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Máster Iniciación a la Investigación en Ciencia y Tecnología de los Alimentos DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES DE SECADO DE FRUTAS CONFITADAS PARA SU USO COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO Autor: Andrea Bordetas Gascón Directores: Dr. Javier Raso Pueyo Dr. Ignacio Álvarez Lanzarote Facultad de Veterinaria Junio 2014 Trabajo Fin de Máster 1 ÍNDICE 1. RESUMEN ................................................................................................................ 3 2. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 5 2.1. Frutas confitadas. ............................................................................................... 5 2.2. Deshidratación osmótica .................................................................................... 6 2.3. La aw ................................................................................................................... 8 2.4. La deshidratación ............................................................................................. 11 3. OBJETIVOS DEL ESTUDIO ................................................................................. 14 4. MATERIAL Y MÉTODOS .................................................................................... 15 4.1. Materia prima ................................................................................................... 15 4.2. Deshidratación ................................................................................................. 15 4.3. Determinación de la pérdida de agua a lo largo del proceso de deshidratación…. ........................................................................................................ 16 4.4. Actividad de agua (aw) ..................................................................................... 17 4.5. Dureza .............................................................................................................. 17 4.6. Curva de deshidratación ................................................................................... 17 4.7. Curva de velocidad de deshidratación. ............................................................ 17 4.8. Isoterma de desorpción .................................................................................... 18 4.9. Modelización ................................................................................................... 18 4.10. Análisis de datos........................................................................................... 18 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................. 20 5.1. Cubitos de naranja confitada 4x4 mm. ............................................................ 20 5.1.1. Curva de deshidratación obtenida a distintas temperaturas. ..................... 20 5.1.2. Variación de la aw de la piel de naranja confitada durante su deshidratación a distintas temperaturas. .................................................................. 24 2 5.1.3. Obtención de las isotermas de desorpción a distintas temperaturas de deshidratación.......................................................................................................... 27 5.1.4. Evolución de la textura de los cubitos de piel de naranja confitada durante su deshidratación a distintas temperaturas. ............................................................. 29 5.2. Dados de albaricoque confitados 4x4 mm ....................................................... 33 5.2.1. Curva de deshidratación obtenida a distintas temperaturas. ..................... 33 5.2.2. Variación de la aw del albaricoque confitado durante su deshidratación a distintas temperaturas. ............................................................................................. 38 5.2.3. Obtención de las isotermas de desorpción a distintas temperaturas de deshidratación.......................................................................................................... 41 5.2.4. Evolución de la textura de los cubitos de albaricoque confitado durante la deshidratación a distintas temperaturas. .................................................................. 42 6. CONCLUSIONES .................................................................................................. 46 7. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 47 3 1. RESUMEN Uno de los usos más generalizados de las frutas confitadas en la industria alimentaria es como ingrediente de muchos productos de pastelería y repostería con una composición y características muy diferentes. Si las frutas confitadas no tienen una aw similar a la del producto del que van a formar parte existe riesgo de que se produzcan migraciones de agua, y por tanto, cambios de aw que pueden afectar a sus propiedades sensoriales y favorecer el crecimiento microbiano reduciendo el tiempo de vida útil del producto. Por tanto, el objetivo de esta investigación fue establecer las condiciones de secado de cubito de naranja y albaricoque confitados para obtener ingredientes con distinta aw y con unas propiedades sensoriales adecuadas para ser utilizados en la industria de pastelería y repostería. Como materia prima se utilizaron cubitos de piel de naranja y de albaricoque confitados de 1,6 cm2. Estos se secaron a 20, 30, 40 y 50ºC durante 10 horas. A lo largo del proceso se tomaron muestras y se determinó su contenido en agua, aw y dureza. En base a estas medidas, se obtuvieron curvas de deshidratación e isotermas de desorpción a distintas temperaturas. Con el fin de comparar resultados, las curvas obtenidas fueron descritas matemáticamente con modelos preestablecidos como el de Fick para las curvas de deshidratación permitiendo determinar las velocidades de deshidratación, o mediante herramientas de regresión múltiple para relacionar la aw y textura con el tiempo y la temperatura de deshidratación. En este trabajo, se han obtenido curvas de deshidratación a distintas temperaturas que no mostraban las típicas etapas de estabilización y velocidad constante sino que correspondían a la etapa decreciente. En todos los casos, la humedad y la aw de los productos disminuyeron con el tiempo principalmente y con la temperatura de deshidratación. Se observó que la velocidad de deshidratación fue mayor al aumentar la temperatura en ambos productos. Sin embargo, la temperatura no afectó a la forma de la isoterma de sorpción ni a la relación entre aw y textura. Los resultados obtenidos han permitido desarrollar ecuaciones matemáticas que permiten establecer las condiciones de secado (tiempo y temperatura) para conseguir cubitos de naranja y albaricoque con una determinada aw y textura. 4 ABSTRACT One of the most widespread uses of candied fruits in the food industry is as an ingredient in many pastries and cakes. If the aw of candied fruits is not similar than that of the product in which will form part of, water migrations can occur. Then aw changes may modify sensory properties and favoring the microbial growth reducing the shelflife of the product. Therefore, the objective of this research was to establish the drying conditions of candied orange peel and apricot cubes in order to obtain products of different aw and suitable sensorial properties to be used as ingredient in the industry of cakes and pastries. Candied orange peel and apricot cubes of 1.6 cm2 were used as raw material. These were dried at 20, 30, 40 and 50 ° C for 10 hours. Samples were taken throughout the process and its water content, aw and hardness were determined. Based on these measures, dehydration curves and desorption isotherms were obtained at different temperatures. In order to compare results, the obtained curves were mathematically described by preset models such as Fick’s equation for dehydration curves permitting to determine the dehydration rates, or by using multiple regression to correlate the aw and texture with the time and temperature of dehydration. In this work, dehydration curves obtained at different temperatures did not show the typical stages, only observing declining rate stage. In all cases, moisture and the aw of the product decreased mainly with time, and with the dehydration temperature. For both products, dehydration rate was higher the higher the temperature. However, the temperature did not affect either the shape of the sorpcion isotherm or the relationship between aw and texture. The obtained results enabled to develop mathematical equations that allow establishing the drying conditions (time and temperature) to get cubes of candied orange peels and apricot with certain aw and texture. 5 2. INTRODUCCIÓN 2.1. Frutas confitadas. Las frutas confitadas son un producto obtenido a partir de la pulpa de fruta, su cáscara o ambos sometidos a un proceso en el cual se intercambia el agua contenida en la fruta por una solución de azúcar concentrado. El producto final obtenido tiene una vida útil más larga que la fruta fresca debido al descenso de su aw como consecuencia de su menor contenido en agua y su mayor contenido en solutos. Además, dependiendo de la aw final del producto se le añaden conservantes con efecto antimicrobiano sobre los mohos y las levaduras, principal causa de la alteración. Estos productos se caracterizan por poseer una consistencia sólida y un aspecto transparente y brillante. Las empresas dedicadas a la elaboración de frutas confitadas suelen utilizar como materia prima fruta fresca que tras su recolección se introduce en unos depósitos que contienen una solución de SO2 y Cl2Ca. El efecto antimicrobiano y antioxidante del SO2 junto con el efecto fortalecedor de la consistencia de la fruta del Cl2Ca permiten que la materia prima se conserve durante largos periodos de tiempo antes del confitado. Gracias a este procedimiento de conservación, las empresas disponen de fruta para confitar a lo largo de todo el año y la producción de la fruta confitada no depende de la estacionalidad propia de la fruta fresca. El proceso de elaboración de la fruta confitada a partir de la materia prima tratada con SO2 y Cl2Ca comienza con un tratamiento térmico con agua en ebullición durante un periodo de tiempo variable dependiendo del tamaño y la consistencia de la fruta. En este proceso, se reduce la concentración de sulfitos y se produce un cierto ablandamiento de la fruta que se va a confitar. El proceso de confitado propiamente dicho consiste en introducir la materia prima tratada térmicamente en el interior de una solución azucarada cuya concentración se aumenta progresivamente a medida que avanza el proceso, a una temperatura de alrededor de 65ºC. En esta operación, se produce un fenómeno denominado deshidratación osmótica (Pointing et al, 1966). La deshidratación osmótica consiste en la eliminación de agua de un alimento mediante su inmersión en una solución concentrada de un soluto, que generalmente es azúcar o sal (Chandra, S. et al, 2013; Sutar et al, 2013; VV.AA, 2002). El producto final obtenido mediante esta operación tiene una humedad 6 entre un 30-40 % y una aw entre 0,7-0,8 (Akbarian et al, 2014; Rafiq, 2012; Sutar et al, 2013). 2.2. Deshidratación osmótica El proceso de ósmosis consiste en el movimiento de moléculas de agua a través de una membrana con una permeabilidad selectiva desde una zona hipotónica (menor concentración de solutos) a una hipertónica (con una mayor concentración de solutos) (Rastogi et al, 2002; Shi and Xue, 2009). En el proceso de deshidratación osmótica se producen dos fenómenos simultáneos: la deshidratación del alimento por pérdida de agua y su impregnación con el soluto. Cuando se introduce un alimento fresco en una solución hipertónica, la fuerza impulsora responsable de la deshidratación del alimento es el gradiente de concentración entre la solución y el fluido intracelular. En el caso de que la membrana fuera perfectamente semipermeable, el soluto de la solución osmótica no podría penetrar al interior celular. Sin embargo, las membranas celulares de los alimentos no se comportan como membranas perfectamente semipermeables. Por lo tanto, durante el proceso de deshidratación osmótica dos importantes flujos contracorriente tienen lugar simultáneamente. Uno de ellos corresponde con el flujo de agua del interior de las células del alimento hacia la solución hipertónica y el otro es la difusión del agente osmótico (sal o azúcar) en la dirección contraria, es decir desde la solución hipertónica hacia el interior del alimento. Existe un tercer flujo menos importante en el intercambio de masa, aunque puede influenciar las propiedades nutritivas y organolépticas del producto que consiste en la salida de distintos compuestos solubles como vitaminas, ácidos orgánicos, sales minerales, etc desde el alimento a la solución osmótica (Iazarides, 2001; Khin et al, 2005). 7 Figura 1. Esquema de las transferencias de masa que ocurren en la deshidratación osmótica. La Figura 1 representa el patrón de transferencia de masa que ocurre durante el proceso de deshidratación osmótica de un alimento como una fruta. Al introducir la fruta en la solución hipertónica (solución azucarada) las células de la fruta en contacto con la solución comienzan a perder agua debido al gradiente de concentración entre las células y la solución hipertónica, como consecuencia de esta pérdida de agua su volumen se retrae. Una vez que las células de la primera capa del alimento han perdido agua, se establece un gradiente de concentración entre éstas y las células de la segunda capa que provoca el paso de agua, de las células de la segunda a las de la primera. Por lo tanto, el fenómeno de transferencia de masa y de retracción del volumen de las células es un fenómeno que ocurre desde la superficie hacia el centro del alimento a lo largo del proceso de deshidratación osmótica hasta que las células del centro pierden su agua y el fenómeno de transferencia de masa se equilibre tras un largo periodo de tiempo. La principal ventaja de la deshidratación osmótica frente a un proceso de deshidratación tradicional con aire caliente es que se evitan los efectos negativos del calor sobre las propiedades sensoriales y nutritivas de los alimentos y los costes energéticos del proceso son menores (Akbarian, 2014; Rafiq, 2012). Sin embargo, el producto final obtenido es un producto con una concentración elevada del soluto utilizado en la solución hipertónica lo que modifica su composición y propiedades sensoriales. 8 2.3. La aw El principal parámetro que determina la estabilidad microbiológica y físicoquímica de las frutas confitadas es su aw. La aw es un parámetro físico-químico de mucho interés en la industria alimentaria. Se define como la relación entre la presión de vapor de agua de un alimento y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura. (Fennema, 2000): Donde p es la presión parcial del agua por encima de la muestra y p0 es la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura, siendo para el agua pura esta relación igual a 1. Cuando se determina la aw de un alimento es imprescindible indicar la temperatura a la que se ha medido ya que la aw es dependiente de la temperatura. Según el alimento un cambio de temperatura de 10°C puede causar un cambio en la aw entre 0,03 y 0,2 (Fennema, 2000). La aw es un indicador del agua que hay disponible en un alimento para ser utilizado por los microorganismos y participar en las reacciones químicas y enzimáticas responsables de la alteración de los alimentos. Se trata de un parámetro más adecuado para estimar la estabilidad de los alimentos que el contenido en agua de los alimentos debido a que el agua más íntimamente unida (no disponible) a los componentes acuosos, no puede ser utilizada por los microorganismos ni participar en las reacciones químicas y enzimáticas. Además de ser un parámetro muy importante para estimar la estabilidad de los alimentos, la aw de un alimento determina su tendencia a intercambiar agua con el ambiente. En función de la aw del alimento y la humedad relativa del ambiente donde se encuentra el alimento ganará agua (rehidratación) o perderá agua (deshidratación) según la siguiente relación: Aw= Hrequilibrio / 100 Finalmente la aw y no el contenido en agua es el parámetro que determina las migraciones de agua entre distintos componentes de un alimento. Cuando formulamos un alimento y se mezclan los ingredientes la migración del agua de unos componentes a otros dependerá no del contenido en agua de cada uno de los componentes si no de su aw. Por ello el agua de un componente con alta aw migrará hacia otro componente con 15 4. MATERIAL Y MÉTODOS 4.1. Materia prima Para este estudio se utilizaron cubitos de piel de naranja y albaricoque confitados, suministrados por la empresa Taisi-José María Lázaro (Calatayud, España). La piel de naranja compuesta por el albedo y flavedo (Figura 5) estaba cortada en dados de una superficie de 16 mm2 y procedía de tres variedades de naranja: Salustiana, Navelina y Navelate. Al final del confitado y antes del proceso de secado la piel de naranja confitada tenía una aw de 0,74, un contenido en agua del 25%, 62,4 ºBrix y 1500 gramos de dureza. Figura 5. Partes de la piel de la naranja. Los cubitos de albaricoque sin piel confitados de la variedad Real Fino, tenían 4 mm de lado, una aw inicial de 0,72, una humedad del 71,6 %, 70 ºBrix y 650 gramos de dureza. 4.2. Deshidratación La deshidratación de las muestras se llevó a cabo en un armario de deshidratación Verinox Junio 1100 (Vigoro Vattaro, Italia), ubicado en la Planta Piloto de la Facultad de Veterinaria (Zaragoza). En ambos casos, para llevar a cabo la deshidratación se pesaron 16 lotes de aproximadamente 15 gramos de muestra y se colocaron sobre una bandeja perforada (Figura 6). 16 Figura 6. Distribución de los lotes de 15 g de cubito de naranja confitado en la bandeja para deshidratación. La deshidratación de ambas muestras se realizó a cuatro temperaturas: 20, 30, 40 y 50 °C durante 10 horas. La velocidad del aire de secado se midió con un anemómetro Almemo (Babaria, Alemania) y se mantuvo a lo largo de todos los experimentos entre 0,6-0,9 m/s. La humedad relativa del ambiente se determinó mediante una sonda de humedad FH-A696-MF (Babaria, Alemania). La Tabla 1 muestra las humedades relativas del ambiente de secado en función de la temperatura del aire, la cual varió dependiendo de la temperatura a la que se realizaba el secado. En la Tabla 1 se muestra la relación de humedades relativas y temperaturas. Tabla 1. Relación de temperaturas y humedades relativas del armario de deshidratación. Temperatura (°C) Humedad relativa (%) 20 28 30 22,8 40 13 50 8,8 A lo largo de las 10 horas de deshidratación se iban tomando muestras de 15 gramos para determinar el contenido en agua, la aw y la dureza de las mismas a lo largo del proceso de secado. 4.3. Determinación de la pérdida de agua a lo largo del proceso de deshidratación. La determinación de la pérdida de agua a lo largo del proceso de deshidratación se realizó midiendo la diferencia entre el peso de la muestra antes de iniciar el proceso de secado y tras un determinado tiempo de secado en una balanza analítica Sartorius TE1302S (Madrid, España). 17 A partir de la pérdida de peso y el extracto seco de la muestra determinado en una termobalanza Kern DBS 1.1 (Balingen, Alemania) se calculó la humedad del producto, expresada como g agua/ 100 g muestra. 4.4. Actividad de agua (aw) La medida de la aw de las muestras se realizó mediante el equipo Aqua Lab 4TEV (Pullman, USA). La determinación de la aw de la muestra se basa en la determinación de la temperatura del punto de rocío del ambiente en equilibrio con la muestra del alimento. 4.5. Dureza La medida de la dureza se llevó a cabo en el texturómetro TX-XT2I Stable Micro System (Surrey, UK). Se realizó un análisis de fuerza-compresión, en este tipo de análisis se aplica una fuerza que produce una deformación en el producto. El grado de deformación se considera el índice de textura, el cual te indica los gramos de fuerza necesarios para comprimir el producto. Para tomar el valor, el equipo da un pico máximo que es el que indica la dureza. Para este test se utilizó una sonda SMS P/KOBE, que consiste en un cilindro de 1 cm de diámetro, que cubriría toda la superficie de la muestra. La velocidad del preensayo eran 2mm/s, el ensayo 0,5 mm/s y postensayo 10 mm/s. Como distancia de compresión se eligió la mitad de la altura de la muestra (2 mm), y la célula de carga fueron 30 Kg. De cada uno de los lotes se analizaron 10 cubitos de naranja. 4.6. Curva de deshidratación Las curvas de deshidratación se obtuvieron representando la pérdida de peso de 100 gramos de muestra a lo largo del tiempo de deshidratación. 4.7. Curva de velocidad de deshidratación. La curva de velocidad de deshidratación se obtuvo representando en el eje abscisas la humedad de la muestra expresada en gramos de agua por gramos de extracto seco frente a la pérdida de agua a lo largo del tiempo expresada en kg de agua perdidos por hora de deshidratación. 18 4.8. Isoterma de desorpción La isoterma de desorpción se elaboró representado la relación entre la aw de la muestra a lo largo del proceso de deshidratación y su humedad expresada en gramos de agua por 100 gramos de extracto seco. 4.9. Modelización Las curvas de deshidratación se modelizaron utilizando la ecuación 1 que está basada en el modelo de Fick. Y= Xe + (Xi-Xe) *exp (-k*t) Ec (1) Donde Y es la pérdida de peso a lo largo del tiempo (g); Xi es el peso inicial (g); t es el tiempo de secado (h); y Xe y k son las constantes de la ecuación que se calculan mediante la herramienta Solver del Excel XP (Microsoft Corporation, Washington DF, USA).. Xe representa la cantidad máxima de agua perdida y k representa la velocidad de secado. La bondad del ajuste se estimó a partir del coeficiente de determinación (R2) y el error cuadrático de la media (ECM). La influencia de la temperatura y tiempo de secado sobre la aw de la muestra y su textura se describió mediante un modelo de regresión múltiple con la herramienta “Essential Regression 2.22” del programa Excel XP (Microsoft Corporation, Washington DF, USA). En ambos casos se partió de una ecuación de segundo grado y se fueron eliminando las variables de la ecuación no significativas (p>0,05) mediante el procedimiento paso a paso hacia atrás. La bondad de los ajustes se estimó a partir del coeficiente de determinación (R2) y el error cuadrático de la media (ECM). La influencia de las distintas variables del modelo se evaluó a partir del Valor F. 4.10. Análisis de datos El análisis estadístico se realizó con el programa Prism 5.0 (GraphPad Prism 5, San Diego, CA). Las curvas de deshidratación y la aw en el cubito de naranja representan la media de los valores de dos experimentos independientes. Las barras de error se corresponden con el error estándar de la media. Los valores de textura se corresponden con el valor medio obtenido a partir de 10 medidas independientes de cada una de las dos muestras obtenidas en el proceso de deshidratación. En el caso del cubito de albaricoque la curva de deshidratación y aw solo se corresponde con los 19 resultados obtenidos en una única replica. Los valores de textura se corresponden con los valores medios obtenidos a partir de 10 medidas independientes. 20 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el presente trabajo, se han establecido las condiciones de secado más adecuadas para conseguir frutas confitadas (cubitos de piel de naranja y cubitos de albaricoque) con distintas aw y determinadas propiedades sensoriales (concretamente la textura) para ser utilizada como ingrediente en distintos productos y así evitar posibles fenómenos de migración de agua entre diferentes puntos del producto. Ello ha requerido, en primer lugar, obtener a distintas temperaturas de secado las curvas de deshidratación de cada producto y sus isotermas de desorpción. En base a estos resultados, se han establecido las condiciones de deshidratación (tiempo y temperatura) que permitan conseguir una determinada aw del producto. Debido a que también se ha investigado la modificación de la textura de los productos durante su deshidratación, se han podido definir las condiciones de deshidratación que permitan conseguir una determinada textura. A continuación, se presentan los resultados obtenidos para los dos productos investigados: cubito de piel de naranja confitada 4x4mm y cubitos de albaricoque 4x4 mm. 5.1. Cubitos de naranja confitada 4x4 mm. 5.1.1. Curva de deshidratación obtenida a distintas temperaturas. La Figura 7 muestra la curva de deshidratación obtenida tras deshidratar durante 10 horas cubitos de piel de naranja confitada de 4x4 mm a las temperaturas de estudio de 20, 30, 40 y 50 ºC (puntos). En esta gráfica, también se muestra con líneas continuas el ajuste de los valores obtenidos experimentalmente a la ecuación de Fick (Ec. 1) para cada una de las temperaturas de deshidratación como se describe más adelante. En esta figura se observa que se produce un descenso continuo de la cantidad de agua del alimento a lo largo del tiempo de deshidratación y esta pérdida de peso está influenciada por la temperatura. Sin embargo, y a diferencia de la curva teórica de deshidratación descrita en la “Introducción”, en este caso no se observa la fase de precalentamiento, sino que desde el primer punto se produce pérdida de agua. Este hecho puede ser debido a que la cantidad de producto a secar respecto al volumen de aire utilizado en el armario de deshidratación es muy pequeña, así como que las dimensiones del producto (4x4 mm) son reducidas, por lo que toda la masa del producto se acondicionaría 21 inmediatamente a las condiciones de secado comenzando a perder agua rápidamente una vez se introduce en el equipo. En cualquier caso, para confirmar esta circunstancia sería interesante registrar la temperatura del producto con el fin de determinar la existencia o no de esta fase de precalentamiento y observar si la temperatura en algún momento se estabiliza y que coincida con la temperatura de bulbo húmedo del aire de deshidratación (Casp y Abril, 1998). Como se ha indicado, en la Figura 7, se puede observar como con el paso del tiempo se produce un descenso continuo de la cantidad de agua del producto, siendo este descenso mayor cuanto más elevada era la temperatura del aire de deshidratación. Curvas similares han sido descritas por Singh et al. (2008) así como por Demarchi et al. (2013) deshidratando castañas y manzanas respectivamente, a diferentes temperaturas. Como se observa en la Figura 7, cuanto mayor es la temperatura menor es la cantidad de agua que tiene la muestra para un mismo tiempo de deshidratación, es decir que para un mismo tiempo las muestras pierden mayor cantidad de agua cuanto mayor es la temperatura de procesado. En esta investigación, tras 10 horas de deshidratación, es cuando se consigue una mayor pérdida de peso, o lo que es lo mismo un menor contenido en agua, siendo esta mayor cuanto más elevada es la temperatura de procesado. Es a estas temperaturas más elevadas con las que se consiguen los menores contenidos de agua. Esto es de destacar ya que, según las características finales del producto que se pretendan conseguir (aw o contenido en humedad), será necesario trabajar a esas temperaturas ya que hay valores que no se alcanzan a todas las temperaturas dentro del tiempo de deshidratación investigados. Por ejemplo, si se quiere un contenido en agua de 85 g agua/100g muestra únicamente se consigue a 40 y 50ºC tras 6 y 3 horas respectivamente. 22 Con el fin de describir con mayor precisión las curvas de deshidratación obtenidas y cuantificar el efecto de la temperatura en la velocidad de deshidratación, las curvas obtenidas en la Figura 7 fueron descritas mediante la ecuación de Fick (Ec. 1) descrita en “Material y métodos”. Las líneas continúas representan los valores de humedad obtenidos con el modelo, mientras que los puntos son los valores reales obtenidos experimentalmente. El ajuste de esta ecuación a las curvas ha permitido obtener los parámetros del modelo para cada una de las temperaturas investigadas (Tabla 2). Como puede observarse, el parámetro Xe disminuye ligeramente con el aumento de temperatura, y el parámetro k aumenta al aumentar la temperatura, sobre todo entre 20 y 30ºC y entre 40 y 50ºC. A partir de estos parámetros, se ha obtenido la gráfica de velocidad de deshidratación de la piel de naranja para las cuatro temperaturas de este estudio (Figura 8) a partir de los g agua/100 g ES (ES: extracto seco) y los kg agua perdidos/h. Como se ha descrito en la “Introducción”, en una gráfica típica de velocidad de secado, se pueden diferenciar las distintas fases (precalentamiento, velocidad constante y velocidad decreciente de deshidratación) que se describen en un proceso de deshidratación. Sin embargo y como se observa en la Figura 8, la relación entre la velocidad de deshidratación y la humedad del producto es lineal a todas las temperaturas investigadas. Ya se ha comentado que en este trabajo no se ha observado fase de precalentamiento, hecho que en estas gráficas se vuelve a corroborar. En este 0 2 4 6 8 10 80 85 90 95 100 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC Tiempo (horas) pérdida peso/ 100g muestra Figura 7. Curva de deshidratación de los cubitos de piel de naranja confitada, las líneas continuas representan los valores estimados con la ecuación de Fick (Ec. 1) y los puntos son los valores reales. 23 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC g agua/100g ES velocidad (kg agua/h) caso, además tampoco se describe la etapa de velocidad constante. Esto podría ser debido a que no se parte de un producto fresco sino de un producto que ha sufrido previamente una deshidratación osmótica, es decir que ha perdido parte de su agua durante dicho proceso y otra parte del agua se encuentra retenida en su interior por los azúcares, encontrándonos en este caso con un producto con un agua más ligada desde el principio de la deshidratación por aire y, por tanto, comenzando en la etapa que correspondería a la velocidad decreciente de deshidratación. Tabla 2. Parámetros del modelo para cada una de las temperaturas Temperatura (ºC) Xe K R2 ECM 20 0,878 0,302 0,962 0,008 30 0,871 0,545 0,935 0,012 40 0,841 0,580 0,973 0,009 50 0,824 0,844 0,963 0,011 Como se observa en la Figura 8, la velocidad de deshidratación es mayor cuanto más elevada es la temperatura para alcanzar un mismo nivel de humedad del producto. Con objeto de poder cuantificar el efecto de la temperatura en la velocidad de deshidratación de la piel de naranja confitada así como estimar su valor a temperaturas y tiempos diferentes a los del estudio, se realizó una regresión lineal de las gráficas de la Figura 8. Las pendientes y ordenadas en el origen obtenidas de cada una de las velocidades tras la regresión lineal se representaron frente a la temperatura (Figura 9). Figura 8. Curvas de velocidad de secado a las diferentes temperaturas de deshidratación investigadas 24 Para ambos parámetros, se observó una relación lineal con la temperatura de deshidratación. En el caso de la pendiente, se puede determinar que la velocidad de deshidratación incrementa 1,7, 2,3 y 2,7 veces cuando ésta se realizó 10, 20 y 30 ºC por encima de la temperatura ambiente (20ºC). Por otro lado, a partir de las dos relaciones lineales mostradas en la Figura 9, se puede estimar la velocidad de deshidratación (expresado en kg agua/h) para los trozos de piel de naranja dentro del rango investigado de temperaturas de (T) de 20 a 50 ºC y hasta un máximo de 10 horas de deshidratación para un contenido en humedad (H) que se pretende alcanzar en base a la siguiente ecuación: Velocidad deshidratación = (0,00002*T-0,00002)*H+0,00003*T+0,0001 5.1.2. Variación de la aw de la piel de naranja confitada durante su deshidratación a distintas temperaturas. La Figura 10 muestra la variación de la aw de los trozos de piel de naranja confitada con el tiempo a distintas temperaturas de deshidratación. Como se observa, y de forma similar a lo descrito para el contenido en humedad (Figura 7), la aw del producto disminuye con el tiempo de deshidratación siendo esta disminución mayor cuanto más elevada fue la temperatura de deshidratación. Así para un tiempo de deshidratación de 10 horas, la aw de la piel de naranja confitada varió desde 0,45 hasta 0,21 al realizar la deshidratación a 20 y 50ºC respectivamente. Figura 9. Relación entre la pendiente y ordenada en el origen obtenida a partir de la regresión lineal de las gráficas de velocidad de secado mostradas en la Figura 8. 020 40 60 0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 Temperatura (ºC) pendiente y=2E-05x-2E-05 R2=0,98 ECM=0,026 020 40 60 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 Temperatura (ºC) ordenada y=3E-05x+0,0001 R2=0,99 ECM=0,034 31 Algunos autores han relacionado la textura de un producto con su aw (Bourne, 1987; Rockland, 1969). En esta investigación, y con el fin de comparar estos parámetros, se ha representado la Figura 15 donde se muestra la evolución de la textura (eje OY izquierdo) y la aw del producto (eje OY derecho) a lo largo del tiempo de deshidratación para cada una de las temperaturas investigadas. Como se observa a todas las temperaturas, con el tiempo de deshidratación disminuye la aw y aumenta la dureza del producto. Pero lo más importante de esta gráfica es que para un mismo valor de aw, la dureza del producto es la misma independientemente de la temperatura a la que se ha deshidratado. Así par aun valor de aw=0,45, la textura de la piel de naranja confitada era de 3800, 3750, 4000 y 3160 g al deshidratar a 20, 30, 40 y 50ºC, respectivamente. Con el objetivo de mostrar más claramente estos resultados, se ha construido la Figura 16 donde se representa la dureza frente a la aw para cada uno de los puntos investigados. En esta figura, se observa como la textura es la misma independientemente de la temperatura de deshidratación para una misma aw. Por lo tanto, las diferencias en textura que se muestran al representarlo frente al tiempo es debido a que para un mismo tiempo de secado la aw no es la misma según la temperatura. Se podría concluir que lo que determina la textura de los cubitos de naranja confitados es la aw, la cual viene determinada por el tiempo y la temperatura de deshidratación. Figura 15. Evolución de la textura y aw durante el secado de piel de naranja confitada 0 2 4 6 8 10 0 10000 20000 30000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 textura 20ºC Textura 30ºC Textura 40ºC Textura 50ºC aw 20ºC aw 30ºC aw 40ºC aw 50ºC Tiempo (horas) Dureza (gramos) aw 32 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 10000 20000 30000 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC aw Dureza (gramos) Una gráfica similar a la mostrada en la Figura 16 se puede obtener a partir de las ecuaciones 2 y 3 desarrolladas anteriormente para la aw y la textura (Figura 17). En base a estos resultados, se podría llegar a alcanzar texturas similares a las observadas a 50ºC a menores temperaturas, lo cual implicaría mayores tiempos de deshidratación. En base a los resultados obtenidos y las ecuaciones desarrolladas, se pueden establecer las condiciones de deshidratación para obtener un producto de una 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 10000 20000 30000 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC aw Dureza (gramos) Figura 16. Evolución de la dureza de la piel de naranja confitada según la aw. Figura 17. Evolución de la textura dependiendo de la aw, valores obtenidos por la regresión múltiple de la textura 33 determinada aw y textura. Estos parámetros no van a estar condicionados por la temperatura sino que para alcanzarlos se podrá hacer a mayor o menor temperatura requiriendo menores o mayores tiempos de deshidratación que se elegirán según las necesidades de la empresa. 5.2. Dados de albaricoque confitados 4x4 mm 5.2.1. Curva de deshidratación obtenida a distintas temperaturas. En la Figura 18, se muestra la evolución de la humedad de los dados de albaricoque durante las 10 horas de deshidratación realiza a diferentes temperaturas. Con puntos, se representan los valores experimentales y con líneas continuas lo valores teóricos obtenidos a partir del ajuste de los datos con el modelo de Fick (Ec. 1). En la Tabla 7, se muestran los valores de los parámetros del modelo de Fick tras su ajuste a las curvas de deshidratación así como la bondad de estos ajustes. Al igual que se ha descrito para la piel de naranja confitada (Figura 7 y Tabla 2), la pérdida de agua del producto aumenta con el tiempo de procesado, siendo ésta mayor cuanto más elevada es la temperatura a la cual se realiza el secado. Además, la forma de la curva es similar no detectándose fase de precalentamiento o estabilización produciéndose la pérdida de agua inmediatamente cuando se introduce el producto en el equipo de deshidratación. Si se comparan los cubitos de naranja con los del albaricoque, a pesar de que el comportamiento de la curva y la influencia de los factores es la misma, la reducción de g agua por cada 100 g de muestra no es la misma. En el caso de los cubitos de naranja se eliminan 20 g de agua, sin embargo en el albaricoque es menor esta reducción. Pero lo más destacado es observar la diferencia entre las temperaturas, en el caso de la naranja se observan más diferencias entre temperaturas pero en el albaricoque las diferencias son menores. Por lo tanto, el cambio de temperatura afecta a ambos productos pero en menor medida al albaricoque. Esto puede ser debido a que en la naranja les cuesta a las temperaturas más bajas más penetrar al interior y por eso reducen menos la cantidad de agua, sin embargo en el albaricoque consiguen reducirla más con las temperaturas más bajas del estudio. Por otro lado el descenso mayor de la naranja que del albaricoque podría ser causado por que en la naranja se puede eliminar mayor cantidad de agua que en el albaricoque debido a que esta esté más ligada y a pesar de las altas temperaturas no es capaz de romper las fuerzas que retienen a este tipo de agua. Otra explicación de esta diferencia podría ser que la piel de la naranja tiene una 34 0 2 4 6 8 10 80 85 90 95 100 30ºC 20ºC 40ºC 50ºC Tiempo (horas) pérdida peso/100g muestra estructura más porosa que la del albaricoque, lo que permite que entre el calor y salga el agua de una forma más fácil. Por otro lado, se vuelve a observar que en este producto no hay fase de precalentamiento. De este modo, se podría deducir que en curvas de deshidratación las cuales se hayan llevado a cabo con poca cantidad de muestra respecto al volumen del armario de deshidratación, la fase de precalentamiento no se producirá. De forma similar a como se ha descrito en la naranja, a partir de estos parámetros de la ecuación de Fick se ha obtenido la curva de velocidad de deshidratación a cada una de las temperaturas investigadas (Figura 19). En esta gráfica, se observa que cuanto mayor es la temperatura de deshidratación mayor es la velocidad de pérdida de agua por encima de los 30ºC. Entre 20 y 30ºC, en este producto, no se observó una mayor velocidad de deshidratación. Por otro lado, y según estos resultados, tampoco en el albaricoque confitado se observó fase de velocidad constante. Es decir, en estos Tabla 7. Parámetros de la pérdida de peso de los cubitos de albaricoque 4x4. Temperatura (ºC) Xe k R2 ECM 20 0,889 0,323 0,855 0,015 30 0,880 0,602 0,894 0,012 40 0,870 0,640 0,938 0,011 50 0,850 0,505 0,890 0,018 Figura 18. Evolución de la humedad durante el secado del albaricoque. 35 productos confitados que han sido sometidos a un proceso de deshidratación osmótica en los que se ha eliminado parte del agua y han incorporado azúcar no se obtendrían curvas de deshidratación por aire típicas como las que se observarían en un producto fresco que se deshidratase. A partir de las gráficas de la velocidad de deshidratación realizando una regresión lineal de dichos datos, se ha obtenido la pendiente y la ordenada en el origen para cada una de las temperaturas investigadas, permitiendo obtener la relación entre esta temperatura y dichos parámetros (Figura 20). Gracias a estas relaciones, se puede obtener la siguiente ecuación que permite estimar la velocidad de deshidratación (expresada en kg agua/h) para los trozos de albaricoque confitados dentro del rango investigado de temperaturas (T) de 20 a 50ºC y hasta un máximo de 10 horas de deshidratación para un contenido en humedad (H) que se pretende alcanzar: Velocidad deshidratación= (0,000007*T+0,0003)*H+0,00001*T+0,0007) Figura 19. Relación entre la velocidad de deshidratación para cada una de las temperaturas y el contenido en humedad del producto. 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC g agua/100g ES velocidad (kg agua/h) 36 Si se comparan las curvas de deshidratación de los cubitos de naranja con los del albaricoque, a pesar de que el comportamiento de la curva y la influencia de los factores es similar, la reducción de g agua por cada 100 g de muestra no es la misma. En el caso de los cubitos de naranja, se elimina un 20% de agua en las condiciones más extremas investigadas (10 horas a 50ºC); sin embargo en el albaricoque esta reducción fue del 15%. Esta mayor deshidratación en la naranja al aplicar las mismas condiciones de procesado podría ser debido a que la piel de la naranja tendría una estructura más porosa que la del albaricoque, lo que permitiría una más fácil migración del agua por interior del producto y posterior evaporación del agua. Por otro lado, el efecto de la temperatura en las curvas de deshidratación fue más marcado en el caso de la naranja que en el del albaricoque. Esto queda reflejado en el que la pendiente de la velocidad de deshidratación de la naranja varía en mayor medida que en el caso del albaricoque con la temperatura. Por lo tanto, el cambio de temperatura afecta a ambos productos pero en mayor medida a la naranja. Sin embargo, esto no quiere decir que la velocidad de deshidratación sea mayor en la naranja. Para un mismo contenido en humedad, la velocidad de deshidratación fue de forma general mayor para el albaricoque; si bien esta diferencia fue reduciéndose al aumentar la temperatura siendo incluso superior dicha velocidad a elevadas temperaturas como se observa en la Figura 21 y 22. En estas figuras, se muestra la relación de la velocidad de deshidratación y la humedad de la naranja (Figura 8) y albaricoque (Figura 19), Figura 20. Pendiente y ordenada de las curvas de velocidad de deshidratación del albaricoque y=1E-05x - 0,0007 R2=0,96 ECM= 0,034 020 40 60 -0.0014 -0.0012 -0.0010 -0.0008 Temperatura (ºC) ordenada y=7E-06x + 0,0003 R2=0,89 ECM=0,026 020 40 60 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 Temperatura (ºC) pendiente 37 Figura 22. Comparación de la velocidad de deshidratación de la naranja y el albaricoque a 50°C. respectivamente, cuando se deshidrataron a 30 y 50ºC. Esta mayor velocidad de deshidratación del albaricoque, aunque la cantidad de agua eliminada sea menor, es consecuencia del modelo matemático utilizado para describir los datos (ecuación de Fick) ya que en esta ecuación, el parámetro que define dicha velocidad está condicionado por el contenido de humedad final alcanzando en el producto. 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 naranja albaricoque g agua/100g ES velocidad (kg agua/h) Figura 21. Comparación de la velocidad de deshidratación de la naranja y el albaricoque a 30°C. 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 naranja albaricoque g agua/100g ES velocidad (kg agua/h) 38 5.2.2. Variación de la aw del albaricoque confitado durante su deshidratación a distintas temperaturas. La evolución de la aw durante el secado de los cubitos de albaricoque confitado a las diferentes temperaturas de estudio se muestra en la Figura 23. Al igual que ocurría con los cubitos de naranja, se puede observar como al aumentar el tiempo y la temperatura de secado la aw desciende. Cuanto mayor es la temperatura a la que se seca el producto menor es la aw para un mismo tiempo de deshidratación. Si se comparan estas gráficas con las de la naranja, el comportamiento es similar a lo largo de la curva de deshidratación. La única diferencia es que el efecto de la temperatura es más marcado en la naranja que en el albaricoque de forma similar a lo que sucedería con el contenido en humedad de dichos productos. Así, por ejemplo, a las 10 horas de deshidratación, el cubito de naranja tiene una aw de 0,24 unidades inferior cuando se deshidrató a 20ºC o a 50ºC, mientras que en el cubito de albaricoque esta diferencia era de 0,13. De forma similar al caso de la piel de naranja, también se realizó una regresión lineal a los datos de aw obtenidos a lo largo de la deshidratación del albaricoque a distintas temperaturas obteniéndose la siguiente ecuación así como el intervalo de confianza y los valores F para cada uno de sus parámetros (Tabla 8): . 0 2 4 6 8 10 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC Tiempo (horas) aw Figura 23. Evolución de la aw durante el secado del albaricoque 39 Ec (4) donde T (ºC) es la temperatura de deshidratación y t (horas) el tiempo de deshidratación. Tabla 8. Valores F de las variables significativas y sus interacciones de la ecuación polinomial que describe la aw a distintas temperaturas y tiempo de deshidratación. aw = b0 + b1*T + b2*t + b3*t*t Coeficientes IC 95% Valor F b b0 0,777 0,811 b b1 -0,00418 -0,00335 1,000 b b2 -0,05416 -0,04372 14,12 b b3 0,00319 0,00427 14,12 Tabla 9. Parámetros de la bondad del ajuste del modelo. |R| 0,947 R2 0,896 R2 ajustado 0,89 Error estándar 0,03479 La ecuación 4 permite determinar en el rango investigado la aw de los trozos de albaricoque confitado para unos determinados parámetros de deshidratación, es decir tiempo (0 a 10 horas) y temperatura (20-50ºC). Esta ecuación es muy similar a la obtenida para la piel de naranja salvo que en este caso no hay parámetro de interacción entre el tiempo y la temperatura de deshidratación; es decir, el efecto de la temperatura es independiente del tiempo de deshidratación y viceversa. Al igual que en la naranja, el tiempo fue el factor que más influyó en la variación de la aw, siendo esta influencia no lineal sino que varió con el cuadrado del tiempo. Así mismo, la temperatura influyó linealmente en la modificación de la aw, siendo este factor menos importante que el tiempo. Estos comportamientos se observan más claramente en la Figura 24 obtenida a partir de la ecuación 4 y que muestra la influencia de los parámetros de deshidratación (tiempo y temperatura) en la aw del albaricoque confitado. 40 Finalmente, la ecuación 4 para el albaricoque y la 2 para la naranja permiten definir las ecuaciones de deshidratación para conseguir un producto de una determinada aw. Por ejemplo, la Figura 25 muestra las condiciones de tiempo y temperatura de deshidratación para obtener productos de por ejemplo 0,4 de aw. Como se observa, el tiempo de deshidratación a todas las temperaturas para alcanzar trozos de albaricoque confitado con una aw de 0,4 fue superior que para el caso de la naranja. Estos tiempos variaron desde las casi 8 horas a 35ºC hasta las 4 a 50ºC para el albaricoque, mientras que para los trozos de naranja confitada fueron desde las 7 hasta las 3 horas cuando la deshidratación se realizó a 30 y 50ºC, respectivamente. Figura 24. Gráfica de superficie respuesta en la que se muestra la evolución de la aw del albaricoque confitado a distintas temperaturas y tiempo de deshidratación. 20,0 30,0 40,0 50,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,0 1,1 2,2 3,3 4,4 5,6 6,7 7,8 8,9 10,0 aw 47 7. BIBLIOGRAFÍA Akbarian, M., Ghasemkhani, N., Moayedi, F., 2014. Osmotic dehydration of fruits in food industrial: A review. International Journal of Biosciences 4, 42-57. Bourne, M.C., 1987. Effects of wáter activity on textural propierties of food. Water Activity: Theory and Applications to Foods, 369. 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