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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.6 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000600002 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°6-2004, págs.: 9-16

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA

Influencia del Tratamiento Osmótico en el Secado de la Banana “Nanica” (Musa cavendishii, L.) en Secador de Lecho Fijo

Influence of Osmotic Treatment onthe Drying of "Nanica" Bananas (Musa cavendishii, L.) in a Fixed Bed Dryer

O.C.P. Gaspareto*, E.L. Oliveira, P.D. L. da Silva y M.M.A. Magalhães
Univ. Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Post-Graduación de Ingeniería Química, Núcleo Tecnológico,
Campus Universitario s/n, 59072-970 Natal, RN-Brasil

Dirección para correspondencia


Resumen

Se ha estudiado la influencia de la concentración de azúcar (50 y 70 °Brix) y de la temperatura (50 y 70 °C) en la deshidratación osmótica de la Banana “Nanica” (Musa cavendishii, L.). Para el secado complementario fue empleado un secador de lecho fijo a 60 °C y velocidad del aire 2.0 m/s. Durante el secado se verificó el comportamiento cinético del proceso, usando datos experimentales de los períodos de velocidad decrecientes, obteniéndose curvas de velocidad de secado versus humedad. Basándose en un modelo difusional fueron calculadas las difusividades efectivas, para 50 °Brix/50 °C, 50 °Brix/70 °C, 70 °Brix/50 °C y 70 °Brix/70 °C resultando 9.12x10-10, 9.46x10-10, 1.01x10-09 y 1.05x10-09 m2/s, respectivamente. De los resultados obtenidos, se observó que la difusividad efectiva no estuvo influenciada por la concentración de azúcar y tampoco por la temperatura. Por lo tanto, la mejor condición de pérdida de humedad y ganancia de azúcar fue de 70 °Brix/50 °C.


Abstract

The influence of sugar concentrations (50 and 70 °Brix) and temperature (50 and 70 oC) on the osmotic dehydration of "Nanica" Bananas  (Musa cavendishii, L.), have been studied. For supplementary drying, a fixed bed drier was used at 60 oC with an air flow of 2.0 m/s. The kinetic behavior of the process was verified during drying using experimental data on the periods of decreasing velocities to obtain curves of drying speed vs humidity.  Effective diffusivities were calculated based on a diffusion model for 50 oBrix/50 oC, 50 oBrix/70 oC, 70 oBrix/50 oC and 70 oBrix/70 oC, with respective results of 9.12x10-10, 9.46x10-10, 1.01x10-09 and 1.05x10-09 m2/s. It was observed that the effective diffusivities were neither influenced by the sugar concentration nor by the temperature. The best condition of humidity loss and sugar gain was at 70 oBrix/50o C.

Keywords: osmotic dehydration, banana drying, effective diffusivities, fixed bed dryer


 

INTRODUCCIÓN

La banana es una fruta que varía del color verde al amarillo dependiendo de su estadio de maduración. Es originaria de la zona caliente y húmeda del sudeste asiático, en especial, de las regiones comprendidas entre la India y la parte oriental de Malasia. Brasil se destaca en la actualidad como gran productor de frutas tropicales, ocupando el segundo lugar a nivel mundial en producción de bananas. Además de ser consumida mundialmente, la banana es un alimento energético que presenta un alto nivel de vitamina C, razonables cantidades de vitamina A, B1 y B2, pequeñas cantidades de D y E, y un gran porcentaje de potasio, fósforo, calcio y hierro comparación con la manzana y la naranja (Medina et al., 1978).

Las frutas se caracterizan por su alto contenido inicial de humedad, siendo considerados productos altamente perecederos. Por eso, se deben buscar alternativas que posibiliten la industrialización del producto y la reducción de los altos índices de desperdicio.

La conservación de alimentos mediante secado es una operación imprescindible en la industria de producción de alimentos. La extracción del agua de estos productos tiene la ventaja de inhibir el crecimiento microbiano, bajando los costos de envasado, almacenamiento y de transporte. El proceso de secado puede llevarse a cabo por diversos sistemas, pero la elección va a depender siempre de la naturaleza del producto, forma y calidad requerida, costo del procesamiento y condiciones de operación. El secado puede reducir parcial o totalmente el volumen de agua libre en el alimento, obteniéndose una mejora en las condiciones microbiológicas, organolépticas y fisicoquímicas. Por tanto, el secado es un proceso que permite un período mayor de almacenamiento y comercialización.

La búsqueda de alternativas que reduzcan el consumo de energía es una constante en todos los órdenes. En el secado de frutas y verduras la preocupación con la obtención de productos de calidad ha llevado a muchos investigadores a utilizar como pretratamiento la deshidratación osmótica (DO), que incluye ósmosis y difusión, ambas dependientes de la temperatura y la concentración.

Este proceso puede reducir hasta en 50% el contenido de humedad del producto, disminuyendo el tiempo de secado y, consecuentemente, el consumo de energía y mejorando la calidad del producto final. La deshidratación osmótica se perfila, entonces, como una alternativa válida en la procura de disminución del consumo energético.

En el área de la deshidratación osmótica se han realizado numerosos trabajos con frutas. Karathanos y Kostaropoulos (1995), estudiaron el proceso de deshidratación osmótica de la manzana, utilizando dos tipos de azúcar, tres concentraciones y tiempos diferentes de inmersión. Otros investigadores como Pokharkar y Prasad (1998a), Rahman y Lamb (1990; 1991), y Azeredo y Jardine (2000); estudiaron la deshidratación osmótica con ananás y su cinética de secado. Pokharkar y Prasad (1998b), Pokharkar et al (1997) y Sankat et al (1996) trabajaron con la banana, desarrollando modelos cinéticos para la deshidratación osmótica. Dandamrongrak et al (2002), concluyeron que el presecado favorece la calidad del producto final desecado (banana). Pueden citarse también investigaciones con champiñón (Bròvia i Pijuan et al., 1997), papaya (Wang y Brennam, 1995; Fernandez et al., 1995; El-Aquar y Murr, 2003; El-Aquar et al 2003; Silva 1998), tomate (Telis et al., 2004; Azoubel y Murr, 2004) y zanahoria (Singh et al., 1999).

Los objetivos propuestos de este trabajo son: a) realizar la deshidratación osmótica de la banana en función de la temperatura y de la concentración de azúcar comercial en la solución osmótica; b) realizar el secado posterior de la banana en secador de lecho fijo, usando aire a 60°C y velocidad 2,0 m/s; c) obtener el coeficiente efectivo de difusión del agua en la banana durante su secado en lecho fijo.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia Prima

La materia prima utilizada fue banana de la variedad “nanica” no madura por completo (cáscara verde), adquirida en el comercio local. Para la preparación de la solución osmótica, se utilizó azúcar comercial (sacarosa), conocida como azúcar blanca refinada.

Deshidratación Osmótica

Una vez seleccionadas, las bananas fueron lavadas en agua clorada (150 ppm) durante 20 min, luego peladas, raspadas, para remover la capa superior y, cortadas en trozos de 1,0 ± 0,2 cm de espesor y diámetro medio de 2,0 cm. Las muestras, colocadas en un cesto de acero inoxidable, fueron inmersas en solución osmótica (sacarosa) en concentraciones combinadas de 50 y 70 °Brix y temperaturas de 50 y 70 °C En todos los experimentos se mantuvo la misma razón de un kilo de muestra para cuatro kilos de solución y se mantuvo constante la agitación del sistema. Al final de cada alimentación las muestras fueron retiradas del baño osmótico en tiempos determinados de 1, 2, 3 y 4 horas, drenadas, pesadas y, posteriormente analizadas (sólidos solubles, pH, acidez y humedad), según las Normas del Instituto Adolfo Lutz (1985).

Para verificar el efecto de la temperatura y la concentración de la solución osmótica, se calculó, para cada ensayo, la ganancia de azúcar (SG) y la reducción de peso (WL). Esos parámetros fueron calculados usándose las ecuaciones, según Levi et al. (1983).

 

             (1)

             (2)

 

Secado en Lecho Fijo

Las rodajas de banana deshidratadas osmóticamente, en tiempo determinado de 3 horas, fueron dispuestas en bandejas de aluminio perforadas, de 20 cm de lado y 1,5 cm de profundidad, distribuidas en cinco hileras de seis rodajas, con aproximadamente 2,0 cm de distancia entre si. Las rodajas fueron pesadas y llevadas al secador a temperatura de 60º C con velocidad del aire de 2,0 ± 0,2 m/s. El tiempo requerido para que el producto llegara a peso constante fue de 8 horas. Después de esta operación se colocó el material tratado en recipientes esterilizados para su posterior análisis fisicoquímico.

Cuando el proceso de secado ocurre en el período de velocidad decreciente, la difusión es el proceso controlante y la humedad se desplaza hacia la superficie, a consecuencia de la difusión molecular. Por lo tanto, puede describirse el proceso de evaporación en el secado de material sólido aplicándose modelos matemáticos que consideran, como mecanismo principal, la difusión basada en la segunda ley de Fick, donde, el flujo o la difusión es unidimensional y la concentración de agua es función de la posición x y el tiempo t.

 

                                       (3)

 

Sea el caso de la difusión a través de una placa plana o de una membrana de espesor L y coeficiente de difusión D, en condiciones de superficie x = 0, y x = L, manteniendo las concentraciones U1 y U2 constantes, respectivamente. Entonces, cuando se alcanza el régimen estacionario y la concentración permanece constante en cada punto de la placa, la ecuación (3) se reduce a:

 

                                                  (4)

 

Para un coeficiente de difusión “D” constante. Integrando la ecuación (4) en relación a x, se tiene:

 

                                         (5)

 

Separando las variables, integrando e introduciendo las condiciones de contorno en x = 0 y x = L, se tiene:

 

                                              (6)

 

Las ecuaciones 5 y 6 muestran que las concentraciones varían en forma lineal de U1 a U2 a través de la placa.

La tasa de transferencia de materia es la misma en toda sección transversal de la membrana, dada por:

 

                         (7)

 

En un sistema unidimensional y homogéneo, la segunda ley de Fick es expresa por la ecuación (3). La solución que proporcionó Crank (1975), está sujeta a las condiciones iniciales (U(x,0) = Ui) y a condiciones de contorno{U (L/2, t) = Ue y }, dada por:

 

   (8)

 

La ecuación 8 para tiempos largos (régimen regular) converge rápidamente, pudiendo utilizarse el primer término de la serie como una buena aproximación.

 

                          (9)

 

A partir de la forma lineal de la ecuación 9, se obtiene la ecuación 10.

 

                   (10)

 

siendo,

 

                                                 (11)

 

A = coeficiente angular =          (12)

 

B = coeficiente lineal =              (13)

 

La ecuación 10 puede escribirse, como:

 

                                         (14)

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La materia prima y el producto obtenido se caracterizaron a través de análisis físico-químico de muestras frescas, deshidratadas y secas.

A partir de los resultados experimentales se definieron algunos parámetros cinéticos del proceso, tanto en la deshidratación osmótica como en el secado en secador convencional. Se usó un modelo matemático basado en la segunda Ley de Fick para determinar los coeficientes efectivos de difusión.

 

Deshidratación Osmótica

En la deshidratación osmótica se determinaron parámetros como ganancia de azúcar (SG) y pérdida de humedad (WL) para las muestras en las condiciones estudiadas, 50 ºBrix/50 ºC, 50 ºBrix/70 ºC, 70 ºBrix/50 ºC y 70 ºBrix/70 ºC. En las figuras 1 y 2 se presentan los parámetros de WL y SG en función del tiempo.

En las condiciones estudiadas, la mayor pérdida de humedad (WL) se dio en la primera hora de proceso (figura 1); tras este tiempo se redujo la velocidad de la pérdida de humedad. Puede verificarse que para las condiciones 70 ºBrix/70 ºC existe una pérdida de humedad significativa durante las dos primeras horas de proceso y que a partir de ahí, la velocidad de pérdida es despreciable. Puede observarse en la figura 1, que el aumento de la concentración de la solución osmótica de 50 hacia 70 ºBrix provoca un aumento de la pérdida de humedad. Lo mismo ocurre cuando se aumenta la temperatura de la solución de 50 para 70 ºC. Estos resultados están de acuerdo con los informados por otros autores (Silva 1988; Kaymak-Ertekin y Sultanoglu 2000).

Se observa que, en la figura 2 la condición que obtuvo menor ganancia de azúcar fue la 50 ºBrix/70 ºC, es decir, la condición de menor alteración organoléptica, estando más cerca de la fruta fresca. Los parámetros (WL) y (SG) presentaron resultados satisfactorios que coinciden con los obtenidos por Kaymak-Ertekin y Sultanaglu (2000).

Después de determinados los parámetros en la deshidratación osmótica, se repitieron los experimentos y se caracterizaron los productos. En la tabla 1 se pueden apreciar los resultados de pH, acidez, sólidos solubles y humedad. En dicha tabla, la acidez está expresada en mg de ac. nítrico/100 g de muestra, y S.S. significa sólidos solubles.

El pH tuvo una pequeña variación en relación con el aumento de la concentración osmótica, mientras que la acidez disminuyó. La pérdida de agua en el material deshidratado osmóticamente, fue del orden de 30 %. Los sólidos solubles aumentaron significativamente en relación con el producto fresco, principalmente después del secado.

Tabla 1: Resultados de los análisis con banana “nanica” fresca, deshidratada osmóticamente y secada en secador de lecho fijo.

Análisis

Fresca

50°Brix/50°C

50°Brix/70°C

70°Brix/50°C

70°Brix/70°C

Osmo

seca

Osmo

seca

Osmo

seca

Osmo

seca

pH

4,69

4,49

----

4,54

----

4,82

----

4,82

----

Acidez*1

0,47

0,42

----

0,37

----

0,32

----

0,32

----

S.S (Brix)*2

10,65

24,15

50,00

29,55

42,50

24,75

45,00

24,75

45,00

Humedad(%)

73,34

60,15

16,85

50,74

18,58

47,68

14,19

51,82

18,24

 

Fig. 1: Pérdida de humedad -vs- tiempo.

 

Fig. 2: Ganancia de azúcar -vs- tiempo.

 

Secado en Secador de Lecho Fijo

El secado de banana deshidratada  osmóticamente, en condiciones predeterminadas se llevó a cabo en un secador de lecho fijo. En la tabla 2 se presentan las condiciones experimentales de temperatura del ambiente, contenido de humedad y humedad relativa del aire.

Para la condición experimental en la deshidratación 50 ºBrix/50 ºC, la banana no alcanzó la humedad de equilibrio higroscópico durante el período de 8 horas. Pero, puede afirmarse que el secador utilizado presenta una buena distribución de aire, ya que las diferencias en la variación de humedad entre las tres bandejas son prácticamente las mismas (figura 3). En este caso, la curva con los valores medios es representativa para el estudio cinético del proceso de secado de la banana, tal como se representa en la figura 4.

Las figuras 4 y 5 muestran el comportamiento de la humedad del material en proceso de secado, a partir de las condiciones presentadas en la tabla 2.

Las condiciones operacionales en secador de lecho fijo son: temperatura de 60º C y velocidad del aire de 2,0 m/s para las cuatro condiciones de concentración osmótica, en tiempo determinado de 3 horas.

Para definir los parámetros empíricos a partir de la figura 4, donde la etapa que controla el proceso es determinada por la difusión, se diseña el gráfico del logaritmo de la razón de humedad en función del tiempo, determinándose el coeficiente angular “A” (ecuación 12), dado por la inclinación de la recta y el coeficiente lineal “B” (ecuación 13), definido  por la prolongación de la recta en el eje de ordenadas. Estos parámetros se presentan en la tabla 3. Del parámetro A se calcula el coeficiente efectivo de difusión.

En la figura 5, se presentan las curvas de la humedad en función del tiempo de secado para los resultados reales y teóricos, a condiciones de 50 ºBrix/50 ºC y 50 ºBrix/70 ºC, en secador de lecho fijo. De acuerdo con lo que se observa, el aumento de la temperatura, para la misma concentración osmótica, no influye sobre la velocidad del secado.

La figura 6 muestra los resultados experimentales y teóricos para las condiciones de 70 ºBrix/50 ºC y 70 ºBrix/70 ºC, el comportamiento cinético del proceso de secado de banana en secador de lecho fijo. Se verifica que la temperatura, para una misma concentración osmótica, no influye en la velocidad del secado.

Para las condiciones osmóticas estudiadas, 50 ºBrix/50 ºC, 50 ºBrix/70 ºC, 70 ºBrix/50 ºC y 70 ºBrix/70 ºC, en tiempo determinado de 3 horas, se puede afirmar que el modelo difusional describe perfectamente la cinética experimental del proceso.

 

Fig. 3: Variación de la humedad en función del tiempo de secado.

 

Fig. 4: Velocidad de secado en función del tenor de humedad del producto.

 

Fig. 5: Curva experimental y teórica de la humedad en función del tiempo de secado

 

Fig. 6: Curva de la razón de humedad en función del tiempo de secado.

 

En la tabla 3 se presentan los parámetros estudiados en secador de lecho fijo a temperatura de 60 °C con velocidad del aire de 2 m/s. La variación de humedad entre las muestras ocurre debido a la concentración del jarabe. El coeficiente angular “A” fue característico de una placa plana, para todas las muestras estudiadas. El modelo difusional, dado por la ecuación 10, describe coherentemente el proceso experimental con R2 superior a 0,99 y, por lo tanto, permite la determinación de los coeficientes efectivos de difusión para las condiciones operacionales de este trabajo.

Los resultados experimentales mostraron valores satisfactorios que condicen con los obtenidos por Kaymak-Ertekin y Sultanoglu, (2000).

 

Tabla 2: Condiciones para los ensayos de secado en secador de lecho fijo.

width="96%">

Ensayos

Humedad inicial (b.s)

U relativa del aire(%)

T ambiente

50°Brix/50°C

1,45

73,50

29,05

50°Brix/70°C

1,03

70,95

28,80

70°Brix/50°C

1,08

56,86

29,77

70°Brix/70°C

0,91

74,90

27,80

 

Tabla 3: Datos obtenidos por los cálculos hechos para la cinética de secado de la banana “nanica”.

 

50°Brix/50°C

50°Brix/70°C

70°Brix/50°C

70°Brix/70°C

Ui

1,45

1,03

1,08

0,91

Ueq

0,1667

0,1803

0,0492

0,1324

ln Ao

-0,2756

-0,2683

-0,2132

-0,1779

Ao

0,7591

0,7647

0,8080

0,8370

Bo

0,0054

0,0056

0,006

0,0062

R2

0,9994

0,9994

0,9995

0,9977

D( cm2/min)

0,0005

0,0006

0,0006

0,0006

D(m2/seg)

9,1189x10-10

9,4566x10-10

1,0132x10-9

1,0470x10-9

 

CONCLUSIONES

De acuerdo con los resultados experimentales, obtenidos en el secado de banana en forma de placas o láminas delgadas en secador de lecho fijo se concluye que: (a) el presecado, realizado con solución osmótica, reduce considerablemente el tiempo de procesamiento o tiempo de secado. Ello ocurre porque el producto deshidratado sufre una significativa pérdida en la humedad inicial, proporcionando al alimento un mejor aspecto y sabor y aroma agradables, (b)  se ha constatado, también, que todas las condiciones de concentración, o grado Brix y de temperatura estudiadas fueron satisfactorias. Pero, la mejor condición fue 70ºBrix/50°C, esto es, debido a que a mayor concentración del jarabe, hay un incremento en la pérdida de humedad y en la ganancia de azúcar, (c) el modelo difusional dado por la ecuación 10, describe coherentemente el proceso experimental con R2 superior a 0,99 y, por lo tanto, permite la determinación de los coeficientes efectivos de difusión para las condiciones operacionales de este trabajo, (d) se observó que la temperatura, para la misma concentración del jarabe, no influye sobre la velocidad del secado. Por otro lado, un incremento de la concentración resulta en una disminución de la velocidad del secado.

Por lo tanto, se puede afirmar que estos resultados son consistentes y, condicen con los reportados en la literatura (Sankat et al., 1996).

 

NOMENCLATURA

D   Coeficiente de difusión del líquido (m2/s)
L Espesor (m)
M0   Peso inicial (g)
Mf   Peso final (g)
U Humedad (kg/kg) (base seca)
Ui  

Humedad inicial (kg/kg) (base seca)

Ue   Humedad de equilibrio (kg/kg) (base seca)
Y0   Sólidos solubles inicial
Yf   Sólidos solubles final
X0   Humedad inicial (kg de H2O/kg de sólido seco)
Xf   Humedad final (kg H2O/kg sólido seco)
X   Humedad del sólido (kg H2O/kg sólido seco)

 

AGRADECIMIENTOS

 Al CNPq por el apoyo financiero que posibilitó la realización de este trabajo.

 

REFERENCIAS

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Correspondencia a: *(e-mail:odisseia@eq.ufrn.br)

 

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