ESCUELA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOSTALLER Y LABORATORIO VI

Práctica # 1

Transferencia de masa a través de empaques de alimentos

Introducción

El empaque de alimentos incluye todas las actividades de diseñar y producir el recipiente o la envoltura para un producto. Su objetivo primordial es proteger la vida de anaquel de los alimentos ya que constituye una barrera entre el alimento y el ambiente que controla la transmisión de luz y la transferencia de calor, humedad y gases. Además, el empaque debe atraer la atención de los consumidores en los sitios de venta, tener tamaño y forma funcionales y ser de fácil eliminación o reutilización (Sharma et al., 2003). El fenómeno de transferencia de masa a través de barreras, se explica relacionando la primera ley de Fick de la difusión y la ley de Henry según la Ec. (1).

J=−PmdPdx

(1)

En la ecuación anterior se relaciona el flux (J), con las diferencias en la presión (dP) a cada lado del empaque de espesor (dx) con características constantes de permeabilidad (Pm).

Velocidad de transmisión del vapor de agua

La pérdida o ganancia de humedad es uno de los factores más importantes que controlan la vida de anaquel de los alimentos. El microclima dentro de un envase está regulado por la presión de vapor de la humedad del alimento a la temperatura de almacenamiento. Los cambios en el contenido de humedad dependen de la velocidad de transmisión de vapor de agua a través del envase. Para controlar el contenido de humedad del alimento dentro de un envase, deben definirse la permeabilidad al vapor de agua del material de empaque, así como el área superficial y el espesor de éste, teniendo en cuenta el almacenamiento que se requiere o la duración de la vida de anaquel (Sharma et al., 2003). El flux másico de vapor de agua, VTVA (velocidad de transmisión del vapor de agua), está definido como el flujo a través de una unidad de área, bajo condiciones dadas de temperatura, humedad y espesor (Ec 2):

J=VTVA= dmA dt

(2)

Donde dm /dt es la variación de peso (ganado o perdido por las muestras) (g) en un tiempo t (s) y A es el área total de transferencia de vapor de agua (cm2). El valor de VTVA corresponde a la pendiente de la regresión del peso vs. el tiempo, como se muestra en la Ec. (2) (Norma ASTM E96-10).

La permeabilidad del material al vapor de agua, es una propiedad del material ((g/s.cm2.atm)cm), y está definida de acuerdo a la ecuación (3) como la cantidad de vapor de agua transmitida por unidad de tiempo a través de un área dada, inducida por una diferencia de presión de vapor entre sus caras por unidad de espesor del empaque (x) (cm).

B = ( permeación ) x (3)

La permeación del material al vapor de agua (g/s.cm2.atm) se define como el cociente entre la velocidad de transmisión de vapor de agua del material y la diferencia de la presión de vapor en cada lado de la muestra de la película de acuerdo a la ecuación (4). Esta es la ecuación fundamental que la Norma ASTM E-96 aplica en su metodología para evaluar la permeabilidad al vapor de agua en materiales de empaques como papel, plástico entre otros, hasta espesores no mayores 11/4 in (32 mm).

permeación=VTVA

ΔP= VTVA

( P1−P2 )= VTVA

PS( HRext /100−HRin /100 ) (4)

Donde ΔP es la diferencia de presión de vapor a cada lado de la muestra de película, HRin

es la humedad relativa en el interior del empaque y corresponde a la actividad del agua (a w) de la muestra (asumiendo un contenido de humedad en equilibrio), HRext es la humedad relativa en el exterior del empaque y Ps es la presión de saturación de vapor en las condiciones de almacenamiento del alimento (atm).

Determinación del tiempo de vida útil

El tiempo, t (s) o vida de anaquel del producto, es un parámetro esencial en el diseño de empaques para alimentos. Para obtener los valores de tiempo de vida útil, cuando el criterio de deterioro es la consistencia en función de la humedad, se emplean las ecuaciones (5) y (6) (Quintana et al., 2007; Sharma et al., 2003). La ecuación (5) puede deducirse fácilmente a partir de las ecuaciones anteriores:

t=w (mc−m0 ) x

B A ΔP (5)

w: peso de sólidos secos (g) mc: humedad crítica de la muestra (g)m0: humedad inicial de la muestra (g)

La humedad crítica de la muestra, mc, se obtiene de la isoterma de sorción para una actividad de agua de 0.4 a 0.45, considerando que en este valor, los productos como las galletas o las papas fritas pierden su consistencia crujiente (Sharma et al., 2003).

Para la predicción del tiempo de vida útil también se puede utilizar la ecuación derivada por Labuza y Contreas Medellín (citado por Sharma et al., 2003):

Ln (me−mo

me−m )=Bx

Aw

P0

b⋅t

(6)

me: contenido de humedad en equilibrio a la humedad relativa interior, basado en una aproximación de línea recta de la isoterma (g agua/g de sólidos).

mo: contenido inicial de humedad, en base seca (g agua/g de sólidos).m: contenido de humedad en el tiempo t (es igual a mc para el tiempo de vida útil)P0: presión de vapor del agua pura a una temperatura T (atm)b: pendiente de la isoterma (g agua/ g de sólidos por unidad de aw)t: tiempo (s)

Objetivos

- Determinar la velocidad de transmisión de vapor de agua y la permeabilidad de empaques al vapor de agua.- Analizar el efecto de la humedad de almacenamiento y el tipo empaque sobre la VTVA y el tiempo de vida útil.

Materiales, métodos y equipos

- Equipo de medición de actividad de agua- Balanza analítica- Cámara de ambiente controlado- Estufa- Bolsas de empaque de papel Kraft y de plástico- Producto (galletas)- Calibrador Pie de rey y cinta adhesiva- Cajas Petri- Cloruro de calcio anhidro o gel de sílica- Agua destilada

Procedimiento

Para el proceso con el producto

1. Determinar el contenido de humedad inicial y la aw de una muestra representativa (duplicado)

2. Pesar aproximadamente 5 gramos de muestra. Verificar que estén quebradiza y crujiente.

3. Preparar 1 bolsa de empaque para cada condición experimental. (Factor 1: material de empaque, Niveles: papel y plástico. Factor 2: humedad relativa del ambiente, Niveles: 74%, 90%). Cada combinación se realizará por duplicado.

4. Medir el área superficial de transferencia y el espesor del empaque.5. Empacar y sellar y pesar las muestras.6. Colocar las muestras a las condiciones ambientales requeridas (temperatura y

humedad relativa). 7. Pesar la muestra empacada cada día durante 6 días (tomar el tiempo de

exposición) y volverla a poner a las condiciones ambientales requeridas. 8. Determinar el contenido de humedad y la aw de la muestra después de 6 días de

exposición (duplicado).9. Evaluar cualitativamente la textura quebradiza de las muestras.

Para el proceso según la norma ASTM

1. Pesar la caja Petri vacía.2. Adicionar el agua destilada o el cloruro de calcio.3. Poner la película a evaluar, sostenida con cinta o caucho.4. Pesar.5. Colocar las cajas a las condiciones ambientales requeridas (temperatura y humedad

relativa). 6. Pesar las cajas cada día durante 6 días (tomar el tiempo de exposición) y volverla a

poner a las condiciones ambientales requeridas.

NOTA:

Para los cálculos deben usar los datos de otro grupo (de la semana anterior o siguiente) como réplica.

Bibliografía

- ASTM E96/E96M-10. Standard methods for water vapor transmission of materials.- Labuza, T.P., Contreas Medellín, R. ( ). Prediction of moisture protection requirements for foods. Cereal

Food World, 26, 335.- Quintana, J., Cornejo, F., Rigail-Cedeño, A. 2007. Análisis y Diseño de Empaques Flexibles para

Alimentos. ESPOL, 20 (1), 11-18.- Palou, E., López-Malo, A., Argaiz, A. (1997). Effect of temperature on the moisture sorption isotherms

of some cookies and corn snacks. Journal of Food Engineering,  31 (1),  85-93. - Sharma, S. & Mulvaney, S.J. Ingeniería de alimentos: operaciones unitarias y prácticas de laboratorio.

Limusa. México 2003.