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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P. DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
“ DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS EN ZUMOS Y NÉCTARES EMPLEANDO UN PROGRAMA EN VISUAL BASIC ” TESIS PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO AGRORINDUSTRIAL
PERSONAL INVESTIGADOR : - Bach. MIGUEL CESAR CASTILLO ORDINOLA - Bach. PIERO DANIEL ROJAS CHAVEZ.
ASESOR : - Ing. DANTE RENGIFO NARVAEZ.
Nvo. CHIMBOTE – PERU 2005.
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1
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DEDICATORIA
A mis padres Cosme y Gladys que con su gran amor y fe siempre estuvieron apoyándome durante todo el transcurso de mi carrera y en la culminación de esta investigación. A mis hermanos Milton, Yessenia y Jhon que me acompañaron en la etapa culminante de mi carrera. Yo dedico mi trabajo a todos ellos
Piero D. Rojas Chavez
.
A dios por el milagro de mi día a día. A mis padres, Genaro y Sara, por su gran amor, fuentes de fortaleza y guía en la culminación de vida profesional. A mis hermanos Dennis, Dante, Roberto y Junior; estimulo permanente para triunfar. A Carmen Rosa que con su incondicional amor, despertó los más lindos deseos de superación.
Miguel C. Castillo Ordinola
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2
[email protected]
AGRADECIMIENTO Con la certeza y la convicción de que no se puede trabajar de otra manera que no sea en equipo, queremos expresar nuestro agradecimiento a todas aquellas personas que, directa o indirectamente, han colaborado en la realización de esta tesis, y en especial: A nuestros padres, por sus abnegados sacrificios e incondicional apoyo durante el transcurso de nuestras vidas, quienes son nuestra inspiración para seguir adelante. Al Ing. Dante Rengifo Narváez, asesor de la Tesis y Docente de la Escuela de Agroindustria de la Universidad Nacional Del Santa. Por su invalorable orientación. Al Ing. Gilbert Rodríguez Paucar, por el apoyo brindado en el laboratorio de investigación y desarrollo de la escuela de agroindustria – UNS. A todos los docentes de la Escuela de agroindustria quienes no sólo nos inculcaron los conocimientos académicos sino también los valores y la ética profesional. A los amigos, compañeros y futuros colegas de la escuela de Agroindustria, por su amistad y estimulo durante los últimos años de la carrera. Y a todos los autores, editoras y entidades que creen y apuestan en la publicación y/o divulgación de información a través de la Internet.
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3
[email protected]
"Lo único que hacemos con las mejores frutas es cambiarles el envase." .
ÍNDICE I.
INTRODUCCIÓN
01
II.
BASE TEÓRICA
03
2.1. Frutas
03
2.1.1.Mango (Mangifera indica L.)
03
2.1.2.Manzana ( Pyrus mulas )
05
2.1.3.Maracuyá (Passiflora edulis f.flavicarpa)
06
2.1.4.Naranja (Citrus Aurantium)
08
2.1.5.Papaya (Carica papaya L.)
10
2.2. Tecnología Del Zumo
11
2.2.1.Definición
11
2.2.2.Insumos
12
2.2.3.Método de elaboración
14
2.2.3.1.Recepción
14
2.2.3.2.Lavado, selección y clasificación de los frutos 14 2.2.3.3.Extracción de los aceites esenciales
14
2.2.3.4.Extracción del zumo por prensado o cualquier otro sistema mecánico
14
2.2.3.5.Tamizado o filtración
16
2.2.3.6.Inspección de contenidos y control de calidad 17 2.2.3.7.Ajuste o corrección
17
2.2.3.8.Desaireado
17
2.2.3.9.Clarificación
18
2.2.3.10.Pasteurizado
18
2.2.3.11.Concentración
19
2.2.3.12.Enfriado y conservación del concentrado
19
2.3. Tecnología Del Néctar
[email protected]
20 4
[email protected]
2.3.1.Definición
20
2.3.2.Insumos
20
2.3.3.Método de elaboración
24
2.3.3.1.Recepción y selección
24
2.3.3.2.Clasificación
24
2.3.3.3.Pesado
24
2.3.3.4.Lavado
25
2.3.3.5.Pelado o mondado
25
2.3.3.6.Precocción / escaldado
25
2.3.3.7.Extracción de la pulpa (pulpeado) 2.3.3.8.Refinado
26 26
2.3.3.9.Estandarizado (ajuste) 2.3.3.10.Homogenizado
26 28
2.3.3.11.Pasteurizado
28
2.3.3.12.Envasado
28
2.3.3.13.Cierre o sellado
29
2.3.3.14.Enfriado
29
2.3.3.15.Almacenamiento 2.4. Propiedades Físicas
29 30
2.4.1.Sólidos solubles o °Brix
30
2.4.2.Densidad
31
2.4.3.Viscosidad
32
2.4.4.Calor específico (Ce)
36
2.4.4.1.El método de mezclas o el método adiabático 38 2.4.4.2.Método de enfriamiento o diferencial
40
2.4.4.3.Método eléctrico
41
2.4.5.Difusividad térmica (α)
42
2.4.5.1.Metodología de Dickerson
44
2.4.5.2.Método Matemático
46
2.4.5.3.Método grafico
46
2.4.5.4.Método analítico
47
2.4.6.Conductividad térmica (k)
49
2.4.6.1.Métodos en el régimen estacionario 2.4.6.2.Métodos en el régimen no estacionario
[email protected]
5
50 51
[email protected]
2.4.7.PH
52
2.4.8.Aumento ebulloscópico (ΔTe)
56
2.4.8.1.Correlaciones empíricas
57
2.4.8.2.Aproximación teórica
59
2.4.8.3.Líneas de Dühring
61
2.5. Software
63
2.6. Shareware
63
2.7. Algoritmo
64
2.8. Programa
64
2.9. Lenguaje de programación
III.
65
2.9.1.¿Qué es Visual Basic?
65
2.9.2.Características Generales de Visual-Basic
66
2.9.3.Creación de un programa bajo Visual Basic
67
MATERIALES Y MÉTODOS
68
3.1.
Ambientes donde se desarrollo el estudio
3.2.
Materiales
68 68
3.2.1. Materia Prima
68
3.2.2. Insumos
69
3.2.3. Materiales de vidrio
70
3.2.4. Evaluación de las propiedades térmicas
70
3.2.4.1.Para la evaluación de los sólidos solubles
70
3.2.4.2.Para la evaluación de la densidad
70
3.2.4.3.Para la evaluación de la viscosidad
71
3.2.4.4.Para la evaluación del calor específico
71
3.2.4.5.Para la evaluación de la difusividad térmica
71
3.2.4.6.Para la evaluación del pH
71
3.2.4.7.Para la evaluación del aumento ebulloscópico
72
3.2.5. Evaluación de las propiedades físicas
72
3.2.6. Reactivos
72
3.2.7. Maquinarias de la planta piloto
73
3.2.8. Equipos de computo
[email protected]
74
3.2.8.1.Hardware Básico
74
3.2.8.2.Hardware Opcional
74
6
[email protected]
3.2.8.3.Software
74
3.2.8.4.Programas adicionales 3.3.
74
Métodos
75
3.3.1. Metodología en la elaboración del Néctar
75
3.3.1.1.Proceso de elaboración
75
3.3.2. Metodología en la obtención del Zumo
76
3.3.2.1.Proceso de obtención 3.3.3. Metodología experimental
76 76
3.3.3.1.Análisis físico químico
76
3.3.3.2.Evaluación de las propiedades físicas
77
3.3.3.2.1. Sólidos solubles
77
3.3.3.2.2. Densidad
78
3.3.3.2.3. Viscosidad 78 3.3.3.2.4. Calor Específico
78
3.3.3.2.5. Difusividad térmica
78
3.3.3.2.6. Conductividad térmica
79
3.3.3.2.7. PH
79
3.3.3.2.8. Aumento ebulloscópico
79
3.3.4. Metodología para el procesamiento de datos
79
3.3.4.1.Cálculo de las propiedades físicas
79
3.3.4.2.Modelo de simulación
80
3.3.4.2.1. Toma de datos
80
3.3.4.2.2. Simulación del proceso
80
3.3.5. Metodología en la elaboración del Programa IV.
81
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
85
4.1. Características de la fruta empleada 4.1.1.Mango
85 85
4.1.2.Manzana
85
4.1.3.Maracuya
86
4.1.4.Naranja
86
4.1.5.Papaya
87
4.2. Obtención del Zumo
[email protected]
88 7
[email protected]
4.3. Elaboración del Néctar
89
4.4. Metodología experimental
89
4.4.1.Análisis físico químicos de los zumos y néctares de fruta
89
4.4.2.Determinación de las propiedades físicas
90
4.5. Colaboradores
90
4.5.1.Conductividad térmica
91
4.5.2.Difusividad térmica
91
4.6. Determinación de las propiedades físicas
91
4.6.1.Sólidos solubles (°Brix)
91
4.6.1.1.Zumo de Manzana 4.6.1.2.Zumo de Naranja
92 92
4.6.1.3.Zumo de Maracuya 4.6.1.4.Néctar de mango
92 92
4.6.1.5.Néctar mixto
93
4.6.2.Densidad (ρ)
98
4.6.2.1.Zumo de Manzana
99
4.6.2.2.Zumo de Maracuya
100
4.6.2.3.Zumo de Naranja
101
4.6.2.4.Néctar de mango
101
4.6.2.5.Néctar mixto
104
4.6.3.Viscosidad (μ)
109
4.6.3.1.Zumo de Manzana 4.6.3.2.Zumo de Naranja
111 111
4.6.3.3.Zumo de Maracuya 4.6.3.4.Néctar de mango
112 112
4.6.3.5.Néctar mixto
113
4.6.4.Calor específico (Ce)
124
4.6.4.1.Zumo de Manzana 4.6.4.2.Zumo de Naranja
125 126
4.6.4.3.Zumo de Maracuya 4.6.4.4.Néctar de mango
130
4.6.4.5.Néctar mixto
133
4.6.5.Difusividad térmica (α)
[email protected]
127
142 8
[email protected]
4.6.5.1.Zumo de Naranja
144
4.6.5.2.Zumo de Maracuya
144
4.6.5.3.Zumo de Manzana
145
4.6.5.4.Néctar de mango
145
4.6.5.5.Néctar mixto
148
4.6.6.Conductividad térmica (κ)
153
4.6.6.1.Zumo de Maracuya
154
4.6.6.2.Zumo de Manzana
155
4.6.6.3.Zumo de Naranja
155
4.6.6.4.Néctar de mango
156
4.6.6.5.Néctar mixto
157
4.6.7.pH 160 4.6.7.1.Zumo de Manzana
161
4.6.7.2.Zumo de Naranja
161
4.6.7.3.Zumo de Maracuya
161
4.6.7.4.Néctar de mango
161
4.6.7.5.Néctar mixto
163
4.6.8.Aumento ebulloscópico 168 4.6.8.1.Zumo de Manzana
169
4.6.8.2.Zumo de Naranja
170
4.6.8.3.Zumo de Maracuya
170
4.7. Modelo de Simulación – Balance másico
186
4.7.1.Toma de datos – Obtención de zumos de fruta 186 4.7.1.1.Zumo de maracuya
186
4.7.1.2.Zumo de naranja
186
4.7.1.3.Zumo de manzana
187
4.7.2.Toma de datos – Elaboración de néctares de fruta 4.7.2.1.Néctar de mango 4.7.2.2.Néctar mixto
188 189
4.8. Desarrollo Del Programa De Cálculo
[email protected]
188
9
190
[email protected]
4.8.1.Lenguaje de programación
190
4.8.2.Requerimientos del programa
190
A. Hardware básico
190
B. Hardware opcional
190
4.8.3.Instalación
190
4.8.4.Presentación del programa
191
4.9. Estructura Del Programa Y Expresiones Matemáticas
192
4.9.1.Objetivos del programa
192
4.9.2.Descripción del programa
192
4.9.3.Características del programa
193
4.9.4.Algoritmo de cálculo
194
4.9.5.Estructura De La Aplicación
198
A. Cálculo de las propiedades físicas
198
A.1. Datos de entrada en el zumo
198
A.2. Datos de entrada en el néctar
198
A.3 Cálculo de las propiedades físicas en zumos de fruta
198
A.4 Datos de salida
198
B. Simulación de los procesos
198
B.1. Datos de entrada en el zumo
198
B.2. Datos de entrada en el néctar
198
B.3. Cálculo del balance másico
199
B.4. Datos de salida del programa
199
4.9.6.Listado Del Programa
199
4.10.Ejemplo De Aplicación Resuelto
209
4.10.1.Cálculo de las propiedades físicas
209
4.10.2.Verificación y pruebas del modelo de simulación
210
V.
CONCLUSIONES
212
VI.
RECOMENDACIONES
214
VII.
REFERENCIA BIBLIOGRAFÍA
216
VIII. NOMENCLATURA Y UNIDADES
[email protected]
10
232
[email protected]
ANEXOS
239
ÍNDICE DE CUADROS 1. Composición del mango en 100 g de porción comestible
04
2. Composición de la manzana y zumo de manzana en 100 g de porción comestible
06
3. Composición del zumo de maracuya en 100 g de porción comestible
07
4. Composición del zumo de naranja en 100 g de porción comestible
09
5. Composición de papaya en 100 g de porción comestible
11
6. Tipos De Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)
23
7. Diluciones recomendadas en la elaboración de néctares de fruta
26
8. Densidad de algunos zumos de fruta
32
9. Viscosidad de algunos zumos de fruta
36
10. Calores específicos de algunos zumos de fruta
38
11. Difusividad térmica de algunos zumos de fruta
44
12. Conductividad térmica de los alimentos
50
13. Valores de los parámetros α, β, γ y δ de la ecuación (38) para evaluar el ascenso ebulloscópico en soluciones
59
14. Diseño experimental para la determinación de las propiedades Físicas en los zumos y néctares de fruta
80
15. Clasificación del grado de correlación
82
16. Composición de los zumos de fruta en 100 g. de muestra
89
17. Composición de los néctares de fruta 100 g. de muestra
90
[email protected]
11
[email protected]
18. Intervalos de confianza en la evaluación de los ºBrix para los zumos y néctares de fruta
95
19. Comparación del modelo obtenido (ρ - zumo de manzana) con los desarrollados por otros investigadores
100
20. Comparación del modelo obtenido (ρ - zumo de maracuya) con los desarrollados por otros investigadores
100
21. Comparación del modelo obtenido (ρ - zumo de naranja) con los desarrollados por otros investigadores
101
22. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar de mango a 12.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
103
23. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar de mango a 12.5º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
103
24. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar de mango a 13.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
104
25. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar mixto a 12.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
104
26. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar mixto a 12.5º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
105
27. Comparación del modelo obtenido (ρ – néctar mixto a 13.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
105
28. Comparación del modelo obtenido (μ aparente - zumo de manzana) con lo desarrollados por otros investigadores
111
29. Comparación del modelo obtenido (μ aparente - zumo de naranja) con lo desarrollados por otros investigadores
112
30. Intervalos de confianza en la evaluación de la μ aparente para los néctares de fruta
116
31. Comparación del modelo obtenido (Ce – Zumo de manzana) con los desarrollados por otros investigadores
125
32. Comparación del modelo obtenido (Ce – Zumo de naranja) con los desarrollados por otros investigadores
126
33. Comparación del modelo obtenido (Ce – Zumo de maracuya) con los desarrollados por otros investigadores
127
34. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar de mango a 12.0º Brix)
[email protected]
12
[email protected]
con lo desarrollados por otros investigadores
130
35. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar de mango a 12.5º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
131
36. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar de mango a 13.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
132
37. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar mixto a 12.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
133
38. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar mixto a 12.5º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
134
39. Comparación del modelo obtenido (Ce – Néctar mixto a 13.0º Brix) con lo desarrollados por otros investigadores
135
40. Comparación del modelo obtenido (α – Zumo de naranja) con los desarrollados por otros investigadores
144
41. Comparación del modelo obtenido (α – Zumo de maracuya) con los desarrollados por otros investigadores
144
42. Comparación del modelo obtenido (α – Zumo de manzana) con los desarrollados por otros investigadores
145
43. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar de mango a 12.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
145
44. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar de mango a 12.5º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
146
45. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar de mango a 13.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
146
46. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar mixto a 12.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
148
47. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar mixto a 12.5º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
148
48. Comparación del modelo obtenido (α – Néctar mixto a 13.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
149
49. Comparación del modelo obtenido (κ – Zumo de maracuya) con los desarrollados por otros investigadores
154
50. Comparación del modelo obtenido (κ – Zumo de manzana) con los desarrollados por otros investigadores
155
51. Comparación del modelo obtenido (κ – Zumo de naranja) con los
[email protected]
13
[email protected]
desarrollados por otros investigadores
155
52. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar de mango a 12.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
156
53. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar de mango a 12.5º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
156
54. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar de mango a 13.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
157
55. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar mixto a 12.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
157
56. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar mixto a 12.5º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
158
57. Comparación del modelo obtenido (κ – Néctar mixto a 13.0º Brix) con los desarrollados por otros investigadores
158
58. Intervalos de confianza en la evaluación del pH para los zumos y néctares de fruta
164
59. Intervalos de confianza en la evaluación de la temperatura de ebullición para los zumos de fruta
171
60. Elevación del punto de ebullición del zumo de naranja (°C) 175 61. Elevación del punto de ebullición del zumo de manzana (°C)
175
62. Elevación del punto de ebullición del zumo de maracuya (°C)
175
63. Comparación del modelo obtenido (Elevación del punto de ebullición – zumo de manzana) con el modelo desarrollado por G. H. Crapiste
[email protected]
14
176
[email protected]
ÍNDICE DE FIGURAS 1.
Forma de extracción común del zumo de naranja a nivel industrial
15
2.
Forma de extracción del zumo de manzana a nivel industrial
16
3.
Dispositivo experimental para la evaluación del calor específico
4.
Equipo utilizado para la obtención del perfil térmico
46
5.
Diagrama de Duhring de soluciones acuosas de hidróxido de sodio
62
6.
Dispositivo experimental para la evaluación de la elevación
42
del punto de ebullición
63
7.
Viscosímetro Brookfield LVDV- II+ y su Set de 4 Spindles LV
78
8.
Efectos de la temperatura sobre los ºBrix en los zumos de fruta
94
9.
Efectos de la temperatura sobre la ºBrix del néctar de mango
96
10. Efectos de la temperatura sobre la ºBrix del néctar mixto
97
11. Efectos de la temperatura sobre la densidad de los zumos de fruta
102
12. Efectos de la temperatura sobre la densidad del néctar de mango
106
13. Efectos de la temperatura sobre la densidad del néctar mixto 107 14. Evaluación del comportamiento reológico en los zumos de fruta
114
15. Efectos de la temperatura sobre la viscosidad en los zumos de fruta 115 16. Evaluación del comportamiento reológico en el néctar de mango
[email protected]
15
117
[email protected]
17. Efectos de la temperatura sobre la viscosidad de los néctar de mango
118
18. Evaluación del comportamiento reológico en el néctar mixto
120
19. Efectos de la temperatura sobre la viscosidad de los néctar mixto
121
20. Efectos de la temperatura sobre el calor específico en los zumos de fruta 128 21. Efectos de la temperatura sobre el calor específico en el néctar de mango136 22. Efectos de la temperatura sobre el calor específico en el néctar mixto
138
23. Efectos de la temperatura sobre la difusividad térmica en los zumos de fruta
147
24. Efectos de la temperatura sobre la difusividad térmica en el néctar de mango
150
25. Efectos de la temperatura sobre la difusividad térmica en el néctar mixto 151 26. Efectos de la temperatura sobre el pH en los zumos de fruta 162 27. Efectos de la temperatura sobre el pH en el néctar de mango 165 28. Efectos de la temperatura sobre el pH en el néctar mixto
166
29. Efectos de la presión de vacío en la temperatura de ebullición del zumo de naranja
172
30. Efectos de la presión de vacío en la temperatura de ebullición del zumo de manzana
173
31. Efectos de la presión de vacío en la temperatura de ebullición del zumo de maracuya
174
32. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de naranja a 9.0º Brix
178
33. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de naranja a 10º Brix
179
34. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de naranja a 11.0º Brix
179
35. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de manzana a 11.0º Brix
180
36. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de manzana a 12.0º Brix
180
37. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de manzana a 13.0º Brix
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16
181
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38. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de maracuya a 14.0º Brix
181
39. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de maracuya a 15.0º Brix
182
40. Relación entre la temperatura de ebullición del agua y la temperatura de ebullición del zumo de maracuya a 16.0º Brix 41. Algoritmo de cálculo del programa PFIZNEC 1.0
182 194
ÍNDICE DE ANEXOS 1.
Obtención del zumo de fruta
2.
Elaboración de néctar de fruta
3.
Análisis – Propiedades termifísicas
245
4.
Resultados obtenidos en la investigación
259
5.
Modelos propuestos por otros autores
285
6.
Toma De Datos – Simulación
302
7.
Manual de usuario del programa
303
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240 243
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RESUMEN La presente investigación tuvo como fin, mediante procedimientos experimentales, determinar las propiedades físicas, tales como los sólidos solubles, densidad, viscosidad, calor específico, difusividad térmica, conductividad térmica y pH en zumos y néctares de fruta en un rango de temperatura de 5 a 85º C así como calcular el aumento ebulloscópico en zumos en un rango de presión de 0 a 20 inHg. Para ello se construyo, en base a diseños presentados en bibliografía, los equipos para medir el calor específico, aumento ebulloscópico y difusividad térmica (metodología descrita por Dickerson (1965) y modificada por Poulsen (1982)). Los resultados experimentales indicaron que los valores de los parámetros termofísicos ºBrix, pH, viscosidad, densidad y difusividad térmica, disminuyen en forma progresar al aumentar la temperatura, en tanto que la conductividad térmica y el calor específico lo hacen prácticamente en forma lineal, ello en razón a que el agua posee los valores mas altos de los mismos entre todos los componentes de dicho producto. Los resultados experimentales obtenidos en el aumento ebulloscópico, realizado a los zumos de fruta, mostraron que a manera que se incrementa la presión de vacío en el sistema, la temperatura de ebullición disminuye, pero a la vez se aprecia un ligero
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incremento de la temperatura de ebullición cuando se incrementa la concentración a las mismas condiciones de vacío. Se usaron los resultados experimentales obtenidos para derivar modelos matemáticos y correlaciones para predecir estas propiedades como una función de la temperatura y de la presión, según el caso; encontrándose como modelos los siguientes: Modelo Polinomial (sólidos solubles, densidad, difusividad térmica, y pH), Modelo Rational function (sólidos solubles, viscosidad, calor específico, pH y aumento ebulloscópico), Modelo Arrehenius (viscosidad), Modelo MMF Model (viscosidad y pH), Modelo Vapor Pressure Model (viscosidad), Modelo Logistic Model (calor específico y pH), Modelo Weibull Model (calor específico) y Modelo Heat Capacity (pH). Encontrándose correlaciones de r entre 0.97 a 0.999 y de entre 0.91 a 0.98 para la evaluación de la viscosidad. Como resultado de este trabajo se obtuvo una herramienta computacional, formulado en el lenguaje Visual Basic 6.0 idóneo para su ejecución en entorno Windows 95/98/milenium y 2000. La utilización del mismo es muy sencilla, permitiéndonos gracias al manejo de ventanas, botones y enlaces, un fácil uso para personas que no necesariamente estén familiarizados con la computación. El sistema computacional desarrollado puede operar en dos modos •
Cálculo: Para calcular de una manera rápida y sencilla las propiedades físicas de los zumos y néctares de fruta.
•
Simulación: permite simular (Balance másico) los procesos de obtención y elaboración de los zumos y néctares de fruta.
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“ DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS EN ZUMOS Y NÉCTARES EMPLEANDO UN PROGRAMA EN VISUAL BASIC ”
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I.
INTRODUCCIÓN
Una de las razones principales que justifican el estudio de las propiedades físicas en productos alimenticios específicos es el hecho que siendo los alimentos sistemas complejos y de origen biológico están sujetos a una gran variabilidad en su composición y estructura, un efecto de esta diferencia es la imposibilidad de precisar las condiciones específicas de procesamiento para cualquier alimento si es que no se dispone de una información mínima sobre sus propiedades. Las propiedades físicas de los alimentos son el resultado de las interacciones físico químicas en el sistema. Su medida, control y correlación con otras propiedades del producto ha cobrado en los últimos años una extraordinaria importancia en la Ingeniería de Alimentos. El diseño o selección de equipos, la simulación y los procesos para la industria alimentaria requiere del conocimiento de estas propiedades. Otras dos áreas donde las propiedades físicas juegan un importante papel son: el control de calidad y los estudios estructurales y físicoquímicos de alimentos.
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Aunque existen avances en el conocimiento de las propiedades físicas de alimentos desarrollados durante las últimas tres décadas, es poca la información disponible en la literatura; la información sobre las propiedades físicas que existen están orientadas principalmente para algunos alimentos comunes. La inmensa cantidad de productos alimenticios, sus diferentes composiciones, y las diferentes temperaturas a que se llevan a cabo los procesos, hacen que las posibilidades de encontrar un valor adecuado sean reducidas.
En ciertas ocasiones, el cálculo de las propiedades físicas en alimentos usando correlaciones en forma manual es bastante tedioso y requiere de bastante tiempo, por lo que se requiere del uso de nuevas herramientas que permitan la evaluación de estas propiedades en forma precisa y confiable en un corto tiempo, la evolución en la informática y en combinación con los conceptos básicos de procesos térmicos de alimentos han llevado consigo un interés creciente por elaborar software con la finalidad de acelerar los procesos de cálculo. En la actualidad se sigue reconociendo la importancia de las propiedades físicas en la formulación, manufactura y estabilidad de alimentos, por lo que resulta necesario contar con métodos de medición rápidos, exactos y precisos. El presente estudio se realizó dentro de las instalaciones de la Universidad Nacional del Santa, Escuela de Agroindustria y tubo como objetivos los siguientes: -
Seleccionar, de las referencias bibliográficas, el método más apropiado, para la medición de las propiedades físicas (pH, ºBrix,
Densidad,
Viscosidad,
Calor
específico,
Difusividad
térmica, Conductividad térmica y aumento ebulloscópico) en los zumos y néctares de fruta. -
Medir por el método seleccionado las propiedades físicas en los zumos y néctares a diferentes niveles de temperatura y presión según sea el caso.
-
Desarrollar correlaciones matemáticas que permitan predecir la variación que experimentan las propiedades físicas de los zumos y néctares de fruta en un rango de temperatura y presión determinado.
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-
Comparar
los
resultados
de
medición
obtenidos
por las
correlaciones desarrolladas para los zumos y néctares de fruta con los modelos o valores existentes de los mismos en la literatura. -
Desarrollar un programa computacional, que de forma rápida, sencilla y con un alto grado de confiabilidad, permita obtener los valores de las propiedades físicas en zumos y néctares de fruta.
II. BASE TEORICA 2.1. Frutas 2.1.1.Mango (Mangifera indica L.) 2.1.1.1.Taxonomía Reino
:
Vegetal
Orden
:
Sapindae
Familia
:
Anacardiaceae
Genero Especie
: :
Mangifera
Mangifera indica L.
2.1.1.2.Descripción botánica
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El fruto es una drupa carnosa de forma arriñonada u oval, consta de un exocarpio, de una porción comestible o mesocarpio y un endocarpio endurecido en cuyo interior se encuentra la semilla, su peso varía desde 150 g hasta 2 Kg, su longitud varía de 5 a 15 y de 1.5-10 cm de grosor. Su color puede estar entre verde, amarillo y diferentes tonalidades de rosa, rojo y violeta; encierra un hueso o cavozo grande aplanado, rodeado de una cubierta leñosa. La fruta posee una cáscara semi dura que la protege; la carne es fibrosa y se encuentra ligada a una gruesa semilla. La fibra le confiere a la fruta la capacidad de resistencia al transporte aunque es una cualidad no deseada para el consumidor. La fruta de mango que se utiliza para procesar se debe cosechar en estado de madurez fisiológica, es decir, cuando el fruto está totalmente maduro. Debe tener su tamaño desarrollado y según la variedad, deben lucir un color amarillo o amarillo y rojo; y que internamente, alrededor de la semilla, tenga una coloración amarilla. (Internet: Mango – Industrialización). El mango maduro presenta un contenido de grados Brix entre los 12 – 13°, un valor de pH entre 3.5 y 4.0, densidad específica entre 1.01 y 1.02; resistencia de la pulpa a la presión entre 1.75 y 2.0 Kg/cm, observándose cambios de tonalidad de verde brillante a opaco como consecuencia de la degradación de la clorofila, así como en la parte interna de la fruta se aprecia un color amarillo pálido alrededor de la semilla. El mango posee un alto contenido de agua, azúcar y fibra; es rico en hierro, calcio, fósforo asimilable así como es buena fuente de vitamina C y beta caroteno. (Internet: Mango – Cultivo). Cuadro 1. Composición del mango en 100 g de porción comestible
CARACTERÍSTICAS
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Mango1
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FRUTAS Mango2
Mango3
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Porción comestible (%) Agua (g) Fibra alimentaría (g) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos (g) Ceniza (g) Retinol- Vit. A (μg) Riboflavina (mg) Vitamina C (mg)
70.0 83.0 1.0 0.4 0.2 15.9 0.5 159 0.11 24.8
83.0 0.4 0.2 15.9 0.5 159 0.11 24.8
82 1.7 0.6 0.5 12.5 50 μg 40
Mango1 : Collazos (1993)
Fuente:
Mango2 : (Internet: FAO) Mango3 : Friedrich. (1991) 2.1.1.3.Variedades En el Perú se cultivan dos tipos de magos: la variedad llamada de plantas francas (no injertadas) y la variedad mejorada. En el primero de los casos se tiene a la Criolla de Chulucanas y Chato de Ica, Rosado de Ica. En el segundo caso de las mejoradas se tiene a las variedades Haden, Kent, Tomy Atkins y Keitt. (Víctor V., Miguel A. - 1996).
2.1.2.Manzana ( Pyrus malis ) 2.1.2.1.Taxonomía Reino
:
Vegetal
Orden
:
Rosales
Familia
:
Rosáceas
Genero Especie
: :
Malus
Pyrus malus L
2.1.2.2.Descripción botánica Fruto de estructura firme, carnosa, derivada del receptáculo de la flor. Las características físicas del fruto son muy variables. El color de la piel va desde el verde hasta el rojo muy oscuro, casi negruzco. También la forma es variada y comprende frutos
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oblatos y oblongos, con pedúnculo corto y numerosas semillas de color pardo brillante. El tamaño oscila entre un poco mayor que el de una cereza y casi tan grande como el de una toronja o pomelo mediano. La manzana alcanza su madurez fisiológica cuando su contenido en sólidos solubles o °Brix es no menor de 12, así como su textura debe estar cerca y es menor a 13 libras; si es menor de 101, la fruta estará sobremadura. La manzana es rica en pectina y vitamina C, asimismo ácido málico y tartárico, que son especialmente eficaces como ayuda en la digestión de alimentos ricos. (Internet: Manzana – Cultivo). 2.1.2.3.Variedades Entre las variedades de manzanas más comerciales se tienen: Golden delicious (Deliciosa Dorada), Red delicious (Deliciosa roja), Pachacamac, Winter, Starkrimson, Reineta blanca del Canadá, Verde doncella, Belleza de Roma (Roma beauty), Esperiega de Ademuz y Israel. (Internet: Manzanas – Variedades). Cuadro 2. Composición de la manzana y zumo de manzana en 100 g de porción comestible
CARACTERÍSTICAS Porción comestible (%) Agua (g) Fibra alimentaría (g) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos (g) Ceniza (g) Retinol- Vit. A (μg) Riboflavina (mg) Vitamina C (mg)
Fuente:
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Manzana1 88.0 84.7 0.8 0.3 0.1 14.6 0.3 0.0 0.04 1.3
FRUTAS zumo zumo Manzana2 Manzana3 88.5 88.1 0.0 0.05 0.1 0.0 0.0 11.2 11.1 0.26 25 (μg) 1.0 1
Manzana1 : Collazos (1993) Manzana 2 : (Internet : Frutas – composición) Manzana 3 : Friedrich (1991) 26
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2.1.3.Maracuya (Passiflora edulis) 2.1.3.1.Taxonomía Reino
:
Vegetal
Orden
:
Violales
Familia
:
Passifloraceae
Genero Especie
: :
Pasiflora
Passiflora edulis
2.1.3.2.Descripción botánica El maracuya es conocida como “la fruta de la pasión”, es de forma ovoide o casi redonda de 4 – 8 cm de diámetro, 6 – 8 cm de largo y un peso hasta de 30 g, la base y el ápice son redondeados, la corteza es de color verde fuerte, tornándose más débil cuando empieza a madurar de verde a amarillo, es de consistencia dura, lisa y cerosa, de unos 3 mm de espesor pero que al madurar se arruga, el pericarpio es grueso, la pulpa es de color amarillo mostaza con intenso sabor aromático, contiene entre 200-300 pequeñas semillas negras comestibles, cada una rodeada de un arilo (membrana mucilaginosa) que contiene un jugo aromático en el cual se encuentran las vitaminas y otros nutrientes. El maracuya alcanza su grado de madurez cuando su rendimiento de jugo es del 36% y cuando su contenido de sólidos solubles está entre los 13–18º Brix y acidez entre 3 y 5%. Un fruto maduro está constituido por: cáscara: 50-60%, jugo: 30-40% y semilla 10-15%. El maracuya tiene diferente peso sin estar acorde con el tamaño en el interior del fruto. En ocasiones tiene muy poca pulpa, presentándose muy pocas semillas que se caracterizan como frutos vanos. (Internet: Maracuya). Cuadro 3. Composición del zumo de maracuya en 100 g de porción comestible
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CARACTERÍSTICAS Agua (%) Fibra alimentaría (g) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos (g) Ceniza (g) Retinol- Vit. A (μg) Riboflavina (mg) Vitamina C (mg)
zumo Maracuya1 82.3 0.2 0.9 0.1 15.8 0.6 0.15 22.0
FRUTAS zumo Maracuya2 85 0.2 0.8 0.6 2.4. Trazas 684 mg 0.1 20
zumo Maracuya3 0.2 0.7 0.2 0.5 2410.0 0.1 20.0
Fuente: Maracuya1 : Collazos (1993) Maracuya2 : (Internet: Maracuya - variedades). Maracuya3 : Julio C. Isique (1986) 2.1.3.3.Variedades Las dos variedades de importancia comercial a nivel internacional son: el maracuya rojo o morado (Passiflora edulis variedad púrpura Sims) que presenta frutos pequeños de color rojo, y el maracuya amarillo (Passiflora edulis variedad flavicarpa Degener), que presenta frutos vistosos de color amarillo con diversas formas, intenso sabor y su alta acidez. Existen en el mercado diversos híbridos, pero que no son conocidos en el círculo comercial, donde, como anteriormente se ha mencionado, los nombres maracuya amarillo y maracuya morado, son los más comúnmente usados. (Internet: Maracuya – Variedades). 2.1.4.Naranja (Citrus sinensis) 2.1.4.1.Taxonomía Reino
:
Vegetal
Orden
:
Geraniales
Familia
:
Rutáceas
Genero Especie
: :
Citrus.
Citrus sinensis
2.1.4.2.Descripción botánica
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El fruto está compuesto por una cáscara gruesa que le proporciona protección contra los
daños. La superficie
exterior se conoce como el pericarpio o flavedo y contiene el aceite y los pigmentos de la cáscara. Seguidamente está la capa blanca esponjosa llamada mesocarpio, que es rica en pectina. El jugo interior que contiene el endocarpio está dividido en varios gajos o carpelos fáciles de separar donde se encuentran los sacos de jugo individuales y las semillas, si las hay. Por último hay un centro esponjoso o placenta. Cada una de estas partes presenta problemas especiales y oportunidades en el procesamiento. La naranja alcanza su madurez fisiológica cuando su contenido de azucares o sólidos solubles está entre los 11 - 13º Brix. Entre las variedades más comunes cabe citar la naranja amarga o agria y la naranja dulce. La variedad agria es de corteza más dura, fina y rugosa que la de la naranja dulce. Las variedades comestibles se diferencian por su carne; la naranja dulce es de color cercano al rojo y gusto agridulce y delicado. (Internet: Naranjas – Cultivo). Cuadro 4. Composición del zumo de naranja en 100 g de porción comestible
CARACTERÍSTICAS Agua (g) Fibra alimentaría (g) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos Ceniza (g) Retinol- Vit. A (μg) Riboflavina (μg ) Vitamina C (mg)
zumo Naranja1 90.7 0.0 0.5 0.2 8.2 0.4 -
FRUTAS zumo Naranja2 87.7 0.7 0.2 9.0 20 45
zumo Naranja3 87.0 0.1 0.8 0.3 10.2 0.33 53
Fuente: Naranja1 : Collazos (1993) Naranja 2 : Friedrich (1991) Naranja 3 : (Internet : Frutas – composición)
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2.1.4.3.Variedades Existen varios tipos de naranjas, los más comunes son Navel, Blancas y Sanguinas. Dentro de las Navel, se encuentran las Washington, Thomson, Newhall, Navelina y Navelete, se caracterizan por ser sin semillas, son fáciles de pelar y los gajos se separan fácilmente. Las Blancas comunes son frutos más pequeños, con cáscara gruesa y con abundante semillas, las Blancas finas son seleccionadas y casi no tienen semillas, Destacan la Salustiana a nivel español y la Castellana, Verna. Las Sanguinas difieren de las blancas en que son más pigmentadas. En el Perú casi el 90% del cultivo de las naranjas es de la variedad valencia, aunque se pueden encontrar también otras variedades como: Naranja Tangelo Selva, Naranja Valencia (Selva), Naranja Washington Naval (Costa). (Internet: Las Naranjas). 2.1.5.Papaya (Carica papaya L.) 2.1.5.1.Taxonomía Reino
:
Vegetal
Orden
:
Parientales
Familia
:
Caricaceae
Genero Especie
: :
Carica
Carica papaya
2.1.5.2.Descripción botánica Es una baya ovoide-oblonga, o casi cilíndrica, grande, carnosa, jugosa, ranurada longitudinalmente en su parte superior, dependiendo del tamaño o selección pueden medir de 10 a 60 cm de largo y su peso puede variar desde 500 g hasta 9 Kg, constituido principalmente por agua (86.8 %) y carbohidratos (12.18 %). Está formado por 3 partes: el exocarpio o cáscara.,
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el mesocarpio o pulpa y el endocarpio que contiene las semillas y mucílago. La piel de la papaya es suave, contiene un líquido lechoso y blanco (látex) que se solidifica rápidamente al inicio de la maduración del fruto y va desapareciendo gradualmente, es de color verde amarillento; su pulpa es blanda y muy jugosa, puede ser de tonos rojizos o anaranjados y su sabor es muy agradable de un espesor de 3 a 5 cm. En su interior se encuentran numerosas semillas entre 300 a 700, de color negro-grisáceo, son esféricas de 3.7 a 4.5 mm de largo por 2 a 2.8 mm de ancho y 2 a 2.5 mm de grueso, recubiertas por una masa gelatinosa llamada sarcotesta o cubierta. Se conoce como “fruta noble” por sus propiedades antiácidas y es ideal en el desayuno. La papaya alcanza su madurez fisiológica cuando su contenido de azucares o sólidos solubles está entre los 11.5 a 13.5º Brix, presentando además un color amarillento superficial de 6 a 33% y un valor de pH entre 4.5 y 6.0. Es una excelente fuente de beta carotenos, así como de vitamina A, C además de algunas del complejo B, mientras que su contenido de minerales tales como calcio, fósforo, y fierro es pobre. (Internet: Papaya - Cultivo). Cuadro 5. Composición de papaya en 100 g de porción comestible
CARACTERÍSTICAS Porción comestible (%) Agua (g) Fibra alimentaría (g) Proteínas (g) Grasa (g) Carbohidratos Ceniza (g) Retinol- Vit. A (μg) Riboflavina (mg) Vitamina C (mg)
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Papaya 75.0 90.8 0.5 0.4 0.1 8.2 0.5 63.0 0.07 47.7
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FRUTAS Papaya2 90.8 0.4 0.1 8.2 0.5 63.0 0.07 47.7
Papaya3 87.9 1.9 0.5 0.1 2.3 40 μg 80
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Fuente:
Papaya 1 : Collazos (1993) Papaya 2 : (Internet : FAO) Papaya 3 : Friedrich (1991)
2.1.5.3.Variedades Es difícil hablar de variedades debido a múltiples cruzamientos que se producen por libre polinización. Entre las tantas variedades podemos mencionar: Variedad Tailandia, Maradol, Fauna Nº 1, Enano, Higgins, Sunrise, Solo o Hawaiana, Criollo, Bluestem, Graham, Fairchild, Puna y Hortusgred. (Internet: Papaya – variedades). 2.2. Tecnología Del Zumo 2.2.1.Definición La definición que da el Codex Alimentarius (1992) es la siguiente: Se entiende por zumo o jugo de fruta, el obtenido a partir de frutas (sanas y maduras, frescas o conservadas por el frío) por procedimientos mecánicos, no concentrada, no diluido, susceptible de fermentación pero sin fermentar, que posea el color, el aroma y el sabor característicos de los zumos de frutas de que proviene. El contenido de sólidos de fruta solubles del zumo de fruta (con exclusión de los azúcares añadidos) no será menor que el valor que corresponda al contenido de sólidos solubles de la fruta madura, determinado con refractómetro a 20° C, sin corregir por la acidez y expresado en grados Brix en las escalas internacionales de sacarosa. Podrán añadirse uno o más de los azúcares sólidos, la cual no excederá de 100 g/Kg, excepto para las frutas muy ácidas, en cuyo caso se permitirá la cantidad de 200 g/Kg. (Codex Alimentarius - 1992). Andrés L. y Riera F. (1993), definen a los zumos como líquidos (Jugos) obtenidos mecánicamente a partir de frutas y vegetales sanos, limpios y maduros, clarificados o no por procedimientos mecánicos o enzimáticos, fermentables, pero no fermentados, con color, aroma y sabor típicos de frutos o vegetales del producto que proceden; asimismo, los conseguidos a partir de zumos concentrados, por restitución del agua y del aroma
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extraído y con características organolépticas y analíticas equivalentes a las definidas en las líneas anteriores. Su composición depende de la variedad, grado de madurez y condiciones de cultivo del árbol y del tipo y forma de conducir la operación de triturado y prensado. 2.2.2.Insumos: Entre los insumos empleados para la obtención de zumos se tiene: 2.2.2.1.Ácidos El ácido cumple dos funciones en la elaboración de zumos, en primer lugar ejerce una influencia significativa sobre el crecimiento microbiano ya que disminuye la posibilidad de vida de las bacterias y esto permite una mejor conservación del producto, en segundo lugar contribuye a un buen balance del sabor en cuanto a la relación dulce – ácido. (Salvador G. - 1998). Industrialmente, para bajar el pH de un zumo como en el caso del zumo de mango se utiliza el ácido Cítrico. El ácido cítrico se encuentra en diferentes proporciones en plantas y animales, ya que es un producto intermedio del metabolismo prácticamente universal. En mayores cantidades se encuentra en el jugo de las frutas cítricas, de las que se obtiene por precipitación, añadiendo óxido de calcio. 2.2.2.2.Antioxidante Son definidos por la Food and Drug Administration (FDA) de los EEUU como sustancias utilizadas para preservar los alimentos y retardar su deterioro, rancidez o decoloración por causa de la oxidación. Los antioxidantes en zumos tienen por función principal evitar el pardeamiento enzimático u oxidativo tanto de la fruta cortada en trozos en el proceso de obtención así como del producto en si, específicamente el zumo de manzana, siendo el más
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empleado el ácido ascórbico (C6H8O6). (Arthey D., Ashurst P.R. - 1997). 2.2.2.3.Clarificantes. La presencia de pectinas, que proviene de las paredes celulares y que son extraídas en el proceso normal de prensado dan un aspecto desagradable al zumo al flotar en agrupaciones e aspecto mucilaginoso que, aunque no son perjudiciales para la salud, no resultan atractivos para el producto. Estas pectinas deben ser eliminadas, operación que se denomina clarificación del zumo. Entre estos agentes clarificantes tenemos: la gelatina, la bentonita y el silica-sol, la precipitación se suele producir enseguida tras su adición. (Andrés L. y Riera F. - 1993). Se debe hacer mención que la adición de estos materiales “extraños” al proceso de obtención del zumo puede provocar la aparición de sabores amargos y texturas “a estopa” que malogren la calidad del producto acabado. (Andrés L. y Riera F. - 1993). 2.2.3.Método de elaboración El proceso de elaboración del zumo consta de las siguientes etapas: 2.2.3.1.Recepción Operación que se basa fundamentalmente, en un control de peso y un control de calidad hecha a la materia prima que se verá reflejada idealmente en la coloración y tamaño además de estar libre de daños mecánicos, de insectos, pudrición e indicio de esta. (Hatta S. Beatriz). 2.2.3.2.Lavado, selección y clasificación de los frutos El lavado permite eliminar impurezas que pudieran traerse del campo como polvo, residuos de pesticidas y tierra; las sustancias desinfectantes que se pueden emplear son a base de
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cloro, sales de amonio cuaternario, yodo. El hipoclorito de sodio es el desinfectante más empleado por su efectividad y bajo costo. (Internet: Frutas - Transformación Y Conservación). En la selección se desechan los frutos que presenten daños de tipo biológico, fisiológicos y mecánicos así como se verifica el estado de madurez de la fruta, las que no poseen estas características son almacenadas hasta cumplirlas. La clasificación es más que nada por tamaño y suele hacerse de forma mecanizada. (Internet: Naranja – Industrialización). 2.2.3.3.Extracción de los aceites esenciales: Se realiza mediante un raspado de la capa más superficial del flavedo. Es principalmente realizado en los procesos de extracción de zumo de las naranjas. (Internet: Zumo de naranja – Calidad). 2.2.3.4.Extracción del zumo por prensado o cualquier otro sistema mecánico: Para el caso de naranjas, se pela y se exprime el jugo a la vez. En el proceso de extracción se recupera cierta cantidad de los aceites esenciales de la cáscara, que son diferentes a los del jugo propiamente. En promedio se puede obtener hasta un 50% de jugo. (Internet: Naranja – Industrialización). Extracción del zumo, para esto se utilizan dos sistemas: -
Exprimidores: cortan el fruto por la mitad, y se exprimen en un cono acanalado que gira a gran velocidad.
-
Sistema IN-LINE. Consiste en introducir la fruta en una cánula y prensarla entre dos émbolos.
(Internet: Zumo de naranja – Calidad). En el caso de ser manzanas estas se trituran para la obtención de pulpa apta para el prensado, se emplean molinos de martillo, que utilizan cedazos con mallas de 1 a 1.5 cm de apertura. Esta pulpa no demasiado fina, tiene una estructura adecuada para el prensado. Para evitar el pardeamiento enzimático u oxidativo,
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es frecuente que se añada algo de ácido ascórbico, en la etapa de trituración o molienda. Figura 1. Forma de extracción común del zumo de naranja a nivel industrial. Figura 2. Forma de extracción del zumo de manzana a nivel industrial En el caso del maracuya, la extracción de la pulpa de esta fruta se logra depositándola, una vez lavada, entre dos conos conversores rotatorios convergentes, la fruta se ve presionada entre las puntas de los conos y se desintegra, cuando estos giran hacia el fondo de la maquina, donde la separación entre ambos queda reducida al grosor de la piel de la fruta. La piel arrastrada por los conos, y la pulpa, caen a un finalizador, que elimina los trozos de piel y, si la malla del finalizador es de apertura adecuada, las semillas. Para el caso del mango, estos se aplastan, para desintegrar la fruta sin romper el hueso. La masa de pulpa aplastada se deposita en el extremo inferior de un extractor a contracorriente con un reflujo de agua a 65º C. En el extractor, el zumo se diluye hasta alcanzar una concentración de un 10% de sólidos solubles, por lo que se precisa recurrir a la concentración para que el zumo alcance la originalidad. El zumo de mango obtenido en el extractor contracorriente puede concentrarse a 30º Brix sin tratamiento enzimático. Se obtienen así un zumo de mango ligeramente coloreado de amarillo-naranja, de excelente calidad. (Arthey D., Ashurst P.R. - 1997). 2.2.3.5.Tamizado o filtración : Se realiza para separar los fragmentos de pulpas, restos de corteza, semilla que pasaron en el momento de la extracción, etc del zumo; (estimándose estos en un 1%), a fin de comunicar una
mejor
apariencia
al
zumo.
(Internet:
Naranja
Industrialización).
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–
2.2.3.6.Inspección de contenidos y control de calidad: En este punto se procede a determinar el contenido en azúcar, ácido cítrico, vitamina C, pulpa y sabor o aceites esenciales residuales. (Internet: Flujo De Producción). 2.2.3.7.Ajuste o corrección : El ajuste consiste en regular las variaciones del azúcar y ácido contenidas en el jugo, así como para mezclar los conservadores requeridos, siendo los más usuales entre otras, benzoato de sodio, sulfito y bisulfito de sodio, así como anhídrido sulfuroso. La mezcla de los conservadores con el jugo no es instantánea, sino que necesita cierto tiempo de agitación. Este proceso de ajuste se realiza en un tanque donde la mezcla se realiza por medio de un motor agitador. (Internet: Flujo De Producción). 2.2.3.8.Desaireado : En los procesos anteriores el jugo adquiere burbujas de aire que deben ser eliminadas; por lo que se hace pasar el jugo por un pulmón de vacío en donde es succionado el aire contenido en el mismo; se produce una breve ebullición que elimina el gas disuelto. Cierta cantidad de oxigeno puede provenir de los tejidos de la fruta, pero la cantidad más grande se introduce en el zumo durante las operaciones de triturado, extracción, tamizado, etc. El oxigeno no solo actúa en la corrosión y sobre todo el ácido ascórbico, sino también sobre los taninos, los compuestos oxidables de los aceites esenciales y lípidos. Origina incluso modificaciones de sabor y del color. Las alteraciones debidas a las oxidaciones resultan aun más acentuadas por los tratamientos térmicos. Naturalmente conviene recordar que no tiene interés desairar un zumo de fruta si al mismo tiempo no se toma medidas para evitar la reincorporación de aire.
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Como norma general, la desaireación se aplica a los zumos de tomate y agrios, los zumos de manzana, uva y piña no se someten a desaireación por que origina una gran pérdida de su aroma. (Jean C. Cheftel, Henrri Cheftel -1976). 2.2.3.9.Clarificación: Si es necesaria, el zumo se clarifica. Esta operación consiste en la eliminación del exceso de pulpa, objetivo que puede lograrse por centrifugación en una decantadora o mediante el uso de finalizadores de malla fina. El zumo se clarifica, eliminando pectinas, almidones, gomas, proteínas, polifenoles, cationes metálicos y lípidos, causantes de turbios antes o después de los tratamientos conservantes. El método tradicional de clarificación o acabado consiste en calentar el zumo a la temperatura precisa y agitarlo, en presencia de la enzima o mezclas de enzimas, esperar a que la enzima actúe y añadir luego agentes precipitantes que precipitan los taninos y otras sustancias indeseables. (Jean C. Cheftel, Henrri Cheftel -1976).
2.2.3.10.Pasteurizado : El método general de conservación de zumos es la pasterización, que consiste en el calentamiento del zumo a temperaturas entre 60 y 100º C durante un tiempo variable. Se puede utilizar en casi todos los zumos debido a que su mayoría tienen un pH relativamente bajo. La pasterización se puede realizar sobre el zumo antes de envasar o sobre los envases cerrados conteniendo el zumo. La pasterización rápida del zumo una vez desaireado consiste en elevar su temperatura a 82-90º C durante 5 a 10 segundos.
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Posteriormente se enfría a la temperatura adecuada para su llenado en envases esterilizados. El tratamiento térmico tiene dos objetivos principalmente: -
Inactivación de enzimas para evitar la pérdida de la turbiedad del zumo, que es un factor de calidad, ya que estas rompen las cadenas de pectinas, con lo que queda en el zumo un sobrenadante, que resta calidad al zumo.
-
Eliminación de los microorganismos. (Internet: Naranja – Industrialización).
2.2.3.11.Concentración: Se realiza por medio de concentradores o evaporadores; a base de calor se logra evaporar parte del agua que posee el jugo (80%) concentrándolo hasta 65 °Brix (Jugo de naranja). Es muy importante el control de tiempo y temperatura para que no se afecten las propiedades organolépticas del producto; por lo general se hace a baja presión, para utilizar bajas temperaturas. (Internet: Naranja – Industrialización). Una vez obtenido el zumo concentrado este es utilizado como base para la elaboración de refrescos, se puede mezclar con otros zumos, o puede ser consumido directamente por mezcla con zumo. (Internet: Zumo de naranja – Calidad).
2.2.3.12.Enfriado y conservación del concentrado. Luego del concentrado el jugo se almacena por un corto tiempo, para recibir un tratamiento de preenfriado y llevarlo a temperaturas bajo cero (-10° C), antes de ser depositado en tanques de suficiente capacidad o en el envase final (estañones de 200 L). Los estañoles son de una capacidad de de 204 L, conteniendo un promedio de 200 L de jugo de naranja concentrado, con 65° Brix y congelado a -23° C, con una relación acidez/grados Brix de 15 a 16.1 preferiblemente y con un porcentaje de acidez
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mayor de 0,5 y menor que 1,0. (Internet: Naranja – Industrialización). 2.3. Tecnología Del Néctar 2.3.1.Definición Es el producto constituido por el jugo y/o pulpa de fruta finamente diluida y tamizada, adicionando agua potable, azúcar, ácido orgánico, preservante químico y estabilizante si fuese necesario, y conservado por tratamiento térmico. El néctar deberá estar exento de fragmentos de cáscara, semilla y otras sustancias gruesas y duras, y no deberá tener menos del 10% en peso de sólidos solubles determinada por refractómetro a 68° F y leído como °Brix de las escalas internaciones de sucrosa. De este modo, entonces, el néctar es un producto formulado, o sea que se prepara de acuerdo a una receta o fórmula preestablecida y que puede variar de acuerdo a las preferencias de los procesadores. (Guevara A., Obregón A., Salva B. - 2000-I). 2.3.2.Insumos: Los insumos empleados en la elaboración del néctar son los siguientes: 2.3.2.1.Azúcar Los azucares pertenecen a una clase de compuestos conocidos como carbohidratos, “sacárido” es un término que denota azúcar o sustancias derivadas del azúcar. Es un endulzante de origen natural, sólido, cristalizado, constituido esencialmente por cristales sueltos de sacarosa, obtenidos a partir de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera mediante procedimientos industriales apropiados. La sacarosa es un disacárido formado por la unión de una molécula del monosacárido glucosa con un monosacárido fructosa a través de los carbonos 1 y 2 y con la pérdida de una molécula de agua. La sacarosa es muy soluble en agua, como casi todos los azúcares. (Charley Helen - 1999).
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El azúcar se utiliza para dar sabor dulce a las comidas y en la fabricación de confites, pasteles, conservas, bebidas alcohólicas y no alcohólicas, y muchos otros alimentos. Un néctar contiene dos tipos de azúcar: el azúcar natural que es propia de la fruta y el azúcar comercial que se emplea para dar el dulzor característico. Entre el azúcar comercial se puede tener: azúcar blanca refinada (lo recomendable), azúcar rubia, chancaca, miel de abeja, miel de caña, entre otros. (Walter Quevedo Barrios 1998). 2.3.2.2.Conservantes Son sustancias que se añaden a los productos alimenticios para inhibir el desarrollo de hongos y levaduras, y aseguran la conservación del producto después que se ha abierto el envase. En la elaboración de néctares en el país está permitido el empleo de varios tipos de preservantes químicos, siendo el más utilizado el sorbato de potasio. El sorbato de potasio es fisiológicamente inocuo y se caracteriza por su compatibilidad particularmente buena. Ejerce acción específica sobre los mohos y los fermentos (levaduras) cuando libera el componente conservante activo (ácido sórbico). Con el sorbato de potasio pueden conservarse los productos hasta un pH de 6 como máximo, se sugiere que resulta suficiente de 0.1 - 0.15 % en pulpas, y 0.05 % en jugos y néctares. (Walter Quevedo Barrios - 1998). 2.3.2.3.Ácidos En
néctares
la
acción
conservadora
del
azúcar
es
complementada por niveles altos de acidez, que determinan valores de pH entre 3.6 a 4.0 en el producto terminado, en este rango de pH, la mayoría de microorganismos no puede
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desarrollar y son menos resistentes al calor, siendo esta la razón por la que los productos ácidos se esterilizan con tratamientos térmicos leves. El ácido cumple dos funciones en la elaboración de néctares, en primer lugar disminuye la posibilidad de vida de las bacterias y esto permite una mejor conservación del producto, en segundo lugar contribuye a un buen balance del sabor en cuanto a la relación dulce – ácido. Industrialmente, para regular el pH de un néctar se utiliza el ácido cítrico que es un producto blanquecino similar al azúcar blanco, la cantidad que se debe incorporar se calcula según el pH de la fruta. (Walter Quevedo Barrios - 1998). 2.3.2.4.Estabilizantes Todas las frutas tienen sólidos y sustancias espesantes naturales como: pectina y gomas, que le dan su consistencia característica, pero no todas tiene la cantidad apropiada para elaborar néctares, por lo que se recomienda el uso de estabilizantes naturales o comerciales, siendo lo más específico para el procesamiento de néctares el Carboximetil Celulosa (CMC). La cantidad de estabilizantes que se debe incorporar se calcula según el peso del néctar y la característica de la fruta. Las frutas jugosas como la naranja y maracuya requieren mayor cantidad de estabilizante, en cambio las frutas pulposas como el mango y la
manzana
contienen
espesantes
naturales
en
mayor
proporción, por lo que requieren una menor cantidad de estabilizante. (Walter Quevedo Barrios - 1998). En néctares, es necesario controlar la estabilidad a la adecuada dispersión de las partículas finas para preservar su apariencia, su uso evita que la textura de la pulpa y las partículas sedimenten en el medio dispersante.
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La CMC es un éter celulósico de carácter aniónico y soluble tanto en agua fría como caliente. Las características de la CMC. Son: − Composición constante. − Amplio rango de viscosidad. − Es bastante estable a la temperatura de pasteurización y esterilización. − Forma geles claros. − Se pueden tener % definidos con viscosidades determinadas. − Son estables a un rango bajo de pH. Cuadro 6. Tipos De Carboximetil Celulosa Sódica (CMC)
CMC PE 31 FG PE 27 FG PE 28 FG PE 29 FG PE 30 FG PE 30 FGM PE 30 FGH PE 30 FGHH
% En La Solución 1 1 1 1 1 1 1 1
Viscosidad (cP) 10 - 30 60 - 100 200 - 400 500 - 900 1000 - 2000 2000 - 3000 3000 - 4000 4000 - 5000
Pureza
Ds
99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min. 99.5 Min.
0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90 0.70 - 0.90
Fuente: Daniel Sánchez Herrera (2003) 2.3.2.5.Enturbiante No existe un compuesto específico que cumpla la función de enturbiante, así, un enturbiante es una sustancia que dispersa en un medio, brinda opacidad al mismo. Un enturbiante debe ser insoluble en el medio en el cual se dispersa y mantenerse suspendido para cumplir su función. Sustancias enturbiantes puedes
ser
aceites
vegetales parcialmente
hidrogenados,
terpenos de aceites esenciales, etc. (Internet: Enturbiante – Consulta).
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Se recomendándose utilizar por lo general 1 ml de enturbiante por 1 Kg de néctar, incorporándose al final de la pasteurización. (Walter Quevedo Barrios - 1998). 2.3.3.Método de elaboración La tecnología empleado en la elaboración de néctares es como se detalla a continuación: 2.3.3.1.Recepción y selección La recepción y selección debe realizarse en un ambiente independiente de la sala de proceso, por lo que es en esta zona donde va a llegar la materia prima que puede estar deteriorada o contaminada y puede contaminar el ambiente de proceso. Es aquí donde se lleva a cabo la selección que consiste en eliminar toda aquella materia prima que no es aceptable como alimento, es decir aquella que llega putrefacta, golpeada, oscura, fermentada, etc. La materia prima no apta debe ser eliminada inmediatamente de lo contrario producirá la infección de la materia prima de buena calidad. (Hatta S. Beatriz). 2.3.3.2.Clasificación. Esta operación tiene por finalidad la agrupación de la materia prima en base a propiedades físicas diferentes (color, tamaño, forma, textura, maduración) que dan las características de diferentes calidades. El rol de esta operación es de uniformizar la materia prima para estandarizar todas las operaciones del proceso. (Hatta S. Beatriz).
2.3.3.3.Pesado Esta es una de las operaciones de mayor significación comercial en las actividades de la empresa, pues implica llevar un control de rendimiento durante todo el procesamiento de la
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materia prima, nos permite conocer y evaluar el peso real de un producto. (Internet: Néctares – Elaboración). 2.3.3.4.Lavado Se hace con el fin de eliminar las materias extrañas que pueden estar adheridas a la fruta. Se puede realizar por inmersión, agitación o por aspersión (rociado). El agua de lavado preferentemente será clorada a una concentración de 15 ppm (43 ml de solución de hipoclorito de sodio al 3.5% -cloro líquido comercial- por cada 100 L de agua), esto con el fin de reducir la carga microbiana, y de eliminar impurezas y suciedades del fruto. Después del lavado con agua clorada se procede a lavar con agua potable para eliminar cualquier residuo de cloro que pudiera haber quedado. (Hatta S. Beatriz). 2.3.3.5.Pelado o mondado Dependiendo de la materia prima, esta operación puede ejecutarse antes o después de la precocción. La mayoría de las frutas son pulpeadas con su cáscara, esto siempre y cuando se determine que la cáscara no tiene ningún efecto que haga cambiar las condiciones sensoriales de la pulpa o zumo. El pelado se puede hacer en forma manual, empleando cuchillos o mecánica con maquinas, también con sustancias químicas como el hidróxido de sodio, soda, o con agua caliente o vapor. El pelado debe realizarse de tal modo de no perder demasiada pulpa, ya que esto influiría significativamente en el rendimiento del producto final. (Guevara A., Obregón A., Salva B - 2000-I). 2.3.3.6.Precocción / escaldado El objetivo de esta operación es ablandar la fruta, para facilitar el pulpeado. Se realiza generalmente en agua a ebullición o con vapor directo.
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La precocción sirve también para inactivar enzimas sobre todo las responsables del pardeamiento. En este caso toma el nombre de blanqueado o escaldado. (Hatta S. Beatriz). 2.3.3.7.Extracción de la pulpa (pulpeado) Consiste en obtener la pulpa o jugo, libres de cáscaras y pepas y así obtener un tamaño adecuado de jugos pulposos. Esta operación se realiza a nivel industrial empleando equipos especiales denominados pulpeadoras acondicionadas con mallas apropiadas. (Hatta S. Beatriz). 2.3.3.8.Refinado Esta operación consiste en pasar la pulpa a una segunda operación de pulpeado, utilizando una malla que elimina toda partícula de pulpa superior a 1 mm de diámetro. Esta actividad se puede realizar en el mismo pulpeador pero previo cambio de tamiz o malla, por ejemplo Nº 0.5 o menor. (Hatta S. Beatriz). 2.3.3.9.Estandarizado (ajuste) Esta operación involucra el adicionamiento de todos los insumos en cantidades apropiadas. (Hatta S. Beatriz). a. Adición de la pulpa con agua: La dilución depende de la fruta. En el cuadro 7 tenemos las diluciones recomendadas para algunas frutas.
Cuadro 7. Diluciones recomendadas en la elaboración de néctares de fruta Dilución Pulpa : agua
Fruta
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pH
ºBrix
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Maracuya Manzana Naranjilla Durazno Tamarindo Mango Tuna
1:5 1:2-3 1:5 1:3 1:12 1:2 1:3.2
3.5 3.8 3.5 4.0 2.8 3.5 3.3
15 12.5-13 15 13 15 13 18
Fuente: Hatta S. Beatriz. b. Regulación del pH El pH se debe llevar a un nivel de 3.5 - 4.0. El pH al cual se ha de llevar al néctar también depende de la fruta. En el mismo cuadro se observa los pH recomendados para algunas frutas. c. Regulación de los ºBrix o cantidad de azúcar Se realiza mediante la adición de azúcar blanca refinada. Los ºBrix finales recomendados para algunas frutas se dan en el cuadro 7. Para calcular la cantidad de azúcar a añadir se tiene que conocer los ºBrix iniciales (concentración inicial de azúcar) de la mezcla (pulpa más agua) y los ºBrix finales (concentración final de azúcar) que se desea tener en el néctar aplicándose la siguiente fórmula:
CTN(%AIN − %AFN) 100 A.A. = %AFN −1 100
...... (1)
d. Adicción de estabilizador Es necesario en algunos casos adicionar un estabilizador con el fin de evitar que la pulpa se precipite y/o también para darle cuerpo al néctar. El estabilizador más usado es el carboximetil celulosa (C.M.C.). e. Adición de preservantes
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Es necesario para evitar posterior contaminación del néctar con microorganismos como hongos y levaduras. Se puede utilizar Benzoato de sodio o sorbato de potasio en una concentración máxima de 0.05%. 2.3.3.10.Homogenizado Esta operación permite mezclar completamente todos los insumos del néctar, permite la disolución de grumos u otras partículas para que la composición y estructura de la pulpa mas el jugo sean uniformes. Esta reducción de partículas (fibras) es la que proporciona estabilidad al néctar. Los equipos más utilizados son los molinos coloidales, otros son refinadoras cilíndricas, y en algunos casos las mismas licuadoras. (Walter Quevedo Barrios - 1998). 2.3.3.11.Pasteurizado. Esta operación es un tratamiento térmico que se realiza para inactivar la carga microbiana que pudiera tener el néctar. Es muy importante tener en cuenta el tiempo y la temperatura de pasterización. Se puede utilizar un equipo denominado pasteurizador de placas, regulado para trabajar a 97º C con un tiempo de permanencia del néctar de 30 s o en su defecto ollas para lo cual se debe dejar que el producto llegue a la temperatura de ebullición por un tiempo de 5 min. (Guevara A., Obregón A., Salva B. - 2000-I). 2.3.3.12.Envasado Se puede hacer en envases de vidrio o de plástico resistentes al calor. El envasado se debe realizar en caliente a una temperatura no menor de 80º C para que la transmisión de calor y penetración sobre el envase sea eficiente, además que genere una presión de vapor tal que cuando se produzca el cierre inmediato se origine el vacío. (Hatta S. Beatriz).
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Si durante el proceso de envasado la temperatura del néctar disminuye por debajo de 80° C, se debe detener esta operación; se procede a calentar el néctar hasta su temperatura de ebullición, para proseguir luego con el envasado. (Myriam C. Trinidad, Roaldo H. Rosales - 2001). 2.3.3.13.Cierre o sellado El cerrado muchas veces se realiza manualmente a nivel de pequeña empresa, el personal debe ser entrenado para que sea eficaz la operación a la vez que debe contar con guantes y protectores para poder realizarlo. El cierre se produce colocando la tapa contra una junta compresible situada entre aquella y el cuello del envase. También se utilizan diferentes clases de tapas roscadas, en la mayoría de los casos se crea el vacío en el espacio de cabeza, por el llenado en caliente. (Myriam C. Trinidad, Roaldo H. Rosales - 2001). 2.3.3.14.Enfriado La finalidad del enfriado es bajar bruscamente la temperatura y así crea un “Shock térmico” en el interior y exterior del envase, haciendo posible la destrucción de microorganismos, el enfriamiento se realiza con agua potable, lo más fría posible, y debe estar en constante circulación, para aumentar la eficiencia del proceso. El producto al enfriarse rápidamente reduce las pérdidas de aroma, sabor y consistencia, además de brindar un último lavado superficial. (Internet: Mango – Industrialización).
2.3.3.15.Almacenamiento
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El producto debe ser almacenado en un lugar fresco, limpio y seco, con suficiente ventilación a fin de garantizar la conservación del producto hasta el momento de su venta. Aquí los productos son aislados de muchos olores, ambientes contaminantes,
brindándoles
temperatura,
comodidad,
adecuadas para su conservación, he aquí en un primer momento como estado de evaluación se observan por espacio de 24 horas para eliminar posibles productos defectuosos y así proseguir
sus
últimas
operaciones
etiquetado
y
comercialización. (Myriam C. Trinidad, Roaldo H. Rosales 2001). 2.4. Propiedades Físicas 2.4.1.Sólidos solubles o °Brix Este sistema de graduación es aplicado principalmente a los areómetros, fue ideada por Balling; y fueron recalculados y comprobados por Brix en 1854. En Alemania, el sistema se conoce por ambos nombres, pero en otras partes se llama casi siempre por el nombre Brix. (James C. P. Chen. - 1997). Un grado Brix es la densidad de una solución de sacarosa al 1 por 100 (p/v) medida a 20° C. (Alberto Ibarz R., Gustavo Barbosa C. - 2000). El grado Brix que se determina al flotar un areómetro en una solución de azúcar se le suele llamar “el Brix”. El grado Brix es el porcentaje en peso de los sólidos contenidos en una solución de sacarosa pura. Se acostumbra a considerar que el grado Brix es el porcentaje de sólidos o el total de sólidos que hay disueltos en un líquido, aunque en realidad esto no es cierto más que en soluciones puras de azúcar. (James C. P. Chen. - 1997). Por acuerdo general, el Brix representa los sólidos aparentes que contiene una solución azucarada, según se determina por el uso del areómetro Brix u otra medición densimétrica convertida a la escala de Brix. La mayoría de los areómetros Brix modernos están calibrados de tal forma que su lectura en agua destilada es 0° a 20° C, aunque en algunos países se usa como norma una T° de 27.5° C. (James C. P. Chen. - 1997).
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En productos tales como zumos, jugos, los sólidos disueltos no son solamente sacarosa, si no hay además otros azucares (glucosa, fructosa...), ácidos y sales, los cuales influyen en la refracción de la luz. Sin embargo, el índice de refracción y el °Brix son suficientes para determinar el contenido de sólidos solubles en el producto. (Gaetano Et al – 1993). Comercialmente los grados Brix son por lo tanto, un índice aproximado de la concentración de sólidos solubles, que se acepta como si todos los sólidos disueltos en el zumo fueran sacarosa. (Alberto Ibarz R., Gustavo Barbosa C. - 2000). 2.4.2.Densidad La densidad es la masa de un cuerpo por unidad de volumen siendo sus dimensiones (masa)/(longitud)3, es un indicativo de cómo la materia está organizada en un cuerpo, así los materiales con estructura más compacta tienen mayor densidad. (Paul S., Dennis R. - 1998). La unidad de densidad en el sistema internacional de unidades es el kilogramo por metro cúbico (Kg/m3), pero por razones prácticas se utiliza normalmente el gramo por centímetro cúbico (g/cm3). Las frutas y verduras contienen entre 75 y 95 % de agua por lo que sus densidades están próximas a 1 g/ml, aunque depende también de la porosidad y de la cantidad de aire contenido. Las densidades de frutas y hortalizas congeladas son menores que las correspondientes en estado fresco. (Internet: Propiedades físicas). La densidad depende de la temperatura y de la presión. Aunque la temperatura debe especificarse junto con la densidad, la presión no es necesaria en caso de líquidos porque es prácticamente incompresible. Según Chen (1993), citado por Juan D. Alvarado, en alimentos líquidos como jugos se debe diferenciar la densidad absoluta de la densidad aparente; en la primera, la determinación se realiza en vacío, sin que exista el efecto de flotación en el aire; mientras que en la segunda, la determinación se realiza en presencia de aire. En consecuencia se debe hacer la corrección que incluya el efecto de la temperatura, presión y
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humedad relativa del aire para expresarla como densidad absoluta. (Juan D. Alvarado y José M. Aguilera - 2001). Algunas veces la densidad de una sustancia se determina en relación con la densidad de una sustancia mejor conocida. En ese caso se llama gravedad específica o densidad relativa y es definida como la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua a 4° C, que se toma como unidad. Como un centímetro cúbico de agua a 4° C tiene una masa de 1 g, la densidad relativa de la sustancia equivale numéricamente a su densidad expresada en gramos por centímetro cúbico. La densidad puede obtenerse de varias formas. Por ejemplo, para objetos macizos de densidad mayor que el agua, se determina primero su masa en una balanza, y después su volumen; éste se puede calcular a través del cálculo si el objeto tiene forma geométrica, o sumergiéndolo en un recipiente calibrando, con agua, y viendo la diferencia de altura que alcanza el líquido. La densidad es el resultado de dividir la masa por el volumen. (Encarta - Biblioteca de Consulta 2003). Para medir la densidad de líquidos se utiliza el densímetro, que proporciona una lectura directa de la densidad. (Paul S., Dennis R. 1998). En la cuadro 8 se muestra la densidad de algunos alimentos expresados en (Kg/m3). Cuadro 8. Densidad de algunos zumos de fruta Contenido en Densidad a granel agua (%) (Kg/m3) 91.7 1033.0 89.0 1042.9 86.7 1041.0 87.2 1051.9 88.5 1046.0
Alimento Zumo de fresa Zumo de naranja Zumo de cereza Zumo de manzana Zumo de frambuesa
Fuente: George D. Hayes (1992) Algunos investigadores proporcionan formulas o modelos matemáticos para determinar la densidad en alimentos; en la sección de anexos se detalla algunos modelos encontrados en bibliografía
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2.4.3.Viscosidad. Es una medida de la resistencia a fluir que presentan los líquidos. Es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza, esta definición significa que a mayor viscosidad un líquido escurre más lentamente. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; mientras que los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad, por ello conforme aumenta la viscosidad del fluido, las fuerzas de rozamiento aumentan. Como en el caso de la densidad, la viscosidad de una solución es función de las fuerzas intermoleculares y de las interacciones agua-soluto que restringen el movimiento. Estas fuerzas dependen del espaciado intermolecular y de la intensidad de los puentes de hidrógeno, y están afectadas por los cambios en la concentración y la temperatura. Cuando algunos solutos, tales como azúcares, se disuelven en agua, la viscosidad aumenta debido al incremento de la intensidad de los lazos de hidrógeno con los grupos hidroxilo y al aumento en el tamaño de las moléculas hidratadas. Cuando la solución se calienta, la viscosidad disminuye por el aumento de la energía térmica interna y de la distancia intermolecular debido la expansión térmica. (D. T. Constela; P. R. Forbito, G. H. Crapiste y J. E. Lozano-1995). La viscosidad se puede expresar en términos de viscosidad absoluta, η, que se define como la fuerza por unidad de área necesaria para mantener una unidad de gradiente de velocidad. Las unidades de medición comúnmente son centipoises o Pascal segundos. En lugar de expresar los resultados en términos de viscosidad absoluta, muchos métodos de determinación permiten medir la viscosidad relativa, es decir la viscosidad de un líquido comparada con la de otro líquido de viscosidad conocida. Como las viscosidades relativas que se obtienen con los diferentes aparatos no son las mismas, se ha adoptado expresar la viscosidad como viscosidad cinemática, que es la relación entre la viscosidad absoluta, expresada en poise, y la densidad del líquido a la misma temperatura, es decir, viscosidad cinemática (stoke) = viscosidad dinámica (poise)/densidad (g/ml). Las unidades de viscosidad cinemática son el stoke y centistoke (cs) igual a 0.01 stoke. (Internet: Viscosidad).
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Son diversos los productos derivados de frutas que se comercializan en forma fluida, destacando entre ellos los zumos. Sin tener en cuenta la fruta de la que proceden, en un proceso industrial pueden obtenerse diversos tipos de zumos, de modo general, y dependiendo de los tratamientos que ha recibido. El comportamiento reológico de los zumos puede ser distinto según el tipo de elaboración, ya que dependiendo del contenido en sólidos solubles, pectinas y pulpa en suspensión se comportaran de un modo u otro. Así, los zumos clarificados y despectinizados se comportan como fluidos newtonianos. Sin embargo, cuando en estos zumos se hallan presentes pectinas o pulpa en suspensión, este comportamiento varia, de forma que las ecuaciones características de estos zumos son la ley de la potencia, de Bingham, etc. En el caso de zumos clarificados, pero que contienen pectinas, se comportan
como
fluidos
pseudoplásticos,
es
decir,
que
su
comportamiento reológico puede describirse según la ley de la potencia:
. τ = K * γ
n ……. (2)
En la que el esfuerzo cortante τ es proporcional a la potencia n-esima de la velocidad de deformación. En este caso, no puede hablarse de una viscosidad del fluido, sino que se define la viscosidad aparente según la expresión:
. τ η = = K γ K
n −1
……. (3)
Puede observarse que esta viscosidad aparente depende de la velocidad de deformación. Y además, para fluidos pseudoplásticos el coeficiente de comportamiento al flujo es menor que la unidad, por lo que a medida que aumenta la velocidad de deformación, la viscosidad aparente disminuye. (Alberto Ibarz, Jordi Pagan - 1987). En el caso de los zumos concentrados, clarificados y despectinizados (zumos en los que se ha eliminado toda la pulpa en suspensión y gran parte de agua) su comportamiento reológico puede describirse mediante la ecuación de Newton de la viscosidad:
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. τ =μγ
……. (4)
Los zumos concentrados, clarificados y no despectinizados presentan un comportamiento reológico que puede describirse por la ley de potencia:
. τ = K γ
n ……. (5)
Comportándose como fluidos pseudoplásticos. Esta es, quizás, la ecuación que mas se ha aplicado para la descripción del comportamiento reológico de muchos tipos de fluidos alimenticios. Por su parte, el comportamiento reológico de los zumos con sólidos en suspensión (zumos en los que, normalmente, la cantidad de agua que poseen es elevada y además no ha sido eliminada la pulpa) pueden presentar un umbral de fluencia, pudiendo describirse su comportamiento reológico mediante el modelo de Herschel-Bulkley:
. τ = τ + K γ 0
n ……. (6)
En la que τo es el umbral de fluencia o esfuerzo mínimo. (Alberto Ibarz y Ma Jesús Ortiz - 1993). Las viscosidades de líquidos son afectadas drásticamente por la temperatura, todos los líquidos disminuyen su viscosidad cuando aumenta la temperatura. El efecto que la temperatura ejerce sobre la viscosidad puede describirse mediante una ecuación tipo Arrehenius:
Ε μ = Κ exp a 0 RΤ
……. (7)
Para fluidos no newtonianos no existe una relación proporcional entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación, por lo que no se puede hablar de viscosidad de todo el rango de velocidades de deformación; sin embargo, es ampliamente utilizada la viscosidad aparente, así para fluidos pseudoplásticos suele relacionarse la viscosidad aparente a una velocidad de deformación fijada en lugar de la viscosidad de acuerdo con la expresión:
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Ε η = Κ exp a 0 RΤ
……. (8)
El efecto que el contendido en sólidos solubles ejerce sobre la viscosidad, en bibliografía puede encontrarse dos tipos de correlaciones, según un modelo potencial y otro exponencial, de acuerdo con las expresiones:
μ = K exp(A C) 1 1
……. (9)
A μ = K exp(C 2 ) 2
.……. (10)
Del mismo modo que se ha correlacionado la viscosidad aparente con la temperatura, es posible relacionar esta viscosidad con el contenido en sólidos solubles de acuerdo con las expresiones:
η = K exp(A C) 1 1
.……. (11)
A η = K exp(C 2 ) 2
.……. (12)
(Alberto Ibarz, Jordi Pagan - 1987) En el cuadro 9 se muestra la viscosidad de algunos alimentos expresados en Pa.s Cuadro 9. Viscosidad de algunos zumos de fruta Producto Zumo de manzana Zumo de uva Zumo de piña Zumo de naranja Zumo de limón Zumo de lima
Composición (ºBrix) 12.7 14.4 12.8 8.4 8.2 7.2
Temperatura (°C) 25 25 20 25 25 30
Viscosidad (mPa.s) 1.63 1.65 2.00 1.55 1.22 1.04
Fuente: Juan D. Alvarado y José M. Aguilera (2001) Algunos investigadores proporcionan formulas o modelos matemáticos para determinar la viscosidad en alimentos; en la sección de anexos se detalla algunos modelos encontrados en bibliografía. 2.4.4.Calor específico (Ce):
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En este punto hay que saber distinguir capacidad calorífica del calor específico. La capacidad calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor que necesita ese cuerpo para aumentar en 1 grado su temperatura, (Christie J. Geankoplis - 1982), en ella no se tiene en cuenta la masa del cuerpo. La experiencia nos indica que un cuerpo con una masa mayor necesitara más calor para elevar su temperatura que un cuerpo con menor masa, definimos por conveniencia una magnitud intensiva que no dependa de la masa, al cual llamamos calor específico. El calor específico es la única propiedad necesaria para estimar la cantidad de energía requerida para cambiar la temperatura de un producto alimenticio y es definido como la cantidad de calor ganado o perdido por una unidad de masa de producto para lograr un cambio deseado en temperatura, sin un cambio de fase. Matemáticamente.
Q' C = e m( ΔT )
.……. (13)
Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales. Para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante. (Encarta - Biblioteca de Consulta 2003). En los alimentos es una propiedad difícil de cuantificar, depende en su mayoría de la cantidad de agua presente y por el estado físico del agua, por lo que se calcula el calor específico de un alimento a partir de su
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composición. En la práctica, y concretamente en soluciones acuosas azucaradas o zumos se suelen utilizar ecuaciones empíricas para la predicción del calor específico, las cuales vienen dadas en función de la concentración de soluto en la solución. Estrictamente hablando ni la capacidad calorífica ni el calor específico son constantes, sino que dependen del intervalo de temperaturas que se considere. (Internet: Propiedades físicas). En la cuadro 10 se indican los calores específicos en Kj/Kg°K, obtenidos experimentalmente, de diversos alimentos. Cuadro 10. Calores específicos de algunos zumos de fruta
Producto.
T (ºC)
Zumo de frambuesa Zumo de fresa Zumo de naranja Zumo de naranja Zumo de manzana Zumo de cereza
25 25 25 15; H = 89% 25 25
Calor específico experimental (Kj/Kg°K) 3.89 3.98 3.822 3.89 3.85 3.85
Fuente: George D. Hayes (1992) Existen diversos métodos para el cálculo del calor específico en alimentos así podemos mencionar: 2.4.4.1.El método de mezclas o el método adiabático; en ella la cantidad de calor, positiva o negativa, que hay que medir se evalúa a partir de una masa de agua “m”, cuya temperatura se eleva (o disminuye) de T2 a T1. La expresión de esta cantidad de calor es: (Internet: Calor específico).
Q' = mC (T − T ) e 2 1
.……. (14)
Método de las mezclas En este método la sustancia de masa y temperatura desconocida se coloca dentro de un fluido de masa y temperatura conocida contenido en un recipiente de metal
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(aluminio o cobre) denominado calorímetro. Una vez alcanzado el equilibrio térmico se toma la temperatura final. Para determinar el Cp de la sustancia se supone que el calor perdido por esta es igual al calor ganado por el fluido y el calorímetro (principio de la igualdad de los intercambios caloríficos). Por consiguiente, aplicando el principio de los intercambios caloríficos puede escribirse:
msCs (Ts − Tm ) = m C (Tm − T ) + m cCc (Tm − T ) f f f f
Y Cs =
(Tm − T )(mcC + mcCc ) f f ms (Ts − Tm )
.……. (15)
La mayor fuente de error experimental es debida a las pérdidas de calor hacia el exterior particularmente si el Ce es bajo. Una manera de recudir esto es aislando el calorímetro. Alternativamente, experimentos preliminares con las sustancias en cuestión pueden ser realizados para hallar el aumento de temperatura implicado, y la temperatura inicial del líquido ajustada a la temperatura ambiente, para que el calor ganado mientras el líquido está por debajo de la temperatura ambiente iguale el calor perdido cuando la temperatura sube por encima del ambiente.
A. Metodología de Kulacky y Kennedy Este método es similar al método de las mezclas, salvo algunas modificaciones, según la cual no se produce el contacto
directo
entre
el
alimento
y
el
medio
intercambiador de calor, sino que la muestra se encapsula en un cilindro de propiedades y dimensiones conocidas, el
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que es inmerso en un recipiente con agua. A partir de un balance calórico del sistema es posible determinar el valor del calor específico del producto aplicando la ecuación:
Cep =
(m w C w + m C c + m g C g )(T − T ) m C R θ 2 1 + w w c d … (16) m p (T − T ) m p (T − T ) 2 1 2 1 Experimentalmente el método consiste en llenar la muestra un cilindro de aluminio de 2.25 cm de diámetro y se sellan los extremos con tapas de rosca del mismo material. Una vez preparado el cilindro geométrico con la muestra, se llevo todo el sistema a 0° C y luego se introduce en un recipiente perfectamente aislado, lleno con una masa medida de agua a 80° C. Se registra la temperatura en el centro del cilindro y en el seno del agua, que se mantiene agitada. Una vez logrado el equilibrio entre el agua y muestra, se calcula el calor específico; por cuanto se deben conocer las propiedades del cilindro y tapones para poder aplicar la ecuación 16 para determinar el calor específico del alimento.
2.4.4.2.Método de enfriamiento o diferencial. Para una temperatura dada las velocidades de pérdida de calor de dos líquidos contenidos en un calorímetro son iguales. La ley de Newton de enfriamiento establece que la pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional al exceso de temperatura del cuerpo sobre el ambiente. La muestra de líquido se calienta y coloca en un calorímetro. La temperatura se toma a intervalos regulares mientras el fluido se enfría. El procedimiento se repite usando el mismo calorímetro con un líquido de calor específico conocido. Se obtienen curvas de enfriamiento para los dos líquidos y las velocidades de enfriamiento se determinan a la misma temperatura.
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dT dT (m C + m cCc ) = (m C + m cCc ) .… (17) 1 1 2 2 dt 1 dt 2 Siendo el calor específico de la muestra la única incógnita, puede ser determinado mediante esta ecuación. Es conveniente señalar que la tasa de pérdida de calor depende de otros factores, tales como el área de superficie de la muestra, la temperatura del ambiente y la naturaleza de la superficie del calorímetro. Hay que tener cuidado para asegurarse que estos factores permanecen igual para los dos líquidos. La
velocidad de enfriamiento para una temperatura en
particular se determina a partir de la pendiente de la tangente de la curva. Esto puede lograrse dibujando la tangente o bien empleando diversas técnicas matemáticas. Puede tenerse una aproximación suficiente tomando el tiempo que transcurra hasta que la temperatura baje hasta un rango especificado, siendo la temperatura a la que se precisa la velocidad de enfriamiento el valor medio. (Lewis M. J. -1993). 2.4.4.3.Método eléctrico. En el se evalúa el efecto de la variación de temperatura, mediante el paso de una corriente a través de un conductor, el cual proporciona una cantidad de calor determinada que sirve para producir el efecto calórico. (Internet: Calor específico). Es posible insertar un electrodo en el calorímetro que contenga el fluido a ensayar y medir el aumento de temperatura producida en este mediante la aplicación de una corriente de intensidad y voltaje conocidos durante un tiempo determinado. Las pérdidas de calor pueden ser eliminadas enfriando el líquido por debajo de la temperatura ambiente y aplicando energía eléctrica hasta que la temperatura alcance un valor por
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encima del ambiente, tal que las diferencias de temperatura por encima y por debajo del ambiente sean iguales. En este caso:
V I t = m c C c ΔT + m C ΔT .…… (18) L L Han sido diseñados calorímetros de flujo continuo, un líquido pasa a través del tubo que contiene una resistencia eléctrica, a .
una velocidad de flujo constante m , con aplicación de un voltaje estacionario e intensidad, el calorímetro se lleva al estado de régimen (las temperaturas de entrada y salida alcanzan un valor constante). En este momento el calor ganado por el fluido es igual a la energía eléctrica suministrada. Por consiguiente:
. m C ΔT = VI L
.……. (19)
La velocidad del flujo puede ser medida, quedando como única incógnita el calor específico CL del líquido. (Lewis M. J. 1993).
Figura 3. Dispositivo experimental para la evaluación del calor específico
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Algunos investigadores proporcionan formulas o modelos matemáticos para determinar el calor específico en alimentos; en la sección de anexos se detalla algunos modelos encontrados en bibliografía. 2.4.5.Difusividad térmica (α): Esta propiedad es una medida de la cantidad de calor difundida a través de un material en calentamiento o enfriamiento (Gabriel Jiménez, Ismael Kasahara - 1991), otros autores la definen como la velocidad de propagación de una onda térmica en un material, es decir la relación entre la habilidad del material para conducir calor con relación a la habilidad para almacenar calor. En términos físicos la difusividad térmica da una medida de la rapidez de cambio de temperatura cuando hay calentamiento o enfriamiento. La importancia de esta propiedad radica en que ésta determina el comportamiento que tiene la temperatura al propagarse en el material a través del tiempo. La difusividad térmica puede ser definida a través de la siguiente expresión diferencial (Gabriel Jiménez, Ismael Kasahara - 1991):
dT k ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T = + + .… (20) dt ρ.Cp ∂X 2 ∂Y 2 ∂Z2
α=
k = difusividad térmica .……. (21) ρ.Ce
Definida como el cociente de la conductividad térmica y el producto de la densidad por el calor específico, siendo sus unidades (m2/s). El numerador de la expresión que nos da la difusividad térmica está relacionado con la capacidad de un material para transmitir el calor, mientras que el denominador está relacionado con su capacidad para acumularlo.
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La difusividad térmica de un material es afectada por el contenido de agua y la temperatura, así como por la composición química del mismo. Los alimentos que tienen alta difusividad indica que estos son más aptos para transmitir energía por conducción que para almacenarlo, es decir pueden ser calentados o enfriados rápidamente a diferencia de aquellos materiales que tienen baja difusividad que responden lentamente. La difusividad térmica es importante cuando existe transferencia de calor en estado no estacionario, es determinada experimentalmente o bien puede calcularse teóricamente; además juegan un papel importante en el diseño y análisis de procesos de alimentos y equipos de procesamiento. (Internet: Propiedades físicas). En las cuadro 11 se indican las difusividades térmicas en m2/s, obtenidos experimentalmente, de diversos alimentos.
Cuadro 11. Difusividad térmica de algunos zumos de fruta
Producto Zumo de manzana Zumo de fresa Zumo de cereza Zumo de naranja Zumo de frambuesa
Contenido de agua (% peso) 87.2 94.7 86.7 89 88.5
temperatura (°C) 20 20 30 20 22
Difusividad térmica (x10-7 m2/s) 1.368 1.39 1.37 1.368 1.36
Fuente: George D. Hayes (1992) Existen diversos métodos para el cálculo de la difusividad térmica en alimentos así entre ello tenemos: 2.4.5.1.Metodología de Dickerson
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El sistema opera en régimen trasiente, y hace uso de la ley general de Fourier de conducción de calor, la cual nos da la contribución de la difusividad térmica en la historia de tiempo temperatura en cualquier punto en el material. En otras palabras, la difusividad térmica puede calcularse si se conoce la historia de tiempo temperatura en un punto del material y las condiciones de frontera. (Internet – El agua). Consiste en un baño de agua con agitación en el cual se sumerge un cilindro de aluminio de diámetro conocido que contiene la muestra y que se encuentra aislado con tapones de goma. Dos termocuplas ubicadas en el centro y superficie del tubo, respectivamente, permiten recoger la variación de temperatura con el tiempo cuando el cilindro con la muestra son sometidas a calentamiento a razón constante. Por cuanto la muestra adquiere la forma de un cilindro infinito, el calor se propaga solo en dirección radial por conducción en estado no estacionario, y por tanto, el fenómeno puede representarse por la ecuación diferencial:
∂ 2T 1 ∂T ∂T = α + 2 ∂θ R ∂R ∂R
.……. (22)
(Ecuación de energía) A partir de una seria de supuestos validos para la instalación diseñada, los autores consideran que para cilindros de diámetro reducido (L>5 Di) y una vez superado el periodo trasiente-la ecuación anterior se transforma en la siguiente:
d 2T 1 dT dT = α + 2 dθ R dR dR
.……. (23)
Cuya solución integrada conduce a la expresión:
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α=
R
2
1 dT i 4 T − T dθ R 0
.……. (24)
La razón de calentamiento se evalúa en la porción recta de la curva de calentamiento, una vez eliminado el periodo trasiente. Se calcula un primer valor de la difusividad térmica en el periodo en que las dos curvas son paralelas, ajustándose a cada curva una ecuación del tipo: Tc = b + aX Ts = c + aX Con los valores de A, Tc y Ts se obtiene un primer valor para la difusividad, de acuerdo a la ecuación dada; con este valor de α se calcula el tiempo para el cual se ha desarrollado completamente la transferencia de calor, a partir del número de Fourier igual a 0.55. Con este tiempo se ajustan nuevamente los datos mediante regresión lineal, obteniendo la razón real de calentamiento y el valor de la difusividad térmica final. (Gabriel Jiménez, Ismael Kasahara - 1991).
Figura 4. Equipo utilizado para la obtención del perfil térmico
2.4.5.2.Método Matemático
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Pueden usarse varios métodos para determinar la difusividad térmica uno de ellos es basándose en la ecuación de equilibrio de energía:
∂T = α ∇ 2T ∂t
.……. (25)
k ρC p
.……. (26)
Donde:
α=
Como se conoce, la conductividad térmica, la densidad y el calor específico de un medio, puede calcularse rápidamente la difusividad térmica. (López Ramos, Palmisano E - 1994) 2.4.5.3.Método grafico En este método se considera el bote de muestra como un cilindro infinito y con la temperatura en el centro del mismo (Tci) para un tiempo de t = 30 min, se calcula la temperatura adimensional Y. Se supone un valor de la difusividad térmica (X) y mediante las graficas de conducción de calor en estado no estacionario en una lamina semiinfinita y en un cilindro infinito, se toma para m = 0 y n = 0, y se calcula los valores de las temperaturas adimensionales Yci e Yli. Se comprueba que cumple con la regla de Newman (ec 27). En caso afirmativo la difusividad térmica supuesta es correcta. En caso contrario se repite el proceso para otro valor de difusividad térmica.
Y = Y *Y cf li ci
.……. (27)
(Alberto Ibarz R., Gustavo Barbosa C. - 2000) Desgraciadamente este método carece de precisión y los resultados obtenidos son estimados crudos de la difusividad. (Internet – El Agua.). 2.4.5.4.Método analítico
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Se construye una grafica de penetración de calor, los datos experimentales obtenidos se ajustan a la ecuación de cilindros finitos, después de transcurrido el periodo de inducción. Se fundamenta en que los objetos con dimensiones finitas, como paralepipedos, cilindros etc, se consideran como intersección de dos o más cuerpos de dimensiones infinitas. Así, un cilindro finito está formado por la intersección de un cilindro de longitud infinita y de radio finito, y de una lamina de caras paralelas, de espesor igual a la altura del cilindro y de largo y ancho infinitos. La regla de Newman relaciona las variables adimensionales de temperatura del cilindro finito con las de la lámina y el cilindro infinito. El método analítico usa las ecuaciones analíticas aproximadas. Se sabe que una vez transcurrido el periodo de inducción (mayor a 10 min), se pueden despreciar los términos de la serie a partir del segundo. En el caso de que, además, exista una agitación elevada, se puede considerar que el modulo de Biot tiende a valores muy altos, y por lo tanto su inversa, m, tiende a cero (m = 0). Por lo que las ecuaciones de la lamina infinita y el cilindro infinito, se expresan como:
π2 π 4 Y = exp − X cos n' .…. (28) li π 4 li 2
(
)
Y = 1.602 exp − 5.784X J o ( 2.405n') ... (29) ci ci Además:
π2 αt 4 αt Y = 1.602 exp − − 5.784 … (30) cf π 4 e2 rc2 Tomando logaritmos decimales y reagrupando términos:
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1.017 2.512 α t ….. (31) logY = log 2.040 − + 2 cf e 2 rc Reemplazando log Ycf = f(t), aparece una recta de: Ordenada de origen = log (2.040)
Pendiente =
1.017 2.512 α t − + 2 2 e rc
.……. (32)
En esta expresión de despeja el valor de la difusividad térmica (α ), ya que el resto de valores son conocidos. Las medidas de rc y e se dan en metros y la difusividad en m2/s. Así pues mediante la grafica de penetración de calor se presentan los valores de LogYcf frente a los del tiempo y se calcula el valor de la pendiente del tramo recto. Este valor se iguala al valor térmico de la pendiente deducida de la ecuación (32). A partir de aquí se construye la grafica correspondiente y haciendo los cálculos oportunos (método analítico) se halla la difusividad térmica. (Alberto Ibarz R, Gustavo Barbosa C. 2000). Algunos investigadores proporcionan formulas o modelos matemáticos para determinar la difusividad térmica en alimentos; en la sección de anexos se detalla algunos modelos encontrados en bibliografía. 2.4.6.Conductividad térmica (k): Es el parámetro que se utiliza para caracterizar a los materiales en lo referente a su capacidad de transmitir el calor; representa la facilidad con que un material conduce el calor. La conductividad térmica se define como la cantidad de calor transmitida por conducción a través de una unidad de área de producto, por cada
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grado de temperatura de diferencia entre los puntos. (Gabriel Jiménez, Ismael Kasahara - 1991). En términos matemáticos, la conductividad térmica es la constante de proporcionalidad en la ley de Fourier para conducción de calor en estado estacionario, dado por: Q
dT = − k A X p dX
.……. (33)
La unidad de conductividad térmica en el Sistema Internacional es el W/(m°K) (vatio por metro y grado), también un submúltiplo mW/(m°K) (milivatio por metro y grado) con el fin de eliminar valores excesivamente pequeños. La conductividad térmica es una propiedad característica de cada material, su valor puede depender de la temperatura y de una serie de factores tales como la densidad, composición, porosidad, contenido de humedad, diámetro de fibra, tamaño de los poros, estructura celular, otros factores que también afectan la conductividad térmica son la presión y la temperatura. Aquellos materiales que tienen baja conductividad térmica pueden ser utilizados como aislantes. Los alimentos, siendo de origen biológico, están sujetos a alta variabilidad en su composición y estructura, por lo que los valores de conductividad térmica no se mantienen siempre constantes, sin embargo son malos conductores por lo que en procesos de transferencia de calor en donde la conducción predomina, éstos generalmente son lentos. La conductividad térmica en la mayoría de las sustancias se puede considerar constante, aunque en realidad varia un poco con la temperatura, la mayoría de los alimentos contiene un elevado porcentaje de agua por lo que su conductividad térmica es similar a la del agua (Earle R.L.- 1988), sin embargo la
conversión del agua en hielo
incrementa la conductividad térmica aproximadamente 4 veces. (Lewis M.J. - 1993). Los métodos para determinar la conductividad se basan en el paso de calor a través de la muestra alcanzando el estado estacionario y midiendo la velocidad de transferencia de calor y el gradiente de temperatura,
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cuando se conoce la geometría de la muestra. (Internet: Propiedades físicas). En la cuadro 12 se indican las conductividades térmicas en W/mºK, obtenidas experimentalmente, de diversos alimentos. Cuadro 12. Conductividad térmica de los alimentos Producto. Manzana Zumo manzana Zumo de Fresa Naranjas Zumo de cereza Zumo de naranja Zumo de frambuesa
Contenido de Humedad (%) 84-85 87.2 91.7 87.2 86.7 89.0 88.5
Temperatura (ºC). – – 22 – – 20 20
Conductividad Térmica (W/mºK). 0.415 0.554 0.571 0.415 0.554 0.554 0.554
Fuente: George D. Hayes (1992) La conductividad térmica se puede determinar en estado estacionario o trasiente. 2.4.6.1.Métodos en el régimen estacionario Las determinaciones en estado estacionario están basadas en la ley de Fourier para conducción en estado estacionario y es necesario establecer una conducción de calor uni-dimensional en el material a medir. De estas técnicas la más popular es la de la placa caliente protegida. (Internet – El agua). En este método el perfil de temperaturas es independe del tiempo, en otros
∂T = 0 ; el material cuya a
términos
conductividad se quiere medir se pone entre dos placas planas (caliente y fría), a través de las cuales se tiene que mantener una diferencia de temperatura constante. Cuando este estado estacionario se ha alcanzado, lo que puede tomar varias horas, la alimentación de calor (Q), la diferencia de temperatura (∆T), el área de contacto (A), el espesor (paralelo al flujo de calor) (∆x), se miden y la conductividad térmica se computa.
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T −T Q = kA 2 1 L
.……. (34)
Este método no se considera adecuado para alimentos debido a los largos tiempos de equilibración, la migración de humedad en la muestra y el gran tamaño de muestra requerido. (Lewis M.J. - 1993) 2.4.6.2.Métodos en el régimen no estacionario En los métodos de medición de conductividad térmica en estado trasiente se hace uso de la historia de temperatura en un punto de un cuerpo sólido. El procedimiento básico consiste en aplicar un flujo continuo constante de calor al material y la historia tiempo temperatura en algún punto del material resultante de este flujo de calor se mide y se usa para determinar la conductividad térmica. Los dos métodos más usados son el de fuente de calor de alambre y el probador de conductividad térmica, en ambos métodos un alambre fino es energetizado y la interrelación tiempo temperatura a una distancia dada de la fuente de calor se obtiene con un termopar después de un tiempo corto de calentamiento. (Internet – El agua). La fuente lineal de calor es un método no estacionario ampliamente utilizado para medir la conductividad en diversos productos alimenticios. La teoría del método asume una fuente lineal de calor (resistencia eléctrica) de longitud constante, inmersa en un cuerpo homogéneo infinito (cilindro) que se encuentra a una temperatura inicial uniforme. Bajo estas condiciones, la temperatura en un punto del cuerpo es función del tiempo de calentamiento y la conductividad térmica del mismo. Esta técnica opera según el principio que si se suministra calor a la muestra a una razón constante, esta se disipa en ella elevando su temperatura.
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Carslaw y Jaeger (1959) demostraron que la temperatura en el producto, a una distancia R de la fuente calórica, para tiempos prolongados desde iniciado el calentamiento, y considerando la relación entre la energía térmica y la eléctrica aportada a la fuente lineal de calor como Q/AI2Z, el parámetro térmico puede ser evaluado mediante la ecuación:
k=
ΦI 2 Z Ln(θ − θ ) 2 1 4π(T − T ) 2 1
.……. (35)
Este método requiere periodos cortos de tiempo y los problemas de migración de humedad no se presentan. (Gabriel Jiménez, Ismael Kasahara - 1991). Algunos investigadores proporcionan formulas o modelos matemáticos para determinar la conductividad térmica en alimentos; en la sección de anexos se detalla algunos modelos encontrados en bibliografía.
2.4.7.PH El pH de un alimento es uno de los principales factores que determinan la supervivencia y el crecimiento de los microorganismos durante el procesado, el almacenaje y la distribución. Como el efecto de algunos otros factores depende en parte del pH, es a veces difícil separar el efecto del pH por sí mismo y el de otros factores influidos por el pH. Así por ejemplo, los microorganismos se ven afectados por el nivel de iones H. libres (el pH por sí mismo) y, además, por la concentración del ácido débil no disociado, la cual a su vez depende del pH. Los aniones de algunos ácidos débiles (del ácido acético o láctico, por ejemplo) metabolizan dentro de la célula bacteriana, liberando H+ que acidifica el interior de la célula hasta alcanzar niveles inhibitorios.
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Los valores bajos de pH pueden ayudar en la conservación de los alimentos de dos maneras: directamente, inhibiendo el crecimiento microbiano, e indirectamente, a base de disminuir la resistencia al calor de los microorganismos, en los alimentos que vayan a ser tratados térmicamente. (Internet: pH y acidez). El pH es una transformación logarítmica que permite expresar mediante números sencillos la concentración de hidrogeniones a expensas de trabajar con una escala no lineal. Siendo la medición de pH una de las más comunes en el laboratorio, serían esperables una clara definición internacional y procedimientos de medición acordes a la misma. De hecho existen, pero ni la definición de pH ni el procedimiento de medición de referencia son simples (como lo son, por ejemplo, para el kilogramo). En 1909 el químico danés S. P. L. Sørensen definió al pH (del francés pouvoir hydrogène, “Poder del hidrógeno”) como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno: pH = -log10 [H+] (Internet: pH – mediciones exactas) Debido a que los iones H+ se asocian con las moléculas de agua para formar iones hidrónio, H3O+, el pH también se expresa a menudo en términos de concentración de iones hidrónio. pH = -log10 [H3O+] En 1924, Sørensen y Linderstrøm-Lang cambiaron la definición teniendo en cuenta la actividad de iones hidrógeno: pH = -log10 aH+ La actividad es menos tangible, pero la ventaja es que puede ser medida. La actividad de H+ tiene un significado termodinámico y es de primordial importancia en la mayoría de los procesos químicos y biológicos. (Internet: pH – mediciones exactas). La definición actual del pH es la siguiente: pH = -log (yH mH)
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donde yH es el coeficiente de actividad iónica particular del ión hidrógeno y mH es la molalidad del ión hidrógeno. Como es sabido, el agua puede comportarse como ácido o como base dependiendo de la sustancia con la que reaccione. El grado de disociación del agua pura a 25º C es 1.81x10-9, las concentraciones molares (M) en el equilibrio de los iones hidrónio (H3O+1) y oxidrilo (OH-1) son: [H3O+1] = [OH-1] = (1000 g/L)/(18 g/mol)(1.8x10-9) [H3O+1] = [OH-1] = 1.0x10-7 M. Al sustituir estos valores para Kw se tiene: Kw = [H3O+1] [OH-1] Kw = (1.0x10-7mol/L)*(1.0x10-7mol/L) =1.0x10-14 (mol/L)2 Como la concentración molar del ión hidrónio es de 10-7 mol de H3O+/L de H2O, entonces el potencial de hidrógeno del agua pura es:
pH = log 1/0.0000001 = log 1/10-7 = log 107 = 7
Por ello, una solución acuosa neutra tiene un pH = 7, así las disoluciones ácidas tienen un pH que varía desde 6 (ácido débil) hasta 1 (ácido fuerte), mientras una disolución básica el pH varía desde 8 (base débil) hasta 14 (base fuerte).
Además como Kw = [OH-1] [H3O+1], entonces:
pKw = pH + pOH = 14 Entonces la escala del potencial de hidrógeno varía de cero a catorce. (Encarta - Biblioteca de Consulta 2003). En el estudio de la físico química, las evoluciones a presión constante son, en su mayoría, de gran importancia y específicamente, a presión
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constante y concentración constante, el coeficiente de actividad, del producto iónico del agua, y las funciones de estado propias del sistema termodinámico en estudio, varían con la temperatura. Esto implica que el pH variará en función de la temperatura según el valor que presenten las constantes de equilibrio de cada sustancia. La expresión que vincula la evolución del pH en función de la temperatura, presenta una formula empírica de la forma: pH =alog(T) + b (Pablo D., Mariano N., Débora R., Vanesa R. - 1994). El pH anteriormente se media mediante el empleo de papeles indicadores o titulación con soluciones estándar de ácidos o álcalis con la ayuda de algún indicador, sin embargo estos solo median la cantidad de acidez o alcalinidad. Actualmente se emplean los pH-metro o potenciómetro los cuales miden la intensidad de acidez o alcalinidad. (James C. P. Chen. 1997). Dentro del rango de acidez, en frutas y de acuerdo a su pH tenemos: (Hatta S. Beatriz). -
Frutas de alta acidez: como son las frutas cítricas y el maracuya que tienen un pH aproximado de 2 a 3.
-
Frutas de baja acidez: como la papaya, el mango, la lúcuma que tienen un pH aproximado de 4 a 5.
-
Frutas de acidez intermedia: como la manzana, el durazno, la uva, la piña, la fresa que tienen un pH de 3 a 4.
2.4.8.Aumento ebulloscópico (ΔTe) Todas las propiedades de una solución que dependen tan sólo del número de partículas disueltas, pero no de su naturaleza, se llaman propiedades coligativas; entre ellas figuran el descenso de la presión de vapor, el descenso del punto de congelación, la presión osmótica y la elevación del punto de ebullición El Punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho
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líquido. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, la evaporación tiene lugar únicamente en la superficie del líquido. Durante la ebullición se forma vapor en el interior del líquido, que sale a la superficie en forma de burbujas, con el característico hervor tumultuoso de la ebullición. Cuando el líquido es una sustancia simple o una mezcla azeotrópica, continúa hirviendo mientras se le aporte calor, sin aumentar la temperatura; esto quiere decir que la ebullición se produce a una temperatura y presión constantes con independencia de la cantidad de calor aplicada al líquido. (Encarta - Biblioteca de Consulta 2003). Cuando un soluto no volátil se disuelve en el agua, se observa que la temperatura de ebullición de la solución formada es superior al valor de la temperatura de ebullición del agua pura. Este fenómeno se denomina elevación del punto de ebullición o aumento ebulloscópico. (Internet : Elevación del punto de ebullición). El aumento del punto de ebullición de una solución (alimento líquido) se define como el incremento en el punto de ebullición sobre el del agua pura, a una determinada presión. La presencia de moléculas de soluto altera la presión de vapor de la solución y por lo tanto afecta al punto de ebullición de equilibrio. (Ana V. Vanaclocha y José A. Requena -1999). La elevación del punto de ebullición puede afectar en forma significativa la operación de un sistema de evaporación. Las sales y, en menor grado, los azucares son los principales responsables del incremento del punto de ebullición de los alimentos. Es importante tener en cuenta el aumento del punto de ebullición, ya que la diferencia de temperatura, debido a su proceso de concentración. La disminución de la diferencia de temperatura entre ambos medios disminuye a su vez la velocidad de transmisión de calor entre el vapor y el producto. (Ana C. Vanaclocha, José A. Requena - 1999). Cabe resaltar que muchas soluciones alimentarías son termolábiles, y pueden quedar afectadas si son expuestas a una temperatura demasiado elevada. Es por ello que en muchos casos es conveniente operar a vacío en la cámara de evaporación, lo que hace que la temperatura de ebullición
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de la solución acuosa sea menor y el fluido se verá afectado por el calor en menor grado. Si se opera a vacío, es necesario disponer de un dispositivo que lo realice. Asimismo, será necesario que, en el condensador utilizado en la condensación del vapor desprendido en la cámara de evaporación, se disponga de una columna barométrica que compense la diferencia de presiones con el exterior. Efectuando una búsqueda en la literatura, se nota una gran dificultad para encontrar los valores de este parámetro. Algunos libros en el área de operaciones unitarias, en el capítulo con respecto a la Evaporación presentan datos de la elevación del punto de ebullición simplemente a soluciones de NaOH en agua, en una forma grafica denominada Diagrama de Duhring. (Internet: Elevación del punto de ebullición). Sin embargo se puede encontrar en bibliografía ecuaciones que permiten predecir este parámetro, sin embargo se restringe la validez a soluciones diluidas o a soluciones ideales. En la actualidad existen dos grupos diferentes de métodos para describir la elevación del punto de ebullición de soluciones de azúcares y de zumos de fruta, en función de la presión (o punto de ebullición del agua) y la concentración de sólidos solubles. (Iñaki P. Akasuso, Albert I. Ribas y Jesús P. Gomá - 1995). 2.4.8.1.Correlaciones empíricas: En el primer grupo se utilizan ecuaciones empíricas que ajustan los datos experimentales del equilibrio vapor-líquido de las soluciones. Aquellas que calculan bien la presión de vapor del agua pura, pueden extenderse a soluciones acuosas. Así a partir de la ecuación de Clasius-Clapeyron se puede escribir:
ln P = A(W) −
B(W) T b
.……. (36)
O a partir de la ecuación de Antoine:
ln P = A(W) −
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B(W)
T − C(W) b
.……. (37)
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Obviamente se pueden proponer correlaciones más complejas y seguras; sin embargo, los coeficientes A, B y C en las ecuaciones precedentes, resultan en general en funciones complejas y es difícil obtener el punto de ebullición de manera explícita. Para el caso de soluciones azucaradas, existen correlaciones empíricas que permiten, en vez de obtener el punto de ebullición, obtener el aumento ebulloscópico (ΔTe). De las soluciones. Así, una de estas expresiones fue la desarrollada por Crapiste y Lozano (1988): β ΔTe = α' W exp( γW ) P δ
.……. (38)
Los parámetros involucrados se calculan a partir de los datos experimentales. Sin embargo cabe destacar que la información sobre el aumento ebulloscópico (ΔTe) de los zumos de fruta es escaso y prácticamente inexistente (Constela D., Forbito P., Crapiste G. y Lozano J. - 1995). Cuadro 13. Valores de los parámetros α, β, γ y δ de la ecuación (38) para evaluar el ascenso ebulloscópico en soluciones
Muestra NaCl NaClO3 NaOH Sacarosa Azucares reductores Zumo de manzana
α’ x 10 −2 0.11 3.86 5.29 3.061 2.227 1.36
β 0.7804 1.0039 1.5314 0.09417 0.5878 0.7489
γ x 10 −2 3.87 1.61 1.54 5.329 3.593 3.39
δ 0.1403 0.1517 -0.0024 0.1356 0.1186 0.1054
Fuente: Iñaki P. Akasuso, Albert I. Ribas y Jesús P. Gomá, (1995), Internet : Elevación del punto de ebullición 2.4.8.2.Aproximación teórica Se basa en consideraciones termodinámicas:
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ln a
W
=
ΔH 1 1 V − R T T W b
.……. (39)
De la ecuación (39) se puede despejar T-TW lo cual nos da
ΔTe = T − T = W b
−T W ….. (40) ΔH V 1+ RT * ln(a ) W W
Para el caso particular de soluciones ideales, por medio de la Ec. (40) y la ley de Rault, se puede obtener:
ΔTe = T − T = W b
−T W …. (41) ΔH V 1+ RT * ln(x ) W W
Para el caso en que las soluciones sean diluidas, se puede simplificar aún más:
RT 2 W (1 − x ) ΔTe = W ΔH V
.……. (42)
Tanto las ecuaciones (41) y (42) son formas simplificadas que requieren la fracción molar de soluto, pero son independientes de la clase de soluto. La ec. (40) necesita de la actividad de agua en función de la temperatura y la concentración. Esta ecuación no es fácil de obtener. Por eso desde un punto de vista práctico, se prefieren ecuaciones donde ∆Te sean no iterativas. La ec. (40) puede ser usada para desarrollar un método relativamente simple para estimar el ascenso ebulloscópico, en término de datos experimentales de soluciones de componentes individuales. Se ha preferido la ecuación de Ross (1975) por ser razonablemente segura y simple:
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aw = Π ( aw ) i i
.……. (43)
donde (aw) representa la actividad de agua de una solución binaria de i componentes a la misma concentración y temperatura que en la solución de multicomponentes. Substituyendo la ec. (43) en la ec. (40) se obtiene:
ΔTe S = ΔT (1 − S) W
.……. (44)
Con:
ΔT ei
T W S=Σ i ΔT 1 + ei T W De esta manera, el aumento ebulloscópico de soluciones complejas, como los zumos de fruta, puede predecirse a partir del conocimiento de la composición y el aumento ebulloscópico de soluciones binarias de los principales componentes a la misma concentración y presión que la solución compleja. Se puede demostrar que si ∆Te/TW
