Transferencia de calor y materia durante la liofilización de frutilla y su relación con la calidad del producto

Abstract

La liofilización es un método de deshidratación que consiste en eliminar el agua de un producto previamente congelado. Esta metodología cuenta con dos etapas identificadas como secado primario o de sublimación, durante la cual el hielo se sublima de la muestra y una segunda etapa denominada secado secundario o de desorción, donde se termina de eliminar el agua no congelada del producto. La técnica, en su versión industrial, se conoce desde hace décadas, y se encontró que el secado a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua tiende a mantener la microestructura de los tejidos biológicos y a preservar las moléculas bioactivas, que son termosensibles. Tal objetivo no se logra con ninguno de los métodos de secado que emplean altas temperaturas, y que redundan en un producto contraído, de estructura celular colapsada, con baja tasa de rehidratación y escasa retención de nutrientes. Si bien esta técnica de deshidratación se emplea en la industria farmacéutica local, en la industria de alimentos argentina su desarrollo aún es escaso, por lo cual, se presenta una oportunidad interesante para desarrollar investigaciones y ampliar el conocimiento de su aplicación en alimentos. En este caso, la frutilla es una fruta saludable, rica en vitamina C, potasio y manganeso, adecuada para personas hipertensas y de gran potencial en dietas destinadas al mantenimiento o reducción del peso corporal. Además, dicha fruta se produce en varios lugares de Argentina y en particular, en el Cinturón Hortifrutícola platense. Por tanto el objetivo de este trabajo fue mejorar la comprensión de la transferencia de calor y materia durante el proceso de liofilización de frutilla y la interacción con la calidad, a través de la realización de un estudio detallado de la cinética de liofilización y el desarrollo de modelos matemáticos mediante diferentes metodologías. Con tal proposito, se utilizó un liofilizador modelo LA-B4-C (Rificor, Argentina) que consiste en una cámara de vacío cilíndrica hecha de acrílico transparente que cubre una estructura de cuatro estantes de acero inoxidable en forma de disco, los cuales tienen elementos calentadores incorporados que pueden mantener una temperatura constante de hasta 50 ºC. Cada estante dispone de una bandeja de acero inoxidable de 1 mm de espesor y 0.3 m de diámetro para colocar las muestras. El equipo está equipado con un sensor de temperatura de producto Pt-100 y la presión dentro de la cámara se midió con un medidor Pirani. Previo al estudio de secado, se caracterizó la materia prima mediante métodos oficiales AOAC (1998) obteniendose un 90.02 % de agua, un 0.63 % de proteinas, un 0.3 % de lipidos, un 0.04 % de cenizas, y un 9.01 % de hidratos de carbono. Simultaneamente se determinó el contenido de minerales por la técnica de ICP-OES (técnica de plasma de acoplamiento inductivo asociado a un espectrofotómetro de emisión óptico) determinandose valores de potasio y manganeso de 13.855 y 0.038 mg mineral/g masa seca, respectivamente. Tanto en composición de macrocomponentes como en minerales, los resultados fueron comparables a los informados en bibliografía para el producto fresco. A continuación, se realizaron cinéticas de secado de rojadas de 0.01 m de espesor de frutillas, congeladas a dos temperaturas -20 y -40 °C, y se liofilizaron a tres temperaturas de estante de 30, 40 y 50 °C durante diferentes intervalos de tiempo entre 1.5 h a 24 h. Con el conjunto de datos experimentales obtenidos, se desarrollaron tres modelos matemáticos para determinar los parámetros de transferencia de materia durante el secado primario (sublimación) y el secado secundario (desorción) que tienen lugar durante el proceso de liofilización. Para identificar ambos periodos se utilizó una ecuación basada en la predicción de la fracción de agua no congelada, que permitió establecer una humedad final para el secado primario, que resultaba ser el valor inicial de la etapa siguiente. Los tres modelos desarrollados fueron: 1) Un modelo sencillo que proporcionó una representación precisa de los datos experimentales de humedad vs tiempo y que consideró el aumento del espesor de la capa seca a lo largo del proceso. Las permeabilidades de la capa seca determinadas fueron de 3.3 a 7.8 x 10-9 kg agua/(m Pa s), mientras que los valores de conductividad térmica seca estuvieron en el rango de 0.0205 a 0.0381 W/(m K). En este caso, el periodo de secado secundario se modelizó con la solución analítica en serie de la ecuación de difusión en estado no estacionario para una placa plana. Las predicciones fueron precisas y permitieron determinar coeficientes efectivos de difusión de vapor en el rango de 9.8 x 10-10 a 1.3 x 10-8 m2/s, que es uno o dos órdenes de magnitud más alto que los valores reportados en la literatura para el secado convectivo de frutas a presión atmosférica; 2) Un modelo difusivo resuelto mediante el método de diferencias finitas, para la obtención de los perfiles de vapor de agua y temperatura a través de la capa seca, para el período de secado primario con transferencia simétrica de materia y energía -acoplados- a través de la capa seca. Los coeficientes de difusión de vapor de agua determinados variaron de 4.7 a 16.3 x 10-4 m2/s, los valores del coeficiente de transferencia de materia convectiva estuvieron en el rango de 1.5 a 2.9 m/s, mientras que los valores del coeficiente de transferencia de energía convectiva oscilaron entre 21 y 63 W/(m2 K), para las temperaturas de 30 a 50 °C respectivamente. Para el periodo de desorción, se desarrolló un modelo de similar complejidad para la obtención de los perfiles de temperatura y contenido de humedad, a partir de la resolución de los balances acoplados de materia y energía. Las predicciones fueron satisfactorias y permitieron determinar los coeficientes efectivos de difusión de vapor en el rango de 0.9 a 5.6 x 10-9 m2/s; 3) El tercer modelo consistió en resolver el modelo difusivo mediante el método de elementos finitos. En este caso, los coeficientes de difusión de vapor de agua a través de la capa seca determinados para el período de sublimación fueron de 2.4 a 13.2 x 10-3 m2/s, los valores de coeficiente de transferencia de materia convectiva estuvieron en el rango de 0.3 a 1.1 m/s, y los valores de coeficiente de transferencia de energía convectiva oscilaron entre 24 y 44 W/(m2 K). Para el periodo de secado secundario las predicciones fueron igual de precisas y permitieron estimar coeficientes efectivos de difusión de vapor en el rango de 1.1 a 5.0 x 10-9 m2/s. Luego, se evaluó la retención nutricional mediante determinaciones de fenoles totales y capacidad antioxidante total en las frutillas liofilizadas bajo las distintas condiciones experimentales y en la fruta fresca. Los resultados estuvieron en el rango de 14 – 22 mg ácido gálico/g masa seca en la determinación de fenoles totales; y entre 6 – 12 mg Trolox/g masa seca para la determinación de antioxidante totales. Se realizó un análisis de varianza sobre ambas determinaciones, pero no se encontró evidencia de que exista una diferencia significativa entre la calidad del producto determinada a diferentes temperaturas en comparación con los valores obtenidos para el producto fresco. Por otra parte, se determinó la actividad acuosa y la temperatura de transición vítrea del producto final a bajos contenidos de humedad, en cuyos casos de obtuvieron valores del orden de 0.4 para el primer parámetro, asegurando la estabilidad microbiana del producto, y se consiguieron temperaturas de transición vítrea mayores a 25 °C para contenidos de humedad final menores al 1 % p/p que aseguran la estabilidad del producto durante su almacenamiento. Finalmente, otro aspecto novedoso de este trabajo consistió en el diseño y adaptación de una balanza digital dentro del liofilizador para tomar medidas de peso in situ, obteniendo resultados de manera continua para una misma rodaja. De esta manera, se obtuvieron nuevos datos experimentales, que dieron lugar al desarrollo de un nuevo modelo, aunque en este caso solo para el período de sublimación. Se obtuvieron valores de permeabilidad de vapor de agua a través de la capa seca de 2.6 a 4.7 x 10-8 kg/(m Pa s); coeficientes de transferencia de materia convectiva de 2.8 a 4.7 x 10-6 kg/(m2 Pa s); conductividad térmica de la capa seca de 0.1656 a 0.2444 W/(m K); y coeficientes de transferencia de calor conjunto (convección + radiación) en el rango de 16 – 24 W/(m2 K). En conclusión, para la predicción del contenido medio de humedad, el modelo del polinomio de segundo grado y la solución analítica de la ecuación de Crank resultaron ser los más precisos y rápidos en términos de tiempos de ejecución. Mientras que, para la obtención de perfiles de temperatura, presión de vapor de agua a través de la capa seca y contenido de humedad resultó ser más adecuado el modelo resuelto por diferencias finitas debido que es incondicionalmente estable y requiere menores tiempos de cálculo computacional. Los modelos aquí desarrollados tienen potencial aplicabilidad para el diseño de algoritmos de control de equipos de liofilización.