EVALUACIÓN DE LA TÉCNICA DE HIDROSECADO EN CÁSCARAS DE NARANJA (Citrus Sinensis)/EVALUATION OF THE DRIYNG HYDRO TECHNIQUE ON ORANGE PEELS (Citrus Sinensis)

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RESUMEN

Antecedentes: Actualmente la industria productora de jugo de naranja en Colombia genera aproximadamente 18,000 toneladas de residuos al año, ocasionando grandes problemas ambientales. Sin embargo debido a su alto contenido de fibra y su interesante capacidad de mantener la humedad de los alimentos a los cuales se incorpora, se pretende aprovechar esta materia prima mediante la técnica de hidrosecado. El hidrosecado es una técnica novedosa que utiliza la energía infrarroja del agua para secar frutas y vegetales sensibles al calor de forma eficaz y con alta preservación de la calidad en el producto. Objetivos: El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto de la temperatura de proceso sobre las cinéticas de secado en rodajas de cáscaras de naranja (Citrus Sinensis). Métodos: Se secaron rodajas a 70, 80 y 90 °C con 4±0,5 mm de espesor. Se aplicaron cuatro modelos matemáticos Newton, Page y Wang y Singh para representar la cinética experimental. Adicionalmente, se determinaron los coeficientes de difusión efectivo del agua (De) y la energía de activación (Ea). Resultados: A mayor temperatura de proceso las cinéticas de secado fueron más rápidas alcanzado al final del secado un contenido de humedad (CH) entre 5 y 7% b.h. El modelo de Page presentó el mejor ajuste cinético en las tres temperaturas. Los valores de (De) se incrementaron significativamente con el aumento de temperatura y fueron del orden de 10-9 m2/s. El valor de energía de activación fue de 32,1 KJ/mol. Conclusiones: La aplicación del método de hidrosecado es una metodología de alto potencial para el secado de cascara de naranja por obtener significativamente tiempos cortos de secado. Se evidenció que a mayor temperatura menor es el tiempo de secado para alcanzar un mismo nivel de humedad, por consiguiente el tratamiento a 90 °C mostró las mayores cinéticas de secado. El modelo de Page fue el de mejor ajuste de las curvas de secado experimentales para las tres condiciones estudiadas.

Palabras clave: Cáscaras, naranja, cinética, secado, modelos matemáticos.

ABSTRACT

Background: Actually the production of orange juice industry in Colombia generates approximately 18,000 tons of waste per year, causing major environmental problems. However due to its high fiber and its interesting ability to maintain moisture in the food to which it is incorporated, it is to take advantage of this raw material by the technique of drying hydro. The drying hydro is a novel technique that uses the infrared energy of water in order to dry heat-sensitive fruits and vegetables in an effective way and with high quality preservation in the product. Objectives: The aim of this study was to evaluate the effect of process temperature on the kinetics of moisture of orange peels slices (Citrus Sinensis). Methods: We performed drying at 70, 80 and 90 °C with 4±0.5 mm of thickness; four mathematical models Newton, Page and Wang y Singh were applied to represent the experimental kinetic. Additionally, the effective diffusion coefficient of water (Ed) was determined and the activation energy Ea. Results: The higher temperature drying process kinetics were faster at the end of drying reached a moisture content (MC) between 5 and 7 % (wb). Page model provided the best kinetic adjustment at the three temperatures. Values (Ed) increased significantly with increasing temperature and were of the order of 10-9 m2/s. Conclusions: Application of the method of driyng hydro is a high potential methodology for drying orange peel obtains significantly shorter drying times. It was evident that the higher temperature is less drying time to achieve the same moisture level, therefore the treatment at 90 °C showed the greatest drying kinetics. Page model was the best fit of the experimental drying curves for the three conditions studied.

Keywords: Peels, orange, kinetics, drying, mathematical models.

(ProQuest: ... denotes formulae omitted)

INTRODUCCIÓN

La naranja Valencia se caracteriza por ser dulce tardía, su consumo es en fresco y se utiliza en la industria agrícola en los principales países citrícolas en el mundo (1). La industria de jugo de naranja genera gran cantidad de cáscaras durante el proceso, lo que constituye un grave problema ambiental (2). Estás se utilizan principalmente para la alimentación animal, aunque, debido a su alto contenido en fibra, podrían representar una interesante fuente de fibra dietética (DF) (3). Como alternativa de agroindustrialización la cáscara de naranja puede transformarse en naranja en polvo u hojuelas como ingrediente a otros alimentos, para ello se requiere del proceso de secado. En la industria existen diferentes métodos de secado como liofilización, aspersión, lecho fluidizado, tambor, microondas, de bandejas o secado convectivo con aire caliente (SC), entre otros; no obstante, estos métodos son de tiempos de proceso largos que ocasionan daños significativos en la calidad final del alimento deshidratado (4). Como alternativa de tiempos cortos de secado con características de calidad en alimentos deshidratados, está la técnica del hidrosecado. Este método es una técnica novedosa para secar eficientemente alimentos sensibles al calor utilizando la energía infrarroja del agua, para ello utiliza agua entre 95 - 97 °C como medio para transferir la energía infrarroja a través de un una membrana de poliéster (tipo MylarTM) al alimento que se ha extendido en ella (5). El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto de la temperatura de proceso sobre las cinéticas de secado en rodajas de cáscaras de naranja (Citrus Sinensis). Asimismo, su influencia en el De, y encontrar el mejor modelo cinético de ajuste en las tres temperaturas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se seleccionaron naranjas (Citrus sinensis) variedad "Valencia", de acuerdo a su color externo anaranjado con algunos visos verde claro como lo describe la NTC 4086 (6). Se cortaron con dimensiones de 4±0.5 mm de espesor y 16 mm de diámetro. El secado se realizó en un equipo de hidrosecado con agua como medio calefactor a 70, 80 y 90 °C, en cuya superficie se ubicó una membrana de poliéster (Mylar®). El porcentaje de humedad final de las muestras se determinó con el método AOAC (1980) (7). Los experimentos se realizaron por triplicado siguiendo un diseño factorial aleatorizado. Los resultados de CH se interpretaron a partir de la razón de humedad (MR), determinada por la Ecuación 1.

... Ecuación 1

MR se simplificó a la (Ecuación 2), ya que el equipo empleado no controla la humedad relativa del aire que está en contacto con el material (8).

... Ecuación 2

Dónde Xt y X0 son el CH en un tiempo t y en un tiempo inicial respectivamente. La De se calculó usando el primer término de la solución analítica de la segunda ley de Fick (Ecuación 3) (8), para una geometría de lámina semi-infinita de espesor l y considerando la difusión en dirección axial.

... Ecuación 3

Para el cálculo de la energía de activación, se aplicó la ecuación de Arrhenius para establecer el efecto de la temperatura en el proceso de secado a partir de los coeficientes difusivos de humedad (De) (8).

... Ecuación 4

Se utilizaron 3 modelos matemáticos para ajustar los valores experimentales del secado. La tabla 1 muestra las expresiones de los modelos seleccionados (9).

Los parámetros constantes A, B, C, k y n asociados a los modelos, se estimaron mediante una regresión no lineal entre t y MR con el software Matlab R2009a. Para evaluar el mejor ajuste de los modelos matemáticos a los valores experimentales de secado, se empleó el coeficiente de determinación (R2), el error medio relativo ((%)E) y chi-cuadrado (x2).

RESULTADOS

El CH inicial de las muestras fue 1,45±0,74 g agua/g ms. En la figura 1 se observan las cinéticas de humedad normalizadas de las cáscaras de naranja obtenidas a 70, 80 y 90 °C, mostrando una disminución del agua libre conforme se incrementa el tiempo. También se observa las mayores cinéticas con el incremento de la temperatura.

En la figura 1 no se muestran las desviaciones estándar debido a que interfiere en la lectura de los datos. Sin embargo estuvieron entre 0,23 - 0,0321, 1,46 - 0,0769, 1,60 - 0,0264 para 70, 80 y 90 °C respectivamente.

En la tabla 2, se presentan los parámetros y criterios estimados para el modelamiento del secado de rodajas de cáscaras de naranja a 70, 80 y 90 ° C mediante los modelos de Newton, Page y Wang y Singh.

El ajuste de Page a los datos experimentales se observa gráficamente en la figura 2.

En la tabla 3 se observan los valores obtenidos de coeficientes de difusión a las diferentes temperaturas de trabajo.

Para la energía de activación se utilizaron los datos de la tabla 1 y se empleó la ecuación 4, obteniendo un valor de 32,1 KJ/mol.

DISCUSIÓN

En la figura 1, se observa el marcado efecto de la temperatura sobre el proceso, ya que al aumentar la temperatura disminuye el tiempo de secado para lograr un mismo nivel de CH. Similar comportamiento observaron otros investigadores en el secado convectivo de pulpa y cáscara de naranja (10). Para el secado a 90 °C se requiere 60 min para alcanzar un CH de 0,065 g agua/g m.s., mientras que a 80 y 70 °C se requieren 70 y 120 min respectivamente. Puede notarse que las curvas de 80 y 90 °C se encuentran cercanas o ligeramente solapadas, este comportamiento puede indicar que a temperaturas de secado altas disminuye la velocidad de secado. Este fenómeno se conoce como endurecimiento de la superficie del fruto, el cual impide la liberación de agua, ralentizando la velocidad de secado; en consecuencia, si el secado se lleva a una temperatura más alta no se promueve un incremento en la velocidad de secado considerable (10). Otros autores han observado este fenómeno de endurecimiento durante la deshidratación por secado convectivo de diferentes alimentos (11).

En la tabla 1 se observa que el parámetro k se incrementó a medida que aumentó la temperatura del agua. Es frecuente que k sea dependiente de la temperatura, de modo que normalmente un incremento en este parámetro está relacionado con un aumento en la temperatura del producto durante el proceso (12).

En la figura 2 se observa el buen ajuste que representó el modelo de Page a los datos experimentales ya que presentó los valores más altos de coeficiente de correlación y los valores más bajos de RMSE. Otros investigadores también han encontrado el buen ajuste de este modelo en el secado de papaya chilena con aire caliente (13).

De acuerdo a los valores reportados en la tabla 2, los De variaron entre 2,98 y 5,5310-9 (m2/s), estos valores están dentro del intervalo reportado en la literatura para materiales alimenticios. Puede observarse un aumento en el coeficiente de difusión De con el aumento de la temperatura. Este coeficiente muestra una relación de dependencia con la temperatura, ya que a medida que esta aumenta hay una mayor movilidad de las moléculas de agua con lo cual la difusividad efectiva aumenta y disminuye la resistencia interna a la transferencia de materia. Además, este De también muestra una dependencia con el contenido de humedad debido a la microestructura del alimento durante la deshidratación (14). El valor obtenido para la energía de activación es 32,1 KJ/mol, presenta una magnitud que se encuentra dentro del intervalo de valores encontrados en la literatura para materiales alimenticios (12,7 a 110 KJ/mol) (15).

CONCLUSIONES

La aplicación del método de hidrosecado en cáscaras de naranja es una excelente alternativa de deshidratación por obtener significativamente tiempos cortos de secado. Estos tiempos son más cortos a mayor temperatura de proceso. El tratamiento a 90 °C mostró las mayores cinéticas de secado. El modelo de Page es adecuado para predecir las cinéticas de secado en cáscaras de naranja.

References

REFERENCIAS

1. González Peláez C A. Identificación de Materiales de Naranja para la Agroindustria de Jugos y Concentrados de Exportación, Adaptados a las Condiciones Agroecológicas de la Zona Cafetera Central. [Trabajo de pregrado]. [Risaralda, Colombia]: Universidad Nacional Abierta y a Distancia: 2014. 79 p.

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5. Caparino OA, Tang J, Nindo CI, Sablani SS, Powers JR, Fellman JK. Effect of drying methods on the physical properties and microstructures of mango (Philippine 'Carabao' var.) powder. J Food Eng. 2012; 111: 135-148.

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10. Garau CM, Simal S, Roselló C, Fermenia A. Effect of air-drying temperature on physico-chemical properties of dietary fibre and antioxidant capacity of orange (Citrus aurantium v. Canoneta) by-products. Food Chem. 2007; 104(3): 1014-1024.

11. Demirel D, Turhan M. Air-drying behavior of Dwarf Cavendish and Gros Michel banana slices. J Food Eng. 2003; 59 (1): 1-11.

12. Vega-Gálvez A, Miranda M, Clavería R, Quispe I, Vergara J, Uribe E, et al. Effect of air temperature on drying kinetics and quality characteristics of osmo-treated jumbo squid (Dosidicus gigas). J Food Sci Tech. 2011; 44 (1): 16-23.

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