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D. Torres et al. / Agroind Sci 3 (2013)

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Mediante la deshidratacin se reducen contenidode agua, aumentando la eficacia de los procesosde transporte y almacenaje. Adems ladeshidratacin de un alimento produce a menudootro ms apto para el consumo (Singh y Panesar,2010).

La deshidratacin osmtica consiste en laextraccin de agua de un producto que sesumerge en una disolucin hipertnica a untiempo y temperatura especficos. Esto debe a lafuerza impulsora que se crea por la alta presinosmtica de la disolucin o por el gradiente deconcentracin entre la disolucin y el slido (+).Durante la DO, la fase lquida del alimento estseparada de la disolucin osmtica por lasmembranas celulares, donde, el equilibrio entrefases se logra cuando se igualan los potencialesqumicos a ambos lados de la membrana lo quedepende principalmente de la reduccin de la

actividad del agua dentro de las membranascelulares del alimento (Waliszewski et al., 2002)la cual ocurre por el intercambio de agua y deslidos a travs de la membrana (Sablani yRahman, 2003).El proceso de DO se caracteriza por perodosdinmicos y perodos de equilibrio. La cinticadel proceso de DO est determinada por laaproximacin al equilibrio, por la presinosmtica diferencial inicial entre el alimento y elagente osmtico y por las velocidades dedifusin del agua y del soluto (Azuara et al. ,1998).y stas velocidades de difusin estn

controladas por el transporte de humedad en el producto y por la estructura de la fruta(porosidad). El agua puede difundirse de 10 a100 veces ms rapidez que los solutos (glucosa,sacarosa, fructosa, etc.) en un rango detemperaturas entre 45 y 70 C. a travs de lamembrana celular (Sablani y Rahman, 2003).Mejora la cintica de DO, haciendo vacodurante todo el proceso de DO (VOD), o pulsosde vaco (PVOD) ocurre, un mecanismohidrodinmico (HDM), que consiste en que elgas presente en los poros se expande y salegradualmente. Una vez restaurada la presin delsistema, el gradiente de presin acta comofuerza impulsora provocando la compresin delgas remanente y permitiendo que la disolucinexterior ocupe dicho espacio (Salvatori et al. ,1999) y se aumente el rea de contactointerfacial, causando un aumento en la velocidadde transferencia de masa (Rastogi y Raghavarao,2004).En el proceso de DO, ocurren dos principalesflujos difusin en contracorriente a travs de las

paredes celulares. Un importante flujo de aguasale del producto hacia la solucin hipertnica ysimultneamente un flujo en direccin opuesta de

pequeas concentraciones de la solucindeshidratante hacia el producto (Torreggiani,2001). Cuanto mayor sea la remocin de

humedad, menor ser la actividad de agua del producto, llegando a su mayor su estabilidad. Laganancia de slidos es indeseable, pues puede

producir alteraciones en las propiedadessensoriales del producto. Sin embargo hay

procesos en los que se desea la incorporacin

solutos, los llamados procesos de impregnacin,donde la presencia de solutos confiere

propiedades deseables (Barbosa, 2002). SegnRaoult (1992) la transferencia de masa ocurre

principalmente en las dos primeras horas, Estefenmeno de masa es fuertemente afectado por lanaturaleza de la materia prima (variedad, gradode maduracin, tamao, forma, etc.) y por lasvariables del proceso (composicin yconcentracin del medio osmtico, relacinmedio-producto, temperatura, superficie ytiempo de proceso). La eficiencia del proceso deDO puede ser cuantificada usndose los valores

de prdida de peso (que corresponderan bsicamente a prdida de agua) y laincorporacin de slidos (Querido, 2000). Los

principales agentes osmticos utilizados en laDO de frutas son soluciones de sacarosa,fructosa, glucosa y jarabe de miel; en tanto paralegumbres y verduras la sal (NaCl) es la msutilizada (Lerici et al. , 1985; Torreggiani, 2001;Lenart, 1996).Algunas ventajas de la DO son: Un producto demejor color, textura y sabor que en secadotrmico (Azuara et al., 1998). Inhibir latransferencia de oxgeno a la fruta por la

presencia de azcar sobre la superficie,reduciendo el pardeamiento enzimtico (Saptura,2001). Es posible introducir solutos y especiestales como agentes conservantes, nutrientes,saborizantes o mejoradores de textura comocomponentes activos a travs de la disolucinosmtica (Sablani y Rahman, 2003) y Retardar la

prdida de voltiles durante el secado trmico(Azuara et al. , 1998).

Variables del Proceso de DeshidratacinOsmtica. De acuerdo con Torreggiani (2001) el tipo deagente utilizado, afecta la cintica de DO, yaque el aumento del peso molecular del soluto

provoca un decrecimiento en la ganancia deslidos y una mayor remocin de agua del

producto, favoreciendo la prdida de peso. Porotro lado agentes deshidratantes de bajo pesomolecular favorecen la ganancia de slidos,ocasionando una mayor impregnacin de solutosen la muestra.Para Torreggiani (2001) la temperatura ptimadepende del producto estudiado. La tasaosmtica aumenta con la temperatura, pero atemperaturas encima de 45C puede ocasionardaos en las caractersticas del producto (color,sabor, aroma). Panads et al. (2003) constataronque a temperaturas mayores a 50 C en guayabas


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exp,

mod,

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1, 14

w

w

we M

M

t s

l st D

que altas temperaturas favorecieron una mayortasa de prdida de agua y un aumentoconsiderable en la ganancia de slidos debido ala prdida de la selectividad de la membranacelular.Segn Lenart (1996) la tasa de remocin de aguay de penetracin de solutos es mayor en la etapa

inicial de deshidratacin. Betoret et al. (2001)evaluando la cintica de DO de trozos demandioca con cloruro de sodio (NaCl) afirmaronque las tasas de transferencia de masa ocurrieronde manera ms intensa en las dos primeras horasde tratamiento, Comportamiento semejante fueobservado por Azoubel (2008) en la DO detomate con soluciones binarias de cloruro desodio (NaCl) y soluciones ternarias de clorurode sodio y sacarosa, y por Panads et al. (2003)en su trabajo con guayabas.La transferencia de masa es favorecida por elaumento de la concentracin de la solucin

deshidratante. Provoca un efecto mayor en la prdida de agua del producto, reduciendo la prdida de soluto hidrosolubles como vitaminasy sales minerales debido a la formacin de unacapa de soluto alrededor del alimento,impidiendo la salida de esas sustancias (Ferrari,2005). Fue evaluado por Rastogi y Raghavarao(2004) en la DO de pia. La transferencia demasa se acelera con el aumento de laconcentracin de la solucin osmtica,favoreciendo ms la prdida de agua que laganancia de slidos (Lerici et al. , 1985).La DO es ms rpida cuando el proceso es

realizado con agitacin. Asegura la minimizacinde los efectos de resistencia externa a latransferencia de masa. (Ferrari, 2005).La transferencia de masa cambia la composicinde soluciones y mezclas se caracteriza portransferir una sustancia a travs de otra u otras aescala molecular, de una ms concentrada amenos concentrada "Difusividad de masa". Unvalor significa que las molculas se difunden enel medio (Mendoza y Schmalko, 2002).La osmosis es el paso de un lquido a travs deuna membrana semipermeable. La entrada deagua desde la solucin menos concentrada a lasolucin ms concentrada hasta el equilibrio(Herrera et al., 2011).Jost (2001) define la difusin como unfenmeno en el cual se tiende a un equilibrio dela concentracin dentro de una fase nica. Altrabajar con mango y soluciones de sacarosa ados temperaturas, Miguel et al. (2001) sealaronque la difusividad depende de la funcionalidadde la membrana celular que desempea uncarcter selectivo que permite al agua pasar msrpidamente que al soluto. Fernndez (2006)seala que los factores que afectan la difusividadson la concentracin, temperatura y viscosidad.Para desarrollar un modelo fenomenolgico quedescriba la transferencia de masa en la DO sedeben conocer los fundamentos relacionados con

la fisicoqumica y la termodinmica del sistema,as como los mecanismos y las cinticas detransferencia de masa (Barat, 1998). Azuara(1998) model la prdida de agua y la gananciade slidos en la OD a partir de balances de masa,obtenindose ecuaciones que requieren dos

parmetros ajustables, propone calcular el

coeficiente de difusin efectivo relacionando sumodelo con la ecuacin simplificada de Fick,entonces se tiene:

Donde M w,mod corresponde a la prdida deagua en el equilibrio y M w,exp es el valorobtenido experimentalmente, el modelo deAzuara es un modelo emprico que se basa en elajuste de una ecuacin a los datosexperimentales.

Nomenclatura: De difusividad efectival longitud caracterstica

M masa, kg M prdida (o ganancia) de masa, kg K prdida o ganancia de volumen, m 3

La metodologa de Superficie de Respuesta.La metodologa de Superficie de Respuesta es unconjunto de tcnicas matemticas y estadsticasutilizadas para modelar y analizar problemas enlas que una variable de inters es influenciada

por otras y el objetivo es optimizar las variables

de inters (Myers, 1995). La MSR es definidacomo un modelo estadstico que pueden serusadas de tres maneras: a) Describir cmo lasvariables a probar afectan la respuesta. b)Determinar las interrelaciones entre las variablesa probar. c) Describir el efecto combinado detodas las variables a probar en la respuesta ovariable control. La MSR es actualmente latcnica de optimizacin ms empleada en laCiencia de los Alimentos, debido quizs, a que esaltamente eficiente y a que su fundamentoterico es muy simple (Arteaga, 2010). Laoptimizacin mediante superficies de respuestale permite al tecnlogo de alimentos minimizarlos costos, maximizar las ganancias, reducir elempleo de ingredientes o preservantes costosos,incrementar las caractersticas deseables delalimento sin comprometer su inocuidad duranteel desarrollo de un nuevo producto (Floros yChinnan, 1988). Segn Ayala y Pardo (1995).LaSuperficie de Respuesta Estimada es larepresentacin geomtrica del modelomatemtico obtenido debido principalmente a lastres consideraciones siguientes, A) A la omisinde un cierto nmero de las variables. B)Conocimiento inexacto de las variables de

proceso. C) A la necesaria simplificacin delmodelo debido a las complejidades matemticas.Ayala y Pardo (1995) sealan que la superficie


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de respuesta real es la representacin geomtricade un modelo perfecto, una idntica rplica del

proceso bajo estudio. Kuehl (2001) mencionaque en general la funcin real se desconoce y lasfunciones polinomiales con frecuencia

proporciona buenas aproximaciones. Losexperimentos son llevados a cabo mediante un

diseo predeterminado, el cual es un planorganizado de experimentos que permitenevaluar simultneamente todas las variablesconsideradas y adems evaluar la fuerza deinteraccin entre las variables y reducir elnmero de experimentos a llevarse a cabo (Ayalay Pardo, 1995). Para optimizar un proceso serequiere de una metodologa apropiada, y deacuerdo a Ayala y Pardo (1995) existen tresetapas fundamentales: Screening, Escalamiento yOptimizacin Final. El objetivo principal delScreening, esta etapa es identificar aquellasvariables que verdaderamente aumenten la

eficiencia de un proceso. Al inicio de un procesode optimizacin, cuando no se tiene un buenconocimiento del comportamiento del proceso, lalista de variables que pueden influir en el procesoson muchas (Ayala y Pardo, 1995). Elescalamiento se da cuando se tiene evidenciaque la regin ptima se encuentra lejos de losexperimentos iniciales (Screening), Optimizacinfinal En la regin ptima los efectos de segundoorden son mayores en valor absoluto a losefectos de primer orden, lo que indica que estaregin puede describirse apropiadamente pormodelos matemticos de segundo orden. Los

diseos experimentales ms apropiados paraestos casos son los diseos rotables y los diseoscompuestos Ayala y Pardo (1995) . El esprrago ( Asparragus officinalis ) es unahortaliza originaria de las Costas delMediterrneo, que se adapta bien a zonastempladas y tropicales. Es un producto

perecedero cuyo brote tierno llamado turin, losatributos de esta hortaliza se encuentran el ser un

producto bajo en caloras (menos de 4caloras/esprrago), en grasa y colesterol, conalto contenido en vitamina C, A, B, tiamina yriboflavina y rico en potasio y en fosfato decalcio (UNALM, 2013) . se distinguen tres tiposde esprragos: el esprrago verde, que secomercializa en fresco; el esprrago blanco,destinado al procesamiento (enlatado, congelado,deshidratado, encurtido) y el esprrago moradoque se produce y comercializa espacialmente enItalia (MINAG, 2013). En la actualidad el Peres uno de los principales pases productores yexportadores de esprrago-frescos y procesados.El esprrago peruano es de mejor calidad y suvalor mayor.

2. Materiales y mtodos El esprrago ( Asparagus officinalis) que seutiliz fue comprado en el Mercado Central deTrujillo, este provena en su estado fresco desde

los campos de cultivo del distrito de Paijn. Eldiagrama del proceso de deshidratacin osmticadel esprrago se muestra en la figura 1.

Recepcin. Los turiones de esprrago fueroncomprados en el Mercado Central de Trujillo yllevados al Laboratorio Multifuncional de la

Facultad de Ciencias Agropecuarias de laUniversidad Nacional de Trujillo. Seleccin y Clasificacin. Recepcionados losturiones, las muestras procedieron aseleccionarse y clasificarse, eliminando aquellasque no cumplan con las condiciones requeridas. Lavado y Desinfeccin. Los turiones fueronlavados para eliminar impurezas y residuos detierra, utilizando agua muy limpia y usandodesinfectante (cloro al 0.05%) para eliminaralgunos microorganismos que puedan haberseimpregnado durante el transporte. Pesado. En esta operacin las muestras fueron

pesadas de manera homognea, utilizando balanza de precisin.Preparacin de la solucin osmtica. Se

prepararon las concentraciones de la solucin decloruro de sodio (NaCl), las diferentesconcentraciones de la solucin sern de 4%,12% , 20%.Inmersin en Solucin Osmtica. Las muestrascompletamente preparadas de forma cilndricafueron sumergidas en las soluciones osmticas, adiferentes concentraciones, temperatura detrabajo, tiempo de inmersin, velocidad deagitacin y a diferentes relaciones solucin:

producto.

Figura 01. Diagrama del Proceso deDeshidratacin Osmtica


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Enjuague. Finalizado el proceso, las muestrasfueron enjuagadas en agua pura (agua destilada)

por un tiempo muy corto de aproximadamente 3seg.Oreado. Como operacin final se tiene eloreado, esta operacin ser realizada despus delenjuague para luego proceder con la respectiva

toma de datos y mediciones.

Se trabaj con un Diseo Experimental paracinco (5) variables independientes en dos (2)etapas (figura 2).

Figura 2. Diseo experimental.

Primera Etapa (Screening) . Es esta etapa seutiliz un diseo factorial fraccionado 2 5-1 + 4pcen total 20 ensayos (tabla1).

Tabla 1. Valores mximos y mnimos de lasvariables independientes utilizados en el diseofactorial 2 5-1

Nivel -1 0 +1

Concentracin de laSolucin Osmtica (%)

4 12 20

Temperatura ( C) 20 35 50Tiempo de Inmersin (min) 10 155 300Velocidad de Agitacin(rpm)

0 75 150

Relacin Solucin-Producto 10/1 20/1 30/1

Las respuestas obtenidas del diseo factorialfraccionado 2 5-1 , fueron analizadas mediante el

programa STATISTICA 6.0 para ver los efectosde cada variable en las respuestas, se analiz elvalor-p. Resultado de este anlisis se eliminaron

las variables que no tuvieron efecto significativoen los experimentos, quedando 3 variables mssignificativas.

Segunda Etapa (Optimizacin). Las variablesms significativas de la primera etapa fueron 3(temperatura, tiempo, concentracin). Sedeterminaron los valores axiales (-1.68 y +1.68)

para las 3 variables que resultaron significativas(tabla 2).

Tabla 2. Determinacin de valores para elDCCR

VariablesNivel

-1.68 -1 0 +1 +1.68[NaCl](%) 6 10.9 18 25.1 30

Temp.(C) 20 26.1 35 43.9 50Tiempo deInmer.(min) 160 212.6 290 367.4 420

Los valores de los puntos axiales (-1.68 y +1.68)y el punto central fueron determinados por lassuperficies en las que se muestran los valores detrabajo; los valores de -1 y +1 fuerondeterminados por interpolacin. La velocidad deagitacin (150 rpm) y la relacin solucin /

producto (30/1), fueron fijados como valoresconstante para la etapa de optimizacin. Luegose construy el DCCR (Diseo CentralCompuesto Rotacional) 2 3 + 6 axiales + 4 pc =18 ensayos, haciendo un total entre la primera

parte y la segunda parte, 38 ensayos. Serealizaron los clculos de los Coeficientes deRegresin, utilizando el software estadstica 6.0Luego se realiz el Anlisis de Varianza para lasvariables investigadas, Humedad final yGanancia de slidos solubles.Analizados los resultados se procedi a generarlas Superficies de Respuesta con las curvas deContorno para de esta manera visualizar losvalores ptimos, superponiendo las grficas. Delos rangos de datos obtenidos se tom un valor

por cada variable optimizada y se realizaron lascorridas experimentales y validar el (los)modelo(s) obtenido(s).

3. Resultados y discusin a) Primera Parte - Screeening En la tabla 3 se muestran los valores de losveinte (20) ensayos realizados en la primeraetapa, realizado mediante un diseo factorialfraccionado 2 5-1 . El ensayo 16 presenta el menor

porcentaje de Humedad final con 72.18 %, estoindica que a valores de 20% de NaCl, 50C deTemperatura, 300 min. De tiempo de inmersin,150 rpm y relacin solucin/producto de 30/1;ocurre mayor prdida de agua durante el procesode DO del esprrago verde. Esto indica que lahumedad del esprrago verde vari desde 94.34% hasta un valor de 72.18%, habiendo unavariacin de 22.16%. Esto indica que altasconcentraciones de solucin osmtica favorecenla transferencia de masa en la DO y provocan unefecto mayor en la prdida de agua del producto(Ferrari, 2005).

-Concentracin de Sol.deshidratante-Temperatura-Tiempo de Inmersin-Velocidad de Agitacin-RelacinSolucin/Producto

Esparrago

deshidratado

Esparrago

Controles yEvaluaciones-Humedad-Peso-Volumen

- 4%, 12%, 20%

- 20, 35, 50 C- 10, 155, 300 min- 0, 75, 150 rpm- 10/1, 20/1, 30/1

-% Humedad Final- Ganancia de Slidos- Difusividad- Prdida de agua


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Tabla 3. Diseo Factorial Fraccionado2 5-1 para la Humedad final y Ganancia de Slidos.

La ganancia de slidos presenta su mayor valoren el ensayo 08 (cuadro 3), con un valor de0.1368 g. En este ensayo los valores de lasvariables concentracin de la solucin osmtica(20%), temperatura (50 C) y tiempo deinmersin (300 min.) son los mayores valoresutilizados en este trabajo (+1) y la velocidad deagitacin (0 rpm) y relacin solucin/ producto(10/1) son los menores valores utilizados en estetrabajo. El tiempo de inmersin favorece a laganancia de slidos, pero tiempos muy largosvan a ocasionar la impregnacin de los slidos en

el producto, aumento en la concentracin de lasolucin osmtica favorece la ganancia deslidos, la temperatura elevada favorece tambinla ganancia de slidos, el aumento detemperatura aumenta la permeabilidad de la

pared celular del fruto u hortaliza, debido a lamayor movilidad de las molculas y a la perdidade la selectividad de la membrana, lo cual nosolo permite un mayor intercambio de agua quesale de la fruta, sino un mayor ingreso de solutoso componentes del agente. La menor ganancia deslidos se presenta en el ensayo 11(tabla 3),cuando las variables independientes

concentracin (4%) y tiempo de inmersin (10min.) estn en sus valores (-1) y las variablesindependientes temperatura (50 C), velocidad de

agitacin (150 rpm) y relacin solucin/producto(30/1) son los valores (+1).En los ensayos del 17al 20 se muestran los resultados obtenidos tanto

para la Humedad Final (%) y Ganancia deSlidos Solubles (g) al trabajar con los cuatro

puntos centrales (0) del diseo experimentalfraccionado 2 5-1. Los puntos centrales para ambasrespuestas presentan una variacin pequea,indicando una buena repetitividad del proceso.En la tabla 4 se muestra el Anlisis de losEfectos para la Humedad Final y Ganancia deSlidos. Para la respuesta Humedad Final todas

las variables evaluadas (Concentracin de laSolucin Osmtica, Temperatura, Tiempo deinmersin, Velocidad de agitacin) sonestadsticamente significativas (p


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para ambas seran la Concentracin de laSolucin Osmtica y el Tiempo de inmersin.Adicionalmente a estas dos variables se creyconveniente tambin considerar la Temperaturadentro de las variables para la optimizacin, yaque consideramos es una variable Torreggiani(2013) indica que a pesar de que la tasa osmtica

aumenta con la temperatura, temperaturaselevadas pueden ocasionar daos en lascaractersticas del producto como color, sabor,aroma.

Tabla 4. Anlisis de los Efectos para laHumedad Final y Ganancia de Slidos.

Humedad Final: R 2 = 0.9982Ganancia de Slidos: R 2 = 0.999

b) Segunda Parte OptimizacinCon las variables que resultaron significativas, segener el Diseo Central Compuesto Rotacional(DCCR), en la tabla 5 se presenta el DCCR. Elvalor ms bajo de Humedad Final (%) se

present en el ensayo 10, con Concentracin dela Solucin Osmtica en 30%, Temperatura en35C y Tiempo de inmersin en 290 min.; esteresultado tambin est asociado con la mayorGanancia de Slidos (g).

Tabla 5. Diseo y resultados

Anlisis de Regresin y ModelosEn la tabla 6 se presentan los Coeficientes deRegresin para la Humedad Final (%) y laGanancia de Slidos Solubles (g).

Tabla 6. Coeficientes de Regresin para laHumedad Final (%) y Ganancia de slidos.

Humedad final: R 2 = 0.9882,Ganancia de slidos: R 2 = 0.9834

Obtenindose los siguientes modelos:Humedad Final = 117.636 - 0.444C + 0.014C 2 -0.789 T + 0.009T 2 - 0.061ti + 0.00014ti 2+0.0028C*ti Ganancia de Slidos = -0.444 + 0.009C +0.012T - 0.00007T 2 + 0.0015ti - 0.000001ti 2 -0.00012C*T + 0.000006C*ti - 0.00002T * ti Dnde:C = Concentracin de la Solucin OsmticaT = Temperaturati = Tiempo de inmersin

Para la Humedad final la concentracin de lasolucin osmtica (L), la Temperatura (L) y eltiempo de inmersin (L) presentan un valor p< 0.05, las interacciones concentracin xtemperatura y temperatura x tiempo deinmersin; presentaron un valor p>0.05. Severific adems que el modelo para la Humedadfinal es significativo (p


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Tabla 7. Anlisis de Varianza para la HumedadFinal y la Ganancia de Slidos Solubles

Humedad final: R 2 = 98.82 %, F tab = 3.14 < F calc = 9661.8Ganancia de Slidos: R 2 = 98.34%, F tab = 3.14

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