La deshidratación osmotica final.doc

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

Tema: Capítulo 4 – Deshidratación Osmótica

 Curso  Profesora  Alumno:

: Proyectos agroindustriales : Dr. Carlos Nuñez Saavedra Cajaleon Cerin, Paul Davis

2015 Azarpazhooh, E. and Ramaswamy, H.S. Deshidrtación osmótica, en el Secado de alimentos, Vegetales y Frutas - Volumen 1, Ed. Jangam, S.V., Law, C.L. and Mujumdar, A.S. , 2010, ISBN 978-981-08-6759-1, Publicado en Singapur, pp. 89-116.

CAPÍTULO 4 DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

E. Azarpazhooh and H.S. Ramaswamy Departamento de Ciencia de los Alimentos y Quimica Agrícola, Macdonald Campus, McGill University, 21,111 Lakeshore Ste-Anne-de-Bellevue, Quebec, Canada H9X 3V9

Contenido 4.1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................85 4.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA DESHIDRATACIÓN OSMOTICA.............................87 4.2.1. Presión osmótica......................................................................................................88 4.2.2. Estructura del tejido de la planta...............................................................................89 4.2.3. Fenómenos de transporte de masas........................................................................90 4.3. FACTORES QUE AFECTAN LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA........................91 4.3.1. Influencia del tamaño y la forma en la trasnferncia de masa....................................92 4.3.2. Tipo de agente osmótico.........................................................................................92 4.3.3. Tiempo de contacto.................................................................................................93 4.3.4. Temperatura de la solución.....................................................................................94 4.3.5. La agitación y la relación alimento/ solución…………………………………………..94 4.4. MEJORA DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA.................................................. 95 4.4.1 La aplicación del ultrasonido durante la deshidratación osmótica. ..........................95

4.4.2. Aplicación del escaldado como pretratamiento........................................................96 4.4.3 Aplicación de altas presiones hidrostáticas como un pretratamiento........................96 4.4.4. Aplicación de vacío como un tratamiento previo y durante la deshidratación osmótica…………………………………………………………………………………………...97 4.4.5. Aplicación de campo eléctrico pulsado como un pretratamiento..............................98 4.4.6. Aplicación de microondas durante la deshidratación osmótica...............................99 4.5. MODELADO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA............................................101 4.5.1. Enfoques macroscópicos.......................................................................................101 4.5.2. Enfoque microscópico...........................................................................................104 4.6. MÉTODOS COMPLEMENTARIOS PARA EL SECADO.........................................105 4.6.1. Impacto de la deshidratación osmótica en las propiedades de calidad.................105 4.6.1.1. Impacto de la deshidratación osmótica en el color............................................106 4.6.1.2. Impacto de la deshidratación osmótica en la textura..........................................107 4.6.1.3. Impacto de la deshidratación osmótica en las propiedades de rehidratación.....108

4.7 OBSERVACIONES FINALES Y NECESIDADES FUTURAS DE INVESTIGACIÓN……………………………………………………………….......................109

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

4.1 INTRODUCCIÓN

La deshidratación es una técnica versátil y muy extendida en la industria alimentaria; es el método más antiguo y el más utilizado frecuentemente de la conservación de alimentos. El objetivo principal del secado es la eliminación de la humedad a fin de reducir la actividad del agua y por tanto las asociaciones microbianas, actividad enzimática y deterioro de la calidad del producto. Los métodos de secado se han aplicado para extender la vida útil del producto; sin embargo, con frecuencia afectan la calidad del producto final. Los defectos de calidad más comunes asociados a productos deshidratados son la baja reconstitución, la pérdida de textura, la pérdida de las propiedades nutritivas y sensoriales como el sabor y el color. Estos son principalmente debido a la exposición del producto a altas temperaturas y tiempos extendidos de secado sobre todo en la presencia de aire. (Lenart., 1996; Lin et al, 1998). Un nuevo interés ha surgido recientemente en la búsqueda de nuevas formas de mejorar la calidad de los productos alimenticios secos. Muchas alternativas han sido reconocidos tales como el uso de vacío que podría ser utilizado a temperaturas bajas, el uso del secado por congelación que se realiza en condiciones por debajo del punto triple del agua facilitando la sublimación y de esta manera se protege la textura del producto y otros factores de calidad, el uso de técnicas de secado rápidas que pudieran reducir el tiempo de secado, el uso de nuevas fuentes de energía como la de microondas y el calentamiento por radio frecuencia (significativa reducción del tiempo de secado),el uso de diversos tratamientos que promueven mejores fenómenos de transporte de masas, etc. La deshidratación osmótica ha sido últimamente reconocida como un buen pretratamiento antes del secado regular para promover una mejor calidad y reducir las necesidades de energía (Torreggiani, 1993). La deshidratación osmótica tiene el potencial de eliminar el agua a bajas temperaturas; además, es un método eficiente de energía, ya que el agua no pasa por un cambio de fase (Bolin et al., 1983). La deshidratación osmótica está ganando popularidad como una etapa de procesamiento complementario en la cadena de procesamiento de alimentos integrados en la industria alimentaria debido a su calidad y ventajas relacionadas con la energía. Se ha demostrado que el tratamiento previo osmótico mejora la calidad de los productos secos que incluyen: reducción de la decoloración de la fruta por pardeamiento enzimático (Ponting et al, 1966; Contreras y Smyrl, 1,981.), la reducción de daño por calor en la textura, color (Torreggiani, 1993), el aumento de la retención de volátiles (Flink, 1975; Dixon y Jen, 1977), el aumento de azúcar proporción al ácido el cual mejora la calidad de textura (Raoult-Wack, 1994) Secado deen alimentos, vegetales y frutos y85de bajos costos de operación (Bolin et al, 1983). La deshidratación osmótica es

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

reconocida como un excelente método de ahorro de energía ya que la humedad se elimina de manera eficiente de un producto alimenticio sin un cambio de fase (Bolin et al., 1983). Además, el producto se procesa en una fase líquida, generalmente dando buenos coeficientes de calor y de transferencia de masa (Raoult-Wack, 1994). El costo de envío, embalaje y almacenamiento también se reduce debido al menor contenido de humedad del producto (Rao, 1977; Biswal y Bozorgmehr, 1992). Puesto que se reduce la actividad de agua del producto y el crecimiento microbiano se inhibe en gran medida. Sin embargo, el producto no es estable en almacenamiento debido a que hay relativamente una gran proporción de humedad que todavía existe (hasta 50%). Además, los tratamientos complementarios como la congelación (Tregunno y Goff, 1996), liofilización, secado al vacío (Rahman y Mujumdar, 2007), secado al aire, secado osmo-convectivo (Islam y Flink, 1982 (Donsì et al., 2001); Corzo et al., 2008) y secado por microondas (Orsat et al., 2007) son necesarios a fin de proporcionar estabilidad de almacenamiento para el producto. La deshidratación osmótica es un proceso que consume tiempo; por lo tanto, se necesitan métodos complementarios para aumentar la transferencia de masa sin afectar a la calidad del producto (Rastogi et al., 2002). Uno de los aspectos distintivos de la deshidratación osmótica en comparación con otros métodos de deshidratación es la incorporación del soluto en el sistema alimentario, de cierto modo, se puede cambiar las propiedades funcionales del producto; es posible conseguir propiedades específicas de formulación sin modificar su integridad (Torreggiani, 1993). La investigación sobre la deshidratación osmótica de alimentos fue iniciada por Ponting et al. (1966), y desde entonces han aparecido un flujo constante de publicaciones. Estos, en general, se han ocupado de diversos parámetros, como el mecanismo de la deshidratación osmótica, el efecto de las variables de operación sobre la deshidratación osmótica, construcción de modelos de pérdida de agua y ganancia de sólidos, y una mejor transferencia de masa (Lenart y Lewicki, 1987; Torreggiani, 1993, Raoult-Wack, 1994; Raoult-Wack et al., 1994; Azuara et al, 1992; Lenart, 1996; LeMaguer, 1996; Rastogi et al., 1997; Lewiciki, 1998; Nsonzi y Ramaswamy, 1998a, b; Khin et al, 2005; Mastrocola et al, 2005; Falade y Igbeka, 2007; Vadivambal y Jayas, 2007; Li y Ramaswamy 2006a, b, c). A pesar de sus ventajas bien reconocidas y la gran cantidad de trabajos de investigación que se ha publicado en esta área, la aplicación industrial de la deshidratación osmótica es limitada. En este capítulo se detallan los conceptos básicos y los recientes acontecimientos en la deshidratación osmótica destacando el efecto de las variables de 86 Secado de proceso, modelos de transferencia de masa, técnicas desarrolladas para mejorar las tasas alimentos, vegetales y frutos

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

de transferencia de masa, los factores que afectan a los parámetros de calidad, así como una breve descripción de las diferentes técnicas empleadas para el secado final.

4.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

La deshidratación osmótica se puede definir como un "proceso de deshidratación y de inmersión por impregnación" (DISP) (Torreggiani, 1993; Raoult-Wack, 1994), es una combinación de procesos de deshidratación y de impregnación que puede modificar las propiedades funcionales de los materiales alimenticios, creando así nuevos productos. La deshidratación osmótica puede definirse como un proceso de transferencia de masa simultáneo y en contracorriente en el que los materiales biológicos (tales como frutas y verduras) se sumergen en una solución acuosa hipertónica durante un período seleccionado. La fuerza impulsora para la difusión del agua desde el tejido en la solución es la alta presión osmótica de la solución osmótica y su menor actividad de agua resulta en la transferencia de agua desde el producto a través de la pared celular. La difusión de agua se asocia con la difusión simultánea contraria de los solutos de la solución osmótica en el tejido. Esto contribuye a un flujo opuesto neto de agua y solutos que permiten que el tejido se llegue a concentrar con una relación determinada entre la ganancia de soluto / pérdida de agua (SG / WL) dependiendo de las condiciones de proceso (Chiralt y Fito, 2003). Puesto que la membrana responsable del transporte osmótico no es perfectamente selectiva, otros solutos (azúcar, ácidos orgánicos, minerales, vitaminas) presentes en las células también pueden filtrarse en la solución osmótica (Lenart y Flink, 1984a; Torreggiani,

1993) en cantidades

que son cuantitativamente insignificantes

en

comparación con la de otra transferencia; sin embargo, son importantes en términos de la calidad del producto final (Dixon y Jen, 1977). Durante la deshidratación osmótica, hay diferentes variables que afectan a la velocidad de difusión del agua a partir de cualquier material; por lo tanto, es difícil establecer normas generales sobre ellos. Sin embargo, la Azarpazhooh, Ramaswamy presión osmótica, la estructura del tejido de la planta y la relación de transporte de masa,–

Deshidratación osmótica

son los más importantes (el Islam y Flink, 1982; Lerici et al, 1985). 4.2.1. Presión osmótica Secado de alimentos, vegetales y frutos 87

El agua como componente principal de la mayoría de los alimentos afecta a la estabilidad de estos. Durante la deshidratación osmótica, el agua en solución está en una interacción con el soluto. Esta interacción se caracteriza por el estado termodinámico del agua. El estado energético de cada sustancia se puede definir como su energía interna que se llama potencial químico. El potencial químico es una función de la concentración, temperatura, y presión, sin embargo, bajo condiciones isotérmicas; sólo se determina por la concentración y la presión. El potencial químico se puede definir de acuerdo con la siguiente relación:

(4.1)

T

Temperatura absoluta

R

Constante gaseosa

La energía se intercambia durante la interacción de dos sistemas con diferente estado de energía hasta alcanzar el estado de equilibrio. En condiciones isotérmicas, los potenciales químicos de dos sistemas son los mismos, y que se lograr mediante el cambio de cualquier de concentración o presión. La presión osmótica es el exceso de presión que empuja el sistema para alcanzar el estado de equilibrio entre disolvente puro y una solución y se expresa por la fórmula: (4.2)

Donde Π es la presión osmótica y V es el volumen molar de agua.

La deshidratación osmótica de frutas y vegetales realizados por la diferencia de presión osmótica entre dos sistemas resulta en la transferencia de masa (Lewicki y Lenart, 2007).

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

4.2.2. Estructura del tejido de la planta El tejido vegetal como un material vivo juega un papel importante Secado durantede la 88 alimentos, vegetales y frutos deshidratación osmótica (Marcotte y LeMaguer, 1991). Aunque diferentes partes de una planta tales como las raíces, tallos, brotes, hojas, flores, frutos y semillas pueden ser utilizados durante la deshidratación osmótica, todos ellos consisten de células que son altamente especializadas y se denominan tejidos. Los tejidos se componen de tejido epidérmico que forma la capa más externa de células estos son gruesos y cubiertos con una sustancia cerosa conocida como la cutina. El tejido parenquimático, las partes principales del órgano, que tiene la capacidad de producir y almacenar sustancias nutritivas; y el tejido vascular que puede llevar la solución de minerales y sustancias nutritivas en una planta (Rahman y Perera, 1999). Un tejido nuevo de una planta se compone de células conectadas entre sí por la laminilla media, y el protoplasto. La pared celular se compone de tres materiales independientes; microfibrillas de celulosa, hemicelulosa y sustancia péctica (Carpita, 1996). Las hemicelulosas con polímeros ramificados (xiloglucanos, glucomananos) se conectan con la celulosa y la pectina por enlaces de hidrógeno. En general, la rigidez de un producto seco proviene de la celulosa mientras que la plasticidad proviene de pectina y hemicelulosas (Lewicki y Pawlak, 2003). La laminilla media tiene dos delgadas membranas semi-permeables: el tonoplasto y el plasmalema. Los protoplastos están separados por el plasmalema de la pared celular, y la solución del citosol. El fenómeno osmótico está controlada en gran medida por el plasmalema (Nobel, 1999). El citosol es el componente principal de protoplastos, que contiene diferentes orgánulos tales como los cloroplastos, mitocondrias, los peroxisomas, ribosomas y proteínas. Estas macromoléculas y estructuras pueden afectar a las propiedades termodinámicas del agua. La vacuola es un gran espacio central en el interior del protoplasto lleno de agua y rodeado por el tonoplasto. Una vacuola tiene una presión osmótica que empuja al protoplasma y al plasmalema hacia la pared celular. Esta presión osmótica se llama presión de turgencia que es la diferencia entre la presión osmótica en la célula y su entorno. Cuando la célula y el entorno tienen la misma presión osmótica, la

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presión de turgencia es cero y el sistema está en equilibrio. Si la presión osmótica de los alrededores es más alta que en la célula, el agua se transfiere a la célula y la célula se Azarpazhooh, Ramaswamy –

hincha. Duranteosmótica la deshidratación osmótica, la célula vegetal se coloca en una solución Deshidratación hipertónica con una presión osmótica mayor que en la propia célula; como resultado, la célula pierde su agua y disminuye su volumen. En consecuencia, el plasmalema se separa de la pared celular. Este proceso se llama plasmólisis. Un fenómeno de transferencia de masa es un mecanismo complejo que ocurre en el tejido vegetal durante la deshidratación osmótica. El agua es transferida desde el tejido interno hacia el exterior, a través de la estructura del tejido poroso, y luego a través de las capas límites externas. Hay tres vías importantes durante la deshidratación osmótica; simplástica (el transporte es dentro del volumen intracelular), el transporte en el espacio libre (el transporte es dentro del volumen extracelular) y apoplástico (el agua pasa a través de las membranas plasmáticas) (Shi y LeMaguer, 2002). El transporte de agua entre las células a lo largo de la ruta simplástica está mediado por los plasmodesmos, mientras que el agua de ruta transcelular tiene que atravesar las membranas plasmáticas. Además, el agua se mueve a través de un tejido mediante el cruce de dos membranas por la capa celular y el apoplasto (Steudle y Frensch, 1996). La eliminación del agua durante el proceso osmótico es principalmente por difusión y flujo capilar, mientras que la captación soluto o lixiviación es solamente por difusión. 4.2.3. Fenómenos de transporte de masas -Deshidratación Osmótica En frutas o verduras, las membranas de la pared celular son unidades biológicas vivas que se pueden estirar y expandir bajo la influencia del crecimiento y la turgencia de la presión generada dentro de las células. Las membranas semipermeables presentes en los materiales biológicos son la resistencia dominante para la transferencia de masa durante la

deshidratación

osmótica.

La membrana celular

puede

cambiar

su

permeabilidad de parcial a total, dando lugar a cambios significativos en la arquitectura del tejido (Rastogi et al., 2002). Cuando las células de las plantas se colocan en una solución hipertónica, la eliminación de agua comienza a partir de la superficie que está en contacto con la solución osmótica, lo que resulta en la desintegración celular (Rastogi et al., 2000b). Se ha informado de que los azúcares penetran a una profundidad de 2-3 mm en el tejido vegetal mientras que los cambios en el contenido de agua se observan hasta 5 mm (Bolin et al, 1983;. Lenart y Flink, 1984b). El agua sale de la superficie de la célula por ósmosis; por lo tanto, la vacuola y el resto del protoplasma se reducirán, y se produce la

90 alimentos, vegetales y frutos

Secado de

plasmólisis. Sin embargo, la superficie interior del material puede permanecer en la presión de turgencia completa. Una gradiente de presión de turgencia resulta en el Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación desprendimiento de la membrana plasmática yosmótica la laminilla media debido a la degradación

o desnaturalización de los componentes de esta última. En consecuencia, las propiedades mecánicas del producto cambiarán y la estructura se deformará. Lewicki y Porzecka-Pawlak (2005) informaron sobre la desunión celular durante la deshidratación osmótica de la manzana. En consecuencia, la célula se daña y se reduce su tamaño por la pérdida del agua y el contacto entre la membrana celular externa y la pared celular (Rastogi et al, 2000b;. Rastogi et al., 2002). La gran captación de sustancias osmoactivas resulta en el desarrollo de una capa superficial de sólidos concentrada la cual presenta una resistencia adicional a la transferencia de masa (Lenart y Lewicki, 1987; Lenart, 1994). En consecuencia, la porosidad del producto se incrementará, y el tejido se contrae debido a la cantidad de agua que fluye hacia fuera que es generalmente mayor que los solutos que se difunden. Las sustancias que se difunden se supone que consisten solamente en agua y sacarosa (Marcotte et al., 1991). Por lo tanto, el peso de los alimentos disminuirá, al igual que la actividad de agua. Se ha informado una reducción de hasta un 50% del peso fresco de frutas o verduras que podría ser provocada por ósmosis (Rastogi et al., 1997; Kar y Gupta, 2001). Todos estos intercambios de masa pueden tener un efecto sobre la calidad organoléptica y / o nutricional del producto deshidratado (Sablani et al., 2002). Como consecuencia de este intercambio, el producto pierde peso y se contrae. La contracción celular durante la deshidratación se ha observado durante la deshidratación osmótica de la manzana (Lewicki y Porzecka-Pawlak, 2005).

4.3. FACTORES QUE AFECTAN LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

La tasa de difusión de agua a partir de cualquier material durante la deshidratación osmótica depende de factores tales como el tipo de agente osmótico, la concentración de la solución osmótica, la temperatura, el tamaño y la geometría del material, la relación de masa en la solución- material y el nivel de la agitación de la solución. Hay varias publicaciones que describen la influencia de estas variables sobre la tasa de transferencia

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de masa (Lerici et al, 1985;. Raoult- Wack, 1989; Raoult-Wack, 1994; Rastogi et al., 1997; Rastogi y Niranjan, 1998; Rastogi et al., 1999; Corzo y Gómez, 2004). Sin embargo, las Azarpazhooh, Ramaswamy –

variables mencionadas anteriormente pueden ser manipuladas en un rango limitado; fuera Deshidratación osmótica de estos rangos, la calidad se ve afectada de manera adversa a pesar de que las tasas de transferencia de masa se puedan mejorar (Rastogi et al., 2002). También hay algunas técnicas que pueden combinarse con la deshidratación osmótica, y tienen la capacidad de alterar las membranas con el fin de mejorar la tasa de transferencia de masa. Estas incluyen: ecografía (Rodrigues y Fernandes, 2007) del campo eléctrico de alta intensidad, o alta presión hidrostática y microondas (Li y Ramaswamy, 2006c; Azarpazhooh y Ramaswamy, (Rastogi et al., 1999) (Akyol et al., 2006) 2010a, b). La elección de las condiciones del proceso depende de la pérdida agua esperada, del aumento de sólidos solubles, y de las propiedades sensoriales de los productos alimenticios. 4.3.1. Influencia del tamaño y la forma en la transferencia de masa Algunas investigaciones se han realizado sobre la influencia del tamaño y la forma en la cinética de transferencia de masa. La relación del área superficie al volumen ha demostrado ser el factor que influye con tasas más altas y que favorecen en mejores tasas de deshidratación osmótica. Islam y Flink (1982) informó que el tamaño y la geometría de los alimentos tienen cierta influencia en el grado de concentración del soluto final, especialmente en tiempos de deshidratación cortos; en esos momentos, la deshidratación fue principalmente un fenómeno de transporte relacionado con el área de superficie. Lerici et al. (1985), comparo el secado osmótico de rebanadas de manzana de cuatro formas diferentes (es decir, en rebanada, largo, redondo y en cubo) e informó que el contenido de sólidos aumento con una disminución en la relación de área de superficie/volumen, pero la pérdida de humedad era óptima para la forma redonda. Van Nieuwenhuijzen et al. (2001) reportaron que la pérdida de humedad y ganancia de sólidos aumenta a medida que el tamaño de partícula se reduce en las mismas condiciones de procesamiento.

4.3.2. Tipo de agente osmótico El tipo, peso molecular y el comportamiento iónico de agentes osmóticos son fuertemente afectados por la cinética de eliminación de agua. Los agentes osmóticos más utilizados comúnmente son hidratos los de carbono (sacarosa, sorbitol, jarabe de maíz, glucosa, y

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Secado de

fructosa) o sales (NaCl, CaCl En la mayoría de publicaciones de 2) o sus mezclas. Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica literatura, la sacarosa se utiliza para las frutas y cloruro de sodio para las verduras, pescados y carnes. El tamaño y La concentración molar de las sales ionizadas son diferentes con los azúcares agrupados; por lo tanto, los iones de sal más pequeños pueden difundirse más fácilmente a través de la membrana celular que resulta en una ganancia mayor en el contenido de sólidos, y una reducción en la pérdida de agua tal que la gradiente de potencial osmótico se reduce. Sin embargo, las moléculas más grandes tales como el azúcar no se pueden difundir fácilmente a través de la membrana celular (Ponting et al., 1966). Aunque la sacarosa es muy eficaz, conveniente y produce un sabor deseable, promueve una mayor captación de sólidos. La maltosa puede preservar la estructura celular y la estabilidad del color, y también hace que la ganancia de sólidos sea más baja, mejorando un impacto positivo en los perfiles nutricionales y sensoriales (Forni et al., 1997; Ferrando y Spiess, 2001). Por otra parte, la sacarosa se puede utilizar en un sistema binario con el fin de reducir el costo de los agentes osmóticos y la mejora de la eficacia de la osmosis (Hawkes y Flink, 1978; Islam y Flink, 1982). Heredia y Andras (2008) reportaron que el uso de soluciones ternarias en deshidrataciones osmóticas de tomates podría ser más apropiado que el uso de soluciones binarias con el objetivo de maximizar la pérdida de agua y minimizar los solutos que ganan. El peso molecular bajo de los azúcares tales como la glucosa hace que sea más eficaz en la transferencia de agua que los que tienen peso molecular más alto debido a la limitación de la absorción de sólidos del material alimenticio. El azúcar invertido tiene el doble de moléculas por unidad de volumen, y es más eficaz que la sacarosa. Durante la deshidratación osmótica, la lixiviación del ácido de la fruta en el jarabe conduce a la hidrólisis acelerada de sacarosa en glucosa y fructosa, lo que resulta en el aumento de la eliminación de agua (Bolin et al., 1983). Se recomienda el uso de la deshidratación osmótica al menos en un 50% debido a la disminución en la tasa de ósmosis con el tiempo (Torreggiani, 1993). Se ha informado de que la pérdida de agua se produce principalmente durante las dos primeras horas y la ganancia máxima en sólidos dentro de los 30 min (Conway et al., 1983). Lazarides et al. (1995) demostraron que bajo las mismas condiciones de proceso osmótico, utilizando los jarabes de maíz como agentes osmóticos se logró la reducción de la absorción de azúcar. 4.3.3. Tiempo de contacto El tiempo de contacto de los alimentos con la solución osmótica es una variable importante durante la deshidratación osmótica. Durante la deshidratación osmótica, se

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aumenta el tiempo de tratamiento osmótico que resulta en la disminución de la tasa– de Azarpazhooh, Ramaswamy Deshidratación transferencia deosmótica masa mientras que la pérdida de peso en los alimentos que son tratados

se incrementa (FASINA et al., 2002). En términos del tiempo de contacto, tanto la tasa de pérdida de humedad y la ganancia de sólidos es el más alto dentro de la primera hora de la ósmosis seguido por tasas progresivamente más bajas para el resto del tiempo. En promedio, las tasas de pérdida de humedad caen a aproximadamente 20% de la tasa inicial durante la primera hora de la deshidratación y se estabilizan dentro de tres horas aproximadamente a 10% de la tasa inicial. Las tasas de ganancia de sólidos muestran una similar tendencia de disminución. La rápida perdida de agua en el inicio es debido a la gran fuerza impulsora osmótica entre la savia diluida de la fruta fresca y la solución hipertónica circundante. 4.3.4. Temperatura de la solución La temperatura del tratamiento osmótico es el factor más importante que influye en el proceso de deshidratación osmótica. El efecto positivo de la temperatura sobre la eliminación de agua de los alimentos durante el tratamiento osmótico ha sido demostrado por varios investigadores (Raoult-Wack et al., 1994; Lazarides y Mavroudis, 1996). Las altas temperaturas de proceso en general, promueven la pérdida de humedad más rápida a través de mejores características de transferencia de masa en la superficie debido a la menor viscosidad del medio osmótico. Las altas temperaturas, es decir, más de 60 °C, modifican las

características del tejido de manera que favorezcan los fenómenos de

impregnación y por tanto la ganancia de sólidos; sin embargo, por encima de 45 ° C, el pardeamiento enzimático y el deterioro del sabor comienzan a tener lugar (Lenart y Flink, 1984a). La mejor temperatura de tratamiento depende del alimento: por ejemplo, para las vainitas verdes, a 20 °C se da mejores resultados, mientras que 40 ° C es una temperatura demasiado alta (Biswal et al., 1991). 4.3.5. La agitación y la relación alimento/ solución La agitación de la solución osmótica es un aspecto importante del tratamiento osmótico. La agitación asegura que las soluciones concentradas se restauran alrededor de la superficie de la partícula y que una diferencia de concentración es favorable a la transferencia de masa que se vuelve a crear. La relación de la solución osmótica a la fruta es una consideración importante y a menudo influye en la logística de producción, ya que dicta el impulso de transferencia de masa y las concentraciones de equilibrio. La relación

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Secado de

alta entre solución/fruta mantiene constanteosmótica la concentración de la solución y evita la Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación dilución. A escala industrial, la relación debe ser lo más bajo posible para restringir el tamaño de la planta y los costos de regeneración de la solución. Por otro lado, el uso de una baja relación conduce a cambios transitorios significativos en la composición de la solución. La mayoría de los estudios de desarrollo se llevan a cabo con un gran exceso de la solución osmótica para garantizar los cambios mínimos en la concentración de la solución durante las ejecuciones de prueba. La relación en peso de solución a producto más utilizado es entre 4 y 10.

4.4. MEJORA DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

La deshidratación osmótica es relativamente lenta por lo que la aceleración de la transferencia de masa sería ventajosa. Hay varios métodos para aumentar la transferencia de masa, tales como aplicación de ultrasonidos, alta presión hidrostática, pulsos de alto campo eléctrico, y la fuerza centrífuga de vacío y microondas. 4.4.1. La aplicación del ultrasonido durante la deshidratación osmótica El ultrasonido en la industria alimentaria es relativamente nuevo y no ha sido explorado en profundidad hasta hace poco (De Gennaro et al., 1999). El ultrasonido se ha aplicado en la industria alimentaria para determinar las propiedades de los alimentos debido a su baja frecuencia, ultrasonido de alta energía. Se puede viajar a través de un medio sólido; por lo tanto, puede influir en la transferencia de masa. Un fenómeno conocido como cavitación acústica se genera durante la aplicación de ondas ultrasónicas que pueden generar pequeñas burbujas llenas de vapor que colapsan rápidamente o generan huecos en líquidos. Por consiguiente, las fluctuaciones de presión rápidas son inducidas en el material húmedo por las ondas ultrasónicas. El ultrasonido se puede llevar a cabo a temperatura ambiente ya que no se requiere un calentamiento para reducir el potencial de degradación térmica (Rodrigues y Fernandes, 2007). Esto puede influir en la transferencia de masa a través de cambios estructurales, como el "efecto esponja", y los canales microscópicos (Carcel et al., 2007). La aplicación del ultrasonido durante el tratamiento osmótico tiene un efecto significativo sobre la cinética de pérdida de agua, el aumento de azúcar, y la pérdida de firmeza, así como en la microestructura de los diferentes productos

Secado de alimentos, vegetales y frutos 95

osmóticamente deshidratados y en los procesos del sistema líquido-sólido, como la Azarpazhooh, Ramaswamy –

deshidratación osmótica Deshidratación osmótica de las manzanas (Carcel et al., 2007). La difusividad efectiva del agua aumenta con el uso de la ecografía y disminuye la cantidad del azúcar en la fruta para producir una fruta seca baja en azúcar (Rodrigues y Fernandes, 2007). GallegoJuárez et al. (1999) utilizaron ultrasonidos de alta intensidad para acelerar la tasa de deshidratación osmótica de las manzanas. Duan et al. (2008) utilizaron el pretratamiento de ultrasonido para mejorar la velocidad de secado por congelación. 4.4.2. Aplicación del escaldado como pretratamiento El agua caliente o el vapor de escaldado es un tratamiento previo antes de la deshidratación osmótica con el propósito de la inactivación enzimática y también para promover la eliminación del gas en las superficies y los espacios intercelulares; la oxidación, el desarrollo de la decoloración y el mal sabor y prevenir el crecimiento microbiano (Rahman y Perera, 1999). El blanqueo ha sido aplicado antes del secado de frutas y verduras, sin embargo el escaldado tiene algunos inconvenientes tales como causar cambios en el estado químico y físico de los nutrientes y vitaminas, además de tener un impacto ambiental adverso sobre las grandes cantidades de agua y el uso de energía (Rahman y Perera, 1,999). El escaldado en agua (85 a 100 ° C) por lo general resulta en la pérdida de nutrientes como minerales y vitaminas (Akyol et al., 2006). 4.4.3. Aplicación de altas presiones hidrostáticas como un pretratamiento Los tratamientos de alta presión han sido probados por su eficacia como una alternativa al blanqueo térmico (Eshtiaghi y Knorr, 1993), ya que se pueden aplicar a los alimentos sólidos y líquidos, con o sin embalaje, a presiones entre 100 y 800 MPa (Eshtiaghi et al., 1994). Akyol et al. (2006) demostraron que la alta presión hidrostática (HHP) con la combinación del tratamiento térmico suave puede ser utilizada para fines de blanqueo con el fin de inactivar peroxidasa (POD) y lipoxigenasa (LOX) en las zanahorias, vainitas verdes, y los guisantes verdes. Además, las altas presiones causan la permeabilización de la estructura celular (Eshtiaghi et al., 1994) que conduce a la mejora de las tasas de transferencia de masa durante la deshidratación osmótica. Rastogi y Niranjan (1998) informaron de que la aplicación de HP sobre la estructura de la pared celular en piñas dañadas, dejaron las células más permeables con una reducción en el material intercelular. Taiwo et al. (2001) informo que la alta presión puede ser considerada durante

la deshidratación osmótica cuando la formulación del producto a través de la absorción de azúcar es deseado.

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

4.4.4. Aplicación de vacío como un tratamiento previo y durante la deshidratación 96 osmótica alimentos, vegetales y frutos

Secado de

La aplicación de impregnación al vacío (VI) simultáneamente con el tratamiento osmótico durante un corto período de tiempo ha sido ampliamente estudiado por (Fito, 1994). La impregnación en vacío es ampliamente utilizada simultáneamente con tratamientos osmóticos para mejorar la transferencia de masa y promover perfiles de concentración más homogéneos en los frutos (Fito et al., 2001). El total de transporte de agua y solutos durante deshidratación osmótica de pulso de vacío es causada por dos mecanismos: el mecanismo hidrodinámico (HDM) y el mecanismo de seudo-ficciones. El HDM es promovido por las gradientes de presión y la penetración en los poros de las plantas en un corto período de tiempo y el mecanismo de seudo-ficción es impulsado por las gradientes de actividad sobre marcos de tiempo más largos (Fito, 1994). Durante la impregnación de vacío especialmente en productos porosos, la acción de los mecanismos hidrodinámicos (HDM) se combinan por fenómenos de difusión para promover la transferencia de masa (Fito et al., 2001). Cuando se aplica un pulso de vacío en el sistema, el gas y los líquidos en los poros internos del producto se sustituyen por el líquido externo, y el proceso de impregnación se completa prácticamente por la solución externa, lo que resulta en el cambio del comportamiento de transferencia de masa en el producto debido a su reducción de porosidad (Fito, 1994). Cuando se aplica la VI, la pérdida de masa se reduce en comparación con el proceso llevado a cabo a presión atmosférica. Por otra parte, el rendimiento del proceso es mayor debido a la menor pérdida de masa en comparación con la presión atmosférica. Además, los productos concentrados están enriquecidos con nutrientes, vitaminas, minerales, y se incorporan aditivos; En muchos casos, las propiedades sensoriales del producto se mejoran (Chiralt et al., 2001a). La impregnación en vacío tiene una gran influencia en las características del producto, tales como la relación interna, la pérdida de agua y ganancia de sólidos (Barat et al, 2001b;. Chafer et al., 2001). Deng y Zhao (2008) reportaron el efecto significativo del pulsado por vacío en la depreciación de la aw, acidez valorable, y en la mejora del L value de las manzanas-

Secado de alimentos, vegetales y frutos 97

osmo deshidratadas. La deshidratación osmótica al vacío (VOD) y la deshidratación osmótica por vacío pulsado (EVOP), reducen el tiempo Azarpazhooh, de proceso yRamaswamy los costos de – Deshidratación energía (Dengosmótica y Zhao, 2008). Laurindo et al. (2007) desarrollaron un dispositivo para medir la dinámica del proceso de impregnación al vacío (VI). El dispositivo puede medir la fuerza neta emitida por un alimento y transferirlo al proceso de VI por una célula de carga. La determinación del agua en este sistema durante el proceso de VI no se requiere que aumente la exactitud de los resultados. El dispositivo experimental puede cuantificar satisfactoriamente la influencia del nivel de vacío, algo que es muy importante para el diseño de procesos de alimentos. El proceso de impregnación en vacío (VI), reduce el tiempo de proceso (aproximadamente en un 85%), la pérdida de peso (aproximadamente 48%), y el aumento del rendimiento (Larrazabal-Fuentes et al., 2009). Además, es un método mínimamente procesado en el que se han mejorado las características organolépticas de los productos y su vida útil (Fito et al, 2001; Correa et al, 2010). La deshidratación osmótica de vacío pulsado (EVOP) es un nuevo método que se aplica durante un corto (normalmente 5 minutos) tratamiento de vacío a una fruta que se sumergió en una solución osmótica, y después una deshidratación osmótica que se realiza a presión atmosférica. La ventaja de este método es que reduce los costos de energía (Panadés et al., 2006). Castelló et al. (2010) investigaron el efecto de la deshidratación osmótica en las propiedades mecánicas y ópticas de las mitades de fresa mediante la aplicación de (EVOP) y la adición de calcio. Se informó de que la adición de calcio y tratamientos EPVO tenían efectos beneficiosos en el mantenimiento de la textura de la muestra durante el almacenamiento. Además, la porosidad de la muestra fue mayor debido al tratamiento (impregnación en vacío) que da como resultado la modificación del color de las fresas. De acuerdo con (Fito et al, 2001; Barat et al, 2001a; Chafer et al, 2003; Giraldo et al, 2003) los valores altos de difusividad efectiva se obtienen con la aplicación del pulso de vacío y con una disminución en el concentración de la solución osmótica. Correa et al. (2010) reportaron una mayor pérdida de peso en guayabas osmóticamente deshidratadas durante la aplicación de concentraciones de solución de sacarosa más altos y el pulso de vacío. Informaron que la captación de sólidos se vio favorecida por la aplicación de vacío. El aumento de la concentración de la solución osmótica induce un aumento en la transferencia de masa (Barat et al, 2001a; Giraldo et al, 2003; Panadés et al, 2006; Ito et al, 2007). 4.4.5. La aplicación de campo eléctrico por impulsos como pretratamiento

El campo eléctrico pulsante (PEF) como un método no térmico ha sido reportado para Azarpazhooh, – Deshidratación aumentar la Ramaswamy permeabilidad de las célulasosmótica vegetales con influencia positiva en la

transferencia de masa para procesos posteriores. El potencial de PEF durante la deshidratación osmótica por primera vez fue demostrado por Rastogi et al. (1999). Este hallazgo ha creado más investigación buscando en la capacidad de los PEF como pretratamiento durante la deshidratación osmótica de alimentos de origen vegetal. El campo eléctrico pulsado como un método no térmica puede causar queSecado las células 98 de alimentos, vegetales y frutos permeables se blanqueen en un corto tiempo (mu s a gama ms) mientras se mantiene la matriz del producto inalterado, acelerando así positivamente la transferencia de masa durante la deshidratación osmótica (Ade-Omowaye et al., 2001). Taiwo et al. (2001) estudiaron el efecto de pulsos de alto campo eléctrico (HELP) de pretratamiento sobre la cinética de difusión de rodajas de manzana. Informaron que HELP tiene un efecto muy mínimo sobre la ganancia de sólidos; y la aplicación de HP es ventajosa cuando se desean reducción de la humedad y la alteración mínima en el sabor del producto. Por otra parte, la textura más firme, el color más brillante, y mejor retención de vitamina C son las ventajas de la aplicación de HELP con deshidratación osmótica. Lazarides y Mavroudis (1996), Ade-Omowaye et al. (2001) y Taiwo et al. (2001) reportaron que el pretratamiento PEF podría ser una mejor alternativa de procesamiento a altas temperaturas.

4.4.6. Aplicación de microondas durante la deshidratación osmótica La tecnología de microondas-deshidratación osmótica es una técnica novedosa con un buen potencial para el secado osmótico de frutas y verduras lográndose mayor eficiencia. Llevar a cabo el secado osmótico en un entorno de microondas mejora la eliminación de la humedad cuando el alimento húmedo se sumerge en una solución concentrada de un agente osmótico (Li y Ramaswamy, 2006c). El efecto existente de la gradiente de concentración osmótica entre la solución y el alimento, es la fuerza impulsora para la eliminación de la humedad de los alimentos en el medio osmótico, la cual se ve reforzada bajo el campo de microondas. Esto es debido a la absorción selectiva de energía de microondas por las moléculas de agua que resultan en un aumento del flujo de salida de humedad, que también tiene la tendencia a limitar la transferencia simultánea de soluto de la solución en el alimento. Li y Ramaswamy (2006a.b, c) investigaron los coeficientes de transporte de masas bajo microondas - deshidratación osmótica (MWOD, medio de inmersión) y lo compararon con el proceso de deshidratación osmótica convencional

Secado de alimentos, vegetales y frutos 99

(COD). Informaron que MWOD aumentó significativamente la tasa de pérdida de humedad y la disminución de la tasa de ganancia de sólidos. Ellos también encontraron– Azarpazhooh, Ramaswamy Deshidratación osmótica que la deshidratación osmótica bajo calentamiento por microondas hizo posible obtener

una velocidad de difusión más alto de transferencia de humedad a temperaturas de solución más bajas. En sus experimentos, se sumergen las rodajas de manzana en la solución osmótica que se coloca dentro del campo de microondas. En un medio tal de inmersión, porque la muestra está rodeada por un gran volumen de la solución, donde la absorción de las microondas por la propia muestra será limitado, reduciendo así la eficacia de las microondas en el

flujo de salida de la humedad. Este hallazgo ha

provocado una nueva investigación. La técnica microondas - deshidratación osmótica bajo condiciones del medio spray de flujo continuo se desarrolló y se muestra para proporcionar un medio que efectué la pérdida de humedad y la limitación de ganancia de sólidos que era muy superior a otras tres técnicas en condiciones de flujo continuo similares (Azarpazhooh y Ramaswamy, 2010a). Se demostró claramente que el calentamiento de modo spray mejora la eficiencia del sistema. Esto es probablemente debido a la exposición directa y más eficiente de la muestra al campo de microondas. A diferencia del gran volumen de solución que rodea a la muestra en el sistema de inmersión MWOD, el modo de spray sólo utiliza una capa delgada de solución osmótica que se elimina de forma continua hacia abajo debido al medio que fluye rápidamente y la gravedad. El modo de spray también elimina el problema de la muestra flotante, que puede limitar la aplicación del modo de inmersión (Azarpazhooh y Ramaswamy, 2010a). El secado por microondas tiene la ventaja específica de calentamiento rápido y uniforme debido a la penetración de las microondas en el cuerpo del producto. La característica más importante del calentamiento por microondas es el calentamiento volumétrico, que se refiere al material que absorbe la energía directamente e internamente y es convertida en calor. El calor se genera por todo el material, dando lugar a velocidades de calentamiento más rápidas (en comparación con el calentamiento convencional, donde el calor se transfiere por lo general desde la superficie hasta el interior) produciendo un calentamiento rápido y uniforme (Gowen et al., 2006). El calentamiento por microondas, causando una salida de flujo positivo de la humedad del producto, que no sólo resulta en una mayor pérdida de humedad, sino también una ganancia de sólidos superior. La inmersión de las frutas en almíbar en el modo de MWODI limita la exposición de los frutos al campo MW debido a que el jarabe circundante. Sin embargo, en el modo MWODS, el mismo tratamiento proporciona una exposición más directa de la fruta a MW porque así

100 alimentos, vegetales y frutos

Secado de

como el spray continuo se escurre hacia abajo de la cama de la fruta, sólo retiene una capa delgada del jarabe en la superficie de la fruta. Es interesante observar que la Azarpazhooh, – Deshidratación aplicación delRamaswamy spray también puede superar osmótica uno de los problemas de la deshidratación

osmótica - la flotación de la fruta en la solución.

4.5. MODELADO DE LA DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA

Aunque se han hecho esfuerzos considerables para mejorar la comprensión de la transferencia de masa en la deshidratación osmótica, el conocimiento fundamental acerca de la predicción del transporte de masa sigue siendo una zona gris (Raoult-Wack et al., 1991). El modelado del proceso de deshidratación osmótica es necesario para la optimización de los procesos de deshidratación osmótica y el posterior secado, con el fin de lograr la más alta calidad posible a un costo mínimo de energía (Saguy et al., 2005). Las características inusuales provienen de la interacción entre la solución y los materiales de origen biológico. La transferencia de masa en la deshidratación osmótica de alimentos vegetales celulares, tales como frutas y verduras, implica varios efectos físicos debido a la compleja morfología de los tejidos vegetales. Estos se pueden describir, de manera ideal, ya que la ósmosis, la difusión y la penetración del mecanismo hidrodinámico (HDM) (Fito y Pastor, 1994). Dos enfoques básicos se pueden utilizar para modelar procesos osmóticos (Ramaswamy, 1982; Salvatori, 1998). La primera de ellas, es el enfoque macroscópico, se supone que el tejido es homogéneo y el modelado se lleva a cabo sobre las propiedades acumuladas de las paredes celulares, membranas celulares y las vacuolas celulares. El segundo, es el enfoque microscópico, identifica las propiedades heterogéneas de los tejidos y se basa en la microestructura celular (Fito et al., 1996). 4.5.1. Enfoques macroscópicos El análisis macroscópico se ha llevado a cabo en la seudo-difusión, raíz cuadrada del tiempo, los procesos irreversibles termodinámicos y otros enfoques (Fito et al., 1996). Muy poco trabajo se ha desarrollado desde el punto de vista microscópico (LeMaguer, 1996). El análisis de los perfiles de concentración desarrollados a lo largo de los procesos de transferencia de masa, utilizando un enfoque macroscópico, puede ser útil para aclarar los mecanismos de transferencia de masa y su acoplamiento, sobre todo si los datos se

Secado de alimentos, vegetales y frutos 101

correlacionan con las características microestructurales (forma, tamaño, los cambios de geometría de la celda y los espacios intercelulares, la deformación de la pared celular y Azarpazhooh, Ramaswamy –

los cambios de relajación, Deshidratación osmótica etc.) observados por una técnica microscópica (Alzamora et al., 1996). Sin embargo, los perfiles de concentración nos permiten calcular la cinética de transferencia de masa (Lenart y Flink, 1984b). Los modelos matemáticos pueden proporcionar una información útil sobre los mecanismos subyacentes y varios modelos matemáticos se han propuesto sobre la base de un enfoque de estructura celular que supone el transporte de agua como un movimiento transmembrana o la segunda ley de Fick con la estimación de los coeficientes de difusión, tanto para la pérdida de agua y ganancia de azúcar (Azuara et al., 1992; Fito et al, 1996; Yao y LeMaguer, 1996) que también incluye mecanismos hidrodinámicos (Fito et al., 1996; Salvatori, 1998). Además, los modelos empíricos y semi empíricos a menudo se aplican (Barat et al., 2001b). Varios investigadores han utilizado la ley del estado inestable de difusión de Fick para estimar la difusividad del agua o del soluto, simulando los experimentos con condiciones límites para superar los supuestos implicados en la ley de Fick (Barat et al, 2001b; FASINA et al., 2002). Hay dos parámetros requeridos en la ley de Fick; estos son dimensiones de la muestra y el coeficiente de difusión efectiva. El coeficiente de difusión eficaz puede ser obtenida mediante la búsqueda de soluciones numéricas o analíticas a los datos experimentales, el cálculo de la relación entre la pendiente de la curva de difusión teórica y la pendiente de la relación de transferencia de masa experimental (Rastogi et al, 2000a;.. Rastogi et al, 2002), y la aplicación de regresiones lineales y no lineales (Akpinar, 2006). Gran parte de la literatura considera cualquier geometría de alimentos finitos como la configuración de placa plana infinita, que deja de lado la difusión en las otras direcciones. De estos estudios, sólo unos pocos han considerado la transferencia de masa en el estado inestable durante la deshidratación osmótica (Escriche et al., 2000; Rastogi y Raghavarao 2004). El modelado de difusión es una combinación de aproximación física y empírica. Estudios de transferencia de masa en la rehidratación de alimentos suelen ser fundadas en 1ra y 2da ley de Fick:

(3)

(4) Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

Dónde: Jx , flujo (g s H2O/m2); W, es el contenido de humedad (g H2O/m3); x, coordenada espacial (m); t, tiempo (s); D, coeficiente de difusión (m2/s); V, el volumen (m3). Esto permite la estimación de los coeficientes de difusión, tanto para la pérdida de agua y

102 Secado de los sólidos que se obtienen de forma individual o simultáneamente. La transferencia de alimentos, vegetales y frutos

masa se supone que es unidireccional y las interacciones de los otros componentes en la difusión del soluto son insignificantes. Las soluciones analíticas de la ecuación están disponibles para geometrías idealizadas, es decir, esferas, cilindros infinitos, barras infinitas y medios semi-infinitos. Para estas soluciones analíticas del modelo de difusión en estado no estacionario son para aplicarse exactamente, es necesario ya sea para mantener constante la concentración de la solución externa o para tener un volumen fijo de solución. La resistencia en la superficie de los sólidos se supone que es despreciable en comparación con la resistencia de difusión interna en los sólidos. Biswal et al. (1991) y Ramaswamy y Van Nieuwenhuijzen (2002) utilizan un parámetro de tasa para modelar la deshidratación osmótica de vainitas verdes en función de la concentración de la solución y la temperatura de proceso. El parámetro se calculó a partir de la pendiente de la línea recta obtenida a partir de la pérdida de humedad del frijol y la ganancia de sólidos vs. la raíz cuadrada del tiempo (Biswal et al., 1991). Azuara et al. (1992) desarrollaron un modelo basado en los balances de masa de agua y azúcar para predecir la cinética de la pérdida de agua y ganancia de sólidos durante la deshidratación osmótica. El modelo está relacionado con la segunda ley de Fick de la difusión unidimensional en estado no estacionario a través de una banda delgada con el fin de calcular los coeficientes de difusión aparentes para cada condición. Se han propuesto modelos correlativos, ya sea para calcular el tiempo requerido para una reducción de peso dado así como la función de la temperatura de procesamiento y de la concentración de la solución o para estimar los parámetros de deshidratación. Nsonzi y Ramaswamy (1998b) estudiaron la cinética de deshidratación osmótica de los arándanos y adicionalmente se modela la difusividad de la humedad y la difusividad de los sólidos solubles con funciones cuadráticas de temperatura y concentración. El modelo de Azuara

tiene la ventaja de permitir el cálculo de los valores de equilibrio (MLE y SGE) (OchoaMartínez et al., 2007). Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

4.5.2. Enfoque microscópico Los fenómenos de transferencia de masa que se producen en los tejidos de la planta Secado de alimentos, vegetales y frutos 103 durante la ósmosis implican mecanismos complejos, la mayoría están controlados por las células vegetales. Durante la deshidratación osmótica del material celular, la transferencia de masa en el interior del material celular depende tanto de variables de procesamiento y de las propiedades microestructurales del tejido biológico. Hay naturalmente una amplia variación en la naturaleza física de los materiales alimentarios crudos. Cuando el material celular biológico se somete a deshidratación osmótica, los flujos de masa en el sistema implican cambios en las propiedades estructurales y de transporte (volumen, dimensión, viscosidad, densidad, porosidad, etc.). Como resultado, estos cambios afectan a los flujos de transferencia de masa. Los cambios de volumen en el tejido del material y porosidad promueven la acción de fuerzas de conducción no difusionales, tales como la gradiente de presión asociado con la relajación de una red celular deformada para liberar la tensión estructural (Mayor y Sereno, 2004), y cambios en las propiedades mecánicas y cambios de color (Krokida et al., 2000). El conocimiento y predicciones acerca de estos cambios son importantes porque están relacionados con factores de calidad y algunos aspectos de la elaboración de alimentos, como la clasificación de los alimentos, el modelo de procesos y el diseño de equipos. La mayoría de estos cambios, aunque se observa a nivel macroscópico,

son

causados

por

los

cambios

que

se

producen

a

nivel

celular/microestructural. De esta manera, el estudio de los cambios microestructurales durante la deshidratación es importante porque puede permitirnos entender y predecir los cambios que se producen en las propiedades físico-químicas en los niveles superiores de la estructura. Los fenómenos de transferencia de masa (y, eventualmente, la transferencia de calor)

dan lugar a cambios en los niveles microscópicos y macroscópicos y, en

consecuencia variaciones en las propiedades físicas del sistema alimentario. Estos cambios también producen alteraciones en los mecanismos y en la cinética de los fenómenos de transporte (Fito y Chiralt, 2003).

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

4.6. MÉTODOS COMPLEMENTARIOS PARA EL SECADO La deshidratación osmótica es un pretratamiento que puede mejorar las Secado propiedades 104 de alimentos, vegetales y frutosy funcionales de los alimentos sin cambiar su integridad nutricionales, sensoriales (Torreggiani, 1993). El secado es una parte importante de la deshidratación osmótica, y el impacto de este mismo en el secado por aire complementario requiere una atención especial. La deshidratación osmótica se utiliza generalmente como un paso preliminar para su posterior procesamiento tales como la congelación (Ponting et al., 1966), secado por congelación (Hawkes y Flink, 1978), secado al vacío (Dixon y Jen, 1977) aplicaciones, de calefacción y de procesamiento de microondas (Nelson y Datta, 2001), y secado al aire (Mandala et al., 2005). Abundante información está disponible en la aplicación de un tratamiento osmótico antes de un secado convencional (Lemus- Mondaca et al., 2009). Sharma et al. (1998) estudiaron la influencia de algunos parámetros de pretratamiento en manzanas tales como el blanqueo por vapor y el tratamiento con dióxido de azufre y evaluaron la calidad del producto después del procesamiento osmo-deshidratación por aire. Encontraron una mayor retención de ácido ascórbico en las muestras tratadas con dióxido de azufre seguido de inmersión osmótica y secado al vacío que en las muestras no tratadas. Riva et al. (2005) observaron que la vitamina C se mantuvo superior en muestras de albaricoque osmo-secado al aire que por las muestras sin tratamiento de secado por aire. Se informó de este fenómeno como una actividad de la fenolasa inferior y el efecto protector del azúcar especialmente del sorbitol. Varios autores han informado de que la textura, sabor, estabilidad de color de las frutas y legumbres secas se mejoran. Esto es especialmente importante ya que el color puede ser un factor decisivo en la aceptación del alimento por parte del consumidor (Krokida et al., 2000). 4.6.1. Impacto de la deshidratación osmótica en las propiedades de calidad

El tratamiento osmótico de frutas y verduras precedente al secado convectivo puede afectar fuertemente a las propiedades del producto final (Lewicki y Lukaszuk, 2.000; Lewicki y Pawlak, 2003). Durante la deshidratación osmótica, muchos aspectos de las estructuras celulares se ven afectados, tales como la alteración de las paredes celulares, división de la laminilla media, la lisis de las membranas (plasmalema y tonoplasto), la

Azarpazhooh, Ramaswamy –

contracción delosmótica tejido (Alvarez et al., 1995), que podrían influir fuertemente en las Deshidratación

propiedades de transporte del producto durante el procesamiento. Todos estos fenómenos provocan cambios en las propiedades macroscópicas de la muestra, como las propiedades ópticas y mecánicas, que están relacionados con la apariencia del producto y su textura, respectivamente. Todos estos cambios afectan en gran medida las

Secado de alimentos, vegetales y frutos 105 propiedades organolépticas de la planta

osmo-deshidratada debido a la absorción de

solutos y a la lixiviación de los ácidos naturales, el color y compuestos de sabor de los tejidos vegetales osmo-deshidratados; como resultado, la composición natural del producto es modificado (Lazarides et al., 1995). Aunque los cambios de composición pueden tener un efecto positivo y negativo en el producto final, la rehidratación de la fruta secada osmóticamente es menor que en la fruta sin tratar debido a la rápida impregnación de una capa de tejido con azúcar bajo la superficie (Nsonzi y Ramaswamy, 1998a); además, si la ósmosis lleva más tiempo, la tasa de rehidratación sería menor. 4.6.1.1. Impacto de la deshidratación osmótica en el color Muchos investigadores demostraron que la calidad (color, textura y capacidad de rehidratación) del aire, congelación o el vacío – en frutos secos y verduras podría mejorarse mediante un paso osmótico previo (Flink, 1975; Hawkes y Flink, 1978;. Lerici et al, 1985 ; Nsonzi y Ramaswamy, 1998a). Se han realizado numerosos estudios de investigación sobre la aplicación del cambio de color durante la deshidratación osmótica. El color de los productos se mide por la luminosidad (valor de L *), enrojecimiento o verdor (valor a *) y amarillez o azulado (valor b *), durante o después del secado. Falade et al. (2007) informaron la transparencia y el color de la fruta puede alterarse favorablemente debido a los cambios físicos y químicos durante la deshidratación osmótica. Ellos evaluaron los valores L *, a *, b * de sandía secada por

ósmosis

y osmo-secado

convencional, e informaron que los parámetros de color aumentan con un aumento en la concentración de la solución osmótica. La deshidratación osmótica mejora la calidad de la fruta mediante la estabilización de los parámetros de color y permite una menor pérdida de color de la fruta por pardeamiento oxidativo enzimática debido a la infusión de

azúcares extensos. Además, la reducción de la actividad de agua de las muestras también disminuye la reacción de pardeamiento no enzimático (Krokida et al., 2000). La deshidratación osmótica limita o reduce el uso de conservantes tales como el dióxido de azufre en las frutas. Además, se retira cantidad sustancial de aire desde el tejido; por lo tanto, el escaldado antes de la deshidratación osmótica también puede ser omitido Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica (Torreggiani, 1993; Lenart, 1996). La absorción de azúcar se debe a la acción protectora

de los sacáridos (Ponting et al. 1966). 4.6.1.2. Impacto de la deshidratación osmótica en la textura 106 Secado de La textura es un atributo importante de la calidad de las frutas y verduras. Durante la alimentos, vegetales y frutos

deshidratación

osmótica,

las

propiedades

reológicas

de

los

productos

osmo-

deshidratados cambian debido a las modificaciones físicas y químicas que se producen en la estructura celular (Lewicki, 1998). Las propiedades de la pared celular y laminilla media y la presión de turgencia son los factores más importantes para determinar la textura de tejido de la planta (Jackman y Stanley, 1995; Chiralt et al., 2001b). El tejido vegetal se ve afectado por el tamaño y la forma de la célula, el volumen de la vacuola, el volumen de los espacios intercelulares, la presencia de gránulos de almidón y la composición química. La mayoría de los alimentos tienen un comportamiento viscoelástico; es por ello que, durante la deshidratación osmótica, la viscosidad natural de frutas y verduras aumenta, mientras que su elasticidad disminuye debido a la absorción del azúcar (Mayor et al., 2007). La deshidratación osmótica debilita la textura de manzanas y hace que estos tejidos sean más suaves y más plásticos que los de manzana cruda (Monsalve-GonaLez et al., 1993). Aunque hay numerosos informes que tratan con el efecto de algunos azúcares en las propiedades estructurales del material vegetal osmo tratado (Marcotte y LeMaguer, 1991; Maltini et al., 1993; Barat et al, 2001b), solo unos pocos informes hablan de los cambios estructurales a nivel celular que solo son accesibles a través de observaciones microscópicas (Saurel et al, 1994; Martínez-Monzo et al, 1998). La fuerza de punción por lo general se utiliza para medir las propiedades texturales de los productos deshidratados, que es la medida de la dureza de la superficie del producto, y presenta el grado de endurecimiento durante el secado (Lin et al., 1998). Durante

los

tratamientos

osmóticos,

los

principales

cambios

que

afectan

el

comportamiento mecánico del tejido de la planta son cambios en el aire y fracciones de volumen de líquido en la muestra, el tamaño y la forma de la muestra (Fito, 1994), la pérdida de turgencia celular, alteración de la laminilla media (Alzamora et al., 1996),

Secado de alimentos, vegetales y frutos 107

alteración de la resistencia de la pared celular, el establecimiento de perfiles de agua, la concentración de soluto y los perfiles de composición en las muestras deshidratadas osmóticamente (Salvatori, 1998). Las diferencias en el comportamiento mecánico de las muestras secas deben estar relacionadas con las diferencias inducidas en la composición de la fase soluble en agua y en la matriz sólida durante los tratamientos. Contreras et al. (2007) informaron de que la pectina soluble se incrementa durante el secado que altera la Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica zona de unión celular que resulta en el cambio de la consistencia de matriz sólida. Los

productos deshidratados osmóticos tienen una textura más suave debido a la lixiviación del calcio en la solución osmótica que a su vez resulta en la reducción de la concentración de iones de calcio contenidos dentro del tejido (Prothon et al., 2001). 4.6.1.3. Impacto de la deshidratación osmótica en las propiedades de rehidratación Hay una necesidad de comprender el proceso de rehidratación debido a la amplia variedad de alimentos deshidratados que están disponibles hoy en día para los consumidores. De particular preocupación son el cumplimiento de las especificaciones de calidad y la conservación de la energía. Los productos deshidratados son generalmente rehidratados por inmersión en agua u otros líquidos, tales como zumos de fruta, sacarosa o soluciones de glucosa. La restauración de las propiedades del producto fresco mediante la inmersión de los productos deshidratados en una fase líquida es un aspecto importante durante la rehidratación. La rehidratación puede reflejar los cambios físicos y químicos que se han producido durante la deshidratación osmótica, y por lo tanto puede ser utilizado como un índice de calidad. En otras palabras, ningún tratamiento previo a la que los productos han sido sometidos se modifica por la composición de las muestras. El proceso de rehidratación se compone típicamente de tres pasos simultáneos: absorción de agua en el material seco, hinchazón del producto rehidratado, y la pérdida o difusión de los componentes solubles (Lee et al., 2006). Se ha informado de que el aumento de la temperatura de rehidratación en el rango de 40 a 80 ° C para algunas frutas y verduras, incluyendo plátanos, zanahorias, manzanas, papas, tomates, pimientos amarillos, rojos y verdes aumentó notablemente el volumen del producto (Krokida y Marinos-Kouris, 2003). Con el fin de diseñar y optimizar la rehidratación, diferentes modelos matemáticos se pueden utilizar para describir cómo ciertas variables del proceso afectan a la transferencia de agua. Algunos investigadores han asumido el ajuste de mínimos cuadrados a los modelos basados en modelos exponenciales o en la teoría de la absorción capilar, mientras que otros han utilizado las leyes de difusión de Fick, y han demostrado que un

108 alimentos, vegetales y frutos

Secado de

modelo basado en la cinética de primer orden puede describir adecuadamente la ganancia de agua durante la rehidratación (Krokida y Marinos-Kouris, 2003;. Giraldo et al, 2006; Lee et al, 2006). Hay tres métodos para estimar las características de rehidratación de los productos deshidratados: (1) la capacidad de absorción de agua, WAC, que es la capacidad de una matriz para absorber el agua que reemplaza el agua perdida durante el secado (2) capacidad de retención de masa seca, DHC, que es la capacidad del material

Azarpazhooh, Ramaswamy – Deshidratación osmótica

para retener sólidos solubles después de la rehidratación, y (3) la habilidad

de

rehidratación o de capacidad, RA, que es la capacidad de un producto deshidratado para rehidratarse, y que muestra el daño total a los tejidos causados por secado e impregnación durante la rehidratación (Maldonado et al ., 2010). 4.7. OBSERVACIONES FINALES Y NECESIDADES FUTURAS DE INVESTIGACIÓN Hoy en día existe una motivación mayor que explica muchos de los avances recientes en el área de la deshidratación osmótica. Las aplicaciones alimentarias del proceso de deshidratación osmótica proporcionan un potencial para aplicar procedimientos eficientes de energía a escala industrial para producir productos ligeramente tratados, productos de alta calidad. La deshidratación osmótica tiene un enorme potencial de mercado para la producción de alimentos de alta calidad con diferente variedad. También se puede desarrollar ingredientes a base de frutas y vegetales con propiedades funcionales. Sin embargo, es difícil definir un modelo de procesamiento predictivo general, debido a la gran variabilidad de los materiales vegetales (especies, cultivos, estado de madurez, etc.). Además hay falta de respuestas adecuadas a los problemas relacionados con la gestión de las soluciones osmóticas (reconcentración, la reutilización, la contaminación microbiana, reutilización, y la descarga de la solución gastada, etc.), y el desarrollo de equipos de procesamiento continuo. Cabe destacar que la aplicación de la deshidratación osmótica -microondas en solución de azúcar viscosa hace que las piezas de alimentos se pongan a flote; la agitación de la solución es por lo tanto necesaria. También se ha mencionado la falta de conocimientos relevantes para el desarrollo microbiano en ambos medios y los productos elaborados. REFERENCIAS Ade-Omowaye, B.I.O., Rastogi, N.K., Angersbach, A., Knorr, D., 2001, Effects of high hydros-tatic pressure or high intensity electrical field pulse pre-treatment on dehydration charac-teristics of red paprika. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2(1), pp.1-7.

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