EVALUACIÓN DEL SECADO DE MELON (Cucumis melo L.) MEDIANTE SECADO CONVECTIVO Y BOMBA DE CALOR/ASSESSMENT OF DRIED MELON (Cucumis melo L.) BY CONVECTIVE AND HEAT PUMP DRYING

Headnote

RESUMEN

Antecedentes: El melón (Cucumis melo L.) es una fruta climatérica altamente perecedera por su alto contenido de humedad, por el cual es importante encontrar alternativas para su conservación. El secado convectivo (SC) y el secado con bomba de calor (SBC) plantean diferencias operacionales en cuanto a la eficiencia energética y principios operativos pero ambos convergen en que estabilizan los alimentos suceptibles al deterioro fisicoquímico y microbiológico; sin embargo el SBC por emplear en el aire humedad relativa más baja presenta mayores ventajas en el tiempo de secado y en la calidad del alimento. Objetivos: El objetivo de este trabajo es comparar el efecto de la velocidad del aire sobre las cinéticas de secado, el coeficiente de difusión (De) y la actividad de agua (aw) de muestras de melón deshidratado por los métodos de SC y SBC. Métodos: Se cortaron rodajas de melón con dimensiones de 20mm de diámetro y 3mm de espesor. Las muestras se secaron a 50°C empleando las técnicas de SC Y SBC con dos velocidades del aire secante (0.5 y 1 m/s). Como variables de respuesta, se evaluaron las cinéticas de secado, el coeficiente de difusividad efectiva y la actividad de agua. Para determinar el mejor ajuste de los valores experimentales, se emplearon cuatro modelos matemáticos de capa delgada (Newton, Page, Wang-Singh y Midilli). Resultados: Las muestras secadas a 1 y 0,5m/s por SBC presentaron rápidas cinéticas de secado, alcanzando valores de humedad finales de SBC a 1 y 0,5m/s presentaron altos De y SBC a 1m/s la más baja aw. El modelo de Midilli ajustó óptimamente todas las cinéticas de secado evaluadas con altos valores de R2 (0,9991-0,9997) y bajos valores de x2, SEE% y RMSE. Conclusiones: La combinación de SBC y altas velocidades de aire mejoraron las cinéticas de secado, De y aw de las rodajas de melón deshidratadas. El modelo de Midilli presentó el mejor ajuste de los datos experimentales de las cinéticas de secado evaluadas.

Palabras clave: Bomba de calor, fruta, secado, modelación.

ABSTRACT

Background: Melon (Cucumis melo L.) is a highly perishable climacteric fruit due to its high content of moisture; therefore, it is important to find alternatives for its preservation. Convective drying (CD) and heat pump assisted drying (HPD) pose operational differences in energy efficiency and operating principles but both converge in stabilizing the food susceptible to physicochemical and microbiological spoilage; however, because HPD employs lower relative humidity air, it presents major advantages in drying time and food quality. Objectives: The aim of this study was to compare the effect of air velocity on drying kinetics, diffusion coefficient (Deff) and water activity (Wa) of melon samples dehydrated by the methods of CD and HPD. Methods: Slices of melon with dimensions of 20 mm in diameter and 3 mm thick were cut. The samples were dried though CD and HPD at 50°C and two drying air speeds (0.5 and 1 m/s). As response variables, the kinetics of drying, the effective diffusion coefficient and the water activity were evaluated. To determine the best fit of the experimental values, four thin film mathematical models (Newton, Page, Wang-Singh and Midilli) were used. Results: The dried samples at 1 and 0.5m/s by HPD presented rapid drying kinetics, HPD at 1 and 0.5m/s showed high Deff and HPD at 1m/s had the lowest wa. Midilli model optimally adjusted all drying kinetics evaluated with high values of R2 (0.9991 to 0.9997) and low values of x2, SEE% and RMSE. Conclusions: The combination of HPD and high air velocities improved drying kinetics, Deff and wa of dehydrated melon slices. Midilli model provided the best fit of experimental data of the drying kinetics assessed.

Keywords: Heat pump, fruit, drying, modeling.

(ProQuest: ... denotes formulae omitted)

INTRODUCCIÓN

El melón (Cucumis melo L.) es una fruta climatérica altamente perecedera por su alto contenido de humedad, por lo cual es importante encontrar alternativas para su conservación y/o procesamiento (1). El secado es una alternativa para prolongar la vida útil de frutas y vegetales con perfiles de calidad diversos, debido a las diferentes técnicas de secado empleadas (2). El SBC es una técnica utilizada en materiales alimentarios y no alimentarios, cuya principal ventaja es su alta eficiencia energética y una calidad sobresaliente de los productos deshidratados, además controla de forma independiente los parámetros de operación y su facilidad para ajustar el proceso a productos termosensibles (3). Otros aspectos del SBC incluyen la amplia gama de condiciones de secado (20-100°C) y contribuye a preservar el medio ambiente debido a los bajos requerimientos de energía para su operación y por la ausencia de emisiones de gases y vapores liberados al ambiente (4). En los últimos años se ha incrementado la aplicación de esta técnica con mayores cinéticas de secado y mejores resultados de calidad respecto a técnicas convencionales como el SC (5). El objetivo de este trabajo es comparar el efecto de la velocidad del aire sobre las cinéticas de secado y la aw de muestras de melón deshidratado por SC y SBC.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se cortaron rodajas de melón (Cucumis melo L.) con dimensiones de 20mm de diámetro y 3mm de espesor. Las muestras se secaron a 50°C empleando las técnicas de SC Y SBC con dos velocidades del aire secante (0.5 y 1 m/s). Se empeló un SC de bandejas a escala de laboratorio (Armfield, modelo UOP8, USA) y un SBC diseñado en la Universidad del Valle que consiste en un circuito de refrigeración conformado por un condensador de 2,7kW, un evaporador de 3,9kW, un compresor reciprocante de pistón de 0,2kW y una válvula de expansión de 220- 30psi. En el SBC se fijó la humedad relativa (HR) del 10% y para SC una HR del 15%. Las variables de respuesta fueron la medida del contenido de humedad (CH) para construir las cinéticas de secado y la aw. El CH se midió a diferentes tiempos de secado hasta 8 h, empleando el método AOAC 20.013 (6). La aw se midió con un Decagón (CX-1, USA) a 25°C. Como variable de respuesta indirecta se determinó el coeficiente de difusividad efectiva del agua (De), que se calculó con la segunda ley de Fick (Ecuación 1). Adicionalmente, los valores experimentales de humedad del SC y del SBC se ajustaron a 4 modelos matemáticos de capa delgada ampliamente usados en alimentos (Tabla 1). Para evaluar los modelos de mejor ajuste se determinaron el coeficiente de determinación (R2), el error estándar del estimado (SEE%) y chi-cuadrado (x2) (Ecuaciones 2-4) con el software Mathlab R2009a.

...(Ecuación 1)

...(Ecuación 2)

...(Ecuación 3)

...(Ecuación 4)

Donde, ??2 es la varianza de la variable dependiente y ??r2 es la varianza residual, Xe es valor experimental; Xp es valor predicho de cada modelo; y n es el número de observaciones. En la ecuación 4, N es el número de observaciones, z es el número de parámetros del modelo, MRexp es la razón de humedad experimental y MRpre es la razón de humedad predicha.

RESULTADOS

La figura 1 representa las cinéticas comparativas de secado de rodajas de melón deshidratadas por SC y SBC. El CH inicial de las muestras de melón fue de 93.4±0.5% b.h. Las muestras tratadas con SBC presentaron significativamente (p>0.05) cinéticas de secado más rápidas respecto al SC, así mismo fueron más rápidas con mayor velocidad del aire (p>0,05). El tratamiento SBC 1 m/s tardó aproximadamente 3.6 h para alcanzar un CH de 10%(b.h), mientras que su correspondiente en el SC (1 m/s) tardó 6.5 h.

La figura 2 muestra el De de los tratamientos de melón durante el secado con SC y SBC. Al inicio del proceso de secado el De alcanza su máximo valor y posteriormente desciende gradualmente hasta el final del secado. Las muestras tratadas con SBC presentaron significativamente (p>0.05) mayores De respecto a las tratadas con SC (p>0,05), así mismo fueron mayores con mayor velocidad del aire para ambos métodos de secado (p>0,05).

En la figura 3 se presenta la evolución de la aw de los tratamientos evaluados. En todos los tratamientos la aw disminuyó significantemente (p>0,05) con el tiempo de secado, alcanzando valores finales entre 0.3769 y 0.4798. Puede notarse que la aw presenta el mismo comportamiento indicado en la cinética de secado (Figura 1), con valores inferiores en los tratamientos SBC y a mayor velocidad de secado.

Los parámetros de ajuste de los cuatro modelos matemáticos se muestran en la tabla 2. El modelo de Midilli presentó el mejor ajuste en todos los tratamientos, por presentar los mayores valores de R2 (0,9991-0,9997) y bajos valores de x2, SEE% y RMSE. La figura 3 presenta las curvas de secado predichas por modelo de Midilli y las experimentales por SC y SBC.

DISCUSIÓN

De acuerdo a la figura 1, las cinéticas con el SBC fueron más rápidas por presentar menor HR (10%) del aire de secado respecto a la del SC (HR=15%), lográndose mayor eficiencia en las condiciones evaluadas durante el secado de melón. En el SBC el aire tiene menor humedad (aire seco), por tanto se presenta un mayor diferencial de presión de vapor entre el agua del alimento y la humedad del ambiente (7). Las mayores cinéticas de secado por el incremento de la velocidad del aire se debe a que se potencia la transferencia de calor por convección (8). Resultados similares fueron reportados en secado de zanahoria por SC y SBC por Gómez-Daza y Ochoa-Martínez (9). La importancia del estudio de las variables de la humedad relativa y de la velocidad del aire en el secado de alimentos fue investigada por algunos autores (10).

El descenso gradual de la De durante el secado está asociado a la menor cantidad y dificultad de salida del agua en el alimento (11). Los tratamientos SBC y los secados con mayor velocidad del aire presentaron los mayores valores de De (Figura 2); resultado asociado a las mayores cinéticas de secado observados en la figura 1, ya que De significa mayor facilidad de extracción del agua del material. Este mismo comportamiento coincide con el reportado por algunos autores (12).

La aw al final del secado alcanzó valores inferiores a 0.4, lo que indica la alta estabilidad del melón deshidratados contra ataque de microorganismos y reacciones fisicoquímicas adversas durante su almacenamiento (13). Los tratamientos SBC presentaron menores valores de aw a un tiempo determinado, debido a su menor contenido de agua por la rápida cinética de secado. Resultados similares fueron reportados en otros vegetales (9-10).

En la figura 3 se observa el buen ajuste del modelo de Midilli con los experimentales, lo que indica que este modelo es adecuado para predecir el CH a un tiempo determinado. Este modelo ha representado con buen ajuste cinéticas de secado en manzana (14) y pimiento rojo (15). El parámetro K (Tabla 2) calculado en los modelos cinéticos en general está asociado a la transferencia del agua; un valor alto significa mayor transferencia de agua. En este estudio se evidencia que K es mayor en los tratamientos secados con SBC y con mayor velocidad del aire.

CONCLUSIONES

La Combinación de SBC y altas velocidades de aire de secado incrementaron las cinéticas de secado, De y aw de rodajas de melón. El modelo de Midilli es el más adecuado para predecir las cinéticas de secado en muestras de melón por los métodos de SC y SBC.

AGRADECIMIENTOS

Los autores de este trabajo agradecen a COLCIENCIAS, al Programa Jóvenes Investigadores e Innovadores "Virginia Gutiérrez de Pineda" por la financiación de esta investigación y a la escuela de Ingeniería de Alimentos de la Universidad del Valle.

References

REFERENCIAS

1. Ayala-Aponte AA, Cadena MI. The influence of osmotic pretreatments on melon (Cucumis melo L.) quality during frozen storage. DYNA. 2014 Ago; 81(186): 81-86.

2. Liu L, Kakihara F, Kato M. Characterization of six varieties of Cucumis melo L. based on morphological and physiological characters, including shelf-life of fruit. Euphytica. 2004 Jun-Oct; 135: 305-313.

3. Hii CL, Law CL, Suzannah S. Drying kinetics of the individual layer of cocoa beans during heat pump drying. J Food Eng 2012 Jun-Aug;108(2):276-82.

4. Patel KK, Kar A. Heat pump assisted drying of agricultural produce - an overview. J Food Sci Technol. 2012 Jan-May; 49(2):142-60.

5. Minea V. Review Drying heat pumps e Part II: Agro-food, biological and wood products. Inter J Refrige. 2013 Oct-Nov; 36: 659-673

6. AOAC. Official Methods of Analysis. Moisture determination. Method 20.013. 13th ed. Washington DC: 1980. 361-362 p.

7. Krokida MK, Karathanos VT, Maroulis ZB, Marinos-Kouris D. 2003. Drying kinetics of some vegetables. J Food Eng. 2003 Jul-Dec; 59: 391-403.

8. Karim MDA, Hawlader MNA. Drying characteristics of banana: theoretical modelling and experimental validation. J Food Eng. 2005 Jan-Aug; 70: 35-45

9. Gómez-Daza JC, Ochoa-Martínez. Kinetic Comparison of a Heat Pump Dryer and a Full Recirculation Convective Dryer. Rev.Fac.Nal.Agr.Medellín. 2014 Mar-Jun; 67(2):384-486

10. Aversa M, Curcio S, Calabró V. Iorio G. An analysis of the transport phenomena ocurring during food drying process. J Food Eng. 2007 Jul-Jan; 78: 922-932.

11. Thuwapanichayanan R, Prachayawarakorn S, Kunwisawa J, Soponronnarit S. Determination of effective moisture diffusivity and assessment of quality attributes of banana slices during drying. Food Sci Technol-LEB. 2011 Dec-Jan; 44: 1502-1510.

12. Torres R, Montes EJ, Andrade RD, Pérez OA, Toscano H. Drying kinetics of two yam (Dioscorea alata) Varieties. Dyna. 2012 Feb-Mar; 171: 175-182

13. Marques LG. Ferreira MC. Freire JT. Freeze-drying of acerola (Malpighia glabra L.). Chem. Eng. Process. 2007 Mar-Apr; 46:451-457.

14. Togrul H. Simple modeling of infrared drying of fresh apple slices. J Food Eng. 2005 Dec-May; 71(3): 311-323.

15. Schössler K, Jäger H, Knorr D. Effect of continuous and intermittent ultrasound on drying time and effective diffusivity during convective drying of apple and red bell pepper. J Food Eng.2012 May-Jul; 108(1):103-110.