SECADO POR ASPERSIÓN DE SOLUCIONES MODELO REPRESENTATIVAS DE ZUMOS DE FRUTAS/SPRAY DRYING MODEL FOR SOLUTIONS REPRESENTATIVE OF FRUITS JUICES

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RESUMEN

Antecedentes: La técnica de secado por aspersión es una de las más usadas para la producción de alimentos en polvo. Muchas investigaciones se han llevado a cabo para determinar las propiedades fisicoquímicas de los polvos de frutas secados por aspersión ya que esta técnica presenta características controlables, independientes de la sensibilidad del alimento al calor. Objetivos: Evaluar el efecto de la temperatura de entrada del aire y el flujo de alimentación sobre la densidad real, la densidad aparente y la humedad en el secado de dos soluciones modelo de zumos de frutas. Métodos: Se implementó un modelo factorial donde los factores fueron la temperatura de entrada del aire (180, 190 y 200 °C) y el flujo de alimentación a la cámara de secado (8,1, 6,8 y 6,1× 10-4 kg de alimento/s) y las variables respuesta fueron la densidad aparente, la densidad real y el contenido de humedad. Se utilizó maltodextrina DE 19-10 como agente de secado en una concentración de 10%. El procedimiento se realizó para dos tipos de solución modelo (A y B). Las soluciones se prepararon teniendo en cuenta composiciones similares a grupos de frutas. Resultados: El análisis estadístico de varianza (ANOVA) mostró que casi todas las variables independientes afectan significativamente las variables de respuesta. Se observaron valores mayores de densidad real para la solución B, que tiene mayor contenido de azúcares. Se observó una tendencia de la densidad real a disminuir a medida que se aumentó la temperatura. Los valores óptimos de las variables de respuesta fueron 190°C y 8,1 × 10-4 kg de alimento/s. Conclusiones: El mejor tratamiento para producir polvos con menor contenido de humedad y mayor densidad se encontró en la temperatura intermedia estudiada, es decir, a 190°C y al mayor flujo de alimentación (8,1 × 10-4 kg de alimento/s). La composición de azúcares en la solución tiene un fuerte efecto en las características finales del producto.

Palabras clave: Secado, zumos de frutas, calidad, estabilidad, temperatura, flujo.

ABSTRACT

Background: The spray drying technique is one of the most used for producing powdered food. Much research has been conducted to determine the physicochemical properties of the spray dried powders of fruit since this technique presents controllable characteristics, which are independent of food sensitivity to heat. Objectives: To evaluate the effect of inlet air temperature and the feed flow of the true density, bulk density and moisture in two model solutions during spray drying. Methods: A factorial model was implemented. The factors were the air inlet temperature (180, 190 and 200 ° C) and flow of the feed to the drying chamber (8.1, 6.8 and 6.1 x 10-4 kg feed / s). The response variables were the bulk density, true density and moisture content. Maltodextrin DE 19-10 was used as drying agent in a concentration of 10%. The procedure was performed for two types of model solution (A and B). The model solutions were prepared at similar compositions of a fruit groups. Results: The statistical analysis of variance (ANOVA) showed that almost all independent variables significantly affect response variables. Higher true density values for the B solution (which has higher sugar content) were observed. Also, there was a trend of the true density to decrease as the temperature was increased. The optimal values of the response variables were 190 °C and 8.1 × 10-4 kg feed/ s. Conclusions: The best treatment to produce powders with lower moisture content and higher density was found in the intermediate temperature studied, ie, 190 °C and higher feed flow (8.1 × 10-4 kg feed / s). The sugar composition in the solution has a strong effect on the final characteristics of the product.

Keywords: Drying, fruit juice, quality, stability, temperature, flow.

INTRODUCCIÓN

El secado por aspersión tiene diversas aplicaciones en la industria farmacéutica, alimentaria, y de detergentes, entre otros; es un proceso continuo que se caracteriza por la transformación de un líquido a un producto seco en forma de polvo, en un corto tiempo de secado. Este líquido se atomiza mediante un sistema de alta presión centrífuga, y las gotas atomizadas entran en contacto con un flujo de aire caliente. Por lo tanto, hay una evaporación rápida, lo que permite mantener baja la temperatura del producto final, permitiendo secar los productos sensibles al calor sin afectar mucho su calidad (1). En los zumos de frutas, el alto contenido de azúcar puede conducir a la obtención de productos con una alta pegajosidad e higroscopicidad, lo que reduce el rendimiento del proceso. La adición a la muestra de productos de alto peso molecular antes de atomización es una alternativa frecuentemente utilizada dado que aumenta la temperatura de transición vítrea (2) e influye en la estabilidad del polvo. Los aditivos más usados son maltodextrina, goma Arábica o una combinación de ambos.

El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la temperatura de entrada del aire de secado y el flujo de alimentación en el proceso de secado por aspersión de dos soluciones modelo representativas de zumos de fruta, sobre la densidad y la humedad.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se evaluaron dos soluciones modelo cuya composición es similar a un grupo de frutas específico. La tabla 1 presenta la composición de las soluciones modelo de frutas. A cada solución modelo de la tabla 1 se le adiciono maltodextrina DE 19-10, en una concentración del 10% de la solución.

En la solución A se encuentran frutas como el lulo y el limón, consideradas frutas ácidas por su alto contenido en ácido cítrico y agua. En la solución B están la naranja, el melón y el durazno, que se caracterizan por un contenido de sacarosa superior al de la solución. El proceso de secado se realizó en un secador por aspersión (marca VIBRASEC), en el cual las corrientes de entrada del aire y de alimento están en flujo concurrente. Se analizó el efecto de dos factores, la temperatura de entrada del aire (180, 190 y 200 °C) y el flujo de alimentación representado en el porcentaje de la bomba que impulsa el líquido (8, 10 y 12%). Se aplicó el mismo diseño experimental para cada tipo de solución (A y B). Las variables de respuesta fueron el contenido de humedad, la densidad real y la densidad aparente. El contenido de humedad se determinó en un horno al vacío a 60°C por 24h, hasta peso constante; la densidad real se determinó por el método del picnómetro, utilizando como líquido inmiscible éter de petróleo (3), la densidad aparente de los polvos se midió adicionando 5g de polvo a una probeta y golpeando ésta durante un minuto (un golpe cada 3 segundos), y midiendo el volumen de polvo, a partir del cual se estableció la densidad aparente compactada (4). Las muestras de polvo se almacenaron aproximadamente a 4°C hasta la realización de las pruebas. Se utilizó el software Minitab 17 para el análisis estadístico de varianza (ANOVA) con un nivel de confiabilidad de 90% y para el proceso de optimización.

RESULTADOS

En la Figura 1, se muestra la interacción de la temperatura de entrada del aire y el flujo de alimentación sobre la densidad real para la solución A y B. En general, se obtuvieron mayores valores de densidad real para la solución B. Los valores de densidad real se encontraron en un rango de 1134,18 a 1386,28 kg/m3 para la solución A, y para la solución B de 1061,06 a 1588,40 kg/m3.

En la figura 2, se observa que para la solución A se obtuvo mayor densidad aparente a la temperatura menor para un flujo de alimentación cercano a 6,8x10-4 kg/s, por otro lado, la solución B alcanzó este valor a la temperatura intermedia para un flujo de 8,1 x10-4 kg/s. Los valores de densidad aparente se encontraron en un rango de 594,36 a 712,29 kg/m3 para la solución A, y 543,46 a 669,35 kg/m3para la solución B.

En la figura 3, se presenta la interacción de los factores sobre el contenido de humedad, donde para ambas soluciones, los valores fueron inferiores a 6%.

DISCUSIÓN

En el efecto de la temperatura de entrada del aire y el flujo de alimentación sobre la densidad real para la solución A y B observados en la Figura 1, los valores mayores de densidad real para la solución B pueden ser causados por el mayor contenido de azúcares que tiene esta solución. Las variables estudiadas no tuvieron inf luencia significativa (p>0,1), exceptuando la temperatura para la solución A, donde se observa una tendencia a disminuir la densidad real a medida que aumenta la temperatura. Los resultados obtenidos son comparables con los reportados del secado por aspersión de pulpa de tomate, donde se encontraron valores de densidad en un rango de 1070 a 1310 kg/m3 (5).

En cuanto a la densidad aparente, los resultados estadísticos mostraron que para la solución A, el efecto de los factores fue significativo (p ≤ 0,1), pero su interacción no; para la solución B la interacción de la temperatura de entrada del aire y de flujo de alimentación fue significativa (p ≤ 0,1). La densidad aparente de una partícula en un secador por aspersión puede aumentarse mediante la reducción de la temperatura de entrada (6). Esto se observó en la solución A al trabajar a 180°C e inclusive en la solución B se observa esta tendencia para un flujo intermedio. Es deseable tener una alta densidad aparente, ya que requiere menos volumen cuando se envasa (7). Además, una alta densidad aparente generalmente significa que hay menos espacios vacíos disponibles para ser ocupados por aire, por lo que se puede evitar la oxidación y aumentar la estabilidad del polvo (8).

En cuanto al contenido de humedad, el hecho de obtener valores inferiores a 6%, permite que los productos puedan considerarse bioquímicamente y microbiológicamente estables (9). Los análisis estadísticos mostraron que la interacción de los factores fue significativa (p ≤ 0,1) para la solucion A, y los factores independientes fueron significativos (p ≤ 0,1) para la solución B. Los resultados son comparables con los reportados por otros autores (10) en el secado de jugo de naranja (2,29% a 3,35%). La baja humedad evita la aglomeración de partículas, impidiendo el apelmazamiento del polvo (11). Por otra parte, Caliskan yDirim (12) encontraron que el aumento de la concentración de maltodextrina durante el secado por aspersión resultó significativo en la disminución del contenido de humedad de los polvos, probablemente debido a un aumento de los sólidos en la alimentación y la cantidad de agua libre reducida. A pesar que en este estudio no se varió la concentración de maltodextrina, su adición puede ser una explicación de los bajos porcentajes de humedad encontrados para las dos soluciones.

Se llevó a cabo el proceso de optimización de las variables de respuesta, después de analizar las pruebas ANOVA. Según los resultados, las mejores condiciones de secado por aspersión fueron: Temperatura del aire de entrada de 190 °C y porcentaje de alimentación de la bomba 12%, es decir, aproximadamente 8,1 × 10-4 kg de alimentación/s, para las dos soluciones.

CONCLUSIONES

El mejor tratamiento de secado por aspersión de las soluciones modelo para producir polvos con menor contenido de humedad y mayor densidad se encontró en la temperatura intermedia estudiada, es decir, a 190°C y al mayor flujo de alimentación (8,1 × 10-4 kg de alimentos). La composición de azúcares en la solución tiene un fuerte efecto en las características finales del producto.

Es importante anotar que en las soluciones modelo estudiadas no se tuvieron en cuenta otros componentes presentes en jugos reales como la fibra insoluble y los aceites esenciales.

AGRADECIMIENTOS

A COLCIENCIAS que permitió la financiación de este proyecto.

References

REFERENCIAS

1. Sharma S, Mulvaney S, Rizvi S. Ingeniería de alimentos: operaciones unitarias y prácticas de laboratorio. México DF, México: Limusa; 2003. 44p.

2. Bhandari B, Datta N, Howes T. Problem associated with spray drying of sugar-rich foods. Dry Technol. 1997; 15(2): 671-684.

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7. Kha TC, Nguyen MH, Roach PD, Stathopoulos CE. Microencapsulation of Gac oil: Optimisation of spray drying conditions using response surface methodology. Powder Technol. 2014 Sep; 264: 298-309.

8. Goula A, Adamopoulos K. Effect of maltodextrin addition during spray drying of tomato pulp in dehumidified air: I. Drying kinetics and product recovery. Dry Technol. 2008 May; 26(6): 714-725.

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11. da Silva FC, da Fonseca CR, de Alencar SM, Thomazini M, Balieiro JC de C, Pittia P, et al. Assessment of production efficiency, physicochemical properties and storage stability of spray-dried propolis, a natural food additive, using gum Arabic and OSA starch-based carrier systems. Food Bioprod Process. 2013 Jan; 91(1): 28-36.

12. Caliskan G, Dirim SN. The effect of different drying processes and the amounts of maltodextrin addition on the powder properties of sumac extract powders. Powder Technol. 2015 Oct; 287: 308-14.