Concentracin de jugo de arndano por proceso de destilacin osmticoC. Zambra a, b, J. Romero c, L. Pino c, A. Saavedra c, J. Sanchez d

a- universidad Arturo Pratb centro de estudios de alimentos procesados (CEAP) Chilec - Laboratorio de Procesos de Separacin De la membrana Departamento de ingeniera qumica Universidad de Santiago de chiled- instituto Europeo de las Membranas universidad de Montpellier

ResumenUna destilacin osmtica (OD) fue un sistema puesto en prctica para concentrar el jugo de arndano a escala de laboratorio. El sistema experimental permite a la circulacin de jugo de arndano (Vaccinium macrocarpon Ait.) y un agente osmtico con caudales que varan de 0.5 a 1.5 L/min a temperaturas entre 30 y 40 C. El agente osmtico seleccionado en este estudio era CaCl2 concentrado (aq) la solucin con concentraciones en rangos de 30 % a la w/w del 50 %.

El flujo transmembrana de vapor de agua tuvo un rango entre 0.25 y 1.21 L/hm2. El bajo contenido comparativo de TSS (Solidos Solubles Totales) en el jugo de arndano permite obtener la eliminacin rpida de agua de 500 ml del jugo, alcanzando concentraciones de 8.6 a 48 Brix en 18 minutos. El contenido total fenlico fue conservado despus de la concentracin.

Un modelo de transferencia de masas fue desarrollado para explicar la cintica de concentracin del jugo. Las simulaciones de solucin permiten obtener una desviacin mxima del 32 % entre los valores experimentales y simulados de flujo de agua de transmembrana.

1. IntroduccinCon el fin de optimizar las condiciones de almacenamiento y gastos de transporte, los zumos de fruta generalmente son concentrados por evaporacin al vaco. Sin embargo debido a efectos trmicos, este proceso implica cambios en las propiedades organolpticas de los productos. El proceso de evaporacin tradicional permite obtener concentraciones de hasta 45- 71 Brix, mientras el aumento de viscosidad est limitado por el aumento de la temperatura mientras el proceso ocurre.

El ensuciamiento reduce la velocidad de transferencia de calor, es por eso que las superficies de evaporacin deben ser limpiadas con regularidad para asegurar el funcionamiento eficiente del evaporador. La seleccin de un sistema adecuado debe ser considerada si estos dispositivos son apropiados para concentrar zumos de fruta en altos niveles de concentracin y bajos costos.

La destilacin osmtica (OD) es un proceso alternativo interesante para la concentracin de soluciones termosensibles. Este proceso ha sido usado para la concentracin de alimentos lquidos, como jugos de leche, fruta y de verduras, el t instantneo y el caf ya que funcionan a presin y temperatura ambiente, conservando las caractersticas nutricionales de los alimentos (Hogan et al., 1998). Adems, usando la salmuera concentrada como la extraccin de fase permite disminuir la prdida de compuestos aromticos del jugo para ser concentrado en la salmuera que guarda un buen nivel de propiedades organolpticas (Vaillant et al., 2001; Ciss et al., 2005). Este mtodo de concentracin isotrmico puede ser aplicado a los zumos de fruta y verduras cuyas propiedades pueden ser alterados por los tratamientos trmicos. As, un producto con propiedades nutracuticas es un candidato ideal para ser concentrado con esta tcnica (Romero et al., 2003b).

La concentracin de jugo de arndano (Vaccinium macrocarpon Ait.) de (OD) es terica y experimentalmente es analizada en este estudio. El alto valor comercial de este producto podra justificar la implementacin de un sistema de re-concentracin de la salmuera utilizada como una solucin de extraccin para recibir el agua evaporada del jugo. El flujo de evaporacin baja y la regeneracin de la salmuera diluida representan las principales barreras tcnicas y econmicas de este proceso para concentrar la mayora de los alimentos lquidos. Estas condiciones particulares han motivado este trabajo con el fin de analizar el rendimiento del proceso de OD para la concentracin de jugo de arndanos, identificando las principales variables de operacin. En nuestro conocimiento esto es el primer trabajo publicado sobre la aplicacin de la destilacin osmtica para la concentracin del jugo de arndano.

NomenclaturaA - Actividad (sin dimensiones)A - superficie de transferencia de masa (m2)DW - aire - coeficiente de difusin de agua en el aire (m2)J - flujo de transferencia de masa (mol m2 /s)Gz - Nmero Graetz (adimensional)K - coeficiente de transferencia de masa (mol m2 /s)P - Presin (Pa)Pw - Presin parcial del agua (Pa)Pw* - Presin parcial del agua pura (Pa)R - constante universal de los gases (8,314 J /mol K)Re - Nmero de Reynolds (adimensional)Sc - nmero de Schmidt (sin dimensiones)Sh - nmero de Sherwood (adimensional)T - temperatura (K)X - fraccin molar (adimensional)Letras Griegas - coeficiente de actividad (sin dimensiones)E - porosidad (adimensional) - espesor de la membrana (m)T - tortuosidad membrana (adimensional)

Los subndices1 - se refiere a la interfaz de membrana en la alimentacin de la solucin.2 - se refiere a la interfaz de salmuera de la membrana Av - se refiere a dimetro promedio de las fibrasB - se refiere a la mayor parte de la fase ID - se refiere a dimetro interno de las fibras (lumen)- espacio interior de la estructuraOD - se refiere a dimetro exterior de las fibras (cascara)W - se refiere al agua

Superndices

(1) - se refiere a la capa lmite de la alimentacin de la solucin (2) - se refiere a los poros de la membrana (3) - se refiere a la recepcin de fase (salmuera) capa lmiteE - se refiere a la fase de extraccin (salmuera)F - se refiere a la alimentacin de la solucin

2. Concentracin de jugo de arndano mediante destilacin osmtica

2.1. Principio del proceso de destilacin osmticoLa destilacin osmtica es un proceso de membrana aplicado para concentrar soluciones en condiciones isotrmicas. En este proceso, una solucin acuosa puede ser concentrada por un gradiente osmtico que usa a un agente acuoso osmtico con baja actividad de agua (p. ej. la salmuera concentrada). La fig 1 muestra un esquema que describe el principio del proceso donde una membrana macroporosa e hidrfoba separa ambas soluciones. En esta figura, tres regiones pueden ser identificadas en la proximidad de la membrana: (I) la capa limitante de alimentacin de la solucin para ser tratada; (II) el poro de la membrana lleno de gas; (III) la capa divisoria del agente osmtico. El OD es un proceso de evaporacin donde se observa masa simultnea y transferencia de calor con sus respectivos perfiles de concentracin y temperatura. El perfil de temperaturas puede ser explicado por un fenmeno de polarizacin de temperaturas, lo que implica una transferencia de calor latente a travs de la membrana.

Esta transferencia de calor latente disminuye la temperatura de la interfaz de evaporacin y aumenta la temperatura de la interfaz de condensacin. Las interfaces formadas por las fases lquidas y el gas retenido en los poros se consideran en equilibrio termodinmico. Por lo tanto, teniendo en cuenta la condicin voltil de los componentes para ser transferidos, la fuerza motriz generada por la transferencia de masa por el medio poroso es la diferencia de presin de vapor entre ambas interfaces. Las soluciones que se concentran en la mayora de los estudios sobre OD (Ali et al., 2003; Alves y Coelhoso, 2006; Courel et al., 2001; Romero et al., 2003a; Petrotos y Lazarides, 2001; Cassano y Drioli, 2007; Cassano et al., 2007; Jiao et al., 2004; Blafi-Bak y Koroknai, 2006; Koroknai et al., 2006) contienen una concentracin baja de solutos no voltiles de moderado al alto peso molecular (hidratos de carbono, polisacridos, sales de cido carblico y protenas), que tienen una estabilidad limitada a altas temperaturas y presiones. En un trabajo anterior, Romero y colegas (Romero et al., 2003a) analizaron el efecto de las capas lmite sobre los fenmenos de concentracin y polarizacin de la temperatura, desarrollando un algoritmo que soluciona las ecuaciones unidas a la transferencia simultnea de masa y calor para membrana de lmina plana para mdulos.Extraccin de salmuera (liquido)Alimentacin de la solucin para ser tratada (liquido).Fig. 1 Esquema de los fenmenos de transporte con los perfiles de concentracin y temperaturas a travs la membrana.

2.2. Propiedades del jugo de arndanoArndano, V. macrocarpon Ait., es una especie que se crece silvestre en Estados Unidos de Amrica. Este pas es el productor principal mundial seguido de Canad y Chile (Buzeta, 1997). El inters de los consumidores est basado en su contenido bajo de caloras, alto contenido de vitaminas, minerales y porcentaje de fibra (Buzeta, 1997). El uso de concentrados de este jugo, en forma lquida y en forma de pldora se ha hecho masivo debido a sus propiedades medicinales, como antimicrobianas, anticancergenas, analgsico y antiinflamatorio (Wu et al., 2008).

Estas propiedades son atribuidas a las principales sustancias nutritivas en el arndano representadas por compuestos fenlicos (Wu et al., 2009). Los arndanos son ricos en antioxidantes fenlicos con las propiedades de redox que les permiten actuar como donantes de hidrgeno y oxgeno (Lin et al., 2005; Kwon et al., 2007). Estudios recientes han mostrado antocianinas, proantocianidinas, y compuestos fenlicos de arndanos que son componentes activos en el mecanismo molecular detrs de varios beneficios para la salud de los arndanos (Lin et al., 2005; Guo et al., 2007; Apostolidis et al., 2008; Wu et al., 2009).Este estudio utilizo muestras diluidas de concentrado de jugo de arndano hecho por Ocean Spray. El concentrado se prepara a partir de despectinizado, jugo filtrado sacado de arndanos correctamente madurados y limpios. Es concentrado a bajas temperaturas y de vaco, y la fraccin de esencia es devuelve (OceanSpray, 2013). Muestran los componentes principales de este producto detalladamente sobre la Tabla 1.Tabla 1Composicin del jugo concentrado de arndano (50Brix) (OceanSpray, 2013).

unidadesPor 100 g

Humedadg 49.24

Caloras kcal 198,00

Protena g 0.27

Gramos de grasa total g 100.En un perodo corto de tiempo, podra ser considerado que la transferencia de agua ocurre en condiciones estables. De este modo, la concentracin del jugo y la salmuera fue considerada constante durante un breve perodo de tiempo y el flujo de transferencia de masa por cada paso debe considerarse idntico. y AID represente el area de la superficie externa e interna disponible para la transferencia de masas en las fibras huecas. El valor medio de la superficie de contacto por la membrana, Aav, fue estimado como el valor medio entre el dimetro interior y exterior de las fibras.El modelo de transferencia de agua definido por las ecuaciones. (1) - (7) muestran los pasos secuenciales por cada capa de transporte local en la proximidad de la membrana. Este enfoque fue aplicado como un modelo pseudo-estacionario. As, despus de un clculo en un tiempo especfico un balance de agua fue hecho sobre la alimentacin y recepcin de la solucin con el fin de calcular de nuevo los volmenes y las concentraciones del agua en el jugo y la salmuera para repetir el clculo en la nueva condicin.4.2. Simulacin de la transferencia de masas en ODEl modelo de transferencia de agua descrito por las ecuaciones fenomenolgicas (1), (4) (y 6), incluye las condiciones de equilibrio en las interfaces de membrana de jugo y de la membrana de salmuera (ecuaciones (3) (y 5)) as como el balance de agua en la alimentacin de solucin (jugo) y en la recepcin de salmuera. Este sistema de ecuaciones fue solucionado en condiciones de estado estacionario para cada paso de tiempo, y luego se evalu el efecto de las variables de funcionamiento.La solucin de este modelo basado en una estructura de resistencias en serie, fue encontrada mediante un clculo iterativo para cada paso de tiempo. El ciclo de iteracin fue acelerado usando el mtodo de Regula Falsi, que se ha informado en estudios anteriores (Valds et al., 2009; Hasanoglu et al., 2012).Ambas ecuaciones de transporte y mtodos termodinmicos se implementaron en Matlab 7.1. El conjunto de ecuaciones fue solucionado mediante el clculo iterativo de flujo de agua transmembrana, J (mol m2/s), como una funcin de concentracin desconocida del agua en los interfaces en el contacto con la membrana, xF1 y xE2 en la Fig1.Despus de un clculo instantneo del flujo de agua, el balance de masa permite volver a calcular las concentraciones de agua, obteniendo la concentracin dinmica.5. Resultados y discusiones

5.1. Influencia de las variables de operacin en la concentracin de jugo de arndanosLas corridas experimentales fueron planificadas segn un diseo experimental 2*3*3 donde el flujo de agua promedio transmembrana fue medido como una funcin de la velocidad de flujo de las soluciones, la concentracin de la salmuera concentrada y la temperatura. estos resultados se muestran en la tabla 4, que muestra las corridas experimentales, el promedio de flujo transmembrana, Brix y el tiempo necesario para alcanzar 50 ml de zumo de arndanos y la ltima columna muestra el tiempo requerido para aumentar el TSS del jugo concentrado de 8.6 a cerca de 40 Brix en cada experimento.Tabla 4Resumen de resultados para cada carreras experimentales.CorridaF alimentacin= F salmueraC salmueraT CPromedio JwBrix InicialesBrix FinalesT ( min)

El valor mximo de flujo transmembrana observado en estos experimentos era igual a 1.21 L/hm2 cuando las soluciones se distribuyeron con un caudal de 1.5 L/min y la concentracin de la salmuera y la temperatura fueron del 50 % p/v y 40C, respectivamente. En estas condiciones el tiempo requerido para reducir el volumen del jugo de 250 ml a 50 ml fue 18 minutos. La proporcin inicial volumtrica jugo/salmuera era 1:4 para todos los experimentos.Esta relacin volumtrica entre soluciones implica una dilucin lenta de la salmuera que mantiene un valor bajo de su actividad de agua y una relativamente alta fuerza motriz del proceso de concentracin. Por lo tanto, la eliminacin de agua durante las corridas de OD se mantuvo casi constante durante el tiempo de corridas.5.2 Modelo de transferencia de masa fenomenolgicaLa figura 3 muestra los valores experimentales de reduccin de volumen de jugo (puntos) en funcin del tiempo. En las grficas, las lneas representan los resultados de simulacin obtenidos con el modelo de transferencia de agua descrito en las Secciones 4.1 y 4.2. Se puede observar una tasa de concentracin constante durante los tiempos de experimentacin. Haba una buena concordancia entre valores experimentales y la prediccin obtenida de simulaciones para la menor concentracin de la salmuera (el 30 % p/v), pero esta prediccin fue menos exacta cuando la concentracin de la salmuera aument.Por otra parte, se observa que la mejor relacin en los resultados presentados en la Figura 3, que se midieron con soluciones que se circulan con un caudal igual a 1.5 L/minuto. La mejor o peor capacidad de prediccin del modelo de transferencia de masa podra depender de la exactitud de los mtodos de prediccin de actividad de agua y la capacidad de prediccin de los coeficientes de transferencia de masa en la proximidad de la membrana. Los experimentos con la concentracin ms alta de salmuera y las tasas de concentracin ms rpidas podran ser ms difciles de describir, sobre todo en este caso donde la estimacin de actividad de agua en el jugo de arndano fue hecha por la asimilacin con una solucin acuosa de sacarosa. Menor precisin en el clculo del gradiente de actividad de agua, que es la fuerza impulsora de este proceso, negativamente puede afectar la capacidad de prediccin del modelo de transferencia.Del otro lado, el aumento de viscosidad durante la concentracin del jugo podra generar una modificacin significativa del coeficiente de transferencia de masa en la capa de lmite de jugo. Por lo tanto, esta modificacin de las propiedades de transporte durante el proceso podra explicar la disminucin de concordancia entre los experimentos y las predicciones tericas, sobre todo para aquellos experimentos con tasas ms altas de transferencia de agua. Este fenmeno ya se inform en estudios anteriores con el jugo de kiwi (Cassano y Drioli, 2007).

Figura 3. Comparacin entre el volumen experimental y simulado de jugo se disminuye en la evaporacin osmtica a 40 C con la velocidad de circulacin diferente y la concentracin de salmuera.

5.2. Concentracin de compuestos totales fenlicos y antocianinasDurante los experimentos de concentracin se recogieron cuatro muestras para experimentos diferentes para determinar el cambio de concentracin de compuestos fenlicos totales. Estos experimentos de concentracin mostraron la misma proporcin de concentracin, disminuyendo el volumen del jugo en 3.7 veces. La Tabla 5 muestra la concentracin inicial y final fenlica total de estas muestras de jugo, que son presentan en mg de cido glico Equivalente por litro (mg GAE/L) obtenido mediante el mtodo Folin-Ciocalteu.Tabla 5Concentracin de compuestos totales fenlicos en muestras de jugo antes y despus de concentracin por proceso de destilacin osmtico.

MuestraConcentracin inicial de compuestos fenlicos Totales mg GAE/LConcentracin final de compuestos fenlicos Totales mg GAE/L

12.3457.703

22.2207.810

32.3049.280

42.4009.524

A partir de los resultados presentados en la Tabla 5, es posible observar que un crecimiento medio en el factor de concentracin de fenoles totales coincide con el factor de concentracin 3.7. Por lo tanto, el proceso de evaporacin osmtico no implica una degradacin significativa del contenido fenlico bajo las condiciones de funcionamiento aplicadas en este estudio.

En estos experimentos, el contenido de TTS del jugo aument en 28 Brix, que son principalmente los azcares que podran interferir en la cuantificacin de compuestos fenlicos totales, ya que los azcares pueden afectar la oxidacin del mtodo Folin-Ciocalteu. Sin embargo, el nivel de concentracin de estos experimentos y la concentracin relativamente baja de TSS del jugo de arndano permite considerar la cuantificacin de compuestos fenlicos como aceptable.El jugo usado en este trabajo muestra una concentracin de compuestos fenlicos significativamente ms bajos que los valores reportados en la literatura para el jugo de arndano fresco (la Cuna et al., 2011). El jugo de arndano usado en experimentos de OD fue reconstituido a partir del concentrado comercial suministrado por el Ocean Spray. De este modo, la preservacin del contenido fenlico despus del tratamiento OD se bas en el valor original de la concentracin de compuestos fenlicos en este jugo comercial.Por otro lado, la concentracin de antocianinas tambin fue evaluada. La concentracin inicial de antocianinas en el jugo diluido era 0.03825 0.0032 mg/L. Esta concentracin es significativamente menor que el contenido de antocianinas reportado para arndanos frescos en un trabajo anterior (Vvedenskaya y Vorsa, 2004). De hecho el contenido del antocianinas ha sido estimado entre el 31.5 % y el 47.4 % de los flavonoides totales, dependiendo de la variedad.El jugo usado en este estudio fue reconstituido a partir de una muestra comercial, que podra estar fuertemente afectada por la concentracin de procesamiento anterior y el tiempo de almacenamiento.Las muestras concentradas mediante OD han mostrado una concentracin media de antocianinas de 0.1587 0.0224 mg/L. Esta concentracin representa 4.2 veces la concentracin del jugo diluido y es ligeramente ms alto que el factor de concentracin media 3.7 de estos experimentos. Por lo tanto el contenido de antocianinas del jugo diluido no parece ser notablemente afectado por el proceso de OD. Estos resultados animan futuras pruebas con la fruta fresca para verificar la preservacin de estos compuestos en el jugo concentrado con una concentracin ms alta de antocianinas donde el mtodo de cuantificacin podra ser ms exacto.6. ConclusionesUn proceso de destilacin osmtico se puesto en prctica usando un mdulo de membrana de fibra hueco para concentrar el jugo de arndano; mientras tanto una solucin concentrada CaCl2 fue usada como fase de extraccin. El flujo de agua transmembrana fue cuantificado en funcin del caudal de las soluciones, la concentracin de la salmuera concentrada y la temperatura. El valor mximo de flujo de agua de transmembrana obtenido de estos experimentos era igual a 1.21 L/hm2 cuando el caudal de las soluciones fue de 1.5 L/minuto y la concentracin de la salmuera y la temperatura era el 50 % p/v y 40 C, respectivamente.Comment by Duvan Ortiz: Velocidad de FlujoEn estas condiciones el tiempo requerido para reducir el volumen del jugo de 250 mL a 50 mL fue de 18 minutos. Esta tasa de concentracin rpida puede ser explicada segn la composicin y la concentracin moderada de TSS en el jugo de arndano, que permite preservar la alta velocidad de transferencia de agua durante el proceso de destilacin osmtico. Han propuesto a un modelo de transferencia de masa para predecir la transferencia de agua a travs de la membrana, obteniendo una valoracin de este valor con una desviacin mxima del 32 %.De esta manera, la fuerza impulsora de este proceso representado por la diferencia de actividad entre el jugo de arndano y la recepcin salmuera muestra un efecto significativo sobre el funcionamiento de concentracin. Por lo tanto, la actividad de agua de soluciones (el jugo y la salmuera) debera ser estimada correctamente para obtener una prediccin exacta de la transferencia de agua y la tasa de concentracin.Finalmente, ha sido demostrado que la concentracin de jugo de arndano por destilacin osmtica no afecta el contenido de compuestos fenlicos y especficamente de las antocianinas. Este resultado promete animar la concentracin de otros jugos de baya mediante esta tcnica.