Por otra parte, la variación
calculada para la difusividad térmica por efecto de la impregnación a
vacío supondría, desde el punto de vista práctico, que en la
deshidratación de muestras impregnadas no existirían diferencias
significativas en cuanto a la velocidad de calentamiento y a las calorías
necesarias para calentarlas con respecto a las muestras no impregnadas,
pues la impregnación supone un aumento de la densidad aparente y de
la cantidad de agua a eliminar.
En cuanto a las propiedades dieléctricas determinadas (s \ e" y tan
8), el efecto de la impregnación a vacío sobre la capacidad por parte del
producto de absorber energía microondas (relacionada con el valor de
e') y la de disiparla en forma de calor en su interior (relacionada con s")
es ligeramente favorecedor, tal y como puede apreciarse en el valor
superior de la constante dieléctrica, si bien los valores del factor de
pérdidas dieléctrico obtenidos son similares en ambos tipos de
muestras.
- 123 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capítulo TV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
TV.3.2. Efecto del contenido en humedad sobre la densidad, las
propiedades térmicas y las propiedades dieléctricas de manzana N IV e
IV
IV.3.2.1. Calor especifico
La figura IV.2. muestra la variación del calor específico (cp) con la
temperatura para todas las muestras estudiadas. Como puede
observarse, el calor específico aumenta casi linealmente con la
temperatura para cada nivel de humedad, aunque en el intervalo
considerado en este caso este efecto es de muy pequeña magnitud.
Wang & Brennan (1993) obtuvieron un comportamiento similar del
calor específico de patata en el intervalo (40-7CPC) de temperaturas y (04,13 base seca) de humedad, al igual que Tang et al. (1991) con lentejas
(10-80°C, 0,02-0,35 base seca), y Chakrabarti & Johnson (1972) para
tabaco. Otros autores, sin embargo, encontraron un mejor ajuste con
relaciones cuadráticas entre el calor específico y la temperatura (Murata
el al., 1987). En la tabla IV A aparecen los coeficientes obtenidos al
ajustar los datos correspondientes a cada contenido de humedad a una
recta, observándose la bondad de los ajustes y los bajos valores
obtenidos de las pendientes, lo que indica la escasa influencia de la
temperatura en el calor específico de manzana en el intervalo
estudiado.
- 124 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
0,8392
4,0 ,
0,7454
0,4788
3,5
0,3461
y.
, 0J
bo3,U
0,0205
-
o.
2,5
2,0
25
35
45
55
65
Temperatura (°C)
Figura IV .2. Evolución del calor específico con la temperatura
Tabla ¡VA. Valores de las pendientes (a), de los términos independientes (b) y del
coeficiente de determinación (R2), obtenidos de los ajustes lineales entre el calor
especifico y la temperatura
X™(bh)
a
b
R2
0,8392
0,0077
3,4184
0,988
0,7454
0,0063
3,0214
0,993
0,4788
0,0068
2,8632
0,994
0,3461
0,0046
3,007
0,899
0,0205
0,0074
2,4187
0,834
La influencia del contenido en humedad sobre el calor específico se
ha analizado considerando los valores promedio de esta propiedad
obtenidos en el intervalo de temperatura estudiado (30-60°C) para cada
contenido de humedad, resumidos en la tabla IV.5. Los datos
encontrados en bibliografía (Mohsenin, 1980) de calor específico de
otras frutas y vegetales en el intervalo de humedad entre 92 y 12% (base
- 125 -
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Capitulo ¡V. Propiedades físicas de manzana deshidratada
húmeda) se encuentran entre 4,138 y 1,839 J/g°C, dentro de los cuales
se encuentran los obtenidos para la manzana.
Tabla IV.5. Valores medios obtenidos del calor específico a 45°C para distintos niveles
de humedad
Xw(bh)
cP (J /g .C )
0,8700
3,956 ± 0,008
0,8392
3,767 ± 0,117
0,7454
3,304 ± 0,086
0,4788
3,169 ± 0,061
0,3461
3,200 ± 0,266
0,2552
3,000 ± 0,597
0,0205
2,800 ±0 ,16 6
Como era de esperar, dado elevado valor del calor específico del
agua (4,18 J/g°C), se produce un incremento del calor específico de la
manzana a medida que aumenta el contenido en humedad del
producto, observándose, en el intervalo de contenidos en humedad
considerado, un comportamiento polinómico de segundo orden al
relacionar ambas propiedades (figura IV .3.), con un alto factor de
correlación (R2 = 0,923). McMinn & Magee (1998) encontraron el mismo
tipo de relación entre el calor específico y el contenido de humedad de
patatas en el intervalo 30-70°C.
- 126 -
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
4,5
cp= 1,1985XW2 + O J O & ilX y , + 23714
R2= 0,9228
2,0
0,0
),2
0,4
0,6
03
xw (g agua/g total)
Figura IV.3. Evolución del calor específico con el contenido de humedad (bh). agua •
A l relacionar el calor específico con la humedad expresada en base
seca, se obtuvo una relación de tipo lineal (figura IV A ), sim ilar a la
encontrada por Wang & Brennan (1993) para patata, por Dutta et al.
(1988) para gramíneas, por Murata et al. (1987) para granos de cereales
y por Hsu et al. (1991) para pistachos.
Siebel (1892) propuso que el calor específico de los alimentos como
los huevos, carne, frutas y vegetales, se corresponde con la suma de los
calores específicos del agua y de la materia sólida. A partir de este
concepto Siebel propuso la ecuación (IV .ll.), aunque estudios
posteriores (Mohsenin, 1980) han demostrado que el calor específico de
la materia sólida depende del tipo de alimento y de la temperatura, y
que a humedades bajas no puede considerarse el modelo lineal
propuesto por Siebel. Earle (1968) y Dickerson(1969) confirmaron que él
modelo sólo es válido para humedades superiores al 50% (bh) en frutas
y vegetales.
- 127 -
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
cp = 0,008 *(xw-100)+0,2
donde xwes la fracción másica de agua.
4,5 i
4 ,0
3,5 -
Cp= 0,1497)0*, + 2,8078
R2= 0,9337
3 ,0 -
u 2,5
bO 2 ,0
-
cp predicho con la
ecuación de Siebel (1982)
-
O 1,5 o.
u
1 ,0 -
-o -S ie b e l (1982)
0 ,5 0 ,0 -
0,0
—i------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1------- 1---1J0
2J0
3J0
4J0
5,0
6,0
7,0
8,0
X„ (g agua/g materia seca)
Figura IV A . Evolución del calor específico con el contenido de humedad (bs)
Los datos obtenidos con la ecuación propuesta por Siebel a partir de
las humedades experimentales de manzana, se han representado en la
figura IV .4. Se puede observar que los valores experimentales son del
mismo orden que los obtenidos por la ecuación de Siebel a partir de
humedades cercanas de 4,0 (bs). Sin embargo, se comprueba cómo,
efectivamente, para valores bajos de humedad la ecuación de Siebel no
es adecuada. Esto podría justificarse por el calor específico mayor que
presentaría el producto cuando la mayor parte del agua presente se
encuentra fuertemente ligada a la estructura (Freeman, 1943), efecto
- 128-
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
tanto más acusado cuanto menor es la humedad. Siebel no tuvo en
cuenta estas consideraciones.
El ajuste lineal obtenido presenta un factor de determinación mayor
que el polinómico de segundo grado, y permite calcular el calor
específico en función del contenido en humedad presente en el
producto, lo que nos permite conocer la energía necesaria para elevar la
temperatura del mismo hasta el valor deseado, y llegar a evaluar el
coste energético del proceso de secado estudiado.
Con los datos obtenidos, y a efectos de una predicción más precisa
de la propiedad, se han considerado también, de manera conjunta, las
dos variables (temperatura y humedad). Así, se ha propuesto una
ecuación (ec. IV.12.) que relaciona estos tres parámetros. Las constantes
fueron determinadas minimizando el error cuadrático entre los valores
calculados de esta manera y los obtenidos experimentalmente. La
desviación entre los valores experimentales y los predichos se calculó a
partir del error porcentual medio (ecuación IV.13.), que resultó ser de
3,74%, lo que indica un ajuste razonablemente adecuado a efectos
prácticos, por ser inferior al 10% (Wang &Brennan, 1993).
cP= 0,6385 + 0,0013 T + 0,0452 xw - 0,0011 xw2
(IV.12.)
donde cp es el calor específico de manzana (cal/g°C), T la
temperatura (°C) y xw el contenido de humedad del producto (g agua/g
materia seca).
:=
e |C
P rx p
—C
P p re d
/ c pJ - 1 0 0 /n
(IV.13.)
- 129 i
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
siendo Cpexp y cppred los calores específicos experimentales y
j
predichos, respectivamente, y n el número de datos empleados en el
i
ajuste lineal (en este caso 700).
|
¡
]
IV.3.2.2. Conductividad y difusividad térmicas
Los
valores
de
estas
propiedades
no
fueron
medidas
!
experimentalmente debido a los problemas encontrados en conseguir
una adecuada superficie de contacto entre el producto y la placa
calefactora en las muestras deshidratadas, a causa del encogimiento
sufrido en el proceso de secao. Por esta razón, se han utilizado
ecuaciones de predicción descritas para manzana (descritas en el
apartado IV.2.7.), no adecuadas para manzana impregnada a vacío. No
í
obstante, las diferencias entre ambos tipos de muestras, NIV e IV, en
cuanto a la densidad aparente, van disminuyendo a medida que se
deshidratan porque se va evaporando el líquido que impregnó los
poros en las IV, y por tanto las porosidades se van igualando a partir de
un cierto nivel de humedad, lo que se traduce en una variación
semejante de las propiedades térmicas con el contenido en humedad
del producto IV y NIV.
La tabla IV.6. muestra los valores promedio 45°C predichos para la
conductividad térmica y calculados para la difusividad térmica a partir
del calor específico obtenido aplicando la ecuación (IV.12.), de la
densidad aparente obtenida con la
ecuación (TV.7.) y
de la
¡
conductividad térmica. Los valores de difusividad varían entre 1,45.107
y 1,78.107 para la muestra N IV y entre 2,55107 y 0,9-lCP para la
i
- 1 30 -
i
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
impregnada. El contenido de humedad del producto no afectó
significativamente a la difusividad térmica.
Tabla IV. 6. Valores medios predichos de la conductividad (k) y difusividad (a) a 45°C
para distintos niveles de humedad
NIV
x>(bh)
k (W /m °C)
a 10’ (m2/s)
0,8700
0,47
1,45
0,8392
0,46
1,59
0,7454
0,43
1,78
0,4788
0,34
1,75
0,3461
0,30
1,75
0,2552
0,27
1,74
0,0205
0,28
1,46
La figura IV.5. representa los valores obtenidos de la conductividad
térmica en función del contenido de humedad de las muestras de
manzana NIV e IV. Puede observarse cómo el descenso en el contenido
de humedad supone una disminución de la conductividad térmica. En
ambos casos se ha encontrado una relación de tipo exponencial entre
ambas propiedades. Otros autores encontraron relaciones similares con
patatas (Lozano et al., 1979), peras (Mattea et al., 1989) y plátano y ñame
(Njie et al., 1998).
-131 -
i
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
0,5
0,4
o N IV
0,3 0,2
-
0,1
-
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Xw (g agua/g total)
Figura IV.5. Influencia del contenido en humedad en la conductividad térmica de
manzana
IV.3.3. Propiedades dieléctricas
Tal y como se explicó en la introducción, las propiedades
dieléctricas están afectadas por la frecuencia, la temperatura, la
composición química (fundamentalmente contenido en agua y sales) y
la estructura (densidad aparente y porosidad) del producto (Decareau,
1985). Dado que la frecuencia permitida en Europa en el secado de
alimentos por microondas es fija e igual a 2,45 GHz, no se ha
considerado necesario analizar el efecto de esta variable sobre las
propiedades dieléctricas de la manzana. Por otra parte, la temperatura
de medida se mantuvo constante (25°C). El estudio se ha centrado por
tanto en evaluar la influencia del contenido en agua de la fruta
estudiada y su porosidad, propiedades que varían a lo largo del
- 132 -
j
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
proceso de secado, y que por tanto afectarán a la eficiencia del proceso
de secado combinado por aire caliente y microondas.
Como se ha descrito en el apartado anterior, la impregnación a
vacio induce cambios estructurales en el producto poroso al
incrementar la densidad aparente y dism inuir la porosidad, como
consecuencia de la sustitución parcial del gas ocluido en los poros por
líquido de impregnación. En este caso, al utilizar una solución de
impregnación isotónica, la concentración global de la fase líquida del
alimento no sufrió cambios y por lo tanto la impregnación a vacío
permite evaluar la influencia de la porosidad en las propiedades
dieléctricas de la manzana.
La figura IV.6. muestra un ejemplo (manzana NIV fresca) de la
información obtenida con el equipo utilizado para la medida de las
propiedades dieléctricas. La línea de trazo grueso representa la
frecuencia 2,45 GHz. Las líneas de trazo fino representan las medidas
realizadas sobre tres puntos diferentes de la misma muestra de
manzana, observándose la elevada repetitividad del método en este
tipo de producto.
- 133 -
i
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Capítulo ¡V. Propiedades físicas de manzana deshidratada
60
E
—
J
E
-
2.40E+09
2.42E+09
2.44E+09
2.46E+09
frecuencia (Hz)
2.48E+09
2.50E+09
Figura IV.6. Represetitación de una medida de las propiedades dieléctricas en el
intervalo defrecuencias empleado con la sonda coaxial
La tabla IV.7. muestra los valores medios de estas propiedades en
las muestras, representadas por la constante dieléctrica (e), las pérdidas
dieléctricas (e"), la tangente de pérdidas dieléctricas (tg 8), y la
permitividad dieléctrica compleja (s*), todas ellas relativas a las del
vacío, así como la profundidad de penetración (dp). La ecuación
empleada para el cálculo de éste últim o parámetro se explica en la
introducción (apartado I.4.6., ec. 1.2.1.).
A modo de referencia se han incluido en la misma tabla los valores
determinados por Kent y Kress-Rogers (1987) para geles de agarsacarosa y por Decareau (1985) para el agua pura, en ambos casos
empleando la misma técnica y a la misma temperatura.
La mayoría de los valores registrados presentaron coeficientes de
variación por debajo del 10%. Únicamente las muestras impregnadas a
vacío
más
deshidratadas
mostraron
desviaciones
mayores,
probablemente debido al mayor encogimiento de estas muestras, lo que
- 134 -
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
se podría traducir en una medida errónea, dado que, como ya se ha
mencionado, la técnica de medida empleada requiere una superficie de
contacto entre la muestra y la sonda plana, y un espesor de muestra
suficiente para absorber las microondas en todo el volumen.
Tanto e' como e" aumentan con el contenido en humedad hasta
alcanzar el valor correspondiente al agua pura, siguiendo la misma
tendencia observada para los geles agar-sacarosa. s disminuye en todo
el intervalo de humedades analizado y s" disminuye a partir de un
valor cercano al 50%. La profundidad de penetración, por el contrario,
aumenta cuanto más seca está la muestra, tal y como cabría esperar,
pues se reduce su capacidad de absorción de potencia de microondas
(apartado I.3.6.). No obstante, los resultados obtenidos parecen indicar
que la disminución de e' y de e" con la humedad no sigue la misma
línea de tendencia en el caso de muestras impregnadas y muestras sin
impregnar. Las muestras impregnadas son capaces de absorber mayor
cantidad de energía eléctrica (valores de s' superiores) cuando el
contenido de humedad es elevado, mientras que por debajo del 50%
son las muestras no impregnadas las que presentan valores mayores.
La misma tendencia se observa en s", excepto para la muestra con
mayor humedad donde no se observaron diferencias significativas
entre IV y NIV. Este diferente comportamiento de las muestras IV y
NIV puede ser explicada en base a la diferencia de porosidad entre
ambas, que deja de ser significativa a partir de un determinado nivel de
deshidra tación.
- 135i
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Tabla IV . 7. Variación de las propiedades dieléctricas de manzana con la humedad y la impregnación a vado con sóludón isotónica
IV
N IV
« ¡j a
s cu 8
(b h )
X »
8w
£’
e”
tg 5
E*
d p (c o i)
0 ,3 5 2 1
0 ,6 1 2 1
0 ,8 8 3
1 ,7 ± 0 ,7
0 ,2 ± 0 ,1
0 ,1 1 ± 0 ,0 6
1 ,7 ± 0 ,7
4 1 ,1 ± 3 2 ,7
0 ,4 3 2 8
0 ,4 9 3 1
0 ,8 9 6
7 ,8 ± 1,9
4 ,1 ± 1,2
0 ,5 1 ± 0 ,0 4
8 ,8 ± 2 ,3
2 ,9 ± 0 ,6
X»
0 ,6 1 8 7
0 ,3 2 4 8
0 ,9 7 5
5 3 ,2 ± 0 ,9
1 6 ,2 ± 0 ,7
0 ,3 0 3 ± 0 ,0 1 4
5 5 ,7 ± 0 ,9
1 ,7 8 ± 0 ,0 8
0 ,5 8 6 4
0 ,3 2 4 2
0 ,9 6 1
3 0 ,8 ± 5 ,9
1 5 ,8 ± 1 ,5
0 ,5 2 ± 0 ,0 5
3 4 ,6 ± 5 ,9
1 ,4 1 ± 0 ,0 2
0 ,8 0 3 4
0 ,1 8 0 8
0 ,9 8 8
5 8 ,0 ± 0 ,9
1 8 ,8 ± 1 ,7
0 ,3 2 ± 0 ,0 2
6 0 ,9 ± 1 ,3
1 ,6 0 ± 0 ,1 3
0 ,8 7 1 8
0 ,1 1 7 0
0 ,9 9 3
6 1 ,8 ± 4 , 3
1 1 ,9 ± 0 ,9
0 ,1 9 2 ± 0 ,0 0 3
6 2 ,9 ± 4 ,4
0 ,1 2 1 8
0 ,8 1 4 4
0 ,1 4 4
4 ,0 4 ± 0 ,1 8
0 ,2 5 ± 0 ,0 1
4 ,2 ± 0 ,2
±
0 ,0 8
±
0 ,1
7 ,8 ± 0 ,0 0 5
0 ,3 9 8 3
0 ,5 3 4 8
0 ,6 5 9
1 9 ,1 ± 2 ,7
9 ,3 ± 0 ,7
0 ,4 9 ± 0 ,0 4
2 1 ,3 ± 2 , 7
1 ,7
0 ,5 6 6 3
0 ,4 1 4 6
0 ,7 3 5
2 8 ,2 ± 1 , 1
1 0 ,9 ± 0 ,3
0 ,3 9 ± 0 ,0 1
3 0 ,2 ± 1,1
1 ,8 ± 0 ,0 0 1
0 ,5 7 8 4
0 ,3 7 9 2
0 ,8 3 7
3 3 ,9 ± 1 ,7
1 2 ,6 ± 0 ,6
0 ,3 7 ± 0 ,0 2
3 6 ,2 ± 1 ,7
1 ,7
±
0 ,0 0 1
0 ,6 9 4 8
0 ,2 3 2 3
0 ,8 7 5
3 8 ,4
1 2 ,0
1 ,7
0 ,3 1 ± 0 ,0 2
4 0 ,3
2 ,0
±
0 ,0 0 1
0 ,8 7 1 9
0 ,1 2 6 9
0 ,9 4 9
5 6 ,3 ± 0 ,9
1 2 ,7 ± 0 ,6
0 ,2 3 ± 0 ,0 1
5 7 ,7 ± 0 ,9
1
0 ,0 0 0 0
1 ,0 0 0
76
12
0 ,1 6
0 ,4 5
4 2 ,7
15,1
0 ,3 5
±
6 ,3
±
& w
Zf? P§
0 ,6 7
6 6 ,8
1 4 ,7
0 ,2 2
0 ,7 8
7 0 ,8
1 3 ,4
0 ,1 9
¿8
0 ,9 0
7 3 ,6
1 1 ,3
0 ,1 5
0 ,9 4
7 0 ,7
1 1 ,5
0 ,1 6
CDDecareau, 1985
- 136 -
1 ,0 0
2 ,6
<2) Kent and Kress-Rogers, 1987
±
6 ,5
±
0 ,0 0 1
2 ,2 ± 0 ,0 0 1
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
La representación en un plano complejo e'-e" (figura IV.7.) de los
valores obtenidos para los diferentes niveles de humedad analizados
permite observar el efecto de la impregnación a vacío en las
propiedades dieléctricas.
20,0
e
15,0
10,0
o N IV
5,0
♦ IV
• Gel sacarosa-a gar
a Agua pura
0,0
0,0
20,0
Figura IV. 7. Plano complejo
40,0
60,0
80,0
para las muestras analizadas
Así, se puede deducir que la fase gaseosa de la manzana no
impregnada parece jugar un papel relevante en sus propiedades
dieléctricas. La fase líquida del alimento impregnado parece ser la
principal responsable de la interacción entre el producto y las
microondas. En este sentido, las muestras impregnadas a vacío
¡
j
mostraron un comportamiento más sim ilar al de los geles de agar-
:
sacarosa, con una mayor capacidad de disipar energía absorbida de las
j
microondas que las muestras NIV, que presentan una elevada fracción
j
volumétrica inicial de fase gaseosa, cercana a 0,23 (Chiralt et al., 1999).
i
i
____________________________________________________________
j
- 137 -
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Capítulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
El gas residual presente en el alimento impregnado (con una porosidad
entre 0,05 y 0,06 C hiralt et al., 1999) podría explicar las diferencias
encontradas con el comportamiento de los geles (que no contienen gas).
No obstante, dado que la influencia del contenido en humedad
sobre las propiedades dieléctricas depende no solamente de la cantidad
de agua presente en el alimento, sino de la manera en que ésta se
encuentre ligada a otros componentes y por tanto restringida en su
movimiento (Ryynánen, 1995), se ha analizado la variación de e' y e"
con la actividad del agua (aw). Para ello se ha determinado la actividad
del agua de las muestras de manzana, tanto IV como NIV, mediante la
ecuación de Norrish (ecuación IV.14.), que permite calcular la actividad
del agua de soluciones no-electrolíticas de composición conocida. La
fase líquida de la manzana se supuso compuesta esencialmente por
agua y sacarosa.
]naw = ] n x w~ k s- x]
(IV.14.)
donde aw es la actividad de agua del producto, xw la fracción molar
de agua, ks el coeficiente de Norrish (para la sacarosa 6,47) y Xs la
fracción m olar de sacarosa. Las fracciones molares de agua y sacarosa
se calcularon en base a la humedad y los °Brix medidos en las muestras.
Los valores predichos se resumen en la tabla IV.7. El comportamiento
dieléctrico encontrado (figuras IV.8. y IV.9.) es sim ilar al obtenido para
patata (Mudgett et al., 1980). La constante dieléctrica de la manzana
NIV parece variar hiperbólicamente con la actividad de agua,
aumentando suavemente prim ero (0,48-0,91 aw) para posteriormente
- 138-
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Capitulo IV. Propiedades físicas de manzana deshidratada
aumentar bruscamente hasta alcanzar el valor del agua pura. En el caso
de la manzana IV, el comportamiento fue similar, si bien el aumento
brusco con la actividad de agua fue mucho más acusado. En cualquier
caso, lo que parece evidente es que cuánto más ligada y ocluida en la
estructura se encuentra el agua, se produce un descenso m uy acusado
de la capacidad de absorción de la energía de microondas (constante
dieléctrica) y sobre todo de la capacidad de disipar esa energía en forma
de calor (pérdidas dieléctricas). Aunque no se obtuvieron datos por
debajo de actividades del agua cercanas a 0,4, los resultados obtenidos
por Mudgett et al. (1980) para patata liofilizada hacen pensar que no se
esperarían cambios en la tendencia reflejada, lo que parece razonable si
tenemos en cuenta que a esos niveles la presencia de agua libre en el
alimento es casi inexistente.
80
70 .
o N IV
* TV"
X a g u a p u ra
w
20
-
0,4
0,6
0,8
1,0
Figura IV.8. Influencia de la actividad del agua en la constante dieléctrica de manzana
]
i
- 139-
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Capitulo IV. Propiedades fisicas de manzana deshidratada
18
a
NIV
- ag u a p u ra
0,4
0,6
0,8
1,0
Figura IV.9. lnfluenría de la actividad del agua en las pérdidas dieléctricas de
manzana
Los resultados obtenidos por Mudgett et al. (1980) al predecir el
comportamiento dieléctrico de un alimento semi-sólido (patata) a 3
GHz en un determinado intervalo de contenido en humedad y
actividad del agua, revelaron la existencia de un contenido de humedad
crítico para la activación de los mecanismos dieléctricos, aparentemente
relacionado con la disponibilidad de agua libre (con capacidad de
movimiento), lo que sugirió que la "relajación" del agua ligada es
despreciable a frecuencias de microondas. Este hecho está en
concordancia con los resultados obtenidos por Funebo & Ohlsson (1999)
con varias frutas y vegetales a 2,8 GHz, que explican la aparición de un
pico en las pérdidas dieléctricas a niveles intermedios de humedad con
el hecho de que la disminución de la frecuencia de relajación (a la cual
el producto es capaz de disipar la máxima energía) con la humedad del
producto parece provocar un acercamiento a la frecuencia operativa,
- 140 -
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Capitulo IV. Propiedades fisicas de manzana deshidratada
producto parece provocar un acercamiento a la frecuencia operativa,
momento en el cual el alimento es capaz de disipar mayor cantidad de
calor (valores más altos de las pérdidas dieléctricas).
En el caso de la manzana (var. Granny Smith), al representar las
pérdidas dieléctricas frente a la actividad del agua (figura IV.9.),
aparece también este valor crítico de contenido en humedad alrededor
del 0,6 g agua/g materia seca (correspondiente a una actividad del agua
cercana a 0,9). La impregnación a vacío presenta una caída mucho más
acusada de esta propiedad por debajo del pico descrito. Además, los
alimentos con un contenido nada despreciable de azúcares, como es el
caso de la manzana, pueden desarrollar enlaces entre las moléculas de
agua y grupos hidroxilo de los azúcares cuando los niveles de humedad
del producto son muy bajos, disminuyendo aún más la cantidad de
agua libre presente en el producto y dando lugar a formas fuertemente
ligadas de baja actividad dieléctrica. Kent & Kress-Rogers (1987)
observaron que un aumento en la concentración de azúcar de una
solución de sacarosa producía una reducción en la frecuencia de
relajación, lo que podría explicar que los picos alcanzados por la fresa,
la solución de sacarosa (empleadas a modo de referencia) y la manzana
IV fueran menores que el obtenido para la manzana NIV. Sin embargo,
las fracciones másicas de los componentes en ambos tipos de muestra
analizadas (IV y NIV) obtenidas fueron similares, por lo que de nuevo
la disminución de la porosidad provocada por la impregnación a vacío
podría ser la causante de las diferencias encontradas.
- 141 -
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CAPÍTULO V
INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DE PROCESO SOBRE LA
CINÉTICA DE DESHIDRATACIÓN Y LA CALIDAD DE
MANZANA SECADA POR AIRE CALIENTE Y MICROONDAS,
i EFECTO D E LA IMPREGNACIÓN A VACÍO.
i
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V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y colar
ÍNDICE DE CONTENIDOS
V J . C IN É T IC A D E S E C A D O ___________________________________________ 143
V . 1.1. IN T E R É S D E L E S T U D IO ________________________________________ 143
V . 1.2. M A T E R IA L E S Y M É T O D O S _____________________________________145
V .l.2 .1 . M ateria prim a. Preparación de las m uestras_____________________ 145
V .l.2 .2 . Caracterización fisicoquímica de la m ateria p rim a ________________ 146
V .l.2 .3 . Equipo experim ental__________________________________________ 147
V .l.2 .4 . Diseño experim ental__________________________________________ 148
V.l.2.4.1. Secado convectivo de manzana fresca___________________________ 148
V.l.2.4.2. Secado convectivo asistido por microondas de manzana fresca_________ 150
V .l.2 .5 . Conversión de las variables de proceso_________________________ 152
V .l.2 .6 . Obtención de las curvas de secado_____________________________ 154
V .l.2 .7 . Obtención de las curvas de velocidad de secado_________________ 156
V . 1.3. R ES U LTA D O S Y D IS C U S IÓ N __________________________________ 156
V .l.3 .1 . Caracterización de la m ateria p rim a ____________________________ 156
V .l.3 .2 . Caracterización del secado por aire caliente. Análisis cualitativo de los
resultados experimentales-efecto de las variables de proceso y del
pretratam iento por IV _________________________________________ 157
V.l.3.2.1. Influencia de la velocidad del aire_____________________________ 157
V. 1.3.2.2. Influencia de la temperatura del aire_____________________________159
V. 1.3.2.3. Influencia del espesor de la muestra_____________________________163
V .l.3.2.4. Influencia del pretratamiento de impregnación a vacío_______________ 164
V .l.3 .3 . Caracterización del secado por aire caliente asistido con microondas.
Análisis cualitativo de los resultados experimentales-efecto de la
potencia y de la temperatura, y de la IV _________________________ 168
V .l.3.3.1. Temperatura de la muestra___________________________________ 174
-I -
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V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
V .l.3 .4. M odelo cinético semiempírico basado en fenómenos difusionales
179
V .l.3.4.1. Validación de! modelo_____________________________________________ 191
V.2. E S T U D IO D E LO S C A M B IO S M IC R O E S TR U C TU R A LE S D E LA
M A N Z A N A P R O D U C ID O S D U R A N T E EL SEC A D O ________________194
V.2.1. IN T E R É S D E L E S T U D IO ________________________________________ 194
V .22 . M A T E R IA L E S Y M É T O D O S _____________________________________ 196
V .2 3 . R E S U LTA D O S Y D IS C U S IÓ N ___________________________________ 198
V.2.3.1. Caracterización fisicoquímica de las muestras____________________ 198
V.2.3.2. Observaciones por C ryo-Sem __________________________________ 199
V.3. P R O P IED A D ES M E C Á N IC A S Y C O LO R D E L A M A N Z A N A
D E S H ID R A T A D A
V.3.2. M A T E R IA L E S Y M É T O D O S _____________________________________ 214
V.3.2.1. M ateria p rim a ________________________________________________214
V.3.2.2. M edida del color y de las propiedades mecánicas del producto
deshidratado_________________________________________________214
V .3.2.3. Relación Tg-humedad-propiedades mecánicas en muestras con baja
h u m ed ad ____________________________________________________216
V .3 3 . R E S U LTA D O S Y D IS C U S IÓ N ___________________________________ 219
V.3.3.1. Caracterización de la m ateria prim a (IV y N IV ) en cuanto al color y a
las propiedades mecánicas. Influencia de la impregnación a vacío._ 219
V.3.3.2. Efecto de las condiciones de tratam iento sobre el color y las
propiedades mecánicas de la manzana deshidratada______________222
- II Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
V.3.3.3. Influencia de la impregnación a vado y de la aplicaaón de
microondas en la rigidez y estado físico de manzana deshidratada
por aire caliente___________________________________________ 228
V .3.3.31. Influencia de las condiciones de secado: temperatura del aire y potencia
incidente de microondas___________________________________________ 232
V.3.3.3.2. Influencia de la impregnación a vacío como pre-tratamiento al secado
234
V.3.3.3.3. Análisis calorim étrico_____________________________________________ 236
-III Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
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V. Cinética de secado. Microestmctura. Propiedades mecánicas y color
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura V .l. Esquema del procedimiento de cálculo de la humedad relativa del aire
dentro de la cámara de secado__________________________________ 154
Figura V.2. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 2 m m _______________________________ 158
Figura V.3. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 4 m m _______________________________ 158
Figura V.4. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 7 m m _______________________________ 159
Figura V.5. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 2 m m a lm /s ______________________ 160
Figura V.6. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 2 m m a
2 m /s ___________________ _16 1
Figura V.7. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 4 m m a
lm /s _____________________161
Figura V.8. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 4 m m a
2 m /s _____________________162
Figura V.9. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 7 m m a lm /s ______________________ 162
Figura V.10. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas
de manzana con un espesor de 7 m m a 2 m /s ______________________ 163
Figura V .ll. Influencia del espesor de muestra en el secado convectivo de rodajas de
manzana a 30 y 60°C y 2 m /s ____________________________________ 164
- VReproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
Figura V.12. Efecto de la IV como tratam iento previo al secado por aire caliente de
rodajas de manzana de 7 m m de espesor a 1 m / s y temperaturas de
secado entre 30 y 60°C__________________________________________ 166
Figura V.13. Efecto de la IV como tratam iento previo al secado por aire caliente de
rodajas de manzana de 7 m m de espesor a 2 m /s y temperaturas de
secado entre 30 y 60°C_______________________________________
166
Figura V.14. Efecto de la velocidad del aire en el secado por aire caliente de rodajas
de manzana de 7 mm de espesor_________________________________ 167
Figura V.15. Ejemplo de curvas de velocidad de secado obtenidas en los
tratam ientos de secado combinado por aire caliente y microondas. 40W 4 0 °C __________________________________________________________ 170
Figura V.16. Influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de
secado de rodajas de manzana de 7 mm de espesor en un proceso
combinado de secado con aire a 30°C___________________________
172
Figura V.17. Influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de
secado de rodajas de manzana de 7 m m de espesor en un proceso
combinado de secado con aire a 40°C _____________________________ 173
Figura V.18. Influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de
secado de rodajas de manzana de 7 m m de espesor en un proceso
combinado de secado con aire a 50°C_____________________________ 173
Figura V.19. Influencia de la temperatura en el secado combinado por aire caliente y
microondas de manzana a una potencia fija _______________________ 174
Figura V.20. Croquis de la disposición de las sondas de tem peratura en la lám ina de
m an zan a______________________________________________________ 175
- VI -
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V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
Figura V.21. Relación temperatura del producto-velocidad de secado-pérdidas
dieléctricas durante el secado combinado por aire caliente y microondas
a 50°C y 2,8 W /g de una muestra de manzana de 4 mm de espesor__ 178
.i
Figura V.22. Curvas semilogarítmicas para la humedad reducida a distintos tiempos
de secado__________________________________________________
!
181
Figura V.23. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la
j
constante cinética ki obtenida en las experiencias de secado por aire
1
caliente de muestras no im pregnadas____________________________ 185
I
Figura V.24. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la
j
constante cinética k 2 obtenida en las experiencias de secado por aire
caliente de muestras im pregnadas_______________________________ 185
í Figura V.25. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la
í
t
I
constante cinética ki obtenida en las experiencias de secado por aire
caliente de muestras no im pregnadas_____________________________ 187
i Figura V.26. Influencia de la tem peratura, la velocidad del aire y el espesor en la
i
\
constante cinética k 2 obtenida en las experiencias de secado por aire
|
1
caliente de muestras no im pregnadas__________________________
187
! Figura V.27. Influencia de la tem peratura, la velocidad del aire y el espesor en la
i
¡
I
constante cinética k 2 obtenida en las experiencias de secado por aire
caliente de muestras im pregnadas_______________________________ 189
Figura V.28. Influencia de la tem peratura, la velocidad del aire y el espesor en la
constante cinética k¡ obtenida en las experiencias de secado por aire
caliente de muestras im pregnadas_______________________________ 189
Figura V.29. Influencia de la tem peratura, la velocidad del aire y el espesor en la
constante cinética k 2 obtenida en las experiencias de secado por aire
caliente de muestras im pregnadas______________________________ _190
- VII '
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
i
V. Cinética de secado. Microestructurau Propiedades mecánicas y color
Figura V.30. Esquema del modelo cinético propuesto para el secado combinado aire
caliente-microondas de manzana y valores de los parámetros obtenidos
para rodajas de manzana de 7 mm de espesor_____________________192
Figura V.31. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas (
-)
obtenidas para todos los tratamientos realizados a 30°C y 2 m /s con
diferentes potencias incidentes de microondas_____________________193
Figura V.32. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas (
-)
obtenidas para todos los tratamientos realizados a 40°C y 2 m /s con
diferentes potencias incidentes de microondas______________
Figura V.33. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas (
193
-)
obtenidas para todos los tratamientos realizados a 50°C y 2 m /s con
diferentes potencias incidentes de microondas_____________________194
Figura V.34. M icrografía de tejido de manzana fresco. 100X. (Bilbao, 2002)._____ 200
ei: espacio intercelular, pe: pared celular, ic: volum en intracelular___________
200
Figura V.35. M icrografía de tejido de manzana fresco e impregnado a vacío con
solución isotónica. 100X. (Bilbao, 2002). es: espacio intercelular lleno de
líquido de impregnación, ic: volum en intracelular________________
201
Figura V.36.(a)-(b). Perfiles estructurales de tejido de manzana parcialmente
deshidratado, (a) N IV -A C (2h30'); (b) V I-A C (3h), longitud del perfil
desde la interfase hasta el plano central: 3,2 m m (a) y 2,5 mm (b). 100X.
______________________________________________________________205
Figura V.37.(a)-(b). Micrografías de tejido de manzana N IV , parcialmente
deshidratado con A C , a 0,05 (a) y 1,05 (b) mm de la interfase. 350X. pe:
pared celular, cc: masa de células colapsada_______________________ 206
-V III Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
Figura V.37.(c). M icrografía de tejido de manzana IV , parcialmente deshidratado
con A C , a 3,05 mm de la interfase. 350X. es: espacio intercelular lleno de
líquido de impregnación, ic: volumen intracelular, pe: pared celular
207
Figura V.38.(a)-(b). Perfiles estructurales de tejido de manzana parcialmente
deshidratado, (a) N IV -A C + M (24'); (b) IV -A C + M (11'), longitud del perfil
desde la interfase hasta el plano central: 3,3 m m (a) y 2,4 mm (b). 100X.
208
Figura V.39.(a)-(b). Micrografías de tejido de manzana N IV parcialmente
deshidratado con el tratam iento combinado A C +M a 0,286 (a) y 1,286 (b)
m m de la interfase. Pe: pared celular_____________________________ 209
Figura V.40 (a)-(b). M icrografías de tejido de manzana IV parcialmente
deshidratado con el tratam iento combinado A C + M a 1,75 (a) y 1,88 (b)
m m de la interfase. La micrografía (a) está realizada a m ayor aumento
(750X) que la (b), a 350X. es: espacio intercelular lleno de líquido de
impregnación, pe: pared celu lar_________________________________ 210
Figura V.41. Preparación y análisis de las muestras de manzana. *AC: aire caliente.
M C : método combinado por aire caliente y m icroondas.____________ 217
Figura V.42. Curvas fuerza-distancia obtenidas en el ensayo.de punción de muestras
N IV e IV sin d esh id ratar________________________________________221
Figura V.43. Aspecto de las muestras secadas en diferentes condiciones de
tratam iento______________________________________________
.222
Figura V.44. Plano cromáticos L*-a* de las muestras analizadas (AC : aire caliente. M :
combinado aire caliente y microondas. Fresca: sin deshidratar)______ 224
Figura V.45. Planos cromáticos a*-b* de las muestras analizadas (AC : aire caliente.
M : combinado aire caliente y microondas. Fresca: sin d eshidratar)
224
IX Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. Cinética de secado. Microestructura. Propiedades mecánicas y color
Figura V.46. Curvas Fuerza-Distancia características de los ensayos de punción
realizados. Influencia del tratam iento.____________________________ 226
Figura V.47. Curvas fuerza-distancia obtenidas en las muestras para cada
tratam iento de secado y valor final de aw. M C : muestras secadas por
método com binado._____________________________________________231
Figura V.48. Fuerza m áxim a obtenida en las diferentes m uestras.______________235
- X-
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V. 1. Cinética de secado
V.
INFLUENCIA. DE LAS VARIABLES DE PROCESO SOBRE LA
CINÉTICA
DE
DESHIDRATACIÓN
POR
AIRE
CALIENTE
Y
MICROONDAS DE MANZANA.
V.l. CINÉTICA DE SECADO
V. 1.1. INTERÉS DEL ESTUDIO
La optimización de la operación de secado por aire caliente y microondas
y del diseño de los equipos industriales, conlleva la necesidad de predecir la
evolución del producto que se desea secar, su humedad y su temperatura,
para distintas condiciones de operación. El conocimiento de los fenómenos
de transferencia de materia (líquida o gaseosa dentro y en la superficie del
sólido) y de calor (conducción y /o convección), asociados al proceso de
deshidratación, es, por tanto fundamental si se quiere reproducir el proceso
industrialmente. Los factores que regulan la velocidad de estos procesos son
los que definen la velocidad de secado, y en este sentido es necesario conocer
su influencia en los mecanismos que gobiernan la transferencia de masa y de
calor. Para estudiarlos se puede recurrir al estudio básico de los mecanismos
internos de flujo de agua o al estudio de las condiciones externas
(temperatura, humedad relativa, velocidad de aire, potencia incidente de
microondas, etc.). Éste últim o método, aunque menos fundamental, es el
mayormente aplicado (Prabhanjan et al., 1995; Funebo & Ohlsson, 1998;
Maskan, 2001a).
-1 4 3 -
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V. 1. Cinética de secado
Por otra parte, aunque han sido varios los intentos por describir los
fenómenos característicos del secado por microondas (Constant & Moyne,
1996; Lin et al., 1995), existe aún muy poca literatura acerca de modelos
básicos para materiales biológicos. En el secado por aire caliente, la humedad
se elimina inicialmente muy rápido de la superficie mientras que el agua
restante se difunde lentamente a la superficie. La fuerza impulsora para este
transporte de agua es el gradiente de concentración de masa y para la
transferencia de energía, el gradiente de temperatura. Es un proceso lento
lim itado en la mayoría de los casos por la velocidad de difusión de agua en la
matriz sólida. En el secado con microondas, la generación interna de calor
produce una rápida generación de vapor interior elevando la presión de
vapor en todos los puntos. En este caso, el gradiente de presión gaseosa
podría actuar como una fuerza impulsora adicional (además de los
mecanismos difusionales), tanto en la fase gaseosa como en la fase líquida del
producto cuando la temperatura de medio exceda el punto de ebullición
impuesto por la presión externa (Constant & Moyne, 1996). En este caso, la
mayor parte del agua es convertida en vapor antes de llegar a la superficie.
En el caso de que la muestra esté muy húmeda y la presión de vapor
aumente muy rápido, el vapor puede arrrastrar moléculas de agua en estado
líquido (movimiento líquido).
En el secado convectivo asistido con microondas, se puede mejorar la
eficiencia y la economía del proceso. El aire caliente es muy eficaz para
elim inar el agua libre presente o cercana a la superficie, mientras que las
microondas proporcionan una forma más eficaz de elim inar el agua interna,
tanto libre como ligada, aunque los costes de implantación y operación de
esta últim a son caros. Si se combinaran ambos métodos podría maximizarse
-1 4 4 -
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V. 1. Cinética de secado
la eficiencia del secado manteniendo bajos los costes. Por otra parte, tal y
como se explicó en la introducción de la presente tesis, la generación de calor
por las microondas tiene su origen principalmente en la rotación dipolar de
moléculas de agua libre (Metaxas & Meredith, 1983; Decareau, 1985), y en
este sentido, las diferentes formas en las que se puede encontrar el agua
ligada en los alimentos adquieren un papel muy importante en la velocidad
de pérdida de humedad durante el proceso de secado.
El presente capítulo resume el estudio de la transferencia de materia
realizado tanto del secado convectivo como del secado combinado por aire
caliente y microondas de manzana var. Granny Smith, impregnada (IV) o no
(NIV) a vacío con solución isotónica, a través de diferentes modelos
difusionales basados en gradientes de concentración de agua (líquida y /o
vapor) en sólidos homogéneos continuos.
V. 1 2 . MATERIALES Y MÉTODOS
V.1.2.1. M ateria prima. Preparación de las muestras
Se u tilizó la variedad de manzana Granny Smith, procedente de un
supermercado de la localidad. Se adquirió siempre en el mismo
establecimiento y se intentó guardar una homogeneidad en cuanto al calibre
y al estado de maduración, minimizando así posibles desviaciones en los
resultados.
- 145 ■I
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V. 1. Cinética de secado
Las muestras se cortaron en rodajas de espesor controlado, con valores de
2,4 y 7 mm (geometría de lámina infinita), a las que se les extrajo el corazón
con la ayuda de un sacabocados de 2 cm de diámetro.
La impregnación a vacío se realizó, al igual que en el resto de la tesis,
sumergiendo las rodajas de manzana en una solución isotónica y sometiendo
al sistema producto-solución a una presión subatmosférica de 50 mbar
durante 5 minutos y a presión atmosférica durante 10 minutos más.
V.l.2.2. Caracterización fisicoquímica de la materia prima
La caracterización fisicoquímica de la materia prim a consistió en la
determinación, por triplicado, del contenido en humedad inicial de las
muestras empleadas en cada proceso de secado, según el método AOAC
20013 (AOAC, 1980), y de los grados Brix iniciales de la muestra, empleando
un refractómetro ABBE ATAGO (modelo 3-T) calibrado a 20°C. Ambas
determinaciones se explicaron más detalladamente en el capítulo IV.
Así mismo se empleó un pie de rey para caracterizar las dimensiones
exactas de las muestras (espesor y diámetros exterior e interior), realizándose
al menos cinco medidas en cada muestra.
Por otra parte, en el caso de las muestras impregnadas a vacío, se
determinó también el porcentaje de impregnación alcanzado (%I, ecuación
IV .l.), y se recalculó el contenido en humedad considerando que la ganancia
de peso experimentada por las muestras impregnadas (Ap, ecuación V .l.) no
supone un cambio en la fracción másica de sólidos solubles en la fase líquida
del producto, aunque sí en su humedad y contenido neto de sólidos solubles
(ecuaciones V.2.-V.4.).
-1 4 6 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
Ap = (m lv - m Nlv)
(V.l.)
m w N iv = m N i v ' X w N IV
(V.2.)
mwg = A p -m wg = A p - ( l- z J
(V.3.)
_ ^wNlV + m wg
X wIV —
(V .4 .)
m IV
siendo:
niNiv: masa de producto antes de la impregnación (g)
|
miv: masa de producto después de la impregnación (g)
|
mWNiv: masa de agua presente en el producto antes de la IV (g)
mwg: masa de agua ganada por el producto en la impregnación (g)
ZsS: fracción másica de sólidos solubles de la solución de impregnación
(g sólidos/g disolución)
Xw n iv :
fracción másica de agua del producto antes de la IV (g agua/g
i
producto)
X w iv:
!
fracción másica de agua del producto después de la IV (g agua/ g
producto)
V.l.2.3. Equipo experimental
I
i
i
1
Las experiencias de secado se llevaron a cabo en el equipo diseñado,
| descrito en el capítulo III. La circulación de aire fue en todos los casos en
I sentido paralelo a la superficie del producto.
íi
J
|
'
;
\i
*1
\
;
t
•
!
- 147 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.l. Cinética de secado
V.l.2.4. Diseño experimental
V .l.2.4.1. Secado convectivo de manzana fresca
Con el fin de analizar la influencia de la temperatura y velocidad del aire
en la cámara de secado, así como el espesor inicial del producto, en el secado
por aire caliente de manzana, se planteó un diseño de experimentos que
incluye cuatro niveles para la primera variable (60,50,40 y 30 °C), dos para la
segunda (2 y 1 m /s) y tres para la tercera (7, 4 y 2 mm). Todas estas
condiciones de proceso se analizaron empleando manzana impregnada (IV)
y no impregnada (NIV) a vacío con solución isotónica. En el caso de la IV no
se empleó el espesor de 2 mm debido a las dificultades encontradas al
trabajar con los espesores de menor magnitud.
La tabla V .l resume las condiciones de operación de cada uno de los
experimentos realizados, así como la nomenclatura utilizada para los
mismos. Según esta nomenclatura, cada muestra (IV ó NIV) aparece
nombrada además por tres dígitos: el primero de ellos corresponde a la
temperatura de secado, el segundo a la velocidad del aire y el tercero al
espesor de la muestra.
-1 4 8 -
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V. 1. Cinética de secado
Tabla V.l. Resumen de las condiciones de trabajo empleadas para el estudio de secado
convectivo de manzana
E xperiencia
N1V-30-1-2
NIV-30-2-2
N IV-40-1-2
N1V-40-2-2
N IV-50-1-2
N IV-50-2-2
N1V-60-1-2
NIV-60-2-2
NIV-30-1-4
NIV-30-2-4
NIV-40-1-4
NIV-40-2-4
NIV-50-1-4
N IV-50-2-4
NIV-60-1-4
NIV-60-2-4
N IV-30-1-7
NIV-30-2-7
N IV-40-1-7
NIV-40-2-7
N IV-50-1-7
NIV-50-2-7
NIV-60-1-7
NIV-60-2-7
IV -30-2-4
T ip o
m aestra
e (m m )
t
(m /s )
30
o
1
40
NIV
y
4
50
2
7/
60
30
IV -40-1-4
1V-40-2-4
4
1V-60-2-4
IV -30-1-7
1V-30-2-7
1V-40-1-7
IV -40-2-7
IV -50-1-7
IV -50-2-7
IV -60-1-7
IV -6 0-2-7
T (°C )
40
2
60
IV
30
1
40
7i
y
50
2
60
i
j
- 149 -
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V. 1. Cinética de secado
V. 1.2.4.2. Secado convectivo asistido por microondas de m anzana fresca
Para estudiar el efecto de las microondas sobre la operación de secado, se
seleccionaron algunas de las condiciones previamente ensayadas secando
sólo con aire caliente. Concretamente se trabajó a la máxima velocidad del
aire (2 m / s) para favorecer el transporte del agua eliminada, tres niveles de
temperatura del aire (30, 40 y 50°C) por considerar excesiva la temperatura
que pudiera alcanzar el producto si se empleaba una temperatura del aire de
60°C y un intervalo de potencia incidente de microondas entre 20 y 120W (14,5 W /g). El espesor elegido fue 7 mm debido a las malas características que
presentaba el producto fin a l cuando se emplearon espesores más pequeños
en las pruebas preliminares. El análisis se realizó con manzana impregnada
(IV) y no impregnada a vacío (NIV).
La tabla V.2 recoge las condiciones de operación de cada uno de los
experimentos realizados, así como la nomenclatura utilizada para los
mismos. Según esta nomenclatura, cada muestra (IV ó NIV) aparece
nombrada además por dos dígitos; el primero de ellos corresponde a la
temperatura del aire de secado y el segundo a la potencia de microondas
aplicada, expresada en W /g inicial de producto.
- 150-
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V. 1. Cinética de secado
Tabla V .l. Resumen de las condiciones de trabajo para el estudio de secado combinado por
aire caliente y microondas de manzana (v-lm /s, e=7mm)
Experiencia
T ip o m aestra
e (m m )
T (°C )
P i(W )
N IV -3 0 -lW /g
19
N IV -3 0 -l,5 W /g
35
N lV-30-2W /g
42
N IV -30-2,5W /g
NIV
45
N IV-30-3W /g
63
N IV -30-3,5W /g
N lV-30-4W /g
84
7
IV -3 0 -lW /g
30
lV -3 0 -l,5 W /g
39
IV -30-2W /g
IV -30-2,5W /g
91
23
48
IV
75
IV -30-3W /g
75
IV -30-3,5W /g
91
IV -30-4W /g
94
N IV -4 0 -lW /g
20
NI V -4 0-1,84W /g
40
N IV-40-2W /g
N IV -40-3,2W /g
60
NIV
80
N IV -4 0 -4 ,lW /g
100
N IV-40-4,2W /g
7
IV -40-0,6W /g
40
IV -4 0 -l,6 W /g
IV -40-2,3W /g
IV -40-3W /g
120
20
40
60
IV
80
IV -40-3,8W /g
100
IV -40-4,3W /g
120
N IV -50-0,8W /g
20
N IV -5 0-1,6W /g
40
N IV -50-2,4W /g
N IV -50-2,8W /g
N IV -50-3,5W /g
60
NIV
80
100
N IV -50-4,6W /g
7
IV -50-0,78W /g
50
120
20
IV -5 0 -l,4 W /g
40
IV -50-2W /g
60
IV -50-2,8W /g
IV
80
IV -50-3,5W /g
100
IV -50-4,3W /g
120
- 151 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
V .l.2.5. Conversión de las variables de proceso
Las condiciones ambientales (velocidad del aire y humedad relativa) en
la cámara son desconocidas, pero se pueden calcular con los datos
suministrados por el equipo correspondientes a las condiciones ambientales.
Velocidad del aire de secado
La velocidad del aire (vi), registrada por el anemómetro, situado en la
conducción de aire, no es la misma que la velocidad en la cámara de secado,
pues se produce un aumento de temperatura del aire y un cambio de sección.
Conocidas la velocidad del aire a la entrada (vi), y las temperaturas a la
entrada (Ti) y a la salida (T2), podemos calcular la velocidad del aire a la
salida (V2), a partir del caudal o gasto másico de aire, M (kg aire seco/h),
constante en cualquier sección del secador.
Por tanto igualando el caudal a la entrada (M i) y a la salida (M 2) de la
cámara de secado, y haciendo uso de las ecuaciones que relacionan la
humedad relativa, la temperatura y la humedad absoluta del aire, descritas
en el apartado III.4. (ecuaciones V.5. y V.6.), se deduce la expresión V.7.
(V.5.)
X = 0,622 •—
P - PV
(V.6.)
siendo:
Pv : Presión parcial del vapor de agua en el aire (atm)
- 152 -
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V. 1. Cinética de secado
Psat1: Presión parcial del vapor de agua del aire saturado, a t °C de
temperatura (atm). Valor tabulado en tablas psicrométricas en función de la
temperatura.
P: la presión atmosférica (1 atm)
Xa: humedad absoluta del aire (kg agua/kg aire seco)
M l= M2 => Sl.Vl.pahl = S2.V2.Pah2
(V.7.)
Despejando vi y sustituyendo los valores de ambas secciones del secador,
se puede determinar la velocidad del aire dentro de la cámara de secado a
partir de la ecuación (V.8.)
(V.8.)
siendo:
Si= 76,47 cm2 (sección del anemómetro/conducción de entrada)
Sz= 213,16 cm2 (sección de la cámara)
Humedad relativa (cp) del aire de secado
Para conocer la humedad relativa del aire dentro de la cámara de secado,
consideramos que la humedad absoluta (Xa) se mantiene constante al
calentarlo, ya que apenas varía la cantidad de agua del aire
Para el cálculo exacto de las condiciones del aire dentro de la cámara de
secado, se han empleado de nuevo las ecuaciones que relacionan la humedad
relativa, la temperatura y la humedad absoluta del aire, explicadas en el
- 153 -
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V. 1. Cinética de secado
apartado III.4. (ecuaciones V.5. y V.6.). El procedimiento de cálculo se
muestra en la figura V .l.
Aire de entrada:
H R i,T i
Psat,
= f (Ti)
Xa= f(Psal. Pv.)
Aire de secado:
Figura V .l. Esquema del procedimiento de cálculo de la humedad relativa del aire dentro de
la cámara de secado
El aire de entrada está definido por su HRi y Ti, por lo que se conocen su
presión de saturación, Psíiti=f(T), y su humedad, Xa=f(P,at,Pvi). Definido
entonces el aire de secado por Xa y T** , se calcula PsaG , PV2=f(Xa) y
finalmente la humedad relativa del aire dentro de la cámara de secado,
HR2=f(Pv2, Psat2).
V.1.2.6. Obtención de las curvas de secado
Para determinar la evolución del contenido en humedad del producto
durante el proceso de secado, se asumió que las pérdidas de peso de la
manzana se deben únicamente a la pérdida de agua, y por tanto podemos
conocer la humedad de la manzana en cada instante, Xw(, a partir de la
- 154 -
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V. 1. Cinética de secado
diferencia de peso con respecto al instante inicial, de acuerdo a la ecuación
V.9.
x
_ xw,-m ,-(m i - m t)
mt
donde:
Xw¡:
humedad
inicial
del
producto
determinada
experimentalmente (g agua/g producto)
m¡: masa del producto al inicio del proceso de secado (g)
mt: masa del producto en cada instante del proceso de secado (g),
registrado de forma automática por el equipo diseñado
Las curvas de secado fueron representadas a partir de la evolución del
contenido en humedad del producto expresado en base seca con el tiempo de
tratamiento. La ecuación (V.10.) permite relacionar la fracción másica de
agua presente en el producto (base húmeda) con la razón másica de agua
(base seca).
Xw = - ^ 1 —x w
(V.10.)
donde:
xw (bh): g agua / g sólido húmedo
Xw (bs): g agua / g sólido seco
- 155-
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V. 1. Cinética de secado
V.1.2.7. Obtención de las curvas de velocidad de secado
A p a rtir de los valores calculados de contenido en humedad durante el
tiempo de secado, se obtuvieron las curvas de velocidad de secado
expresadas en función de las humedades reducidas. La velocidad de secado
en cada instante se calculó como el cociente entre el incremento de
contenidos de humedad del producto (en base seca) y el tiempo transcurrido,
en cada intervalo considerado, según la ecuación (V .ll.).
V
dt
At
(V .ll.)
V. 1.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
\ . 1.3.1. Caracterización de la materia prima
La tabla V.3. recoge la caracterización de las muestras en lo que se refiere
al contenido inicial en humedad y sólidos solubles, y a las dimensiones
(espesor y diámetro) iniciales de las rodajas de manzana no impregnada
(NIV) empleadas en los tratamientos de secado por aire caliente. Los bajos
valores de las desviaciones estándar para el conjunto de las experiencias
realizadas reflejan la homogeneidad de la manzana (var. Granny Smith) en su
composición y diámetro exterior, lo que facilita el estudio cinético.
- 156-
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V. 1. Cinética de secado
Tabla V.3. Valores medios del espesor, diámetro, contenido en humedad y °Brix de las
muestras empleadas en el estudio cinético
<|>(cm)
Xw (bh)
“ BriVlOOgFL
7,7 ±0,1
0,86 ±0,02
0,120 ±0,002
e (mm)
2,09 ±0,3
4,04 ±0,2
7,2 ±0,2
ü
FL: fase líquida del producto
I
íi
|
V.í.3.2. Caracterización del secado por aire caliente. Análisis cualitativo de
j
los resultados experimentales-efecto de las variables de proceso y del
]
í
j
j
|
!
•
pretratamiento por ÍV
|
mecanismos controlados por el propio producto (periodo de velocidad de
|
secado decreciente). La humedad de equilibrio alcanzada fue de 0,02-0,1 g
Las curvas de secado obtenidas no presentaron ningún periodo de
velocidad de secado constante, por lo que el secado está gobernado por
agua/ g materia seca para las NIV y de 0,1-0,2 g agua/g materia seca para las
IV.
V. 1.3.2.1. Influencia de la velocidad del aire
Las figuras V.2., V.3. y V.4. muestran las curvas de secado obtenidas al
secar muestras de 2, 4 y 7 mm de espesor, respectivamente, mediante aire
caliente a 30 y 60°C de temperatura y 1 ó 2 m /s de velocidad en el interior de
la cámara. Se puede observar cómo en todos los casos, tal y como cabía
esperar, la pendiente de las curvas de secado aumenta cuando se dobla la
velocidad del aire, lo que indica un claro incremento de la velocidad de
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V. 7. Cinética de secado
secado y por tanto, de los flujos de agua, debido al mayor coeficiente de
transferencia de calor en la inlerfase.
1,0
0,9
0,8
NIV-30-1-2
NIV-60-1-2
0,6
NIV-30-2-2
NIV-60-2-2
0,4
0,3
0,2
0,0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
tie m p o (s)
Figura V.2. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de manzana
con un espesor de 2 mm
1,0 -i
NIV-30-1-4
NIV-60-1-4
NIV-30-2-4
NIV-60-2-4
0,6
0,4
0,2
■
0,1
■
5000
10000
15000
20000
25000
tie m p o (s)
Figura V.3. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de manzana
con un espesor de 4 mm
- 158-
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V. 1. Cinética de secado
0,9 ■
0,8
NIV-30-1-7
•
NTV-60-1-7
NIV-30-2-7
NIV-60-2-7
0,70,6
-
0,50,4
0,3
0,2
0,0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
tie m p o (s)
Figura VA. Influencia de la velocidad del aire en el secado convectivo de rodajas de manzana
con un espesor de 7 mm
V. 1.3.2.2. Influencia de la temperatura del aire
El estudio cualitativo del efecto de la temperatura de secado sobre la
velocidad de secado se ha realizado comparando las curvas de secado
reducidas obtenidas durante el secado a una velocidad del aire en el interior
de la cámara fija (1 ó 2 m /s) de rodajas de manzana de espesores 2 mm
(figuras V.5. y V.6.), 4 mm (figuras V.7. y V.8.) y 7 mm (figuras V.9. y V.10.) al
aplicar las cuatro temperaturas empleadas (30-60°C).
Tal y como cabía esperar, un aumento de la temperatura de secado
supuso un incremento de la velocidad de secado, independientemente del
espesor de muestra empleado y de la velocidad de aire. Esta aceleración del
proceso de secado es más notable en el caso del espesor menor, donde
aparece una clara diferenciación entre 30°C y el resto de temperaturas,
mientras que para un espesor de 7 mm el aumento de la velocidad de secado
- 1 59 -
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V. 7. Cinética de secado
con la temperatura es gradual. Esto podría ser consecuencia de la rápida
difusión interna y vaporización en superficie del agua cuando el espesor del
producto es muy pequeño, por lo que a partir de 40°C un aumento de la
temperatura no supone un incremento en la velocidad de secado. El efecto de
la temperatura es consecuencia del aumento de las fuerzas impulsoras al
producirse cambios en la transmisión interna de calor. Cabe señalar que no
se apreció el fenómeno del encostramiento en ningún caso, incluso en las
condiciones de mayor temperatura y velocidad más baja.
1,0
0,9
0,8
— NIV-30-1-2
— NIV-40-1-2
NIV-50-1-2
NIV-60-1-2
■
0,7
0,6
0,5 ■
0,4
03
0,2
•
0,1
0,02000
4000
6000
8000
10000
12000
tie m p o (s)
Figura V.5. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 2 mm a Im/s
- 160 -
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V. 1. Cinética de secado
1,0
NIV-30-2-2
NIV-40-2-2
0,9
0,8
NIV-50-2-2
0,7-
NIV-60-2-2
0,6
0,2
0,1
0,0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
tie m p o (s)
Figura V.6. Influencia de la temperatura del aire en el secado cmvectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 2 mm a 2m/s
1,0
0,9
NIV-30-1-4
NIV-40-1-4
0,8
NIV-50-1-4
NIV-60-1-4
0,7-
0,6
0,5 •
0,4 -
0,2
0,0
5000
10000
15000
20000
25000
tie m p o (s)
Figura V.7. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 4 mm a Jm/s
161 -
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V. 1. Cinética de secado
1,0
N1V-30-2-4
— NÍV-40-2-4
0,9
0,8
N1V-50-2-4
NIV-60-2-4
0,7
0,6
0,5
0,4
03
0,0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
tie m p o (s)
Figura V.8. htfluencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 4 mm a 2m/s
0.9
N1V-30-1-7
NIV-40-1-7
NIV-50-1-7
NIV-60-1-7
0,7 ■
0,6
0,5
0.0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
tie m p o (s)
Figura V.9. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 7 mm a lm/s
- 162 -
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V. 1. Cinética de secado
1,0 T—
N IV -30-2-7
0,7 -
N IV -4 0-2 -7
I
N IV -5 0-2 -7
|
N IV -6 0-2 -7
i
0,4 -
03 -
10000
20000
30000
40000
50000
60000
tie m p o (s)
Figura V.10. Influencia de la temperatura del aire en el secado convectivo de rodajas de
manzana con un espesor de 7 mm a 2m/s
V .l.3.2.3. Influencia del espesor de la muestra
La figura V .ll. muestra las curvas de secado reducidas obtenidas durante
el secado convectivo de rodajas de manzana de diferente espesor (2, 4 y 7
mm), a 30 y 60°C, y 2m/s. Se han elegido las experiencias en las que la
humedad relativa existente fue similar (en tomo al 25%). Tal y como cabía
esperar, las muestras de espesor más fino parecen manifestar una mayor
difusión de agua hacia el exterior, cuando el resto de factores (humedad
relativa, temperatura de secado y velocidad del aire), se mantienen
constantes. La velocidad del aire acentuó este fenómeno.
- 163 -
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V. 1. Cinética de secado
NIV-30-2-2
NIV-30-2-4
0,9
—- NIV-30-2-7
0,7
0,6
NIV-60-2-2
NIV-60-2-4
0,5
NIV-60-2-7
0,4
0,3
0,2
0,0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
tie m p o (s)
Figura V. ll, Influencia del espesor de muestra en el secado convectivo de rodajas de
manzana a 30 y 60°C y 2m/s
V .l .3 .2 .4 .
Influencia d elp r e t r a t a m
ie n to
de impregnación a vacío
Con el objetivo de analizar la influencia del pretratamiento por
impregnación a vacío con solución isotónica sobre el secado por aire caliente
de manzana, en las figura V.12. y V.13. se muestran las curvas de secado
reducidas obtenidas en los tratamientos realizados con muestras de 7 mm de
espesor para todas las temperaturas de secado empleadas y 1 ó 2m /s de
velocidad de aire en el interior de la cámara, tanto para las muestras IV como
NIV.
La impregnación a vacío supuso en todos los casos una reducción de la
velocidad de secado, que en principio podría atribuirse a la lim itación de la
difusión del vapor en los poros de la muestra. Sin embargo, estudios
anteriores ponen de manifiesto que la aplicación de un tratamiento previo de
IV a frutas que van a ser sometidas a un proceso de secado por aire caliente
- 164 -
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V. 1. Cinética de secado
provoca un aumento de los tiempos de secado, debido fundamentalmente al
aumento de la cantidad de fase líquida de las muestras sin cambio
importante en la superficie de transferencia de materia (Fito et al., 2001). Este
hecho justifica el que, aún con flujos de agua similares durante el secado, los
cambios de concentración de agua en la muestra serán más lentos en el caso
de las muestras impregnadas. Además, en la figura V .l3. se puede observar
que el contenido en humedad final alcanzado por las muestras impregnadas
al final del secado es superior que en el caso de las no impregnadas en la
mayoría de los tratamientos. Estos fenómenos podrían además estar
asociados a la elevada concentración en azúcares de la fracción líquida
extracelular del producto impregnado cuando se evapora el líquido de
impregnación que ocupa los espacios intercelulares, lo que dificulta aún más
la difusión de agua residual hacia el exterior. Por otra parte, pueden tener
lugar fenómenos de encostramienlo en la interfase aire-producto, sobre todo
a temperaturas elevadas, que actúen de barrera a la evaporación de agua
hacia el seno del aire. Tal podría ser el caso del tratamiento correspondiente a
la muestra secada a 60°C y 2 m /s (figura V.13.), cuya curva de secado se
superpone a la obtenida a 50°C, y con el que se consiguió una menor
reducción del contenido en humedad final. Finalmente, se puede observar
que la temperatura de secado influye en el mismo sentido que en el caso de
las muestras NIV, en cuanto que un aumento de esta variable de proceso
im plica mayores velocidades de secado.
- 1 65 -
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V. 7. Cinética de secado
— NIV-30-1-7
— NIV-40-1-7
— NIV-50-1-7
NIV-60-1-7
x IV-30-1-7
o IV-40-1-7
+ IV-50-1-7
- IV-60-1-7
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
tie m p o (s)
Figura V.12. Efecto de la IV como tratamiento previo al secado por aire caliente de rodajas de
manzana de 7 mm de espesor a 1 m/s y temperaturas de secado entre 30 y 60°C
1,0
0,9
NIV-30-2-7
NIV-40-2-7
NIV-50-2-7
NIV-60-2-7
■ IV-40-2-7
- IV-50-2-7
0,6
0,5
0,4
■ IV-60-2-7
0,3
0,2
0,0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
tie m p o (s)
Figura V.13. Efecto de la IV como tratamiento previo al secado por aire caliente de rodajas de
manzana de 7 mm de espesor a 2 m/s y temperaturas de secado entre 30 y 60°C
- 166 -
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V. 1. Cinética de secado
En la figura V.14. se puede observar la influencia de la velocidad del aire
dentro de la cámara en las curvas de secado reducidas de muestras
I
impregnadas a vacío de 7 mm de espesor, para 30 y 50 °C. La velocidad de
secado aumenta considerablemente a 2 m /s, especialmente a bajas
!
temperaturas del aire, al igual que ocurría con las muestras NIV. El análisis
I
I
i
de la influencia de esta variable sirvió para elegir la velocidad más alta como
la más adecuada para el secado combinado por aire caliente y microondas,
j
favoreciendo el transporte del agua evaporada.
0,9
0,8
IV-30-1-7
•
IV-50-1-7
0,7 •
0,6
IV-30-2-7
-
IV-50-2-7
0,5 0,4 0,3 0,2
•
0,0
20000
40000
60000
80000
100000
tiem po (s)
Figura V.14. Efecto de la velocidad del aire en el secado por aire caliente de rodajas de
manzana de 7 mm de espesor
i
- 167 -
t
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V. i. Cinética de secado
V.l.3.3. Caracterización del secado por aire caliente asistido con microondas.
Análisis cualitativo de los resultados experimentales-efecto de la potencia y
de la temperatura, y de la IV
La figura V.15. muestra un ejemplo de las curvas de secado reducidas
j
obtenidas durante el secado combinado por aire caliente y microondas de
¡
j
manzana impregnada a vacío (IV) y no impregnada (N IV ). Concretamente
j
I
están representados los tratamientos a 40°C y dos potencias incidentes de
microondas similares. Ambos tratamientos presentaron un comportamiento
|
semejante al resto de los realizados. La observación de la figura V.15. permite
realizar dos tipos de reflexiones:
1.
Respecto a la influencia de la aplicación o no de la IV, como
tratamiento previo a la deshidratación, se llega a la conclusión de
que el producto disminuye su humedad con la misma velocidad
en ambos casos, lo que indicaría una velocidad de pérdida de agua
diferente, mayor en el caso de los productos impregnados (ya que
j
la base seca en ellos es mayor que en los no impregnados). Este
!
resultado está en aparente contradicción con el efecto observado
I
í
j
i
de la IV sobre la velocidad de pérdida de agua de muestras
j
secadas por aire caliente. Sin embargo, la aparente contradicción
se aclara si se considera que la variable de control del sistema en la
I
i
j
pérdida de agua por evaporación es el área de la interfase, que no
!
cambia con la impregnación a vacío. Sin embargo cuando el
i
control de la velocidad de pérdida de agua reside en la potencia
j
de microondas disipada, la variable de control es el volumen del
j
espacio de campo electromagnético ocupado por un material
*
i
j¡iI
j
- 168-
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
|
V.l. Cinética de secado
capaz de disipar parte de la energía del mismo. En este caso,
aunque el volumen aparente de una muestra no cambia cuando
está impregnada a vacío, lo que antes eran volúmenes ocupados
por aire pasan a ser volúmenes impregnados con una disolución
isotónica. Por tanto, puede afirmarse que, aproximadamente, en la
misma medida que aumenta la fase líquida en una muestra,
aumenta su capacidad de disipar energía, y por tanto en evaporar
agua.
2.
Respecto a las etapas de secado, puede observarse que en ningún
caso existió un periodo de velocidad de secado constante al igual
que ocurriría en el secado por aire caliente, a pesar del alto
contenido inicial de agua de la manzana. Existe un periodo de
velocidad de secado creciente, en el que el producto se calienta y
el flujo de agua aumenta hasta llegar a un máximo. A partir de
este valor, se aprecian dos periodos de velocidad de secado
decreciente, cada uno de los cuales decrece con una pauta y una
magnitud diferentes, debido probablemente a la menor absorción
de energía microondas a medida que disminuye el contenido en
humedad. Esto se hace más evidente si se observa la caída en la
curva de velocidad de secado al final del proceso. Esto parece
indicar, de nuevo, que el secado tiene lugar principalmente en el
periodo
de
internamente
velocidad
por
el
de
secado
propio
decreciente,
producto,
controlado
fundamentalmente
dependiente de la disipación de energía de microondas.
- 169 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
0,003
« IV-40-l,6W/g
o NIV-40-l^W/g
0,002
-
0,001
-
0,0
Figura V.15. Ejemplo de curvas de velocidad de secado obtenidas en los tratamientos de
secado combinado por aire caliente y microondas. 40W-40°C
Diferentes autores han encontrado una pauta sim ilar en la velocidad de
secado, tanto en el secado por aire caliente como en el combinado aire
caliente-microondas (Adu & Otten, 1996a; Shivare et al., 1994; Prabhanjan et
al., 1995; Sharma & Prasad, 2001; Feng & Tang, 1998; Maskan, 2001a). La
mayor velocidad del segundo periodo de secado decreciente podría deberse
a la destrucción de la pared celular, lo que implica un descenso de la
resistencia a la difusión de agua (Maskan & Gógus, 1998).
En general, la combinación de aire caliente y energía microondas supuso
un incremento en la velocidad de transferencia de materia si se compara con
el secado convectivo, lo que se traduce en tiempos de secado mucho menores
(70-90% inferiores). Esto perm itiría, tal como señalan Funebo & Ohlsson
(1999), obtener productos con mejor aroma, y con una rehidratación mejor y
más rápida. Por otra parte, el aumento de la velocidad de evaporación
- 170Reproduced with permission o fth e copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.l. Cinética de secado
I
disminuye la temperatura superficial del producto asegurando su calidad
(Gunasekeran, 1990).
I
i
productos, tales como trigo (Shivare et al, 1991), zanahorias (Prabhanjan et
]
al., 1995), manzana y champiñón (Funebo & Ohlsson, 1999), kiw i (Maskan,
i
2001a), purés de manzana (Moyls, 1981), sultanas (Karathanos & Belessiotis,
]
1997), naranja (Ruiz, 2002) y plátano (Maskan, 2000). Todos estos autores
j
i
atribuyen la reducción de tiempo en los tratamientos de secado combinados
¡
j
Estos resultados concuerdan con los obtenidos por otros autores al
estudiar el secado combinado aire caliente-microondas de diversos
aire caliente-microondas a la energía adicional aplicada, la rápida
i
j
penetración de calor característica de las microondas y la expulsión forzada
i
del vapor de agua. Por otra parte, los grandes huecos que se forman en el
tejido celular a causa de la temperatura alcanzada por la muestra (tal como se
explica en el apartado V.2.), permiten la evaporación más rápida del agua del
producto (Maskan & íbanoglu, 1998).
Por otra parte, la velocidad de secado aumentó con la potencia incidente
de microondas aplicada (figuras V.16., V.17. y V.18.), mientras que la
temperatura de secado no resultó ser un factor relevante en el proceso de
deshidratación por aire caliente y microondas (figura V.19.), probablemente
debido a que la energía generada como calor en el producto cuando se
aplican microondas es mucho más importante que los cambios introducidos
en la transmisión interna de calor por aumento de las fuerzas impulsoras
cuando se aumenta la temperatura del aire. En efecto, las medidas de la
temperatura interior de las muestras dumate el secado con microondas
fueron superiores a las del secado por aire (apartado V.3.3.4.), como
consecuencia de la potencia absorbida por el alimento cuando se aplican
- 171 -
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V. 1. Cinética de secado
microondas (Funebo & Ohlsson, 1998). Por lo tanto, es más recomendable
emplear bajas temperaturas del aire pues, además del ahorro energético, se
evita el deterioro del producto causado por un calentamiento superficial
excesivo.
NIV-30-flW/g
NIV-30-lW/g
NIV-30-l,5W/g
NlV-30-2W/g
NlV-30-2,5W/g
NIV-30-3W/g
NlV-30-3,5W/g
NlV-304W/g
0,0
0
2000
4000
6000
tiempo (s)
8000
10000
12000
Figura V.16. influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de secado de
rodajas de manzana de 7 mm de espesor en un proceso combinado de secado con aire a 30°C
- 172 -
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V. 1. Cinética de secado
NIV40-0W/g
NlV-40-0,97W/g
NIV404,84W/g
NIV40-3,2W/g
N IV 404,lW /g
o
%
X
NIV404,2W /g
'í"
X
i---------- 1
2000
4000
6000
8000
10000
12000
tiempo (s)
Figura V.17. Influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de secado de
rodajas de manzana de 7 mm de espesor en un proceso combinado de secado con aire a 40°C
NIV-50-OW/g
NIV-50-0,78W/g
NIV-50-l,6W/g
NIV-50-2,4W/g
NTV-50-2,8W/g
NlV-50-3,5W/g
X
-
NIV-504,6W/g
4000
6000
8000
10000
12000
tiempo (s)
Figura V.18. Influencia de la potencia incidente de microondas en la velocidad de secado de
rodajas de manzana de 7 mm de espesor en un proceso combinado de secado con aire a 50°C
- 173 -
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V. 1. Cinética de secado
NIV-40-lW/g
NÍV-50-ü,8W/g
IV-50-0,7W/g
2000
4000
6000
8000
10000
tiempo (s)
Figura V.19. Influencia de la temperatura en el secado combinado por aire caliente y
microondas de manzana a una potencia fija
V. 1.3.3.1. Temperatura de la muestra
El estudio de la cinética de secado se realizó asumiendo que la absorción
de potencia de microondas fue uniform e en todo el espesor del producto
alimentario en cualquier instante del tiempo de secado, de forma que la
transferencia de materia pudiera describirse más fácilmente. Sin embargo, los
perfiles de temperatura deben ser igualmente estudiados cuando se pretende
desarrollar modelos que reproduzcan la cinética de secado por microondas.
Zhou et al. (1994a) investigaron el efecto del gradiente de temperaturas en el
gradiente de humedad durante el calentamiento por microondas de patata y
pan, usando el método de los elementos finitos. Descubrieron que para
alimentos muy densos (patata), este efecto es despreciable, mientras que para
- 174 -
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V. 1. Cinética de secado
alimentos poco densos y porosos (pan), la mayoría del movimiento de
humedad era debido al gradiente de temperatura.
Con el objetivo de establecer una base para futuros estudios en los que se
analice la transferencia de calor, se realizaron una serie de medidas de la
temperatura en diversos puntos de la muestra durante el secado combinado
de aire y microondas, mediante fibras ópticas. La figura V.20. muestra la
disposición de éstas en una rodaja de manzana de 4 mm de espesor,
deshidrada a 40°C y 1pW / g producto inicial.
aire
Sonda interior
interm edia
Sonda
interior
central
Sonda
interior
Sonda
superficial
Sonda
superficial
Figura V.20. Croquis de la disposición de las sondas de temperatura eti la lámina de
manzana
En la figura V.21. se puede observar la evolución de la temperatura a lo
largo del secado junto a la velocidad de evaporación de agua obtenida
durante el tratamiento a 50°C y 36W (2,8 W /g producto inicial) de potencia
incidente de una muestra de manzana de 4 mm de espesor. Se puede
observar que la temperatura de la muestra aumenta en el periodo inicial del
secado, pues el producto es capaz de absorber más energía al ser su
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V. í. Cinética de secado
contenido en humedad elevado. Sin embargo, posteriormente evoluciona de
j
i
modo diferente en las tres partes de la muestra analizadas:
i
-
Interfase sólido-aire: se mantiene siempre por debajo de la
j
temperatura del sólido, llegando a superar en unos pocos grados
la temperatura del aire de secado. En general, la superficie
permanece
más
consideradas,
fría
debido
que
al
las
otras
enfriamiento
partes del
provocado
producto
por
la
evaporación de agua superficial.
-
Zona interna entre en centro y la interfase: alcanza su máxima
temperatura, 55°C, antes que el resto, aunque no es la más alta.
-
Zona interna central: alcanza la máxima temperatura (64°C),
aunque el calentamiento es aproximadamente cuatro veces más
lento.
i
j
Por otra parte, al representar en la figura V.21. conjuntamente las
temperaturas medidas, la velocidad de secado y el factor de pérdidas, frente
al tiempo y la humedad del producto, respectivamente, se puede observar
j
í
|
que la temperatura del interior del producto empieza a aumentar hasta llegar
!
a su máximo alrededor de la humedad a la cual el factor de pérdidas
dieléctrico comienza a descender (4,5 g agua/g materia seca). Por su parte, se
j
¡
j
puede observar que la brusca disminución del factor de pérdidas a partir de
j
valores de humedad menores de 2,4 g agua/g materia seca se corresponde
¡
con el pico máximo de temperatura alcanzado en el interior de la lámina de
í
manzana, es decir, el punto en que la temperatura comienza a descender. A
partir de una humedad cercana a 1 g agua/g materia seca, las pérdidas
;
dieléctricas caen y la temperatura en cualquier punto se estabiliza en un
j¡
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V. 1. Cinética de secado
valor cercano a la del aire, lo que responde a la poca capacidad residual del
producto para disipar energía de microondas.
Finalmente, cabe decir que la máxima temperatura se alcanzó en el
interior de la lámina de manzana, lo que podría explicarse por la existencia
de fenómenos de reflexión de las microondas que provocan la concentración
de energía en ese punto.
- 177
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V. 1. Cinética de secado
T" (°C)
70
Sonda Interior central
60
Sonda Superficial
Sonda Interior intermedia
50
40
30
Pin. =2.8 W/g
Aire: 50“C,
v=2m/s
HR =18,9%
Espesor 4 mm
20
10
0
0
1000
500
2000
1500
2500
tiempo (s)
2.4
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
o
2,0
1,0
0,0
X w (b s )
Figura V.2Í. Relación temperatura del producto-velocidad de secado-pérdidas dieléctricas
durante el secado combinado por aire caliente y microondas a 50°C y 2,8lN/g de una muestra
de manzana de 4 mm de espesor
- 1 78 -
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V. 1. Cinética de secado
V.l.3.4. Modelo cinético semiempírico basado enfenómenos difusionales
En base a las consideraciones realizadas, se ha asumido un análisis de la
cinética del proceso a través de coeficientes cinéticos relacionados con la
H
difusión eficaz del agua en el tejido en las diferentes etapas del proceso, tal y
como ha sido abordado por otros autores cón modelos más o menos
complicados (Drouzas et al., 1999; Maskan, 2001; Sharma & Prasad, 2001;
Prbhanjan et al., 1995; Ruiz, 2002; Kiranoudis et al., 1997). El modelo
difusional
de
Fick no permitió
reproducir las curvas de secado
experimentales obtenidas tanto en el secado por aire caliente como en el
combinado con microondas, probablemente debido al elevado encogimiento
ocasionado en el proceso. De este modo, las curvas de secado se han
expresado como logaritmo neperiano del contenido en humedad reducido
(en base seca) en función del tiempo de secado para todas las condiciones de
tratamiento estudiadas. La humedad de equilibrio del producto se consideró
despreciables, a la vista de los valores alcanzados cuando se llegó a peso
constante en el producto seco (0,02-0,1 g agua/g materia seca). Las relaciones
lineales encontradas entre las variables representadas (representadas a modo
de ejemplo en la figura V.22.), permiten deducir que la cinética de secado de
manzana, tanto convectivo como combinado con microondas, puede
describirse matemáticamente mediante un modelo empírico con una
ecuación de prim er orden para la pérdida de agua por el producto durante el
proceso de secado (ecuación V.12.)
dX V>.. — I c . Y
dt
(V.12.)
- 179Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
Tal y como muestra la figura V.22., aparecen dos periodos claramente
diferenciados con pendiente prácticamente constante, pudiéndose establecer
un valor de humedad crítico, Xwc (correspondiente a un tiempo crítico, te), a
partir del cual la velocidad de secado decrece con mayor rapidez. La
integración de la ecuación diferencial (V.12.) en los intervalos [t = 0, t = t¿] y [t
> te], respectivamente, para cada uno de los periodos diferenciados, permite
obtener las ecuaciones (V.13.) y (V.14.), donde los dos parámetros cinéticos,
k i y k 2, ambos relacionados con la difusividad eficaz del agua y
correlacionados con las condiciones de tratamiento como se detalla más
adelante, pueden obtenerse a partir del ajuste de las ecuaciones descritas a
los valores experimentales (Anexo 3).
t <t c
t >t e
X w = X Woe~k>t
X w = X Wce
^
(V . 13.)
]
(V.14.)
Las tablas V.4. y V.5. resumen los valores obtenidos de las constantes
cinéticas, k i y k 2, la humedad crítica y el tiempo crítico para cada condición
de tratamiento durante el secado por aire caliente y combinado con
microondas,
respectivamente,
de manzana
impregnada
(IV)
y
no
impregnada a vacío (NIV). El contenido medio de humedad crítico resultó
ser 1,6 kg agua/kg sustancia seca para los tratamientos por aire caliente y 2-3
kg agua/kg materia seca para el secado combinado.
Las figuras V.23. y V.24. representan todas las constantes cinéticas
obtenidas, agrupadas en función de la temperatura de secado y la velocidad
de aire.
- 180 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
tiempo (s)
tc
2000
4000
6000
8000
10000
0,0
-0,5 -
1,0
•
-1,5
-
2,0
■
-2,5
-3,0 -3,5
V.22. Curvas senúlogarítmicas para la humedad reducida a distintos tiempos de
secado
El análisis estadístico de los resultados realizado mediante un ANOVA
m ultifactor reflejó que, en el caso de las muestras N IV, todos los factores
considerados influyen significativamente (a>0,05) sobre ki, mientras que la
temperatura no presentó un efecto significativo sobre k 2. Sin embargo, al
realizar el mismo análisis con el producto IV, se observó que ninguno de los
factores afecta significativamente (a>0,05) sobre ambas constantes cinéticas.
Por otra parte, en este tipo de muestras la constante k 2 resultó ser inferior o
sim ilar a ki, lo que podría ser debido a la mayor concentración de azúcares
en la fase líquida que en las N IV a medida que se deshidrata el producto, lo
que podría aumentar su viscosidad, ralentizando el movimiento de las
moléculas de agua hacia el exterior. Por otra parte, el análisis estadístico de
los resultados mediante un ANOVA m ultifactor reflejó que no existen
diferencias significativas entre las muestras N IV e IV.
_ _
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V. 1. Cinética de secado
Tabla VA. Constantes cinéticas, valores de humedad y tiempo críticos y finales, y
coeficientes de correlación para los diferentes tratamientos de secado convectivo estudiados
con manzana no impregnada e impregnada a vado
Experiencia
N IV-30-1-2
N IV-30-2-2
N IV-40-1-2
N IV-40-2-2
NIV-50-1-2
N IV-50-2-2
N IV-60-1-2
tc(s)
3600
2460
1520
620
1620
Xwc (bs)
2,358
2,796
2,828
4,126
2,460
-
N IV-60-2-2
1920
1130
1,720
2,062
NIV-30-1-4
NIV-30-2-4
N IV-40-1-4
N IV-40-2-4
N IV-50-1-4
NTV-50-2-4
NIV-60-1-4
NIV-60-2-4
8400
2880
3520
3920
4940
3000
2970
3000
N IV-30-1-7
N IV-30-2-7
N IV-40-1-7
N IV-40-2-7
N IV-50-1-7
N IV-50-2-7
N IV-60-1-7
N IV-60-2-7
24000
19560
18000
10020
12000
8320
9000
6900
2,220
2,702
3,097
1,721
1,454
2,199
2,158
1,476
1,889
2,118
1,472
1,932
1,601
1,657
1,682
2,12
Experiencia
IV-30-2-4
IV-40-1-4
IV-40-2-4
IV-60-2-4
IV-30-1-7
IV-40-1-7
IV-40-2-7
IV-50-1-7
IV-50-2-7
IV-60-1-7
IV-60-2-7
te (8)
12000
5115
8640
3150
Xwc (6 s )
2,199
1,176
1,347
2,211
-
-
-
-
16870
25260
13300
15600
2,0336
1,0036
1,3140
1,1598
-
-
k i (s-i)
-0,000261
-0,000324
-0,000584
-0,0008
-0,000591
-0,001367
-0,000626
-0,00087
R i2
0,998
0,999
0,995
0,991
0,992
0,991
0,997
0,986
k> (s-i)
-0,000381
-0,000576
-0,000117
-0,000264
-0,000235
-0,000298
-0,000297
-0,000332
-0,000347
-0,000477
0,999
0,997
0,9%
0,998
0,997
0,997
0,998
0,999
-0,000179
-0,000478
-0,000344
-0,000558
-0,000659
-0,000521
-0,00059
-0,000816
0,9977
0,9951
0,9971
0,9978
0,9979
0,9%1
0,9% 7
0,9954
-0,000048
-0,000065
-0,000078
-0,000123
-0,000106
-0,000164
-0,000137
-0,000175
0,999
0,995
0,999
0,998
0,999
0,993
0,997
0,999
-0,000068
-0,000097
-0,000115
-0,000168
-0,000156
-0,000241
-0,000242
-0,000243
0,997
0,999
0,9%
0,992
0,991
0,984
0,990
0,991
k i (s1)
-0,000085
-0,000325
-0,000190
-0,000314
-0,000031
-0,000035
-0,000062
-0,00439
-0,000113
-0,000107
-0,000114
R i2
0,999
0,995
0,999
0,9%
0,999
0,995
0,9%
0,999
0,999
0,999
0,999
-
-0,0019
-0,000904
R2 2
0,9995
0,9993
0,9954
0,9% 7
-
-
-
-
-
-
k2 (s-i)
-0,000087
-0,000149
-0,000084
-0,000344
R2 2
0,992
0,9%
0,985
0,994
-
-
-
-
-0,000052
-0,000034
-0,000148
-0,000056
0,999
0,9%
0,999
0,993
-
-
- 182 -
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V. 1. Cinética de secado
Tabla V.5. Constantes cinéticas, valores de humedad y tiempo críticos y finales, y
coeficientes de correlación para los diferentes tratamientos de secado combinado estudiados
(potencia incidente de microondas en W/g producto inicial) con manzana no impregnada a
vado
Experiencia
N IV -3 0 -lW /g
N IV -3 0 -l,5 W /g
N IV -3 0 -2 W /g
N IV -3 0 -2 ,5 W /g
N IV -3 0 -3 W /g
N IV-30-3,5W / g
N IV -3 0 -4 W /g
P i(W )
19
35
42
45
63
84
91
Experiencia
P ¡(W )
N IV -40-0,97W /g
N IV -4 0 -l,8 4 W /g
N IV -4 0-3,2 W /g
N IV -4 0 4 ,2 W /g
N IV -4 0 -4 ,lW /g
20
40
60
80
100
Experiencia
P ¡(W )
20
40
60
80
100
120
N IV -50-0,78W /g
N IV -5 0 -l,6 W /g
N IV -5 0 -2 ,4 W /g
NriV-50-2,78W / g
N IV -5 0 -3 ,5 W /g
N IV -5 0 -4 ,6 W /g
tc(s)
Xwc(bs)
-
-
ki
Rh
0,991
0,995
0,992
0,992
0,991
1560
2520
3,0673
1,3204
-
-
3120
0,2475
0,00023
0,00041
0,00060
0,00093
0,00112
1200
0,9164
0,00155
0,994
tc(s)
1560
960
Xwc (bs)
3,8094
3,6313
ki
0,00028
0,0005
Rh
0,996
0,998
0,00146
0,00165
ki
-
1,4780
1,2779
M s)
Xwc(bs)
3,0332
3,8097
2,5030
3,4377
2400
1440
720
840
-
-
1080
0,3544
0,00028
0,00049
0,00079
0,00092
0,00074
0,00233
0,994
0,999
0,989
-
-
0,00057
0,992
0,0015
0,995
kz
R2z
0,999
0,994
0,00039
0,00069
0,0012
0,00184
0,00153
0,999
0,995
0,994
0,977
0,979
Rh
0,998
0,991
0,991
0,993
0,999
0,998
kz
R*z
0,00041
0,00096
0,00146
0,0017
0,00238
0,00472
0,998
0,998
0,990
0,997
0,992
0,987
-
1080
1080
kz
0,00031
0,00067
0,00070
i
í
i
i
t
i
-183Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
Tabla V.5.(cont.) Constantes cinéticas, valores de humedad y tiempo críticos y finales, y
coefiríentes de correlación para los diferentes tratamientos de secado combinado estudiados
(potencia incidente de microondas en W/g producto inicial) con manzana impregnada a
vacío
Experiencia
Pi(W )
IV -30C -0,97W / g
23
39
48
75
75
94
IV -3 0 C -l,5 W /g
IV -3 0 C -2 W /g
IV -3 0C -2,5 W /g
IV -3 0 C -3 W /g
IV -3 0C -3,5 W /g
IV -3 0 C -4 W /g
Experiencia
Pi(W )
IV -4 0C -0,6 W /g
IV -4 0 C -l,6 W /g
IV -4 0C -2,3 W /g
IV -4 0 C -3 W /g
rV -40C -4,3W /g
20
40
60
80
100
Experiencia
Pi(W )
IV -50C -0,78W /g
IV -5 0 C -l,4 W /g
IV -5 0 C -2 W /g
IV -50C -2,78W /g
IV -5 0C -3,5 W /g
IV -5 0 C -4 ,3 W / g
20
40
60
80
100
120
te (s)
3300
1200
1200
600
960
840
1920
Xwc(bs)
ki
R*i
kz
R2z
3,2091
0,00025
3,7679
2,4993
2,5321
2,5461
0,2511
0,00036
0,00057
0,00071
0,00092
0,0011
0,00184
0,999
0,996
0,998
0,993
0,991
0,995
0,991
0,00052
0,00059
0,00087
0,00121
0,00151
0,00182
0,00110
0,998
0,995
0,995
0,992
0,978
0,994
0,994
»c(s)
4680
1980
1320
840
840
Xwc (bs)
2,422
2,1287
2,5714
2,4858
3,3219
ki
R*i
k2
R*2
0,00021
0,00047
0,00073
0,00097
0,00098
0,999
0,999
0,995
0,995
0,994
0,00037
0,00085
0,00164
0,00249
0,998
0,997
0,995
0,990
0,994
Xwc (bs)
2,6185
2,5677
2,8198
1,592
1,905
3,5338
R2!
0,997
0,999
0,998
0,990
0,999
0,992
k2
R*2
0,00028
0,00051
0,00072
0,00148
0,00168
0,00054
0,00094
0,00156
0,00167
0,00221
0,00261
0,9%
0,970
0,990
0,99
0,991
0,993
4,7663
0,00139
0,00187
- 184 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V. 1. Cinética de secado
0,0014 /
B 2 mm
0,0012
■ 4 mm
0,001
□ 7 mm
0,0008
<h,
£
0,0006
0,0004
0,0002
30-1 30-2 40-1 40-2 50-1 50-2 60-1 60-2
T (°Q - v (m / s)
’j
Figura V.23. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
ij
cinética ki obtenida eit las experiencias de secado por aire caliente de muestras no
:j
impregnadas
0,002
■ 2 mm
0,0018
0,0016
4 mm
0,0014
□ 7 mm
0,0012
SI
0,001
0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
0
30-1
30-2 40-1
40-2
50-1
50-2
60-1 60-2
T (°Q - v (m / s)
Figura V.24. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética k2 obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras impregnadas
- 185 -
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V. 1. Cinética de secado
De la evolución de las constantes cinéticas se observa, como ya se
comentó en el apartado V.3.2., que para una misma velocidad del aire, las
constantes cinéticas aumentan con la temperatura, y para una misma
temperatura, aumentan con la velocidad del aire.
La dependencia de las constantes cinéticas obtenidas con la temperatura
se intentó describir mediante la ecuación de Arrhenius (ecuación V.15.).
ki = k 0 -e-E- ,RT
(V.15.)
donde:
k¡, ¡=u: constante cinética (s-1)
ko: constante de velocidad (s'1)
E„: energía de activación (kj/m o l)
T: temperatura absoluta (°K)
R: constante délos gases ideales (kj/m o l °K)
La energía de activación puede determinarse representando el logaritmo
neperiano de las constantes cinéticas frente a la inversa de la temperatura
(figuras V.25. y V.26.). De la pendiente de la recta se obtiene -Ea/R y de la
ordenada en el origen se deduce el valor del ln ko, que depende de la
estructura del alimento y por tanto puede ser considerado más como un
parámetro estructural que cinético. Sin embargo, los valores de Ea obtenidos
deben ser tomados con cautela ya que la ecuación de Arrhenius no
representó un buen ajuste de la influencia de la temperatura en las constantes
cinéticas para algunas muestras. En este sentido, se recomiendaría realizar
más experiencias que permitieran tener un mayor número de puntos
experimentales.
- 186 -
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V. 1. Cinética de secado
l / T ("IC 1)
0,0029
0,0030
0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
v (m/s) e (mm)
a
b
R2
-7
2
♦ lm /s - 2 m m
'
-8
• lm /s - 4 m m
V
1
lm /s - 7 m m
x 2 m /s -2 m m
* 2 m /s -4 m m
-10
2
-2707 0,895 0,689
4
-3560 2,833
7
-3497 1,647 0,985
0,9
2
-3614 4,177 0,588
4
-1883 2,074 0,892
7
-3323 1,459 0,884
• 2 m /s -7 m m
-11 J
Figura V.25. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética k¡ obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras no
impregnadas
l / T f K 1)
0,0029
0,003
0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
-3
-4
■C
'm
-
-5
♦ lm /s - 2 mm
2
-4228 6,082
lm /s - 7 mm
4
-4312 5,735 0,855
-7
x 2 m /s -2 mm
7
-8
x
2 m /s -4 mm
~2
-9 ■
• 2 m /s -7 mm
-10
R
a
a lm /s - 4 mm
st *
ü
v (nVs) e (mm)
-4153 4,138 0,993
-11319 29,9
:
4
-1531 -2,63 0,689
7
-3176 1,354 0,885
Figura V.26. Influenría de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética kz obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras no
impregnadas
- 187 -
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V. 1. Cinética de secado
Las figuras V.27. y V.28. muestran los valores de las constantes cinéticas
ki y k 2 en forma reducida (k-ko, siendo ko el valor correspondiente al secado
convectivo) en función de la potencia incidente de microondas por peso (g)
inicial de muestra (P¡/mo) para todos los tratamientos estudiados. La
tendencia para ki es similar, de forma que todos los puntos definen una
única curva. Las constantes cinéticas están relacionadas con el flujo de agua
de acuerdo a la ecuación (V.16.). Por tanto, la diferencia ki-ko es proporcional
a la potencia incidente de microondas aplicada, independientemente de la
temperatura de secado empleada y del pretratamiento sufrido por la
muestra, pero no así la diferencia k 2-ko, que presentó una mayor dispersión.
El análisis estadístico realizado mediante un A N O V A confirmó estos
resultados al reflejar que no existen diferencias significativas en la constante
ki con la temperatura y la IV, mientras que sí que existen con la potencia
incidente de microondas. Así mismo, el análisis realizado sobre k 2 mostró
diferencias significativas con la temperatura, lo que podría justificar la
dispersión encontrada.
A
dt
A
donde:
Jw: flujo de agua (g /m 2 s)
A: área de evaporación (m2)
Xw: contenido en humedad (b.s.)
k: constante cinética (s-1)
- 188 -
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V.l. Cinética de secado
0,002
0,0018
0,0016
0,0014
ki-kio = OJD00069 P, + 0JD00124 P¡
RJ= 0£8
o 0,0012
Jf 0,001
o ♦
0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
0
t
V
o N IV
♦ IV
•♦o *
t
2
3
P i/m o (W /g )
Figura V.27. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética fe obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras impregnadas
0,003
0,0025
0,002
0,0015
0,001
0,0005
Figura V.28. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética fe obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras impregnadas
I
- 189 -
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V.l. Cinética de secado
El valor dél tiempo crítico también se correlacionó con la potencia
aplicada según muestra la figura V.29, mediante una ecuación hiperbólica
con un solo parámetro (ecuación V .l 7.).
t = ------
'
(V.17.)
(P ./m ,,)
6000 i
5000 -
y (N IV ) = 1230,6x + 480,04
♦
1^ = 0,7157
4000 •
y (IV ) = 2670,lx
0,8235
3000 -
♦
v /
2000 -
O
♦
o N IV
1000 -
♦ IV
n .
0,5
1
1,5
l/O V m o X g /W )
Figura V.29. Influencia de la temperatura, la velocidad del aire y el espesor en la constante
cinética fe obtenida en las experiencias de secado por aire caliente de muestras impregnadas
De los resultados presentados se puede concluir que en el intervalo de
potencias aplicado al secado de manzana (0-4 W /g), es posible predecir la
cinética de secado a partir de la potencia aplicada a través de las constantes
cinéticas k i y ki, y las ecuaciones (V.13.) y (V.14.).
El modelo considerado considera la potencia aplicada por unidad de
masa inicial de muestra, lo cual facilita su aplicación práctica, a pesar de que
- 190 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.l. Cinética de secado
la potencia disipada en la muestra cambia a medida que ésta pierde peso
i
durante el proceso de secado, y debido también a la modificación progresiva
de sus propiedades dieléctricas y por tanto de su interacción son la radiación
j
microondas.
j
V. 1.3.4.1.
j
Validación del modelo
Con el fin de comprobar la capacidad de predicción del modelo empírico
propuesto, se procedió a la obtención de curvas de secado teóricas
empleando los valores de los parámetros del modelo calculados a partir de
los ajustes del logaritmo neperiano de la humedad con el tiempo. El
procedimiento de cálculo se muestra en la figura V.30. Tal y como se observa
en las figuras V.31., V.32. y V.33., donde se han representado los valores
experimentales y predichos de las curvas de secado reducidas para los
tratamientos a 30, 40 y 50°C, respectivamente, el modelo reproduce con
bastante precisión la evolución del contenido de humedad del producto (IV y
NIV) a lo largo del proceso de secado. Las ecuaciones propuestas por tanto
i
pueden considerarse adecuadas para predecir cinéticas-tiempos de secado en
tratamientos combinados por aire caliente y microondas de rodajas de
manzana en el intervalo de potencias entre 0 y 4 W /g y temperaturas del aire
30-50PC (siendo la velocidad del aire 2m /s). Se puede concluir que el modelo
propuesto podría ser de gran utilidad a la hora de determinar rendimientos
de la operación y de diseñar los equipos necesarios industrialmente.
- 191 i
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V. 1. Cinética de secado
MUESTRAS PE M A N ZA N A DE 7 mm de espesor
Temperatura del aire
30-60°C
Potencia incidente
deMW
(0-4W / g)
MODELO
CINÉTICO
tte n v o (i)
t<tc
y w -- y
o '***
t> t-
y
e>- k a í t - t c )
=y
Constantes cinéticas
ki y k 2
WW/|
tiempo crítico tc
humedad crítica Xwc
a 1,6 W /g
Parámetros cinéticos
tc “
(N IV ); t c +4>(IV)
c (P í/m 0)
c (P¡ / n i0)
K = P '(P i/m 0) 2+Y*(Pi /m o )2+k;1o
k 2 = p-(P i /m 0) + k 20
a = 1231
<(>= 480
a ’ =2670
P = 0,000069
y = 0,000124
p = =0,005
kio = ko'e-Ell/RT
k20 = k0e-Ea/RT
Curvas de
secado
Xw (bs) = f(t)
tiempo (s)
Figura V.30. Esquema del modelo cinético propuesto para el secado combinado aire calientemicroondas de manzana y valores de los parámetros obtenidos para rodajas de manzana de 7
mm de espesor
- 192 -
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V. 1. Cinética de secado
NIV-30-lW/g
í NTV-30-1.5W/g
* NIV-30-2W/g
+ NIV-30-2.5W/g
- NIV-30-3W/ g
NIV-30-3.5W/g
* NIV-30-4W/g
. VI-30-lW/g
* Vl-30-X.5W/g
* VI-30-2W/g
+ VI-30-25W/g
Vl-30-3W/g
■V1-30-3.5W/g
» VI-30-4W/g
° NIV-30-0W/g
o
es
3
P
(S
O
0
1
X
i
X
10000
12000
Figura V.3Í. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas ( — ) obtenidas para
todos los tratamientos realizados a 30°C y 2m/s con diferentes potencias incidentes de
microondas
(O
Sí
(13
ap
o NIV-40-0.97W/g
o NIV-40-1.84W/g
* NIV-40-32W/g
NIV-40-4.1W/g
+ NIV-40-UW/g
. NIV-40-0W/g
o IV-40-0,6W/g
o IV40-l,6W/g
IV-40-23W/g
o IV-40-3W/g
. IV-40-0W/ g
t
x
10000
12000
Figura V.32. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas ( — ) obtenidas para
todos los tratamientos realizados a 40°C y 2m/s con diferentes potencias incidentes de
microondas
- 193-
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V. 7. Cinética de secado-V.2. Cambios microestructwráles
o NTV-50-0.78W/ g
o NIV-50-1.6W/ g
* NIV-50-2.4W/g
- NIV-50-2.8W/g
+ NIV-50-3.5W/g
a NIV-50-4.6W/ g
• NIV-50-0W/g
x IV-50-0,7W/g
-IV-50-14W/g
IV-50-2W/g
IV-50-3,7W/g
x IV-50-43W/g
+ IV-50-0W/g
10000
12000
Figura V.33. Curvas de secado reducidas experimentales y predichas ( — ) obtenidas para
todos ¡os tratamientos realizados a 50°C y 2m/s con diferentes potencias incidentes de
microondas
V.2.
ESTUDIO DE LOS CAMBIOS MICROESTRUCTURALES DE LA
M AN ZAN A PRODUCIDOS DURANTE EL SECADO
V.2.1. INTERÉS DEL ESTUDIO
La deshidratación de alimentos constituidos por células vegetales, tales
como las frutas, supone una serie de cambios físicos como consecuencia del
estrés térmico e hídrico al que se ve sometido el tejido vegetal, de morfología
compleja, durante todo el proceso. Estos cambios son la ruptura y la
degradación de la lámina media, separación y ruptura de las paredes
celulares, lisis del citoplasma, pérdida de la funcionalidad de la membrana y
colapso estructural de las células (Moraga, 2002). Esto ocasiona cambios
- 194 -
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V.2. Cambios microestructurales
físicoquímicos como la cristalización de la celulosa, despolimerización y
solubilización de pectinas, desnaturalización de proteínas, cambios en los
sólidos solubles y la capacidad de rehidra tación, así como cambios en las
propiedades mecánicas y de textura (Alzamora et al., 1995; Crapiste, 2000).
Los cambios de la estructura celular son por tanto importantes a la hora
de evaluar los cambios macroscópicos que se suceden en el proceso de
deshidratación
(encogimiento,
encostramiento,
textura,
etc.)
y
los
mecanismos de transferencia total involucrados (Salvatori et al., 1998). Estos
cambios tienen lugar en mayor o menor medida en función del tiempo de
tratamiento y de la distancia a la superficie de la muestra.
Los modelos cinéticos de secado suelen ser propuestos asumiendo que el
tejido celular es homogéneo (estudio macroscópico), porque las ecuaciones
implicadas son mucho más fáciles de manejar. Sin embargo, los fenómenos
físicos implicados en el proceso pueden ser entendidos mejor si los cambios
estructurales se consideran en el estudio cinético.
El presente capítulo resume el estudio microestructural realizado con
manzana sometida a tratamientos de secado por aire caliente y combinado
con microondas, tanto previamente impregnada a vacío (IV) como no
impregnada a vacío (NIV) con solución isotónica. El objetivo principal del
trabajo es intentar entender el posible efecto de los cambios estructurales
sufridos durante la deshidratación en la cinética de secado y en las
propiedades mecánicas del producto deshidratado.
La técnica de análisis microestructural por Cryo-SEM ofrece algunas
ventajas a la hora de revelar los detalles morfológicos de la estructura del
tejido vegetal, que no son evidentes cuando se emplea la técnica de análisis
por SEM convencional en tejido deshidratado y fijado (Lapsley et al., 1992).
-195Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.2. Cambios núcroestructurales
La microscopía en estado congelado permite observar la estructura cristalina
de los solutos dentro de las células, después de la sublimación del hielo
superficial (Salvatori et al., 1998). Esto no ocurre con otras técnicas de
microscopía, donde hay una pérdida de solutos durante los pre-tratamientos
de la muestra (Bomben & King, 1982).
YJ22. MATERIALES Y MÉTODOS
Las observaciones microscópicas realizadas corresponden a perfiles
estructurales desde la superficie externa de las rodajas de manzana
directamente en contacto con el aire de secado durante la deshidratación
(interfase), hasta el centro del producto, los cuales proporcionan información
relacionada con la evolución de la estructura del producto a lo largo del
proceso de secado.
Se prepararon rodajas de manzana con piel, de 7 mm de espesor inicial, a
las que se les extrajo el corazón con la ayuda de un sacabocados de 2 cm de
diámetro. Las rodajas fueron parcialmente deshidratadas bajo diversas
condiciones de tratamiento (temperatura del aire 40°C, velocidad del aire de
secado 2m /s, potencia incidente de microondas 0 y 3 de W /g de muestra)
durante un periodo de tiempo suficiente para alcanzar prácticamente el
mismo contenido en humedad en todos los casos (0,75 g agua/g producto).
Este nivel de humedad alcanzado permite observar perfiles estructurales,
mientras que un tiempo de tratamiento mayor podría ocasionar demasiados
daños irreversibles a la estructura del alimento. El equipo de secado usado se
- 196 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.2. Cambios microestructurales
9
9
H
ha descrito en el capítulo III. El tamaño de las rodajas antes y después del
secado fue medido con pie de rey.
Los tratamientos de secado indicados se aplicaron tanto a manzana no
9
impregnada a vacío (NIV) como al producto previamente sometido a un
9
proceso de impregnación a vacío (5' a 50 mbar + 10' a presión atmosférica)
9
con solución isotónica (IV), tal y como se ha descrito en el apartado IV.2.1.
El contenido en humedad inicial de todas las muestras fue determinado
en una balanza de infrarrojos y el contenido en humedad final fue calculado
a partir de las pérdidas de masa sufridas por cada muestra en el proceso de
deshidra tación.
Finalmente, y después de cada tratamiento de secado, se obtuvieron las
muestras de tejido de manzana mediante un corte perpendicular a la
interfase y longitudinal respecto al eje del fruto, usando un escarpelo. Este
tipo de corte perm itió visualizar el tejido con el barrido del haz de electrones
a lo largo de la totalidad del espesor de la rodaja tratada, desde una interfase
hasta la otra. Las muestras frescas de la manzana fueron observadas en
trabajos previos con la misma técnica y con el mismo sentido de corte
(Bilbalo, 2002).
Las observaciones microscópicas fueron realizadas empleando la técnica
de Cryo-SEM (Crio-microscopía electrónica de barrido). El microscopio
utilizado pertenece al Servicio de Microscopía de la UPV, JEOL JSM-5410,
acoplado a una cámara externa de criocongelación (OXFORD CT-1500)
donde la muestra es congelada por inmersión en nitrógeno "slush".
Básicamente, el proceso consistió en colocar sobre el porta-objetos un
corte de la muestra de unos 2 mm de espesor, 7 mm de ancho y 6 mm de alto.
La muestra se introdujo en la criocámara, donde es congelada a vacío (crio-
- 1 97 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.2. Cambios nácroestructurales
fijada, al sumergirla en nitrógeno subenfriado a -210°C, cerca de su punto de
congelación). El objetivo de la crio-fijación es fijar y estabilizar la estructura y
la composición del sistema biológico. El empleo de nitrógeno subenfriado se
justifica por su gran capacidad de enfriamiento (Jeffree y Read, 1991).
Posteriormente, la muestra fue transportada, sin romper vacío, al interior del
microscopio, donde es fracturada rompiendo por los puntos de mínima
resistencia y expuesta a sublimación para elim inar el agua superficial (-85°C,
20-30 minutos dependiendo de la humedad de la muestra), para finalmente
ser metalizada con oro durante unos 2 minutos. Por últim o, la muestra así
obtenida fue observada durante toda la sesión a -150°C.
V2.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
V.2.3.2. Caracterización fisicoquímica de las muestras
La tabla V.6. muestra los valores de las características fisicoquímicas
medidas en las muestras frescas y tratadas. Puede observarse que el
contenido de agua final alcanzado es sim ilar en todas las muestras, oscilando
entre 0,73 y 0,79 g agua/g de producto. La variación del espesor de la
muestra por efecto del secado mostró un encogimiento mayor en las
muestras IV tratadas con aire caliente y microondas (19,2%).
- 198 -
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V.2. Cambios microestructurales
Tabla V.6. Valores medios de los parámetros fisicoquímicas medidos
Espesor inicial
Espesor final
Diámetro inicial
Peso inicial
Peso inicial impregnado
Peso final
Porcentaje de
impregnación
X»o (g agua / g m.s.)
Xwf (g agua /g m.s.)
IV-OW/g IV-3W/g
3h
11'
6,8 ± 0,5 7,3 ± 0,4
5,6 ±0,8
5,2 ±0,4
73,0 ± 1,3 75,2 ± 1,1
23,39
26,808
27,62
31,838
16,971
17,592
NIV-OW/g
2h30'
7,8 ± 0,3
6,4 ± 0,9
80,3 ± 0.8
31,588
16,82
NIV-3W/g
24’
7,6 ± 0,4
6,5 ± 0,7
73,0 ±0,1
24,988
14,414
-
-
18,085
18,763
0,89
0,79
0,85
0,74
0,86
0,74
0,87
0,76
V.2.3.2. Observaciones por Cryo-Sem
Como consecuencia del proceso de enfriamiento ultrarrápido propio de
esta técnica de microscopía, se forman microcristales en el tejido menos
concentrado en solutos de la manzana, con una gran cantidad de agua
congelable, quedando la disolución crioconcentrada (solutos+agua) del
líquido celular en estado vitreo. De este modo las regiones del tejido con fase
líquida aparecen en Cryo-Sem con un aspecto dendrítico más o menos denso
debido al residuo vitreo agua-solutos más o menos crioconcentrados después
de la sublimación superficial del hielo. El volumen intracelular (ic) del tejido
fresco de manzana (figura V.34.) muestra este aspecto de apariencia
dendrítica, mientras que los espacios intercelulares del tejido fresco (ei) están
totalmente vacíos, permitiendo observar el aspecto de las paredes celulares
(pe) de las células vecinas (Salvatori et al, 1998). Además, según se señala en
la referencia mencionada, en el tejido parenquimático típico del tejido de
manzana, las células aparecen totalmente turgentes, adquiriendo una forma
- 199-
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V.2. Cambios microestructurales
ovalada. Las paredes celulares aparecen claramente diferenciados en la
manzana no tratada (figura V.34.).
■i
t
Figura V.34. Micrograpa de tejido de manzana fresco. 100X. (Bilbao, 2002).
ei: espacio intercelular, pe: pared celular, ic: volumen intracelular
Por otra parte, la técnica Cryo-SEM ofrece ventajas adicionales en la
observación de muestras impregnadas a vacío ya que es posible observar los
solutos introducidos en los espacios intercelulares de la manzana, lo que por
otra parte sirve para comprobar la eficacia del proceso de impregnación a
vacío (Bilbao, 2002). En la figura V.35. se muestra una micrografía de tejido
de manzana impregnado con solución isotónica a 100X. En ella se puede
observar el nuevo aspecto de los espacios intercelulares, totalmente
inundados por la solución (es), identificados por su apariencia dendrítica
sim ilar a la zona intracelular. Por otra parte no parecen detectarse cambios
-200-
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V.2. Cambios mcroestructurcd.es
notables en las células (tamaño, forma, ordenación similar, etc.) debidas al
tratamiento a vacío.
Figura V.35. Micrografia de tejido de manzana fresco e impregnado a vado con solución
isotónica. 100X. (Bilbao, 2002). es: espacio intercelular lleno de liquido de impregnadón, ic:
volumen intracelular
También hay que señalar que la inundación del tejido por el líquido de
impregnación en la zona de unión entre células, con tan lim itada holgura,
puede provocar presiones sobre la zona de unión celular, y puede traducirse
en un efecto solvente sobre la lámina media (Martínez-Monzó, 1998). Todos
estos aspectos pueden repercutir en el comportamiento mecánico de las
muestras impregnadas descrito en el apartado V.3.
Las observaciones por Cryo-SEM del tejido deshidratado de manzana
(bajo las condiciones mencionadas en el apartado anterior) fueron realizadas
a diferentes niveles de profundidad de la interfase. En las figuras V.36(a)-(b)
- 201 -
w th permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.2. Cambios microestructurales
y V.39.(a)-(b) se muestran los perfiles microestructurales obtenidos a partir
del montaje de una secuencia de micrografías (100X) realizadas sobre las
muestras tratadas.
En los tratamientos con aire caliente (AC), tanto de las muestras IV como
de las NIV, aparecieron diferencias claras en el tejido celular a lo largo del
perfil estructural. En la interfase (en contacto directo con el aire), puede
observarse cómo las células han sido completamente colapsadas, mientras
que
algunas
que
se encuentran
más
en el interior
permanecen
completamente turgentes después del proceso de secado. Además, en la zona
más cercana a la interfase (entre 0 y 1 mm de profundidad), las células
aparecen totalmente vitreas, puesto que en esta zona no existe agua
congelable debido a la alta concentración en solutos de la fase líquida
intracelular tras la deshidratación (figura V.37. (a)). Esta masa de células
colapsada (cc) no presenta, por tanto, formaciones dendríticas, y las células
compactadas ocluyeron los espacios intercelulares vacíos. En una zona más
interna (entre 1 y 1 3 milímetros) sí se observa ese aspecto dendrítico típico y
también una deformación gradual de las células (figura V.37.(b)). En la zona
central de la muestra (de 1,8 a 2,5 mm de profundidad), la disposición de la
estructura celular se mantuvo similar a la del tejido fresco, y las células
aparecieron casi turgentes, como puede observarse en la figura V.37.
Las tres zonas diferenciadas aparecieron también en el perfil obtenido
para las muestras IV, aunque con algunas diferencias como resultado del
proceso de la impregnación a vacío. La substitución parcial del gas ocluido
en los poros de la fruta por la solución de impregnación conduce, tal como se
ha comentado anteriormente, a la formación de estructuras dendríticas en los
-202-
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V.2. Cambios microestructurales
espacios intercelulares (es), y por tanto, el plano central del perfil de las
muestra IV presenta este aspecto (figura V.37.(c)).
En los tratamientos combinados por aire caliente y microondas (AC+M),
los perfiles estructurales aparecieron más homogéneos, sin tantas diferencias
en el tejido celular a distintas profundidades de la muestra (figura V.38.(a)(b)). Las micrografías correspondientes a las zonas situadas junto a la
interfase perm itieron de nuevo observar a las células completamente
colapsadas y una alta compactación celular (figura V.39.(a)). A lo largo del
resto del perfil, se pueden observar grandes huecos rodeados por células con
su estructura afectada en mayor o menor medida, debido a la contracción y a
la deformación. En algunos casos, estas células parecían estar hinchadas o
incluso casi turgentes (figura V.39.(b). El calentamiento por microondas
afectó por igual a todo el tejido de manzana, como consecuencia de la
vaporización rápida inducida en zonas con una gran cantidad de contenido
en agua disponible. Los resultados obtenidos concuerdan con los estudios
realizados por Funebo et al. (2000), acerca del efecto del secado con
microondas en la microestructura de vegetales y frutas, que muestran la
aparición de grandes espacios intercelulares a lo largo de todo el tejido entre
las células, que parecen sufrir menor colapso celular.
Los cambios estructurales descritos se pudieron observar mejor en el
perfil de la muestra NIV (figura V.38.(a)), debido a que las estructuras
dendríticas que aparecieron en los espacios intercelulares de las muestras IV
no perm itieron distinguir la disposición típica del tejido menos afectado
(sim ilar al fresco) de manzana en ningún nivel de profundidad del perfil
(como en el plano central de la muestra NIV). Sin embargo, las cavidades
grandes inducidas por el tratamiento de las microondas se pudieron detectar
-2 0 3 -
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V.2. Cambios microestructurales
también a lo largo del perfil estructural de este tipo de muestras. En este
sentido, no se detectaron diferencias significativas entre las muestras IV y las
NIV. La figura V.41. (a)-(b) corresponde a micrografías realizadas a mayor
aumento (750X), donde se puede observar el comienzo de la pérdida de
adhesión del protoplasto (pp) de la pared celular (pe) a causa del estrés
hídrico producido por el proceso de secado al que se ha sometido el tejido
celular de manzana.
Todos estos resultados son consecuencia de la lenta difusión de agua en el
interior de las muestras tratadas con aire caliente en comparación con la
rápida vaporización del agua en las deshidratadas por aire caliente y
microondas, tal y como se observó en el estudio cinético realizado (apartado
V.I.).
-2 0 4 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.2. Cambios microestructurales
PLANO de la INTERFASE
PLANO de la INTERFASE
i
PLANO CENTRAL
!
Figura V.36.(a)-(b). Perfiles estructurales de tejido de manzana parcialmente deshidratado,
(a) N IV -A C (2H30'); (b) Vl-A C (3h), longitud del perfil desde la interfase hasta el plano
¡
central: 3,2 mm (a) y 2,5 mm (b). 100X.
-2 0 5 -
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V.2. Cambios microestructurales
Figura V.37.(a)-(b). Micrograjias de tejido de manzana N IV , parcialmente deshidratado con
AC, a 0,05 (a) y 1,05 (b) mm de la interjase. 350X. pe: pared celular, cc: masa de células
colapsada
-2 0 6 -
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V.2. Cambios microestructurales
Figura V.37.(c). Micrograjía de tejido de manzana IV , parcialmente deshidratado con AC, a
3,05 mm de la interfase. 350X. es: espado intercelular lleno de líquido de impregnación, ic:
volumen intracelular, pe: pared celular
-207-
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V.2. Cambios microestructurales
PLANO de la INTERFASE
PLANO de la INTERFASE
PLANO CENTRAL
Figura V.38.(a)-(b). Perfiles estructurales de tejido de manzana parcialmente deshidratado,
(a) N IV -A C + M (24'); (b) IV -A C +M (11'), longitud del perfil desde la interfase hasta el
plano central: 3,3 mm (a) y 2,4 mm (b). 100X.
-208-
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V.2. Cambios microestructurales
Figura V.39.(a)-(b). Micrografías de tejido de manzana N IV parcialmente deshidratado con
el tratamiento combinado A C + M a 0,286 (a) y 1,286 (b) mm de la interfase. pe: pared celular
-209-
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V.2. Cambios microestructurales
Figura V.40 (a)-(b). Micrograpas de tejido de manzana IV parcialmente deshidratado con el
tratamiento combinado A C + M a 1,75 (a) y 1,88 (b) mm de la interfase. La micrograpa (a)
está realizada a mayor aumento (750X) que la (b), a 350X. es: espacio intercelular lleno de
líquido de impregnación, pe: pared celular
-210 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
V.3. PROPIEDADES MECÁNICAS Y COLOR DE LA MANZANA
DESHIDRATADA.
V.3.1, INTERÉS DEL ESTUDIO
El secado de alimentos es uno de los métodos de conservación más
antiguos, cuya finalidad principal es la reducción de la actividad del agua del
producto, inhibiendo o retardando cualquier posible actividad microbiana
y /o enzimática. Sin embargo, las condiciones del proceso, especialmente las
altas temperaturas que alcanza en muchos casos el producto, pueden
provocar efectos indeseables en su calidad, no solamente en lo que respecta a
su valor nutritivo, sino también en lo referente a sus propiedades
organolépticas (color, olor, sabor y textura).
Muchas reacciones químicas de distinta naturaleza son las responsables
de la alteración del color de las frutas procesadas térmicamente. Entre ellas
las más comunes son la degradación de los pigmentos (carotenoides y
clorofilas) y las reacciones de pardeamiento enzimático. Otros factores que
pueden afectar al color de la fruta son su pH, su acidez, la temperatura y la
duración del proceso, la variedad o el nivel de contaminación por metales
pesados al que han sido expuestas.
En cuanto a la textura, la pérdida de turgencia de las células a causa de la
deshidratación conlleva una pérdida de fragilidad y, en ocasiones, un
aumento de la dureza del producto (Moraga, 2002). Por otra parte, el
ablandamiento de los tejidos vegetales ocasionado por el tratamiento térmico
puede tener su origen en la pérdida de adhesión de paredes celulares (Lau et
-211 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.3. Propiedades mecánicas y color
al., 2000), fenómeno observado en las micrografías mostradas en la figura
V.42. (a) y (b) del apartado V.2.
Hay que tener en cuenta, además, que los alimentos pueden
experimentar cambios de fase en el intervalo de temperaturas en que son
procesados, almacenados o consumidos. Como consecuencia de esto, algunas
propiedades físicas del sistema tales como las propiedades mecánicas
pueden verse afectadas.
Una importante transición de fase de segundo orden es la transición
vitrea, que implica el cambio desde un estado vitreo hasta un estado de
líquido gomoso, lo que está asociado a un importante aumento de la
m ovilidad molecular. Los estados vitreo o gomoso pueden alcanzarse en
procesos de secado cuando la velocidad de evaporación de agua es mayor a
la velocidad de cristalización de los solutos y esto afecta de manera
importante a la calidad y estabilidad de los productos y puede ser
determinante de las condiciones de proceso. Se ha observado, por ejemplo, la
perdida del carácter crujiente de determinados productos como los "snads"
o los cereales de desayuno cuando la aw del producto es suficiente para
dism inuir su temperatura de transición vitrea (Tg) por debajo de la
temperatura ambiente (Martínez-Navarrete et al., 2000).
Rao (1998) señala que la crujiencia, característica fundamental en la
calidad de alimentos de baja humedad, esta afectada por el contenido en
agua y composición del producto, y puede perderse como resultado de la
plastificación de la estructura física por la temperatura y agua presente. El
carácter crujiente estaría asociado con el estado vitreo, y el cambio desde
crujiente (frágil) a deformable (flexible) es atribuido a la transición vitrea que
sufre el producto (Roundaut et al., 1998).
-212
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
la
______________________________
V.3. Propiedades mecánicas y color
pa
La textura de un alimento deshidratado es, por lo tanto, una de las
m
cualidades que define la aceptación por el consumidor y es una propiedad
V 9I
m
m
que puede ser significativamente influenciada por el método de secado.
La aplicación de energía microondas al secado convectivo de frutas está
|9
siendo ampliamente estudiada en los últim os años (Funebo et al., 2000;
M
Martín et al., 2000) con el objetivo de encontrar un método más eficaz de
M
deshidratación y mejorar la calidad de los productos deshidratados
m
obtenidos,
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en
cuanto
a
un
menor
daño
térmico
relacionado
fundamentalmente con un menor encogimiento y cambio en las propiedades
mecánicas o color y con una mejor capacidad de rehidratación.
El objetivo de este capítulo ha sido analizar los cambios en las
i'H
■
propiedades mecánicas y el color de manzana deshidratada a bajas
■M
humedades mediante una técnica de secado por aire caliente sólo y
!«
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combinado con distintas potencias incidentes de microondas. El estudio se
realizó empleando dos tipos de muestras: manzana impregnada a vacío (IV)
y no impregnada a vacío (NIV), con el fin de examinar el posible efecto
beneficioso de la impregnación a vacío sobre la calidad del producto final
deshidratado cuando se aplican microondas. Las propiedades mecánicas
fueron estudiadas así mismo en muestras con diferente nivel de humedad en
el intervalo de baja humedad, a las que se les analizó también el estado físico
(vitreo o gomoso), de la matriz amorfa, tratando de relacionar ambos
aspectos.
-213-
1
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V.3. Propiedades mecánicas y color
V.3.2. MATERIALES Y MÉTODOS
V.3.2.1. M ateria prima
Como materia prima se empleó manzana de la variedad Granny Smith
comprada en un supermercado local. De un mismo lote se obtuvieron
rodajas perpendiculares al eje axial de la fruta, de aproximadamente 7 mm
de espesor, sin pelar y a las cuales se les extrajo el corazón con un
sacabocados metálico de 20 mm de diámetro. Las muestras impregnadas a
vacío (IV) se prepararon por inmersión en solución isotónica, aplicando un
vacío de 50 mbar durante 5 m in y restaurando la presión atmosférica durante
10 minutos más. La solución de impregnación empleada fue una solución
isotónica preparada a partir de zumo de manzana de la marca comercial
"Hacendado", con una concentración en sólidos solubles de 12° Brix.
V.3.2.2. Medida del color y de las propiedades mecánicas del producto
deshidratado
Preparación de las muestras
Las experiencias de secado se realizaron en el equipo de laboratorio
descrito en el capítulo III. Las condiciones de tratamiento fueron constantes
para el aire (45 °C, 2 m /s) y variables para la potencia incidente de
microondas (0, 60, 80, 100 y 120 W). En cada experiencia se secaron cinco
rodajas hasta alcanzar peso constante. La potencia incidente se recalculó
considerando la carga introducida en el hom o en cada caso.
-214 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
Medida del color y de las propiedades mecánicas
El sistema de referencia elegido para analizar la variación del color en el
producto antes y después de cada tratamiento ha sido el denominado espacio
uniforme de color (L*, a*, b*) propuesto en 1976 por la C.I.E. (Comisió
International de l'Eclairage). Las medidas de estas coordenadas se realizaron
por reflexión utilizando un espectrocolorímetro M inolta modelo CM-1000,
seleccionando como fuente patrón el iluminante D65 y como observador el
estándar con un ángulo de visión de 10°. Se realizó un total de 10 medidas
por tratamiento. A partir de las coordenadas de color se estimaron las
coordenadas psicrométricas tono (h*ab, ecuación V.18.) y croma (C*at>,
ecuación V.19.), así como las diferencias de color (AE, ecuación V.20.) entre
las muestras (i,j) tratadas y las frescas, y entre las deshidratadas con aire
caliente y las deshidratadas con el método combinado aire calientemicroondas.
u '
AE =
o
ab =arctg—
a
(V.18.)
C;b= V a ‘ 2+b* 2
(V.19.)
- L*¡ J2 + (a,- ~ a! ^ + (bj - b*)2
(V.20.)
l
El análisis de las propiedades mecánicas antes y después de cada
tratamiento se realizó mediante un ensayo de punción hasta atravesar
totalmente la muestra con un punzón cilindrico de 2,0 mm de diámetro a
velocidad de deformación constante de 1,5 m m /s. Las medidas se
determinaron empleando un analizador universal de textura TA.XT2 de la
-215-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
firm a Stable Micro Systems (SMS). La evaluación se hizo en cada caso en
cinco muestras y para cada una de ellas el ensayo se realizó por triplicado (15
repeticiones por cada muestra). Del ensayo de punción se obtuvieron las
curvas fuerza-distancia y para la evaluación cuantitativa de las muestras se
consideraron, como parámetros relacionados con la textura del producto, la
fuerza máxima (Fmáx) necesaria para que el punzón empleado rompa la
estructura del alimento y la pendiente inicial de la curva de fuerza-distancia.
V.3.2.3. Relación Tg-humedad-propiedades mecánicas en muestras con baja
humedad
Preparación de las muestras con bajo contenido en humedad
Las rodajas de manzana fueron acondicionadas a valores bajos de aw
asegurando la obtención de muestras tanto en estado vitreo como gomoso
(Martínez-Monzó., 1998). La secuencia de tratamientos aplicados a las
muestras, tanto impregnadas a vacío (IV) como no impregnadas a vacío
(NIV), con el objetivo final de alcanzar la aw deseada, se esquematiza en la
figura V.41.
-216-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
M ateria prima
5' a 50 mbar
Pre-tratamiento IV
15' a presión
atmosférica
N IV
30 y50°C
Oy 80 W
Secado AC y M C'
Acondicionamiento de
Jas muestras
En cámaras de aw controlada
Propiedades mecánicas
Ensayo Punción
Análisis calorimétrico
Determinación T g (DSC)
Figura V.41. Preparación y análisis de las muestras de manzana. ’AC: aire caliente. M C:
método combinado por aire caliente y microondas.
-
Secado. Las condiciones de secado de las muestras IV y NIV, hasta
alcanzar peso constante, se presentan en la tabla V.7., siendo la
velocidad del aire de secado en todos los casos 2,5 m /s.
Tabla V.7. Condiciones experimentales de secado.
IV
N IV
Temperatura aire (°C)
30
30
50
50
30
30
50
Potencia (W)
0
80
0
80
0
80
0
-
Acondicionamiento. El acondicionamiento final del nivel de
humedad y aw de las muestras se llevó a cabo en cámaras de vidrio
cerradas herméticamente, con atmósferas de humedad relativa
conocida y constante y a una temperatura de 25°C. Estas
atmósferas se consiguieron colocando en las cámaras P2O 5 (aw=0) y
-217-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
soluciones salinas saturadas de LiC l (aw=0,115) y CH3COOK
(aw=0,226). En cada cámara se colocaron seis rodajas de manzanas
las que fueron pesadas periódicamente hasta alcanzar el equilibrio
(peso constante).
Análisis realizados en el análisis de la relación estado físico-propiedades
mecánicas de la manzana deshidratada
-
Determinación de humedad. La determinación de la humedad se
realizó según el método 20.013 (AOAC, 1980) para frutas ricas en
azúcar. El método consiste en la determinación de la pérdida de
peso sufrida por la muestra cuando se coloca en una estufa a vacío
a una presión de 50 mm Hg y a una temperatura de 60°C hasta
alcanzar peso constante. Los pesos se determinaron con una
balanza analítica METTLER modelo AE 100 (sensibilidad 0,0001
g)-
-
Análisis de textura. El análisis de las propiedades mecánicas se
llevó a cabo de la misma forma descrita en el apartado V.3.2.2.
-
Análisis calorimétrico. Se realizaron análisis por calorimetría
diferencial de barrido para determinar la
temperatura de
transición vitrea de las muestras. Para ello se u tilizó un
calorímetro diferencial de barrido marca Seiko Instruments,
modelo DSC5200CO, Chiba, Japan. Las muestras estudiadas se
situaron, una vez alcanzado el equilibrio, en crisoles de aluminio
semi-herméticos y se dejaron reequilibrar durante dos días antes
de ser sellados (P /N SSC000CQ08 (P) de ANAM E) para su análisis
-218 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
calorimétrico empleando aire como material de referencia inerte.
El intervalo de temperaturas de barrido en los ensayos fue entre 20
y 80°C, a una velocidad de calentamiento de 5°C/m in.
V.3.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
V.3.3.1. Caracterización de la materia prima (IV y N IV ) en cuanto a l color y
a las propiedades mecánicas. Influencia de la impregnación a vacío.
En la tabla V.8. se han resumido los valores medios de los parámetros de
calidad considerados (color y fuerza máxima obtenida en el ensayo de
punción), los cuales no sólo nos permiten analizar el efecto sobre los mismos
de la impregnación a vacío, sino que constituyen una referencia para
determinar de qué modo los diferentes tratamientos de secado influyen en la
calidad final del producto.
Tabla V.8. Valores medios de las coordenadas de color CIEL*a'b‘ y los atributos tono (tía,) y
croma (C'a>), y de la fuerza ma'xima (N) de las muestras de manzana N IV y IV .
N IV
IV
L*
7 4 ,4 ± 0 ,9
4 3 ,9 ± 5 ,5
a*
-2 ,9 ± 0 ,4
-2 ,0 ± 0 ,5
b*
13,2 ± 0 ,9
12,2 ± 1,6
h*.b
103 ± 2
9 9 ,1 ± 1,8
c*.b
13,5 ± 0 ,9
1 2,4 ± 1,7
A E (IV -N IV )
-
3 0 ,5 ± 5 ,3
Fnuuc (N)
5 ,9 ± 1,0
8 ,2 ± 3 ,8
-219-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
Según se observa en la tabla V.8., la impregnación a vacío con solución
isotónica (IV), aumenta ligeramente el valor de la coordenada a* y disminuye
la coordenada b* y, sobre todo, la luminosidad de las muestras, aunque sólo
este últim o efecto resultó ser estadísticamente significativo. El aumento de la
transparencia de las muestras IV como consecuencia de la sustitución de
parte del gas ocluido en los poros de la estructura del alimento por líquido
procedente de la solución de impregnación durante el proceso de
impregnación comporta valores del índice de refracción a través de las
muestras IV más homogéneos, lo que conlleva una pérdida de opacidad. La
disminución de la reflectancia medida por el equipo empleado provocada
por la mayor penetración del haz luminoso incidente explica la disminución
encontrada en la luminosidad de las muestras impregnadas a vacío. Los
cambios suaves en los valores de las coordenadas a* y b* se traducen en una
menor pureza de color y un menor ángulo de tono de las muestras
impregnadas a vacío. El elevado valor calculado para la diferencia de color
entre las muestras impregnadas y las no impregnadas se justifica
mayoritariamente en el efecto del tratamiento sobre la luminosidad.
Estas observaciones en cuanto al efecto de la impregnación sobre el color
concuerda con los resultados obtenidos por Martínez-Monzó (1998), que
señala que la impregnación a vacío con solución isotónica de manzana
comporta pérdidas de opacidad, disminución de la luminosidad, pérdida de
pureza y pequeñas variaciones del tono en él sentido verde-amarillo. Este
proceso conlleva además la obtención de rodajas más finas, más compactas,
con una mayor deformación y también más flexibles.
Respecto al efecto de la IV sobre las propiedades mecánicas, la figura
V.42. muestra un ejemplo de las curvas fuerza-distancia obtenidas para
-220 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
ambos tipos de muestras en el ensayo de punción. Las muestras frescas
presentan un comportamiento típico de un fruto con consistencia homogénea
en todo el espesor, de manera que la fuerza necesaria para romper la
estructura en la capa superficial es similar a la ejercida por el punzón en el
avance hacia el interior de la muestra. Esto se refleja en un aumento de la
fuerza inicial hasta alcanzar un valor máximo, el cual se mantiene
describiendo una meseta. El valor medio de este parámetro obtenido en las
muestras NIV, inferior al obtenido en las muestras IV, manifiesta un
aumento en la resistencia de éstas últimas a la fractura, atribuible de nuevo a
la sustitución de gas por solución isotónica de impregnación, hecho que
confiere una estructura más firme.
10
9
m áx
NIV
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
Distancia (mm)
Figura VA2. Curvas fuerza-distancia obtenidas en el ensayo de punción de muestras N IV e
IV sin deshidratar
- 22 1 -
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.3. Propiedades mecánicas y color
V.3.3.2. Efecto de las condiciones de tratamiento sobre el color y las
propiedades mecánicas de la manzana deshidratada
En cuanto al efecto de los tratamientos de deshidratación estudiados, y
según una apreciación visual (figura V.43.), las muestras secadas sólo por
aire caliente (AC) presentaron la pulpa y piel de color más semejante a la
fruta fresca. Por el contrario, el secado por tratamiento combinado (MC: aire
caliente y microondas) provocó cierto grado de pardeamiento en las
muestras. Lo anterior fue más notorio en las muestras no impregnadas a
vacío (NIV).
Figura VA3. Aspecto de las muestras secadas en diferentes condiciones de tratamiento
En las figuras V.44. y V.45. se puede observar la situación en los planos
cromáticos a*-b* y L*-a*, de todas las muestras, respectivamente. El análisis
estadístico realizado mediante un ANOVA para cada tratamiento con el
factor muestra mostró que no existían diferencias significativas (a >0.05)
-222 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
entre ellas, aunque algunos datos considerados anómalos según el gráfico de
Box y Whisker fueron eliminados para el posterior ANOVA realizado con el
factor tratamiento.
Como puede observarse, el secado por aire caliente incrementa
significativamente los valores de a* y b*, sin afectar significativamente a L \ La
aplicación combinada de MW en el SAC de manzana no afecta tampoco en
gran medida a V , pero conlleva un aumento aun mayor de las coordenadas
a* y b* especialmente en el caso de las muestras pretratadas con IV. Este
incremento significativo de los valores de las coordenadas cromáticas
responde al pardeamiento superficial que tiene lugar durante el proceso de
secado, dando lugar a tonalidades marrones. En estas muestras, cuanto
mayor es la potencia de microondas aplicada, mayor es el valor de a
(<x<0.05), que se corresponde con un pardeamiento excesivo, según la
apreciación visual, para las muestras tratadas con potencias superiores a 100
W.
-223 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
NIV-MCy NIV-AC
NIV-Fresca
IV-MC y IV-AC
W
5
IV-Fresca
o NIV-0,5W /g
a NIV-0,6W /g
a NIV-0,8W /g
x NIV-0,9 W /g
o NIV-Fresca
o NIV-AC
» IV -0,3W /g
■ IV-0,5 W /g
* IV-0,6 W / g
x IV-0,7W /g
* IV-Fresca
+ IV-AC
Figura V.44. Plano cromáticos L*-a* de las muestras analizadas (AC: aire calimte. M:
comibimdo aire caliente y microondas. Fresca: sin deshidratar)
o NIV-0,5 W /g
= NIV-0,6 W /g
a NIV-0,8W /g
x NIV-0,9 W /g
o NIV-Fresca
Fresca
(IVyNIV)
IV-MC
o NIV-AC
♦ IV -O ^W /g
NIV-MCy (IV+NIV>AC
- IV-0,5 W /g
* IV-0,6 W /g
x IV-0,7W /g
• IV-Fresca
+ IV-AC
Figura V.45. Planos cromáticos a*-b* de las muestras analizadas (AC: aire caliente. M:
combinado aire caliente y microondas. Fresca: sin deshidratar)
■224
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V.3. Propiedades mecánicas y color
La variación comentada de las coordenadas cromáticas a* y b* se traduce
en una disminución del tono y un aumento de la pureza de color del
producto deshidratado con respecto a la materia prima, tanto IV como NIV,
como puede apreciarse en la tabla V.9. Las diferencias de color encontradas
entre las muestras sin deshidratar y las muestras deshidratadas (AE1) y entre
las deshidratadas empleando únicamente aire caliente o los tratamientos
combinados aire caliente-microondas (AE2), reflejan el gran efecto que
cualquiera de los tratamientos utilizados tiene sobre el color inicial de la
materia prima, que cambia de forma más acusada cuando se aplican
microondas a la muestra previamente impregnada.
Tabla V.9. Valores medios del tono, la pureza y las diferencias de color para cada
tratamiento.
A C : aire caliente. M : combinado aire caliente y microondas. Fresca: sin deshidratar
TRATAMIENTO
TONO (h*.b) PUREZA (C'.b)
Fresca
1 0 2 ,5 ± 2 ,0
AC
8 8 ,9 ± 2 ,5
M
C
(60W
;
0
,4
6
5
8
W
/g
)
8 5 .5 ± 3 ,0
4 .1 .,
M
C
(80
W
;
0
,5
4
2
4
W
/g
)
8
4 .6 ± 2 ,9
\
M C (1 0 0 W; 0 ,7 9 4 2 W /g ) 8 5 .4 ± 1,7
M C (120W ; 0 ,9 2 9 7 W /g )
8 5 .5 ± 2 ,4
Fresca
9 9 ,1 ± 1,8
AC
8 3 ,7 ± 0 ,3
M
C
(60
W;
0
,3
4
2
8
W
/g
)
7 8 ,8 ± 0 ,9
4 .1 .:
M
C
(80
W;
0
,5
0
7
9
W
/g
)
7 4 ,7 ± 4 ,4
V
M C (1 0 0 W; 0 ,6 2 4 8 W /g ) 6 9 ,6 ± 3 ,9
M C (1 2 0 W; 0 ,7 3 3 7 W /g ) 6 9 ,1 ± 4 , 4
1 Con respecto a la manzana fresca
13,5
2 4 ,1
2 0 ,1
2 0 ,8
2 2 ,3
1 9,6
1 2,4
2 5 ,9
3 2 ,3
2 8 ,9
2 9 ,0
2 8 ,6
± 0 ,9
± 1,4
± 1,3
± 1,7
± 2 ,7
± 1,5
± 1,7
± 2 ,4
± 2 ,4
±3,1
± 1,5
± 3 ,0
AE1
AE3
-
11 ,4
8 ,5
9 ,2
10,3
8,1
0 ,0
1 4 ,4
2 5 ,4
1 9 ,8
19,6
1 9,2
-
4 ,4
3 ,8
2 ,3
4 ?7
14,4
0 ,0
15.1
8 ,5
8 ,0
8.1
2 Con respecto a la manzana tratada con aire caliente a 45°C
Respecto a las propiedades mecánicas, el ensayo de punción realizado
sobre las muestras deshidratadas permite analizar la influencia de las
-225Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.3. Propiedades mecánicas y color
condiciones de proceso en la característica "crujiente-gomosa" del producto
deshidratado. Los resultados obtenidos permiten observar una clara
diferencia en la forma característica de las curvas de penetración obtenidas
cuando el ensayo se ha realizado con manzana no deshidratada (IV o NIV) o
con manzana deshidratada, independientemente de las condiciones de
tratamiento (figura V.46.). Las muestras deshidratadas muestran una
pendiente inicial mucho menos acusada que las muestras frescas, lo que se
corresponde con la pérdida de turgencia de las células por efecto de la
deshidratación. Concretamente, no se observa la fractura en la superficie de
la muestra, sino que el punzón avanza sin romper el tejido, observándose un
pico máximo a una fuerza y distancia mayor, seguido de una caída brusca de
dicha fuerza. La compactación de la estructura celular sufrida durante el
secado conlleva un
aumento
de la
gomosidad que justifica
este
comportamiento.
45 •
40
NV
35
20
15 •
10
-
Distancia (mm)
Figura V.46. Curvas Fuerza-Distancia características de los ensayos de ■punción realizados.
Influencia del tratamiento.
-226-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
La tabla V.10. resume los valores medios de la fuerza máxima obtenida
para las muestras en cada tratamiento, así como el contenido final de
humedad alcanzado en cada caso al final del secado.
Tabla V.10. Valores medios de la fuerza máxima obtenida para cada tratamiento y de la
humedad de las muestras analizadas.
T R A T A M
h
IV
I
V
IE N T O
X w fin a l
(b s )
F m íx (N )
Fresca
8 ,3 5 4 5
5 ,9 ± 1,0
M C (60W ; 0 ,4 6 5 8 W /g )
0 ,1 1 3 6
29 ± 6
M C (80W ; 0 ,5 4 2 4 W /g )
0 ,1 8 9 2
29 ± 8
M C (10OW; 0 ,7 9 4 2 W /g )
0 ,0 6 4 4
4 7 ± 12
M C (120W ; 0 ,9 2 9 7 W /g )
0 ,2 4 3 9
29 ± 7
AC
0 ,1 2 1 1
20 ± 4
Fresca
7 ,9 1 2 7
8 ,2 ± 1,4
M C (60W ; 0 ,3 4 2 8 W /g )
M C (80W ; 0 ,5 0 7 9 W /g )
0 ,0 3 7 3
20 ± 4
30 ± 3
M C (100W ; 0 ,6 2 4 8 W /g )
0 ,0 2 4 6
33 ± 5
M C (120W ; 0 ,7 3 3 7 W /g )
0 ,0 5 6 0
4 0 ± 12
AC
0 ,0 1 9 4
25 ± 3
0 ,0 1 6 7
M: C o m b in ad o a ire caliente (45"C) y m icroondas. AC: aire caliente (45“C).
Fresca: sin d e sh id ra ta r
El análisis estadístico no mostró un efecto significativo (a >0.05) de la
impregnación a vacío en la fuerza máxima obtenida para las muestras
deshidratadas, a pesar de que las muestras IV mostraron menor humedad
que las NIV. Puede apreciarse el aumento significativo del valor de dicha
fuerza
en el caso de las muestras IV a medida que aumenta la potencia de
microondas aplicada. No ocurre lo mismo en el caso de las NIV, donde los
valores alcanzados son semejantes para los diferentes tratamientos, a
excepción del correspondiente a una potencia de microondas aplicada de 100
W, probablemente debido al menor contenido en humedad que presentaron
las muestras analizadas. Las muestras a las que no se aplicó microondas
-227-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
quedaron más próximas a aquellas a las que se les sometió a menor potencia
incidente de microondas. El efecto de la potencia parece notarse cuando el
nivel de humedad es muy bajo.
Sin embargo, dada la gran influencia que tiene el contenido en humedad
en la respuesta mecánica de las muestras, y puesto que éstas presentaron
humedades diferentes, se realizó un estudio en el que se controló esta
variable. Los resultados obtenidos se comentan a continuación.
V.3.3.3. Influencia de la impregnación a vacío y de la aplicación de
microondas en la rigidez y estado físico de manzana deshidratada por aire
caliente
El ensayo de punción permitió analizar la influencia de las condiciones
del tratamiento de secado y de la humedad final de la muestra sobre las
propiedades mecánicas. Como puede observarse en la tabla V .ll., las
muestras impregnadas mostraron contenidos en humedad mayores para el
mismo valor de aw que las no impregnadas, lo que puede estar asociado a la
mayor cantidad de azúcar presente en las primeras.
Tal y como se ha comentado anteriormente, el pico de fuerza máxima
registrado durante un ensayo de punción puede ser considerado como
indicativo de la resistencia del producto a la fractura, es decir, de su firmeza
(Prothon et al., 2001). Un valor alto de fuerza máxima corresponde a
productos fuertes, mientras que, valores bajos se obtienen para productos
frágiles (Pedro, 1997). Por otra parte, la pendiente de las curvas fuerzadistancia puede relacionarse en algunos productos, como los cereales de
desayuno y similares, con la dureza del producto analizado (Katz y Labuza,
-2 2 8 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
1981). En un sentido más amplio esta pendiente está también relacionada con
el módulo de rigidez, que es una medida de la resistencia a la deformación.
Las curvas fuerza-distancia obtenidas para las muestras con diferentes
tratamientos y niveles de aw en el equilibrio se muestran en la figura V.47.
Para esta representación se seleccionó una de las repeticiones analizadas para
cada cámara. La forma de las curvas es similar en todos los casos para las
muestras IV independientemente del tratamiento de secado. Éstas presentan
un único pico de fractura seguido de una caída brusca de la fuerza, situación
análoga a la que se presentó en las muestras N IV equilibradas a aw0,226. Las
manzanas N IV secadas por MC y equilibradas a niveles de aw 0 y 0,115
mostraron curvas con más de un pico de fractura y una disminución más
gradual de la fuerza. Estos múltiples picos corresponden a las fracturas
sucesivas observadas en el producto durante el ensayo. Por el contrario, al
secar sólo por tratamiento convectivo se obtienen curvas con un único pico
de fractura, aunque también se observó la fractura durante el ensayo.
Los resultados de fuerza máxima promedio y de la pendiente inicial de
las curvas se presentan en la tabla V .ll. Se puede observar una disminución
en la pendiente de las curvas NIV a medida que aumenta la aw, lo que se
relacionaría con una disminución de la rigidez de las muestras, a medida que
el contenido de humedad se incrementa. En las muestras equilibradas a aw 0
los valores de fuerza máxima y las pendientes son similares en todos los
tratamientos. Para aw 0,115 y 0,226 las muestras secadas por MC presentaron
mayor fuerza máxima y mayor pendiente que las secadas solo con aire
caliente y por lo tanto se mostraron más firmes y más rígidas.
Todas las muestras IV muestran valores de los parámetros similares entre
sí, por lo que las propiedades mecánicas descritas serían homogéneas e
-229-
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V.3. Propiedades mecánicas y color
independientes del tratamiento aplicado. Todas ellas presentaron valores de
fuerza máxima similares a los de las muestras NIV de mayor aw secadas por
MC. Cuando se compara el valor de la pendiente de estas muestras con las
NIV se obtienen valores intermedios entre los obtenidos para NIV aw0 y NIV
aw0,115. Sin embargo, como se ha comentado anteriormente, las muestras IV
no sufrieron fracturas múltiples durante el ensayo de punción. Este
comportamiento puede ser consecuencia del aspecto descrito anteriormente
para estas muestras que se pueden partir pero su estructura es mucho más
deformable.
Para poder evaluar la homogeneidad de los resultados de fuerza máxima
y pendiente obtenidos, en cada caso, se realizó el análisis de varianza
(ANOVA) con un factor y nivel de significancia (a) de 0,05. Como factores se
consideraron individualmente
todos los factores involucrados: pre-
tratamiento de IV, condiciones de secado y aw de equilibrio. De éste análisis
se pudo evidenciar que todas las repeticiones realizadas para una misma
cámara (muestras secadas y equilibradas bajo las mismas condiciones)
resultaron significativamente iguales (p>0,05).
Para un mismo tratamiento de secado se obtuvieron diferencias
significativas (p<0,05) en los dos parámetros en función de la aw de
equilibrio. Esto se atribuye al efecto del contenido en humedad sobre la
textura de los productos secos, debido a la plastificación y ablandamiento de
la matriz a medida que el producto gana agua, lo cual altera su resistencia
mecánica.
230 -
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V. 3. Propiedades mecánicas y color
NIV equilibradas a aw 0.
24 n
Z
18
NIV equilibradas a aw 0.115
30°C
50°C
-
MC
■2 12
-
1
Distancia (mm)
NIV equilibradas a aw 0.226
24 n
5 .1 8 ™
2 3 4 5 6
Distancia (mm)
7
IV secadas a 30 y 50°C a todas
las aw
30°C
50°C
MC
AC
E 15-
1
Distancia (mm)
2 3 4 5 6
Distancia (mm)
7
Figura VA1. Curvas fuerza-distancia obtenidas en las muestras para cada tratamiento de
secado y valor final de aw- MC: muestras secadas por método combinado.
-2 3 1 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
Tabla V .ll. Fuerza máxima promedio obtenidas para muestras N IV e IV.
T ra ta m ie n to
a.
0 ,0 0 0
AC: 3 0 °C
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
AC: 5 0 °C
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
N IV
M C: 3 0 °C &
80 W
M C : 5 0 °C
80 W
8
s
AC: 3 0 °C
IV
AC: 5 0 °C
M C : 3 0 °C
80 W
85
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
X»
(g a g u a /g ss.)
0 ,0 0 0 4
0 ,0 3 8 5
0 ,0 6 4 7
0 ,0 0 0 4
0 ,0 3 8 7
0 ,0 6 4 8
0 ,0 0 0 5
0 ,0 3 7 5
0 ,0 6 4 2
0 ,0 0 0 4
0 ,0 3 8 2
0 ,0 6 4 2
0 ,0 0 0 2
0 ,0 4 4 2
0 ,0 7 9 0
0 ,0 0 0 5
0 ,0 4 3 9
0 ,0 7 8 6
0 ,0 0 0 3
0 ,0 4 3 5
0 ,0 7 9 1
F m ix
(N )
1 3 ,0 3 ± 2 ,0 5
1 3,7 ± 2 ,2
1 5 ,9 0 ± 2 ,1 3
12,1 ± 2 ,3
1 0 ,8 ± 1 ,4
9 ,9 ± 1,8
1 4 .2 ± 2 ,5
1 7 .2 ± 2 ,2
2 0 ,4 0 ± 2 ,1 5
13.1 ± 1 ,7
1 7 ,6 0 ± 2 ,1 6
2 3 .1 ± 4 ,9
2 2 ,5± 1 , 2
2 3 ,8 ± 1,6
2 0 ,0 ± 1,3
2 3 .8 ± 1 ,9
2 1 ,3 ± 1 ,5
1 8 .8 ± 0 ,9
2 2 ,0 6 ± 1 ,0 5
2 2 ,9 4 ± 1,9
2 0 ,4 ± 1 ,6
P e n d ie n te
(N /m m )
2 0 ,4 ± 0 ,8
7 ,5 ± 0 ,4
2 ,4 4 ± 0 ,1 1
2 1 ± 1
7 .6 ± 0 ,6
2 .7 ± 0 ,2
2 0 ,5 ± 0 ,8
9 ,1 ± 0 ,6
3 ,9 2 ± 0 ,1 5
2 1 ± 1
1 0,0 5 ± 0 ,1 7
8,1 ± 0 ,7
10,8 ± 0 .3
12.4 ± 0 ,5
11.5 ± 0 ,2
11,1 ± 0 ,3
1 0,2 8 ± 0 ,0 7
10,5 ± 0 ,3
12,2 ± 0 ,8
1 2 ,4 ± 0 ,7
12,07 ± 0 ,1 9
V.3.3.3.1. Influencia de las condiciones de secado: temperatura del aire y
microondas
Al analizar el efecto de las variables de proceso (potencia incidente de
microondas, temperatura del aire de secado y aw de equilibrio) sobre la
fuerza máxima y pendiente obtenidas para las muestras N IV se observó que
no existen diferencias significativas entre las muestras con aw 0 mientras que
para niveles de aw 0,115 y 0,226, la temperatura del aire de secado influye
significativamente (p<0,05) sólo cuando el tratamiento es por AC siendo las
muestras más resistentes a la fractura y menos rígidas cuando se secan a
-232 Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
V.3. Propiedades mecánicas y color
menor temperatura. Al secar por MC el efecto de la temperatura del aire de ■
secado no es significativo (p>0,05), lo cual evidencia que las microondas
serían las que influyen principalmente en la respuesta obtenida en este caso.
!
Se observa además que existen diferencias significativas entre el método de
j
secado aplicado (aire caliente ó aire caliente-microondas), lo que pone de
manifiesto que las microondas afectan de modo diferente a la estructura del
|
producto de manera que éste resulta más resistente a la fractura y más rígido
j
cuando se aplican microondas durante el secado por AC. Una solubilización
j
de las pectinas por efecto de la mayor temperatura alcanzada por las
muestras durante el tratamiento con microondas podría ser la responsable de
este comportamiento más tenaz de las muestras.
Estudios realizados por Funebo et al. (2000) con cubos de manzanas
tratados por microondas previo a la deshidratación con aire caliente,
obtuvieron también valores de fuerza máxima superiores para las muestras
tratadas con microondas, lo que confirma el carácter más resistente de estas
muestras.
En lo que respecta a la manzana IV, el análisis revela que la temperatura
del aire de secado influye significativamente (p<0,05) en el secado convectivo
(AC), en el mismo sentido que para las muestras NIV, mientras que no
existen diferencias significativas (p>0,05) entre él secado por AC y el secado
por MC para cada nivel de aw de equilibrio, no pudiendo observar la
influencia de la aplicación de microondas sobre la textura del producto
impregnado.
- 233 •í
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V.3. Propiedades mecánicas y color
V.3.3.3.2. Influencia de 1a impregnación a vacio como pre-tratandento al
secado
Al evaluar la influencia del pre-tratamiento de impregnación a vacío
sobre la fuerza máxima, hay que destacar que existen diferencias
significativas entre las muestras N IV e IV secadas y equilibradas bajo
idénticas condiciones, excepto para las muestras secadas por MC a 30°C y
equilibradas a aw 0,226, siendo en este caso los resultados muy similares
entre sí. La figura V.48. presenta una gráfica comparativa entre los valores de
fuerza máxima para las muestras NIV e IV.
Se puede observar que en todos los casos las muestras IV presentan
valores de fuerza máxima mayores que las muestras NIV, siendo las
diferencias estadísticamente no significativas (p>0,05) sólo en el caso de las
manzanas secadas por MC a 30°C y equilibradas a aw 0,226. Lo anterior
indicaría que el pre-tratamiento de impregnación a vacío provocaría obtener
muestras con una resistencia a la fractura mayor, es decir de fragilidad
menor que las manzanas NIV.
-2 3 4 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
30
3v*— 0
27
3^ =0,115
aw=0,226
t
□ N IV
24
I IV
21
g
0 18
1 15-)
CB
¡5 12
£
9 6
•
3
0
30°C 30°C 50°C 50°C
80W
80W
30°C 30°C 50°C 50°C
80W
80W
30°C 30°C 50°C 50°C
80W
8QW
Figura V.48. Fuerza máxima obtenida en las diferentes muestras.
El comportamiento diferente encontrado entre las muestras N IV e IV se
puede atribuir a los importantes cambios en las propiedades fisicoquímicas
!
del producto provocados por el proceso de impregnación a vacío, dada la
existencia de cambios estructurales y composicionales como consecuencia de
este proceso (Chiralt et al., 1999). Junto a los cambios estructurales asociados
a la sustitución del gas de la fracción porosa del alimento por líquido de
impregnación, se produce la entrada de solución por efecto del mecanismo
hidrodinámico (HDM), mecanismo explicado por Fito & Pastor (1994). A
pesar de impregnar las muestras con solución isotónica, después del secado
puede obtenerse un producto final con mayor contenido en azúcar. Además,
la presencia de líquido en los poros del tejido por efecto de la impregnación
podría provocar una disolución parcial de la lámina media del tejido celular
j
dando lugar a un aumento del peso molecular promedio de los solutos que
j
-2 3 5 -
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V.3. Propiedades mecánicas y color
conllevaría ese incremento en los valores de fuerza máxima del producto
deshidratado.
V.3.3.3.3. Análisis calorimétrico
El análisis calorimétrico permitió obtener la temperatura característica a
la cual ocurre el cambio desde estado vitreo a gomoso, fenómeno
denominado transición vitrea. Los resultados se muestran en la tabla V.12.
En el estado vitreo, las moléculas presentan un grado de inmovilidad similar
al de los sólidos cristalinos, mientras que en estado gomoso la movilidad
molecular aumenta drásticamente y el material adquiere propiedades
mecánicas típicamente viscoelásticas (Martínez-Navarrete et al., 2000).
El análisis térmico reveló que, como era de esperar, para cada tratamiento
de secado aplicado en las muestras N IV a medida que se incrementa la
humedad la temperatura de transición vitrea (Tg) del producto disminuye, es
decir que mientras mayor es la awmás inestable se toma el sistema. Junto con
esto, las muestras secadas por MC presentaron valores de Tg un tanto mayor
que las muestras secadas por AC. La mayor solubilización de las pectinas en
el líquido intercelular por efecto de las temperaturas más altas alcanzadas al
aplicar microondas podría ser la responsable de este aumento en la Tg. Sólo
las muestras equilibradas a aw 0 presentaron Tg mayores que la temperatura
ambiente a la que se realizaron los ensayos de textura, por lo que sólo éstas
se encontrarían en estado vitreo. El efecto plastificante del agua observado en
los valores de Tg coincide con el mostrado por los parámetros mecánicos, lo
que indica que el cambio textura que ocurre por aumento de la humedad de
las muestras estaría asociado a una pérdida del carácter crujiente para
-2 3 6 permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
I
!
i
V.3. Propiedades mecánicas y color
valores de aw entre 0 y 0,115. Estos valores de aw tan bajos indican la
dificultad de mantener un producto como éste en estado crujiente en
condiciones normales de procesado y almacenamiento. La aplicación de
microondas contribuye beneficiosamente en este sentido. Por otra parte, en
las muestras con una Tg menor a la temperatura ambiente, el sistema se
encontraría en estado gomoso; a medida que esta diferencia de temperatura
es mayor el alimento se toma más inestable y sus propiedades mecánicas se
ven mas afectadas. Esto se refleja en la mayor firmeza y menor rigidez de las
muestras de mayor aw.
No se observó cambio en la Tg de las muestras previamente impregnadas
en función del contenido de humedad, obteniéndose valores muy similares
entre todas las awy entre todos los tratamientos, sin que se pudiera distinguir
la influencia de la aplicación de microondas ni el efecto de la temperatura del
I
aire de secado. Es llamativa la escasa sensibilidad de estas muestras a la
plastificación por el agua, observada también en la respuesta mecánica de las
mismas. Para algunos solutos no compatibles con el agua, como la lignina, se
ha descrito un intervalo limitado de humedad en el que se observa una
disminución de la Tg al aumentar el contenido en humedad sólo hasta un
determinado valor de este último. A partir de ahí, la Tgse mantiene constante
(Kelley et al., 1987). Este comportamiento aplicado a las muestras IV
implicaría que todas las muestras se encuentran con una humedad superior a
la que permite observar el efecto plastificante. Este nivel de humedad sería,
según la tabla V.12, inferior al 0,02%, aunque la cantidad de agua presente
realmente en la muestra podría ser algo superior si pensamos que puede
haber agua fuertemente ligada a la estructura que no haya podido ser
eliminada durante la deshidratación de las muestras. No obstante, puesto
-237-
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,
V.3. Propiedades mecánicas y color
que en este caso se trata de solutos compatibles con el agua, es difícil pensar
en un comportamiento de este tipo, por lo que se recomienda realizar
estudios de microestructura a estos mismos niveles de humedad que ayuden
a entender los cambios que ocurren en las muestras.
Tabla V.12. Temperatura de transición vitrea de muestras de manzanas deshidratadas.
T ra ta m ie n to
AC: 3 0 °C
AC: 5 0 °C
N IV
M C: 3 0 °C 8s 8 0 W
M C: 5 0 °C 8s 8 0 W
AC: 3 0 °C
IV
AC: 5 0 °C
M C: 3 0 °C 8b 8 0 W
& ve
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
0 ,0 0 0
0 ,1 1 5
0 ,2 2 6
x .(% )
0 ,0 4
3 ,7 1
6 ,0 8
0 ,0 4
3 ,7 3
6 ,0 9
0 ,0 5
3 ,6 2
6 ,0 3
0 ,0 4
3 ,6 8
6 ,0 3
0 ,0 2
4 ,2 3
7 ,3 2
0 ,0 5
4 ,2 1
7 ,2 9
0 ,0 3
4 ,1 7
7 ,3 3
T , (°C )
3 1 ,7 ± 0 ,2
1 2 ,6 ± 0 ,2
3 ,1 ± 0 ,1
3 2 ,2 ± 0 ,2
1 3 ,9 ± 0 ,2
3 ,4 ± 0 ,2
3 3 ,0 ± 0 ,1
1 5 .5 ± 0 ,1
4 .5 ± 0 ,2
3 3 ,4 ± 0 ,2
1 6 ,2 ± 0,1
4 ,9 ± 0 ,1
3 9 .5 ± 0 ,5
3 9 .6 ± 0 ,6
3 9 ,3 ± 0 ,2
4 0 ,6 ± 0 ,4
4 0 ,3 ± 0 ,1
3 9 ,5 ± 0 ,2
4 1 .2 ± 0 , 1
4 0 ,7 ± 0 ,3
4 0 .3 ± 0,1
La Tg de las muestras impregnadas se encuentra por encima de la
temperatura ambiente, lo que indica el carácter vitreo de todas ellas, y
además es mayor que las Tg de las muestras sin impregnación. El hecho de
que no se observe cambio de estado en estas muestras justificaría el haber
obtenido valores altos y constantes de las propiedades mecánicas,
independientes de su humedad. El cambio descrito para las propiedades
-238-
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V.3. Propiedades mecánicas y cohr
mecánicas con la humedad es de tipo sigmoidal: las muestras presentan
valores altos de la propiedad y relativamente constantes cuando la humedad
o la temperatura son bajas, es decir, mientras el producto se encuentra en
estado vitreo. Cuando se produce el cambio de estado, el valor de las
propiedades mecánicas disminuye drásticamente hasta que a partir de otro
determinado valor de humedad o temperatura vuelva a estabilizarse (Peleg,
1994).
■
- 239 -
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CONCLUSIONES
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
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Conclusiones
1. El equipo diseñado y construido que combina el secado por aire
caliente con la aplicación de microondas permitió registrar en
continuo la evolución de las variables del proceso (temperatura y
humedad relativa ambiental, temperatura de secado, potencia
incidente y reflejada de microondas, peso del producto) y obtener
los datos necesarios para estudiar su cinética.
2. Los cambios producidos por la impregnación a vacío en la
propiedades físicas de manzana estudiadas con solución isotónica
se traducen en:
a) un incremento de la densidad aparente del 18,6%, debido al
aumento en la masa y el descenso en la porosidad
ocasionado por la sustitución del gas ocluido en los poros
por solución de impregnación.
b) un alimento de la conductividad térmica de las muestras
debido a la
mayor conductividad
del
líquido
de
impregnación frente a la del gas sustituido por la
impregnación a vacío.
c) Un ligero efecto favorecedor en la capacidad de absorber
energía microondas aunque no de disiparla, como se
desprende del mayor valor de la constante dieléctrica y
similar factor de pérdidas del producto impregnado,
respecto al no impregnado.
-241 -
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Conclusiones
3. El estudio de la influencia del contenido en humedad y /o la
temperatura en las propiedades térmicas de manzana no
impregnada a vacío, pone de manifiesto que:
a) Con respecto al efecto del contenido de humedad del
producto en el calor específico, se encontró una relación
polinómica de segundo grado entre ambas variables. La
temperatura no afectó significativamente al calor específico
del producto en el intervalo de temperaturas estudiado. No
obstante,
se encontró
una
ecuación
que relaciona
adecuadamente el calor específico con la temperatura y el
contenido de humedad.
b) Los valores de difusividad térmica predichos mediante
ecuaciones descritas en bibliografía y basados en la
composición del producto, variaron, en el intervalo de
humedades considerado, entre 1,45.1o7 y 1,78.107 m2/s y
los de conductividad térmica entre 0,47 y 0,28 W/m°C.
Estos valores para el producto fresco coinciden con los
encontrados en la bibliografía para manzana. El descenso
en el contenido de humedad de las muestras supuso una
disminución de tipo exponencial para la conductividad
térmica, mientras que la difusividad térmica no varió
significativamente.
-242Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Conclusiones
4. Del estudio de la influencia del contenido en humedad, actividad
del agua y porosidad en las propiedades dieléctricas del producto
|
impregnado y no impregnado, a una frecuencia de 2,45 GHz y una
Í
temperatura de 25°C, se deduce que:
|
i
a) Tanto la constante dieléctrica (s') como el factor de pérdidas
|
dieléctrico (s") aumentan con el contenido en humedad
:
hasta alcanzar el valor correspondiente al agua pura, si bien
;
s" alcanza su valor máximo para un contenido en humedad
j
cercano al 50%. La profundidad de penetración, por otra
¡
parte, aumenta a medida que se deshidrata el producto,
|
pues se reduce su capacidad de absorción de energía
íí
microondas.
j
b) No obstante, la variación de estas propiedades con el
1
contenido en humedad no sigue la misma línea de
j
tendencia en el caso de las muestras impregnadas y las no
j
impregnadas a vacío, lo que podría ser debido de nuevo a
j
la diferencia de porosidad entre ellas.
c)
?
La variación de la constante dieléctrica con la actividad del
agua, tanto en las muestras NIV como IV, permite afirmar
t
que cuanto más ligada y ocluida en la estructura se
encuentra el agua, se produce un descenso más acusado de
|
la capacidad de absorber energía de microondas (constante
j
dieléctrica) y sobre todo de disiparla en forma de calor
j
(pérdidas dieléctricas). El pico observado en el factor de
¿
j
•
pérdidas en los niveles intermedios de humedad parece
|
estar relacionado con la disminución de la frecuencia de
¡
3
\
i
:--------
- 243 -
¡
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Conclusiones
relajación (a la cual el producto es capaz de disipar la
máxima energía) hasta un valor cercano a la frecuencia de
operación.
5. El estudio cualitativo del secado por aire caliente de manzana,
tanto IV como NIV, a partir de las curvas de secado
experimentales obtenidas para todos los tratamientos, permitió
observar la esperada reducción en el tiempo de secado ocasionado
por un aumento de la temperatura y de la velocidad de circulación
del aire en los intervalos estudiados. En cuanto a la velocidad del
aire,
valores
mayores
implican
mayores
coeficientes
de
transferencia de calor en la interfase, lo que supone un incremento
en los flujos de agua. Por otra parte, cuanto menor fue el espesor
de muestra empleado, para el resto de variables constantes, más
rápida fue la difusión de agua hacia el exterior.
6. La impregnación a vacío supuso en todos los casos una reducción
de la velocidad de secado en los tratamientos por aire caliente,
debido fundamentalmente al aumento de la cantidad de fase
líquida de las muestras sin cambio importante en la superficie de
transferencia de materia. Este fenómeno podría además estar
asociado a la elevada concentración en azúcares de la fracción
líquida extracelular dél producto impregnado cuando se evapora
el líquido de impregnación que ocupa los espacios intercelulares,
-244-
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Conclusiones
lo que dificulta aún más la difusión de agua residual hacia el
exterior.
7. La impregnación a vacío como tratamiento previo al secado
combinado por aire caliente y microondas no supuso mayores
velocidades de secado, lo que indica velocidades de pérdida de
agua superiores en el caso de los productos impregnados ya que la
base seca en ellos es mayor que en los no impregnados. Puesto que
el control de la velocidad de pérdida de agua reside en la potencia
de microondas disipada, la variable de control es el volumen del
espacio de campo electromagnético ocupado por un material
capaz de disipar parte de la energía del mismo Desde este punto
de vista, puede afirmarse que, aproximadamente, en la misma
medida que aumenta la fase líquida en una muestra, aumenta su
capacidad de disipar energía, y por tanto en evaporar agua.
8. Las curvas de velocidad de secado experimentales obtenidas para
todos los tratamientos de secado por aire caliente y secado
combinado por aire caliente y microondas mostraron un primer
periodo de velocidad de secado creciente hasta alcanzar un
máximo, a partir del cual el secado transcurre según dos periodos
de velocidad de secado decreciente, cada uno según una pauta y
magnitud diferentes, debido probablemente a la menor absorción
de energía microondas a medida que disminuye el contenido en
humedad. Esto indica que el secado en las condiciones estudiadas
parece estar controlado internamente por el propio producto.
■245'
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Conclusiones
9. La aplicación de microondas al secado por aire caliente de
manzana supuso una reducción de los tiempos de proceso en un
70-90%, lo que permitiría obtener productos con mejor aroma,
mejor capacidad de rehidratación y más rápida, y mejor calidad
(temperaturas
superficiales
inferiores).
Por
otra
parte,
el
incremento en la velocidad de secado es tanto mayor cuanto
mayor es la potencia incidente aplicada, mientras que la
temperatura o el pre-tratamiento por impregnación a vacío no
resultaron ser factores relevantes en el proceso de deshidratación
por aire caliente y microondas. Esto podría deberse al hecho de
que la energía generada como calor en el producto cuando se
aplican microondas es mucho más importante que los cambios
introducidos en la transmisión interna de calor por aumento de las
fuerzas impulsoras cuando se aumenta la temperatura del aire.
10. La temperatura alcanzada en el interior del producto cuando se
aplican microondas es superior a la del aire de secado y se
corresponde con la potencia absorbida por el producto. La
evolución de las pérdidas dieléctricas con la humedad del
producto está relacionada con la temperatura alcanzada.
11. En el intervalo de potencias incidentes de microondas (expresadas
por peso inicial de producto) y temperaturas del aire estudiadas, y
para una geometría de lámina infinita, es posible predecir la
cinética de secado de manzana N IV e IV, a partir de estas
-246Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Conclusiones
y|
variables, mediante un modelo basado en fenómenos difusionales
|
y con dos etapas, cada una caracterizada por un parámetro
■i
cinético relacionado lineal o exponencialmente con las variables de
1
proceso. El tiempo crítico de secado, que separa las dos etapas, es
j
a su vez función inversa de dicha potencia. El modelo propuesto
i
resulta de gran utilidad a la hora de determinar rendimientos de la
;
operación y de diseñar los equipos necesarios industrialmente.
.yl
12. De las observaciones realizadas con la técnica de CryoSem se
confirma la rápida vaporización del agua en las muestras
deshidratadas con aire caliente y microondas a lo largo de toda su
estructura y la poca influencia de la impregnación a vacío en este
sentido, al presentar ambos tipos de tejido celular grandes huecos
rodeados por células con su estructura afectada en mayor o menor
medida, debido a la contracción y deformación.
13. Las coordenadas a* y b* aumentan significativamente con
cualquiera de los tratamientos estudiados tanto en las muestras IV
como NIV, siendo este aumento mayor al aplicar microondas. El
pardeamiento superficial que tiene lugar durante el secado es el
responsable de la disminución del tono y el aumento de la pureza.
La luminosidad de las muestras IV disminuye como consecuencia
del tratamiento de impregnación, pero no se ve afectada por el
secado.
-247Reproduced wíth permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Conclusiones
14. La influencia de la aplicación de microondas al secado por aire
caliente en las propiedades mecánicas de manzana pudo
apreciarse solamente cuando las muestras no fueron impregnadas
a vacío y la aw fue mayor a 0. El efecto de las microondas se reflejó
en un incremento en la fuerza máxima y en la pendiente de las
curvas fuerza-distancia, lo que se traduce en productos de mayor
firmeza. En estas muestras, la rigidez disminuye a medida que la
aw se incrementa, coherentemente con el efecto plastificante del
agua observado en el análisis de la Tgde las muestras. En las IV no
se observó influencia del contenido en humedad, en el intervalo
estudiado, en las propiedades mecánicas ni tampoco efecto
plastificante del agua.
j
15. El pre-tratamiento de impregnación a vacío permitió obtener, I
independientemente del método de secado empleado, manzanas
mucho más resistentes a la fractura en todo el intervalo de
humedad analizado y más rígidas que las muestras sin pretratamiento equilibradas a aw>0. Por lo tanto, la impregnación a
vacío permitiría la obtención de muestras más rígidas y más
estables en un intervalo de humedad más amplio que sin
impregnación.
-248 -
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ANEXOS
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A N E X O
1
Valores de las propiedades dieléctricas de algunos alim entos
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Anexo 1. Valores de las propiedades dieléctricas de algunos alimentos
Tabla 1.4.1. Valores predichos de las propiedades dieléctricas a frecuencias de m icroondas.
e'
Alimento
Ternera
Ternera
Cerdo
Patata
Zanahoria
Temperatura (°C)
25
50
25
25
25
915 MHz
62
55
59
65
73
e"
2450 MHz 915 MHz
61
27
55
39
58
26
64
19
72
20
2450 MHz
17
18
16
14
15
Adaptado de los datos de M udget (1982)
Tabla 1.4.2. Propiedades dieléctricas de algunas semillas a 24,2 °C y dos frecuencias diferentes.
e'
Tipo semilla
Cebada
Col
Cebolla
Tomate
Contenido humedad (%)
9.2
5.8
7.8
6.6
Adaptado de los datos de Mohsenin (1984)
10 MHz
2.9
2.7
2.2
2.0
e'
40 MHz
2.8
2.7
2.1
2.0
10 MHz
0.24
0.17
0.18
0.14
40 MHz
0.34
0.20
0.21
0.17
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Anexo 1. Valores de las propiedades dieléctricas de algunos alimentos
Tabla 1.4.3. Propiedades dieléctricas de algunos cereales.
Tem peratura
H um edad
(°C)
20
1 3 ,8
T rig o
2
2
1 3 ,0
A ve n a (hú m ed a)
18
1 3 ,6
C eb a d a (húm eda)
A daptado de los datos de M ohsenin (1984)
C ereal
(%) 1 M H z
4 ,0 0
2 ,2 0
2 ,4 5
e’
10 M Hz
3 ,7 5
2 ,0 0
2 ,3 5
1 MHz
ta n 8
10 M Hz
0 ,0 5 8
0 ,0 6 0
0 ,0 7 8
0 ,0 6 5
0 ,0 5 0
0 ,0 6 2
Tabla 1.4.4. Propiedades dieléctricas de una selección de aceites y grasas a 77°F y dos frecuencias diferentes.
A ceite o g rasa
1 .0 0 0 M H z
e’
3 .0 0 0 M H z
2 ,6 1 2
A ceite de soja
2 ,6 3 8
A ceite de m a íz
2 ,5 8 4
M a n te c a de cerdo
2 ,5 3 1
Sebo
A daptado según datos de M ohsenin (1984)
2 ,5 0 6
2 ,5 2 6
2 ,4 8 6
2 ,4 3 0
e"
1 .0 0 0 M H z
3 .0 0 0 M H z
0 ,1 6 8
0 ,1 7 5
0 ,1 5 8
0 ,1 4 7
0 ,1 3 8
0 ,1 4 3
0 ,1 2 7
0 ,1 1 8
ANEXO 2
Planos y C uadros eléctricos
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O
i
4, C'
s
6
-0.84-
PERFIL
LEYE N D A
ALZADO
i/ *
At
PLANTA
* l
Botón ap e rtu ra p u erta hom o
P u erta ham o
3
B alanza electrónica
4
Conexión R S-232C
S
E n trada de m kroondaa
6
E n trad a de a ire
t A'
J—
U niversidad PoU tícnica de V alen cia
A U TO R /A ;
Bl
-0 3 8 -
1
a
-0.46-
[Ѯ1
M * Eugenia M artín Esparza
PLANTA, ALZADO Y PE R FIL D E LA CAMARA D E
SECADO
SIN ESCALA
FECHA; JUUO 2002
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53
1
3o<A \ _ _ / 7 ' \ 30*
90*
7
3 0 *V /
/
Sección AA'
f 30*
............................................
>S
Sección CC'
LEYENDA
1
E n trad a de a ire
2
R e jilla (D -ln u n )
3
R e jilla (D -4m m )
4
C ám ara m etálica
5
6
E n trad a de m icroondas
Conducción de tefló n
7
Sección BB'
A gitador de modoe (a tlrre t)
IM w n k h d P olitécnica de V iln id »
A U TO R /A:
N °2
M * Eugenia M artín Esparza
8ECCIO NES A A ', B IT y C C D E LA CAMARA D E
SECADO
SIN ESCALA
FECHA:JULIO2002
ith permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
«5= 5!!
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1 .V e n tlla d o r
2.A nen6m etro
3.R egulador del t e r n o s t a t o
4 .R e s ls te n d a s
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S .T e rn o p a r d e l t e r n o s t a t o
¿ .S o p o rte n e t& llc o
7 .H lg r6 n e tro
8 .T e rn o p a r
U niversidad P olitécnica de Valencia.
A U TO R/A;
N° 3
M * E u g en ia M a rtín E sp arza
DETALLE D E LA CONDUCCIO N D E A IR E
SENESCALA
FECHA:JULIO2002
1
00
L
+a
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O 15 7J
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Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
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Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
g ____
I
j
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i
.1
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
ith permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Comunicación
Pin 9 targeto
de comunicación
Comunicación
22
T.T.
24
1 '» - Anemómetro
L1
12
Temperatura del aire de entrado
4
«i + Anemómetro
28
C+
Tierra y
a
—
9
29
C -_ s _
10
30
Lt
14
N
13
Sensor de temperatura a la
entrada del microondas 2x0.22
U niversidad P olitécnica de V alencia
AUTO R/A;
N° 7
M * Eugenia M artín Esparza
COMUNICACIONES TEMPERATURA ENTRADA SECADOR
EMPRESA; DME
FECHA:JULIO 2002
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
«I
T.T.
11
Temperatura ambiental
12
28 Comunicaciones con el
ordenodor. A pin *1*
Tierra
- 9
29 -
- 10
30 -
Sondo de temperatura entre resistencias
y anemómetro 2x0.22
U nlrcraTdad M ltta d c a de Valencia.
N° 8
AUTOR/A: M * Eugenia M artín Esparza
COMUWICACJONE3 SENSOR TEMPERATURAAMBIENTAL
EMPRESA: DME
FECHA:JULIO2002
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
T.T.
L1
12
Humedad relativa %
28
Comunicotiones con el
ordenador a pin “7"
Tierra--------
_ q
29
- 10
30 -
U n iven id ad PoUtécoka. de V alen cia
AUTOR/A;
N*9
M * Eugenia M artín Esparza
COMUNICACIONES SQ iSO R DE HUMEDAD RELATIVA
EMPRESA:DME
FECHA;JUUO 2002
ANEXO 3
A justes d el m odelo em pírico
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Anexo 3. Ajustes del modelo
t( s )
2000
1000
-0,2 -
3000
1000
4000
t-t(s )
2000
4000
2oPERIODO
NIV-30-1-2
1erPERIODO
NIV-30-1-2
-04 -
3000
-0,6 -
-0 3 -
-0,8 •
-1JO
-1,0 ■
-1 3 ■
-u -
-1 4
t( s )
500
1000
1500
2000
1000
1500
2000
0,0
-0 4 -
t( s )
500
200
400
600
800
Ofl 1 PERIODO
NIV-50-1-2
><
-0,1
-0,2 -
2» PERIODO
NIV-50-1-2
-0 3
-0 4 -
y = -0,00054x
-0 3
R2 = 0,984
-0 3 -
■07 -
2oPERIODO
NIV-60-1-2
l " PERIODO
NIV-60-1-2
5
_i
-
-13 -
y = -030060x
y=-030099x
R2 = 0,993
R2= 0,994
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 2 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 1 m /s
I
I
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
r*
Anexo 3. Ajustes del modelo
t( s )
1000
0,0
T -0,2
1000
30 0 0
03'
l'PERIO D O
NIV-30-2-2
X
BOjb
y
-03
•i JO
H c (s )
2000
-
—
-23
^
-
.................................. -
y
-25
-
t-fc(s)
400
600
200
8 00
400
600
ÍS -03
-0,4
800
1000
2»PERIODO
NIV-40-2-2
1 PERIODO
NIV-40-2-2
J
4000
‘ ----- ---2oPERIODO
NIV-30-2-2
= 330057x
R2 = 0,998
t(s )
200
'
? - 0 ,5 X
V -13
X
C -1 3 J
= -030032x
R2= 0,999
3000
2000
‘"
* -13 y = -0 3 0 1 7 6 X
y = -0 3 0 0 8 2 x
R2 = 0 .9 8 8
R =0,991
t( s )
500
1000
1500
2000
200
t-fe(s)
400
600
800
03 T -02x -04 -
2o PERIODO
NIV-50-2-2
02 -13 -
-12 ■
-1A
t(s )
1 PERIODO
NIV-60-2-2
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 2 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
I
Anexo 3. Ajustes del modelo
t(s)
4000
6000
2000
8000
1“ PERÍODO
NIV-30-1-4
* -0/4
2000
1000Í
We(s)
6000
4000
-0,2 -
2" p e r io d o !
NIV-30-1-4 :
-04 •
-04 -04 -
y = -0/00012x
R* = 0,998
-14 •
-1/2
1000
t(s)
2000
3000
4000
500
t-tc(s)
1000
1500
2000
2500
2» PERIODO
NIV-40-1-4
-0,4 y = -040032x
R2 = 0,997
2000
t(s)
0,0
■0,2
4000
»-t=(s)
6000
2000
2° PERIODO
NIV-50-1-4
1“ PERÍODO
NIV-50-1-4
v -0/4
, "0/0
X -0,8
5 -w
1,2 -i4
14
y = -040065x
R2 = 0,998
y = -0,00027x
R = 0,985
t(s)
1000
2000
3000
4000
1 PERIODO
NIV-60-1-4
5 -0 4 X -04
500
1000
1500
2000
2500
2o PERIODO
NTV-60-1-4
y = -0,00032x
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 4 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 1 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
1000
t(s)
2000
t-fc(s)
3000
0,0
-0,2 -0A
1000
4000
2000
0,0
-0,2
-0/4
-04
-
3000
4000
2“ PERIODO
NIV-30-24
-04
5 -14
-w
-14
-14
y = -040045x
R2 = 0,989
t(s)
1000
2000
t-fc(s)
3000
4000
500
5000
1000
y = -0,00030x
y = >0,0005x
R = 0,998
1^ = 0,9971
t(s)
1000
2000
3000
2000
2° PERIODO
NTV-40-24
1 PERIODO
NTV-40-24
X -04
1500
4000
500
t-fe(s)
1000
1500
2000
2500
1“PERIODO
NIV-50-2-4
* -0h
y = -0,00031x
y
R* = 0,991
1000
t(s)
= -0,00049x
R* = 0,993
2000
3000
4000
500
t-tc
1000
1500
2000
0,0
-0,5-
X -1,0 ■
-1,5 '
-1,0
-1,5
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 4 imn y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
Reproduced with permission o fth e copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
Anexo 3. Ajustes del modelo
t(s)
10000
t-fe(s)
30000
20000
-0,2 ■
10000
30000
20000
1"PERIODO i
NIV-30-1-7 |
-0A
40000
2° PERIODO
NIV-30-1-7
-0,6 ■
-0,8 ■
-1,0 •
-1,2
-1/1
y = -fl,000068x
R2= 0,997
t(s)
10000
5000
15000
20000
0,0
0,0
Ln ()
¿
2000
-
.
t-tcís)
4000 6000
.
.
8000
10000
.
2° PERIODO
NIV-40-1-7
É
-0,2 ■
-0A •
^0
Xwc)
-0,5
0
y = -0,000115x
-1,0 ■
R2=0,9%
-2JO
t(s)
5000
10000
15000
t-fc (s)
4000
2000
6000
8000
2° PERIODO
NIV-50-1-7
1 PERIODO !
NIV-50-1-7
y = •0/000106x
R2 = 0,999
0
2000
t(s)
4000
6000
8000
10000
2000
t - t (s)
4000 6000
1 PERIODO
NIV-60-1-7
y = -0,000137x
R2» 0.997
8000
10000
2” PERIODO
NIV-60-1-7
y = -0,000242x
R1 = 0,990
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 7 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 1 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
10000
t(s)
20000
5000
30000
t-tc (s)
2» PERIODO
NIV-30-2-7
1 PERIODO
NIV-30-2-7
y = -0,000065x
R2 - 0,999
5000
J
15000
10000
y = -0,000097x
1^ = 0,999
t(s)
10000
2000
15000
8000
2o PERIODO
NIV-40-2-7
1" PERIODO
NTV-40-2-7
-0A
6000
'4000
>< -0,6
y = -0,000123x
R2 = 0.998
0
-U>-
c
-1,5 •
-2,0
1er PERIODO
NIV-50-2-7
1
O
(OM
X
>
nJ
2000
6000
4000
0
0,0
X
t-fc(s)
t(s)
2000 4000 6000 8000 10000 12000
2o PERIODO
NIV-50-2-7
-05
-1
y = -0,000164x
R2 = 0,993
t(s)
2000
4000
6000
8000
500
trfc(s)
1000 1500
1TERIODO
NIV-60-2-7
2000
2500
2» PERIODO
NIV-60-2-7
y = -0500243x
R2 = 0,991
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras N IV con un espesor
de 7 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
t-tc(s)
t(s)
5000
5000
15000
10000
15000
10000
2° PERIODO
IV-30-2-4
*
-0/4
y = -0500087x
R =0,992
2000
t(s)
0
6000
4000
t-fe(s)
200
100
0,0
300
400
.
2oPERIODO
IV-40-1-4
-0,02 4
"a
J -15 -
2000
4000
t(s)
6000
8000
-054 -
10000
y = -0500149x
R2 = 0,996
^6 * .
1000
500
1500
2000
2° PERIODO
IV-45-2-4
1“ PERIODO
1V-45-2-4
y = -0,000190x
-0,15 -
R2 = 0,999
-0,2
1000
t(s)
2000
3000
4000
500
Mc(s)
1000
1500
1°PERIODO
IV-60-2-4
2000
2500
2» PERIODO
IV-60-2-4
y » -0 /000344x
R2 = 0,994
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras IV con un espesor de
4mm
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Anexo 3. Ajustes del modelo
t(s)
t(5)
60000
40000
20000
-0,5 -
10000 20000 30000 40000 50000
?
1 PERIODO
IV-40-1-7
-0 5
y = -0,000035x
R* = 0,995
t-tc (s )
t(s)
100
200
300
400
1 " PERIODO
IV-50-1-7
-03
500
500
1000
1500
2000
2oPERIODO
IV-50-1-
>< -002 y = -0300034x
R2 = 0,996
-0 0 6
100
5000
10000
t-fc(s)
15000
500
20000
1“ PERIODO
IV-60-1-7
1000
1500
-002 -
i -1 3 0
-> -130
-200
y = -0,000107x
R2 = 0,999
J -006
-0 0 8
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras IV con un espesor de
7 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 1 m /s
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p
Anexo 3. Ajustes del modelo
t(s )
5000
fc-fc
10000
0,0
_ -oí
J
15000
.
l " PERIODO
IV-40-2-7
-o ,4
¿ -05
7 -oí
.-i
-15
5000
20000
y =-0500062x
2oPERIODO
IV-40-2-7
5 ,1
5 ,2
X
5 5
s
-J
5 5
5 5
- ií
15000
10000
0
t
X
Rz = 0,996
(s)
y = 5500052x ^
R2 = 0,999
-05
5000
t(s)
10000
t-Ms)
15000
1" PERIODO
IV-50-2-7
2000
*
*
6000
8000
10000
2oPERIODO
IV-50-2-7
-0 5
-0 5
x -05
-15 •
4000
y = -0,000148x
R2 = 0,999
t(s)
5000
10000
15000
0,00
-050 -
1 PERIODO
IV-60-2-7
J -150 -250
Ajustes lineales de las experiencias de secado convectivo para muestras IV con un espesor de
7 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
200
t-tc (s)
t(s)
600
400
800
0
1000
200
400
600
0,0
1" PERIODO
NIV-40-30W-4
2oPERIODO
NIV-40-30W-4
y = -0,00181x
R2 = 0,993
.1 ----t(s)
0
~
-0'2 ■
i
**■
200
t-fc (S)
400
600
0
800
1" PERIODO
NIV-40-40W-4
-=• -05 > -0/4
X
3X -05
c "0/® * y = -050142x + 0,06749
-1,0
R2 = 0,995
5
-05
100
200
^ 9
300
^
400
500
2oPERIODO
NIV-40-40W-4
y = -050140x
R2 = 0,994
-05
t( s )
500
0,0 <
? -0,2 i.
1000
1500
1 PERIODO
NIV-50-20W-4
-0 ,4 -
-1,0-1,2t-t(s)
t(s)
)
200
400
600
800
1000
r
m
0,0
,
-0 5 -
*
-0 A
l " PERIODO
NIV-50-40W-4
-
500
-0,5
1000
1500
2° PERIODO
NIV-50-40W-4
>S -05
5
-05
-15
-15 •
y = -0,00114x
Ri = 0,rS95
♦
-15
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras NIV con un espesor
de 4 mm y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m / s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
t-tc (s)
t(s)
5000
10000
15000
500
y = -0,00169x
= -0,0003Ox
R =0,990
R2 = 0,99530
t-tc ;
(s)
500
0,0 <
1000
2000
1000
1500
1“ PERIODO DTE
NIV-30-35W(1.7W/g)-7
-0,1 -
2000
1 PERIODO V DTE
NIV-30-90W(4,3W/g>7
1 PERIODO
NIV-30-1W/g-7
y
1500
1000
3000
4000
2» PERIODO DIE
NIV-30-35W(2,6W/g)-7
-04 -
-04 -04 -
-04 t(s)
t(s)
2000
4000
1000
500
6000
1500
2000
600
800
0,0
-04 -
1 PERIODO
NTV-30-40W(2,6W/ g>7
1000
t-lci (s)
J -14-
t-»c2 (S)
2000
3000
y = -0,00111x
i
-
1 PERIODO DTE
NIV-30-45W(3.2W/g}-7
Rí = 0,990
1,0
200
400
2" PERIODO DTE
NIV-30-60W(15,7W/g)-7
5 . -2JO
y = -0,00052*
1 PERIODO DTE
NIV-30-60W(4,4W/g)-7
t-tc2 (S)
500
1000
1500
2000
t-tc¡ (a)
200
400
600
1 PERIODO VDTE
NIV-30-85W(4.2W/g)-7
y = -0,00168x
R2 = 0,992
800
1000
y = -0,00095x
R2 = 0,988
2oPERIODO DTE
NIV-30-85W(l 94W /g)-7
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras N IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 30°C y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
[4
Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
!
______________________________ Anexo 3. Ajustes del modelo
t-tc(s)
1000
2000
3000
4000
1000
t-tc(s)
2000
3000
PERIODO V DTE
N1V-40-20W (lW /g)-7
y = -0,00036x
R = 0.996
500
X
t-tr(s)
1000
R2= 0,994
PERIODO V DTE
NIV-4O-40W (lD4W /g)-7
1500
2000
2500
500
t-t(s)
1000
y = -ODOlólx
R =0,994
R2= 0,995
1000
1500
1500
2000
PERIODO V DTE
NTV-40-S0W(4,9W/g)-7
y = -OD0120X
500
5000
y = -0,00063x
PERIODO V DTE
NIV-40-60W(3,7W/g)-7
-ID -
4000
t-fe(s)
2000
500
PERIODO V DTE
NIV-40-100W(4,7W/g)-7
1000
1500
2000
PERIODO V DTE
NIV-40-12 0 W (4 .» W /g ).7
y = -0,00206x
R2 = 0,983
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras N IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 40°C y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
Mc(s)
500
1000
t- t (s)
1500
2000
2500
2000
4000
6000
2oPERIODO
NlV-50-20W(1.4W /fJ-7
1 " PERIODO VDTE
’-50-20W(0,8W/g)-7
y = -0,0004lx
y = -0,00029x
R2 = 0,997
0
^
-04 ■
£
-0,2-
¿
e
J
-03
-0 4 -
200
400
.
600
$00
1000
2° PERIODO
NIV-5040W(sm dito)-7
l"PERIODO VDTE
NIV-50-40W(13W/g)-7
y = -0,00049x
y * -0,00096x
R2 = 0,997
R2 = 0,991
-03
200
tb (s)
400
t-fc(s)
800
1 " PERIODO VDTE
-50-60W(2,7W/g)-7
500
y = -0,0017x
R2 = 0.984
R2 = 0.981
t-tc (S)
1000
1500
-0.00151X
R =0,992
t-tc(s)
500
1000
PERIODO VDTE
NIV-50-100W(4^9W/g)-7
R2 = 0,992
t(s )
400
1000
200
Wc(s)
400
y = -0,00233x
y = -0,00472x
R2 = 0.998
R2= 0,987
1 PERIODO
NIV-50-120W(4,6W/g)-7
1500
y = -0,00238x
PERIODO VDTE
NIY-50-80W(3,9W/g)-7
200
1500
2»PERIODO VDTE
O NIV-50-60W(4.6W/g)-7
y = -0,00089x
500
1000
600
2*PERIODO
NIV-50-120W(28,2W /g)-7
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras N IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 5CPC y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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n
Anexo 3. Ajustes del modelo
1000
!000
3000
4000
1000
>000
3000
4000
0,0
le r PERIODO DTE
IV-30-25W(1 W / g)-7
- 0,2 -
2oPERIODO DTE
IV-30-25W(l,9W/g)
-0,5 -
JS -03 e
J -03 -
1,0
-
500
fc-fci (&)
1000
1500
0,1
•
-02
■
-
l “ PERIODO DTE
IV-30-40W(13W/g)-7
0,0
<
0,1
-
-02
-
-
-03 -
-03 -0/4 -
-0/4 •
-0 3 -
-03
-03 -
500
t-tc l
(s)
1000
800
600
200
Oft
1000
2» PERIODO DTE
IV-30-40W(23W/g>-7
500 Wc2 (s) 1000
1500
le r PERIODO DDE
IV-30-40W(l 3W /g)-7
1500
2»PERIODO DTE
IV-30-40W(2.4W/g)-7
> -0,3 y
= -0,00036x
y = -ÍM)0059x
R2 = 0,995
R2 = 0.9%
500
t-fci (s)
1000
1500
1“ PERIODO DTE
IV-30-48W(2W/ g)-7
y = -030057x
R2= 0,998
1000
i
.
.
i
-1
* -13
¿
-2
N .
y " -030071x
R2= 0,993
.
y = -030087X
R2 = 0,995
200
1 PERIODO DTE
IV-30-75W(2,5W/g)-7
-03
4000
.
t-tc2 (S)
500
c -03
3000
2oPERIODO DTE
IV-30-48W(43W/g)-7
-0 3 •
J5 -2'5
-3
-33
t - f c i( s )
t-tc2 (S>
2000
)
400
600
800
2» PERIODO DTE
IV-30-75W(63W/g)-7
y = -030121x
R2 = 0,992
Ajustes lineales de las experiendas de secado combinado para muestras IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 30°C y velocidad lineal de circuladón de aire de 2 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
200
t-fci (s)
400
600
800
500
1000
t-ttí (s)
1000
y = -0,00092x
200
2000
2oPERIODO DTE
IV-30-75W(18W/g>-7
1" PERIODO DTE
IV-30-75W(3W/ g)-7
>< -0h
1500
y = -0,00151x
R2 = 0,978
t-tcl(s)
400
t-tci(s)
600
800
500
1000
y = -0,00110x
R2 = 0,995
1500
y = -0,00182x
R2 = 0,994
2“ PERIODO DTE
IV-30-94W(7,3W/g>7
1 PERIODO DTE
IV-30-94W(3.4W/g>7
-3
Mcl (s)
500
1000
-0,5 -
6b
1500
500
2000
1“ PERIODO DIE
IV-30-90W(5,lW/g)-7
(s)
1000
1500
2° PERIODO D1E
IV-30-90W(22W/ g)-7
* -0/1 y = -0,00109x
R2 “ 0,994
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 30°C y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
)
1X 0
2X 0
3X 0
4X 0
1000
5X 0
2000
3000
4000
5000
2000
2500
y - - 0 3 X 2 Ix
-02
R2 - 0,9997
-04
-05
-03
1 " PERIODO DTE
-1 - IV-4O-20W(15W/g)-7
2'PERIODO DTE
IV-40-2OW(,l 3 W / g¡y¡
-1 5 -
t-t«í(»)
1500
1000
500
500
2000
la-PE R IO D O DTE ¡
IV-40-40W(l 5 W / g)-7 j
1000
1500
2* PERIODO DTE
IV-40-40VY-7
•0 5
-0 4
-1 5
1000
500
-02-
1500
500
1000
1500
1000
1500
1* PERIODO DTE :
IV-40-6QW(25W/ g)-7
-0 4 ■
2 ° PERIODO DTE
IV-40-60VYÍ63VV/'
200
400
-02
600
800
1X 0
500
1* PERIODO DTE
IV-40-80W(3Vr7g)-7
2* PERIODO DTE
IV-80W(d5 W . kí-7
-04
-1 5
-2 5
t-M » )
0
2X
400
600
8X
}
5X
10X
1X 0
.
-0,1 -0 2 -
1* PERIODO DTE
IV-4D-1X W (4,7\ V/ g)-7
-
-0 5 ■
¿
-1 3 •
2* PERIODO DTE
j
IV-40-1X I V (8,9W / g)-7 !
-0 3 •04 - 0 5 - y - -0 3 0 0 9 6 x
R1- 0,994
-0 5 -
2X
- 0,1 •
-
02-
-03 -04 -
4X
y --0 5 0 1 » 7 x
5
\
R2 - 0 ,9 9 4
6X
1* PERIODO DTE
IV-40-120W(4W/g>7
800
2X
■02
•
4X
600
2* PERIODO DTE
IV-40-120W (104W /g)-7
•0 4 •
-0 5 -
-05 -05 •
Ajustes lineales de las experiendas de secado combinado para muestras IV con un espesor
de 7 mm, temperatura de secado de 4CPC y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m / s
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Anexo 3. Ajustes del modelo
)
1000
2000
3000
4000
500
1* PERIODO DTE
IV-50-20W (0,7W / g>-7
-0 ¿ -
1500
-0 Z
-0 4
-0 A -
-0 4
-04 ■
-0 4
-05 ■
1000
2000
2500
0
y ■ -050028x
y - -0,00054*
R2 - 0,996
-1
2 ' PERIODO DTE
JV-50-20W(15\Y'gV7
-U
R2 “ 0,997
-1 4
2000
1500
2000
2500
2* PERIODO DTE
I ” PERIODO DTE
IV-50-40W(1,5 VV/g)-7
IV-50-40W(25 W /gV
C -0,4
y --0.00051X
y - -0,00094*
R2 ■ 0,999
R2 - 0,997
t-t,; (s)
500
0
-0-2
*
-04
¿
-04
5
1000
------ -
500
------------------------------'
N .
1000
1500
0 i
1* PERIODO DTE
IV-50-60W(2W f g)-7
»
X
2 - PERÍODO DTE
I \r-60Wf-l.-lW/g>7
-0 4 i
-1
&
y ■ -050072x
5
R 2 - 0,998
-1 4 -
®
y - -0 5 0 1 56x
R2 - 0,990
N
t-tc (s)
500
1000
1500
2000
2500
y - -040167*
PERIODO DTE
JV-50-8ÜW(3,9W/g)-7
R2 - 049018
y - -0,0014Sx
PERIODO DTE
IV -50-90W 04W / g)-7
R2 - 0,99026
200
t(s)
400
600
800
1000
0
y - -040168X
200
t-t«(s)
400
600
800
y - -040221*
R2 - 0,999
R2 - 0591
2* PERIODO DTE
[V-50-1 00 W( 17,7\ V / í >7
1 - PERIODO DTE
IV .50-100W (34W /g)7
H j (»)
0
1 - PERIODO DTE
IV-50-120W(4,4W/g)-7
y ■ -040139x
Ra - 0.992
-
1
500
-0 5 -U > .
>
&
-1 5 -25 •
5
-2 5 •
-3 5 ■
-3 5 -1
1000
1500
2* PERIODO DTE
rV-50-120VTOlV.'gV?
y --0 4 Q 2 6 1 x
R2 “ 0,993
Ajustes lineales de las experiencias de secado combinado para muestras IV con un espesor
de 7 m ía temperatura de secado de 5CFC y velocidad lineal de circulación de aire de 2 m /s
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