Resumen de Optimización del proceso de secado de arándanos por infrarrojos.
Carlos Omar Vuarant
"OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO DE ARÁNDANOS POR INFRARROJOS¿ I. INTRODUCCIÓN Actualmente (año 2013) existen en Argentina 1.250 hectáreas cultivadas en Tucumán, 1.000 Ha en Concordia y 600 Ha en Buenos Aires. En Concordia, la productividad se estima en 8 toneladas por hectárea, lo que da un total de aproximadamente 8.000 t/año de fruta. Se estima que se pierde alrededor del 30% de la producción (la cual ni siquiera se cosecha) como consecuencia de la saturación de los mercados, lo que lleva a la búsqueda de alternativas para un mejor aprovechamiento de los frutos. Una de estas alternativas es la producción de pasas por deshidratación de los frutos. Los arándanos, como otras frutas rojas, aportan compuestos fenólicos (antocianinas) que están asociados a la reducción del estrés oxidativo y a colaborar en la prevención de ciertas enfermedades, por lo que pueden ser considerados alimentos nutracéuticos. Para alcanzar el objetivo de mejorar la calidad del alimento deshidratado es fundamental la optimización de las condiciones de la operación de deshidratación, para conseguir no solamente la máxima eficiencia sino también determinadas características en el producto final relacionadas con la calidad nutritiva y funcional, la calidad sensorial y el control de parámetros que aseguren su conservación (actividad del agua, contenido de humedad, etc.). Considerando las distintas alternativas de secado de arándanos mediante procesos sencillos, que puedan ser implementados por los mismos productores y que apunten a evitar la destrucción de las antocianinas, se propone la deshidratación de las bayas por infrarrojos. La principal ventaja del secado por infrarrojos, en relación con el secado por aire caliente a la misma temperatura, se basa en el más rápido calentamiento interno del producto y en la consecuente reducción de los tiempos de secado (Nowak y Lewicki, 2004). En el caso del arándano el color oscuro de su superficie favorece sin duda la absorción de la radiación infrarroja; su reducido tamaño facilita la transmisión del calor a su centro térmico, situado a 6 -10 mm bajo la superficie; por ambas circunstancias, esta fruta puede resultar idónea para su deshidratación por rayos infrarrojos. Por otro lado, la utilización de materia prima, generalmente no exportable para la obtención de pasas de arándanos, constituye una alternativa relevante, sobre todo para los pequeños productores que podrán disponer de un método de conservación accesible, que da valor agregado a su producción. El consumo de este tipo de producto como tal, no es habitual en nuestro país, por lo que se considera importante su incorporación en la formulación de alimentos funcionales, dadas sus características nutricionales particulares. Se pretende desarrollar, un método económico y viable de deshidratado del arándano que priorice su calidad, esto es, su alto contenido de antocianinas, por lo que se busca minimizar las inevitables pérdidas que de estos compuestos funcionales durante el proceso (primera variable de respuesta). Es frecuente que un exceso de deshidratación provoque pasas con excesiva dureza. Se requiere entonces estimar cual es, desde el punto de vista de la conservación, la cantidad de agua máxima permitida para asegurar la estabilidad de las pasas obtenidas. Como medida de la dureza se medirá la firmeza en el texturómetro, tratando que el proceso de secado la minimice (segunda variable de respuesta). En tercer lugar se pretende minimizar el tiempo de secado (tercera variable de repuesta), respetando el orden de prioridades de las dos primeras variables, trabajando a diferentes temperaturas. En conclusión, este estudio se ha centrado en el análisis de la influencia de las condiciones del proceso de secado de arándanos por infrarrojos en la cinética del mismo y en la calidad de las pasas obtenidas, evaluada por su contenido en antocianinas y por su firmeza. En la revisión bibliográfica efectuada sólo se han encontrado unos pocos trabajos sobre la conservación de arándanos por deshidratación, donde se alude a tres diferentes tratamientos previos a la operación de secado (congelación previa, pretratamiento osmótico con azúcares, inmersión en solución de soda, abrasión mecánica de la piel) y diferentes procedimientos de secado (convección con aire caliente, microondas, liofilización e infrarrojos). Así, Venkatachalapathy y Raghavan (1998) estudian el secado por microondas de arándanos sometidos previamente a un pretratamiento osmótico. MacGregor (2005) analiza el comportamiento de arándanos previamente congelados en un secado con aire caliente a temperaturas de hasta 65ºC. - Lohachoompol (2007) ensaya el secado por aire caliente y la liofilización de arándanos sometidos a un pretratamiento osmótico y otro de abrasión mecánica, en frutos que además fueron previamente congelados y mantenidos a -20ºC hasta el momento de efectuar los ensayos. Vega-Gálvez et al. (2009) estudian la cinética del secado convectivo de arándanos de la variedad O¿Neil a tres temperaturas (60, 70 y 80 ºC). Ronceros et al. (2007) estudian el efecto de un pretratamiento de inmersión en soda en el deshidratado del arándano por métodos combinados. Los resultados indican que la concentración de soda tiene un efecto positivo marcado, al igual que el tiempo de inmersión, y que ambas variables no deben ser interpretadas separadamente, en razón del gran efecto de interacción entre ellas. En general, llama la atención la prolongada duración de los ciclos de secado utilizados, que en muchos casos sobrepasa las 10 horas. Además, estos trabajos se centran fundamentalmente en la modelización y aspectos cinéticos del secado, ignorando en la mayoría de los casos su efecto sobre la calidad y estabilidad del producto final. Los atributos fundamentales de calidad de las pasas de arándanos son su contenido en antocianinas y su firmeza. Los procesos de secado provocan una destrucción de las antocianinas, que debe minimizarse, y un aumento de la firmeza en el que hay que evitar que se supere un valor crítico que puede conducir al rechazo del producto. Solamente Lohachoompol (2007) analiza el contenido en antocianinas de las pasas obtenidas, concluyendo que la mejor retención de antocianinas se produce en las pasas obtenidas por liofilización (78-79 %), seguido por las obtenidas por secado con aire caliente sin pretratamiento osmótico (35-38 %) y con este pretratamiento (13-24 %). En cuanto a la textura sólo se estudia este atributo en el artículo de Shi et al. (2008), en el que, sin dar valores numéricos ni gráficos, se afirma que los arándanos deshidratados por infrarrojos presentan mayor firmeza que los deshidratados por aire caliente. Este grupo es el único que ha trabajado en la deshidratación de arándanos por infrarrojos (Shi et al., 2008a y 2008b) utilizando para ello frutos que previamente han sido refrigerados o congelados (sin detallar tiempos de almacenamiento ni efecto de estas operaciones sobre los resultados). A este respecto cabe recordar que la congelación y el almacenamiento congelado modifica la estructura de los tejidos del fruto, lo que se evidentemente repercute tanto en la cinética de secado como en la textura del producto final. La cutícula actúa como barrera pero, no obstante, no es absolutamente impermeable al agua. La cutícula es una membrana permeable tanto a compuestos polares como no polares, donde las ceras juegan un papel clave en la reducción de la permeabilidad, especialmente las ceras epicuticulares, las cuales determinan la capacidad de la superficie para mojarse (Bukovac y col., 1981). La cera epicuticular del arándano es la pruina. Con el objetivo de incrementar la permeabilidad de la cutícula del arándano, Ronceros, et al. (2007), estudiaron el pretratamiento químico antes del secado sometiendo a la fruta a un baño de inmersión en soda cáustica, con el objetivo de remover las ceras epicuticulares. Otro autor, Lohachoompol (2007), con el mismo propósito sometió a los arándanos a la abrasión física. A la vista de estos antecedentes se concluye que existe una gran laguna de conocimientos en el campo de la deshidratación de arándanos, y muy especialmente en el secado por rayos infrarrojos, y que interesa conocer la conveniencia o no de aplicar tratamientos previos a la cutícula y el efecto de las condiciones de secado sobre la calidad del producto obtenido. Todo ello justifica el planteamiento del presente trabajo, según los objetivos que se explicitan a continuación. II. Objetivo general El objetivo general de esta tesis es la optimización del proceso de deshidratación de arándanos por infrarrojos, maximizando la retención de antocianinas, evitando la aparición de texturas de excesiva firmeza y minimizando el tiempo de secado. Para alcanzar este objetivo se han planteado los objetivos específicos que se describen a continuación. III. Humedad residual máxima La muestra con menor contenido en humedad en la que se produjo crecimiento de mohos corresponde a la muestra en la que el secado se detuvo al alcanzar la pasa un contenido en humedad de 0,92 g agua/g materia seca. En este caso la pérdida de peso registrada fue del 71,59 % y la actividad del agua de 0,89. En otras muestras, con independencia de la variedad, sólo se registró crecimiento de mohos cuando la actividad del agua superó el valor de 0,9 (humedad superior a 1 en base seca). Para asegurar la estabilidad de las pasas de arándano frente a alteraciones microbianas se ha tomado un margen de seguridad, considerándose que en los ensayos de secado deben prolongarse como mínimo hasta alcanzar una humedad residual de 0,45-0,59 o una actividad del agua inferior a 0,77-0,80. IV. Isotermas de humedad de equilibrio. Conocido el contenido de humedad máximo, que asegura durante un tiempo suficiente la estabilidad de las pasas de arándanos (0,80 g de agua / g materia seca, es decir 44,4% en base húmeda), es conveniente relacionarlo con la actividad acuosa correspondiente, esto es, con la humedad relativa del aire en cuyo ambiente las pasas de arándanos ni ganan ni pierden peso. Las isotermas de humedad de equilibrio relacionan estos parámetros cuando la temperatura del entorno permanece constante. Se han realizado ensayos a 25 ºC y a 45 ºC, y los valores experimentales se han ajustado a la ecuación formulada por Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) Los coeficientes de GAB alcanzan valores bastante similares entre sí y a los obtenidos por Vega-Gálvez et al. (2008) en arándanos O¿Neil. El aumento de temperatura se traduce en un incremento de la energía cinética de las moléculas de agua adsorbidas, lo que provoca una disminución de las fuerzas de atracción, y se da una mayor facilidad para el escape de estas moléculas (Pahlevanzadeh y Yazdani, 2004), de modo que disminuye el valor de Xm. V. Optimización del secado de arándanos por infrarrojos. En este capítulo se analiza el efecto de las variables de proceso (temperatura de secado, grado Brix del fruto, pretratamiento de la piel con solución de soda) sobre las variables de respuesta (firmeza, retención de antocianinas y tiempo de secado). El análisis se lleva a cabo a nivel individual y conjunto de las distintas variables de respuesta La optimización de la respuesta se basa evidentemente en minimizar el tiempo de secado. Se observa el importante efecto de la temperatura sobre el tiempo de secado: una temperatura de 115 ºC permite acortar en 24 minutos el proceso en relación al secado a 105 ºC, y como se ha indicado anteriormente esta diferencia es muy significativa. Por el contrario, en un secado a 115 ºC de arándanos con 10 °Brix (óptimos), el pretratamiento con soda (Figura IV. 3.1.1.3) sólo ha permitido acortar el secado unos 5 minutos, diferencia que no alcanza el nivel de significación necesario. En el caso de optimizar las tres variables, la deseabilidad se reduce un poco (0,92 frente a 1), pero el tiempo de secado sería de sólo 92 minutos. En este caso los factores óptimos son: 113.7 ºC y 10 ºBrix, sin tratamiento de soda, y se obtendría una retención de antocianinas del 53,5 %. Estos resultados permiten concluir que el tratamiento con soda es innecesario y que las temperaturas de secado por infrarrojos pueden situarse en el intervalo entre 105 y 115 ºC, según interese priorizar la retención de antocianinas o la duración del secado. VI. Efecto de la temperatura en la velocidad de secado Se pueden observar tres etapas de la curva plenamente diferenciadas. Una primera etapa, donde el producto se equilibra a las condiciones de secado (de 0 a 15 minutos), y por lo breve se descarta. En la fase de velocidad de secado decreciente se pueden diferenciar a su vez dos etapas, ambas con los puntos experimentales ajustables a funciones exponenciales decrecientes. En la segunda etapa (primer periodo de velocidad decreciente), el ratio de humedad decrece a mayor velocidad y la transferencia de masa es debida fundamentalmente a movimiento de líquido provocado por fuerza capilares y al gradiente total de presión de vapor de agua, debido a la rápida generación de vapor dentro del material. La energía adicional aplicada, la rápida penetración de los infrarrojos en el producto y la expulsión de gas provocan la reducción en el tiempo de secado. Se puede considerar que el sólido se comporta como un sólido poroso inerte, con escasa resistencia interna a la difusión. En la tercera etapa (segundo período de velocidad decreciente) el ratio de humedad decrece más lentamente a partir de un determinado contenido de humedad, lo que hace suponer que se comienza a evidenciar los fenómenos difusionales de las capas de líquidos absorbidas en la fase sólida y por el gradiente de concentración. VII. Modelización de las curvas de secado. Los resultados indicarían que la ecuación de Page reproduce con adecuada precisión la evolución de la humedad del producto con el tiempo de proceso, por lo tanto se consideran adecuadas para predecir cinéticas-tiempos de secado con infrarrojos. Al comparar la influencia de las temperaturas sobre los parámetros cinéticos en una sola etapa, se observa, un aumento de la constante N y K con la temperatura. VIII. Difusividad efectiva. Se calcula la difusión efectiva en los arándanos con la ecuación de Crank (1975) tomando la forma como esférica (despreciando el achatamiento de los polos del arándano). Se considera que la migración de la humedad se debe a la difusión con temperatura y coeficiente de difusión constantes Los valores obtenidos de la difusividad efectiva promedios, para las temperaturas de 105, 110 y 115ºC son: 6,54, 7,27 y 7,75 x 10-10 m2/s, existe una relación estadísticamente significativa entre con un nivel de confianza del 95,0 % respectivamente. Se puede observar que, como era de esperar, el coeficiente de difusión efectivo o experimental promedio (Deprom) aumenta con la temperatura, lo que evidencia un aumento en la velocidad de secado. IX. Energía de activación. La energía de activación calculada por la ecuación de Arrenhius a partir de la difusividad efectiva promedio es de 20,73 kJ /mol y de 34,30 kJ /mol si se calcula a partir del parámetro K (min-1) de Page. X. Firmeza del arándano deshidratado. Existe un claro punto crítico cuando se alcanza una humedad de 0,35 g agua /g b.s. Por encima de esta humedad, la correlación es muy baja a pesar de que el ajuste puede calificarse de correcto. La interpretación es que no hay apenas correlación entre la humedad del arándano y su firmeza: los valores de la firmeza son casi independientes del contenido en humedad del arándano, especialmente en los arándanos menos maduros (zafra de 2011). La firmeza no supera en ningún caso puntual el valor de 2 newtons, valor que ya podría reducir su aceptación sensorial. V. Conclusiones. ¿ La deshidratación de arándanos por infrarrojos ha demostrado ser un procedimiento perfectamente válido para la obtención de pasas de estos frutos, con ventajas frente al procedimiento de secado por convección forzada de aire caliente. ¿ Temperaturas de 105-115 ºC aplicadas durante 115-88 minutos permiten reducir la actividad del agua de las pasas de arándano por debajo de 0,80, asegurando así la estabilidad del producto frente al crecimiento de mohos. Este procedimiento es mucho más rápido que el secado convectivo con aire caliente. ¿ La rápida penetración del calor en el secado por infrarrojos, frente al secado por convección con aire caliente a la misma temperatura, es el factor que determina la mayor rapidez del secado por infrarrojos. En ensayos a 105 ºC, la temperatura en el centro del arándano alcanzó 80 ºC al cabo de 5 minutos cuando se aplica el calentamiento por infrarrojos y sólo 36 ºC en el secado por aire caliente. ¿ Se ha obtenido la relación entre la humedad de las pasas de arándanos y su actividad de agua, a temperaturas de 25 y 45 ºC. Las correspondientes isotermas de humedad de equilibrio se ajustan perfectamente al modelo de G.A.B. y los valores de los parámetros de las ecuaciones de ajuste obtenidas son muy próximos entre sí. ¿ Experiencias de cribado de las distintas variables de proceso han permitido descartar el pretratamiento de los frutos por inmersión en solución de soda como procedimiento para acelerar el secado de arándanos por infrarrojos. ¿ La función de deseabilidad (optimización de múltiples variables), que optimiza un breve tiempo de secado, una baja firmeza de la pasa y una alta retención de antocianinas, alcanza su valor máximo cuando se utilizan temperaturas de 113.7 ºC y frutos de 10 ºBrix. Si se pretende optimizar únicamente una baja firmeza y una alta retención de antocianinas el óptimo de temperatura se sitúa en 105 ºC. ¿ Temperaturas de secado de 120 ºC o superiores se han descartado porque dan lugar a fisuras en la piel de las pasas obtenidas. ¿ Tras un breve periodo de atemperamiento de los frutos al régimen de secado por infrarrojos, se inicia un periodo de velocidad de secado decreciente que puede a su vez dividirse en dos etapas, obteniéndose un punto crítico de cambio de velocidad cuando la humedad del fruto se sitúa en los niveles de 3,18-3,62 g agua /g materia seca. Ambas etapas de velocidad decreciente se ajustan perfectamente al modelo de Page. ¿ Se ha calculado la difusividad efectiva de la humedad y la energía de activación en el secado de arándanos, obteniéndose coeficientes similares a los obtenidos por otros autores. ¿ Se ha estudiado la evolución de la firmeza del arándano durante el secado, observándose que los valores iniciales apenas cambian si la humedad no baja de 0,4 g agua / g materia seca. Esta humedad está por debajo del límite que interesa alcanzar en la producción de pasas de arándanos, por lo que una excesiva firmeza no debe constituir un problema en el secado de arándanos por infrarrojos. ¿ El contenido de las antocianinas en el secado por infrarrojos es muy satisfactoria. Las pasas deshidratada retienen más del 50% de las antocianinas contenidas en el arándano fresco, no detectándose diferencias significativas entre las muestras desecadas a 105 o 115 ºC. ¿ Como conclusión final puede destacarse que el secado de arándanos por infrarrojos a 105-115 ºC es un procedimiento rápido y sencillo, que no requiere pretratamiento del fruto, no contaminante del ambiente. Esto permite obtener pasas de arándanos estériles con un contenido en antocianinas superior al obtenido con el proceso habitual de secado por aire caliente, en un lapso no mayor a dos horas entre el momento de la cosecha y el producto final envasado. Referencias Bibliográficas: ¿ Lohachoompol V. (2007). Effects of drying on anthocyanins in blueberries. Tesis doctoral. Faculty of Engineering. The University of New South Wales, Australia ¿ Reddy L. (2006). Drying characteristics of Saskatoon berries under microwave and combined microwave-convection heating . Tesis doctoral. University of Saskatchewan, Canadá. ¿ Junling Shi; Zhongli Pan; McHugh, T. H.; Wood, D.; Hirschberg, E.; Olson, D (2008). Drying and quality characteristics of fresh and sugar-infused blueberries dried with infrared radiation heating. LWT -- Food Science and Technology 41 10 1962¿1972 ¿ Vega-Gálvez, A., Lemus-Mondaca, R., Tello-Ireland, C., Miranda, M, Yagman, F. (2009). Kinetic Study of Convective Drying of Blueberry Variety O'neil (Vaccinium corymbosum L.). Chilean Journal of Agricultural Research 69(2):171-178
