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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE GRADUADOS E INVESTIGACION EN

ALIMENTOS

ESTUDIO COMPARATIVO DE LA

DESHIDRATACIÓN DE CUBOS DE ZANAHORIA EN

LECHO POR FUENTE DE UNA Y DOS ETAPAS

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN ALIMENTOS

P R E S E N T A:

CINTHIA PÉREZ VÁZQUEZ

DIRECTORES DE TESIS:

DR. GUILLERMO I. OSORIO REVILLA

DRA. TZAYHRÍ G. GALLARDO VELÁZQUEZ

MÉXICO, D.F., 2010

El presente proyecto de investigación fue realizado en el Laboratorio pesado,

ubicado en el Departamento de Ingeniería Bioquímica y en el Laboratorio Central

de Instrumentación-Investigación del Departamento de Biofísica de la Escuela

Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional, bajo la dirección

del Dr. Guillermo I. Osorio Revilla y de la Dra. Tzayhrí G.Gallardo Velázquez

dentro del proyecto de investigación SIP-20090667 y con el apoyo de CONACyT.

ÍNDICE

i

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... iv

ÍNDICE DE CUADROS ................................................................................................... viii

NOMENCLATURA ............................................................................................................ x

RESUMEN ....................................................................................................................... xii

ABSTRACT .................................................................................................................... xiii

I. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

II. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 3

II.1 El Secado ............................................................................................................ 3

II.2 Mecanismos de transferencia de humedad.......................................................... 5

II.3 Cambios inducidos por el secado en frutas y vegetales ....................................... 8

II.3.1 Encogimiento ................................................................................................ 9

II.3.2 Rehidratación ............................................................................................. 12

II.3.3 Color ........................................................................................................... 13

II.4 Secado en lecho por fuente ............................................................................... 15

II.4.1 Lecho por fuente convencional ................................................................... 15

II.4.2 Lecho por fuente fluidizado ......................................................................... 17

II.5 La Zanahoria y sus beneficios ........................................................................... 19

II.5.1 El consumo de zanahoria en México .......................................................... 20

II.5.2 Producción de zanahoria ............................................................................ 22

II.5.3 Composición química ................................................................................. 24

II.5.4 Carotenoides .............................................................................................. 25

II.5.5 Beta Caroteno ............................................................................................ 26

II.5.6 Enzimas presentes en la zanahoria ............................................................ 28

III. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 32

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................. 33

IV.1 Objetivo general .................................................................................................... 33

IV.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 33

V. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................... 34

V.1 Materia prima ......................................................................................................... 34

V.2 Materiales y Reactivos de grado analítico .............................................................. 34

V.3 Equipo de secado .................................................................................................. 35

V.3.1 Secador de lecho por fuente convencional semipiloto .................................... 35

ÍNDICE

ii

V.3.2 Secador de lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio .................................. 36

V.4 Desarrrollo experimental ....................................................................................... 38

V.4.1 Acondicionamiento de la muestra ................................................................... .40

V.4.2 Secado en una sola etapa .............................................................................. .40

V.4.3 Secado en dos etapas ..................................................................................... 41

V.4.3.1 Primera etapa de secado ....................................................................... 41

V.4.3.2 Segunda etapa de secado ..................................................................... 42

V.5 Determinación de las propiedades físicas de los cubos de zanahoria .................... 43

V.5.1 Volumen de partícula ....................................................................................... 43

V.5.2 Densidad de partícula (Densidad aparente) ..................................................... 43

V.5.3 Determinación del radio equivalente ............................................................... 44

V.6 Determinación de humedad ................................................................................... 44

V.7 Determinación de propiedades hidrodinámicas ...................................................... 45

V.7.1 Velocidad mínima de fluidización ..................................................................... 45

V.7.2 Velocidad mínima de formación de la fuente ................................................... 46

V.8 Determinación de curvas de secado ...................................................................... 47

V.9 Determinación de curvas de velocidad de secado ................................................. 47

V.10 Determinación de los coeficientes difusivos ......................................................... 48

V.11 Determinación de encogimiento ........................................................................... 49

V.12 Determinación del coeficiente de difusividad incluyendo el efecto de

encogimiento….. .......................................................................................................... 49

V.13 Determinación de β -carotenos ........................................................................... 50

V.14 Determinación de actividad enzimática ................................................................ 51

V.14.1 Obtención de extractos .................................................................................. 51

V.14.2 Actividad de peroxidasa (POD) ...................................................................... 52

V.14.3 Actividad de pectin metil esterasa (PME) ....................................................... 52

V.15 Determinación de color ........................................................................................ 53

V.16 Determinación de la capacidad de rehidratación .................................................. 53

VI. PRUEBAS PRELIMINARES ...................................................................................... 54

VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................. 57

VII.1 Caracterización física de los cubos de zanahoria ................................................. 57

VII.2 Hidrodinámica de los sistemas estudiados ........................................................... 59

VII.3 Secado en una sola etapa.................................................................................... 62

ÍNDICE

iii

VII.3.1 Curvas de secado en una sola etapa ............................................................. 65

VII.3.2 Velocidades de secado en una sola etapa ..................................................... 66

VII.3.3 Coeficientes de difusión una sola etapa ........................................................ 69

VII.4 Secado en dos etapas ......................................................................................... 71

VII.4.1 Velocidades de secado en dos etapas .......................................................... 72

VII.4.2 Coeficientes de difusión dos etapas ............................................................. 76

VII.5 Comparación del proceso de secado en una y dos etapas .................................. 79

VII.6 Encogimiento ....................................................................................................... 85

VII.7 Rehidratación ....................................................................................................... 93

VII.8 Parámetros de calidad ......................................................................................... 98

VII.8.1 Retención de carotenos ................................................................................. 98

VII.8.2 Retención de actividad de Peroxidasa ......................................................... 101

VII.8.3 Retención de actividad de pectinmetilesterasa ............................................ 103

VII.8.4 Determinación de color ................................................................................ 105

VIII. CONCLUSIONES ................................................................................................. 107

IX. LITERATURA CITADA .......................................................................................... 109

X. ANEXOS ................................................................................................................. 116

ÍNDICE

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura II.1. Curva de velocidad de secado. (Adaptado por Barbosa

y Vega, 1996).

4

Figura II.2. Curva de encogimiento ideal con o sin porosidad inicial. 10

Figura II.3. Encogimiento no ideal sin porosidad inicial: curva de

encogimiento ideal (línea continua); curva experimental (curva

punteada).

10

Figura II.4. Esquema de un secador de lecho por fuente (Spouted

bed) (Epstein y Grace, 1984).

16

Figura II.5. Esquema de un secador de lecho por fuente-fluidizado. 17

Figura II.6. Zanahoria (Daucus carota L.) tipo Nantes. 19

Figura II.7. Principales países productores de zanahoria durante el

año 2008.

22

Figura II.8. Producción de zanahoria por estado de la República

Mexicana en el año 2008.

23

Figura II.9. a) Estructura de α-Caroteno, β-Caroteno, y -

Caroteno.

26

Figura V.1. Secador de lecho por fuente convencional nivel

semipiloto.

35

Figura V.2. Secador de lecho por fuente- fluidizado nivel

laboratorio.

37

Figura V.4. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del

secado en una sola etapa.

38

Figura V.3. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del

secado en dos etapas.

39

Figura VII.1. Velocidad mínima de formación de la fuente de cubos

de zanahoria con 90 % de humedad en el secador de lecho por

fuente semipiloto.

59

ÍNDICE

v

Figura VII.2. Velocidad mínima de fluidización para cubos de

zanahoria con 90 % de humedad.

60

Figura VII.3. Velocidad mínima de fluidización para cubos de

zanahoria con 70 % de humedad

60

Figura VII.4. Variación de la velocidad superficial del aire durante

el secado de cubos de zanahoria en el secador lecho por fuente

semipiloto.

63

Figura VII.5. Curvas de secado obtenidas durante la

deshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa de

secado a 60 °C, 70 °C y 80 °C.

65

Figura VII.6. Polinomios obtenidos en el esquema de una sola

etapa de secado para determinar la velocidad de secado a) 60 °C,

b) 70 °C, c) 80 °C.

66

Figura VII.7. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoria

en una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto a la

humedad base seca.

67

Figura VII.8. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoria

en una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto al tiempo.

68

Figura VII.9. Humedad incumplida con respecto al tiempo de una

sola etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en el

secador lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

69


deshidratación de cubos de zanahoria en las dos etapas de

secado a 60 °C, 70 °C y 80 °C.

71

Figura VII.11. Polinomios obtenidos en el esquema de dos etapas

de secado para determinar la velocidad de secado a) 60 °C, b) 70

°C, c) 80 °C.

72

Figura VII.12. Curva de velocidad de secado en dos etapas de

cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C.

73

Figura VII.13. Curva de velocidad de secado de cubos de

zanahoria en la primera etapa a 60, 70 y 80 °C.

74


zanahoria en la segunda etapa a 60, 70 y 80 °C.

74

ÍNDICE

vi


zanahoria en una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto

al tiempo.

75

Figura VII.16. Humedad incumplida con respecto al tiempo de la

primera etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en

el secador lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

76

Figura VII.17. Humedad no alcanzada con respecto al tiempo de la

segunda etapa de secado en el secador lecho por fuente

fluidizado a 60, 70 y 80 °C.

77


deshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa y dos

etapas de secado a 60 °C.

79




80




80

Figura VII.21. Encogimiento de zanahoria versus humedad

adimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante el

secado de una sola etapa.

85

Figura VII.22. Encogimiento de zanahoria versus humedad

adimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante el

secado de dos etapas.

86

Figura VII.23. Logaritmo natural de humedad incumplida en

función de /r´2 de la primera etapa de secado de cubos de

zanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuente

convencional a 60, 70 y 80 °C.

88


función de /r´2 de la segunda etapa de secado de cubos de

zanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuente

fluidizado a 60, 70 y 80 °C.

89


función de /r´2 del secado en una sola etapa en el secador de

lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

89

ÍNDICE

vii

Figura VII.26. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dos etapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la 2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidos sin considerar el encogimiento (SE).

92

Figura VII.27. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dos etapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la 2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidos considerando el encogimiento (CE).

92

Figura VII.28. Cambios en el contenido de humedad versus tiempo

de rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80 °C en

dos etapas.

93

Figura VII.29. Cambios en el contenido de humedad versus

tiempo de rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80

°C en una sola etapa.

94

Figura VII.30. Curva tipo trans β-caroteno en éter de petróleo puro. 98

Figura VII.31. Porcentaje de retención de carotenos en zanahoria

deshidratada a 60, 70 y 80 °C.

99

Figura VII.32. Retención de actividad de peroxidasa en cubos de

zanahoria deshidratados.

101

Figura VII.33. Retención de actividad de pectinmetilesterasa en

cubos de zanahoria deshidratados.

103

ÍNDICE

viii

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro II.1. Composición química de la zanahoria (valores nutricionales por 100 g).

24

Cuadro VII.1. Propiedades físicas evaluadas en los cubos de zanahoria fresca.

57

Cuadro VII.2. Propiedades físicas de cubos de zanahoria deshidratados en una sola etapa y dos etapas a 60, 70 y 80 °C.

57

Cuadro VII.3. Cambios de velocidad de aire en el secador lecho por fuente semipiloto en el esquema de una sola etapa a las temperaturas de 60, 70 y 80 °C.

62

.Cuadro VII.4. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C en una sola etapa.

70

Cuadro VII.5. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C en dos etapas.

78

Cuadro VII.6. Gasto volumétrico en los esquemas de secado de cubos de zanahoria en una y dos etapas para las diferentes condiciones de secado.

82

Cuadro VII.7. Pendientes obtenidas del logaritmo de la humedad incumplida respecto al tiempo obtenidas en los procesos de secado en una sola etapa y dos etapas.

83

Cuadro VII.8. Regresiones lineales de logaritmo de radio experimental en función de logaritmo de mt/mo para los esquemas de dos etapas y una sola etapa a 60, 70 y 80 °C.

87

Cuadro VII.9. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C en una sola etapa y dos etapas corregidos por la ecuación de Hawlader.

90

Cuadro VII.10. Coeficientes de difusión promedio para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C en dos etapas y una sola etapa de secado sin el efecto de encogimiento (S/E) y con el efecto de encogimiento (C/E).

91

Cuadro VII.11. Contenido de humedad después de la rehidratación

de cubos de zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y una

sola etapa.

95

Cuadro VII.12. Pérdida de sólidos solubles durante la rehidratación

de cubos de zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y una

sola etapa.

96

ÍNDICE

ix

Cuadro VII.13. Determinación de color (ΔL*, Δa*, Δb* y D.E) en zanahoria deshidratada.

105

x

NOMENCLATURA

a* = Factor de color (saturación y definición del componente rojo-verde)

b* = Factor de color (ángulo de tono y definición del componente amarillo-azul)

d1 = Diámetro de la cámara a la cual estaba calibrado el soplador (14.2 cm)

d2 = Diámetro de la cámara de trabajo (9 cm)

Def = Coeficiente de difusión efectiva (m2/s)

DE = Factor de color (diferencia de color)

dX/dθ = Cambio de humedad con respecto al tiempo (kg humedad/ kg de sólido

seco segundo)

gss = gramos de sólidos seco (g)

L = espesor de la placa (m)

mo = masa inicial del sólido deshidratado (g)

mp = masa de las partículas (g).

mt = masa al tiempo t (g)

Np = número de partículas

r = Radio de la esfera (m)

ra = radio del cilindro (m)

req = radio de esfera equivalente (m)

r´ = radio de la partícula durante el secado (m)

Ta = temperatura de entrada en el ánulo (°C)

Ts = temperatura de entrada en la fuente (°C)

Umf = velocidad mínima de fluidización (m/s)

Ums = velocidad mínima de formación de la fuente (m/s)

Vc = volumen inicial de las partícula (m3)

V = volumen de la partícula con contenido de humedad X (m3)

Vp = volumen de partícula (m3)

Vda = volumen desplazado de aceite (m3)

NOMENCLATURA

xi

X = Contenido de humedad base seca (kg de agua /kg de sólido seco)

x = Dimensión espacial característica del material de secado (m)

Xo = Contenido de humedad inicial (kg de agua /kg de sólido seco)

Xe = Contenido de humedad en el equilibrio (kg de agua /kg de sólido seco)

LETRAS GRIEGAS

ε = Porosidad

= Tiempo (s)

= Humedad no alcanzada (adimensional)

= Delta aplicada en los factores de color

xii

RESUMEN

En el presente trabajo se realizó un estudio comparativo de la deshidratación de

cubos de zanahoria en esquemas de secado en lecho por fuente en una sola

etapa y en dos etapas: la primera desde la humedad inicial de aproximadamente

90% hasta 70% base húmeda y la segunda etapa de 70% hasta el contenido de

humedad final de 10% base húmeda a las temperaturas de secado de 60, 70 y 80

°C. Para cada esquema de secado se construyeron las curvas de secado, se

determinaron los coeficientes difusivos y se evaluó la degradación térmica del

producto con la retención de betacarotenos, actividad enzimática de peroxidasa y

pectinmetilesterasa, capacidad de rehidratación y color del producto deshidratado.

Así también, debido al encogimiento que presentan los cubos de zanahoria

durante el secado se evaluó la difusividad del agua considerando este efecto. En

el secado de dos etapas en los secadores de lecho por fuente y lecho por fuente

fluidizado se logró mantener una velocidad de aire constante en cada uno de ellos,

por lo que el control de la operación se facilita respecto a la operación en una

etapa que requiere la reducción constante del flujo de aire y por tanto la operación

es más compleja. Los coeficientes de difusión efectiva en el esquema de una sola

etapa están en el intervalo de 2.16 a 9.93 x 10-10 m2/s, mientras en el esquema de

dos etapas varían de 1.28 a 16.3 x 10-10 m2/s donde los coeficientes de difusión

efectiva son mayores en la primera etapa de secado respecto a la segunda etapa

de secado, aun considerando el efecto de encogimiento. El porcentaje de

retención de β-carotenos en ambos esquemas fue de 80 a 90 %, no se encontró

diferencia estadística significativa a 60, 70 y 80 °C. Respecto a la actividad

enzimática residual de peroxidasa se obtuvieron porcentajes de retención de 20 a

35 %, sin embargo la actividad de la pectinmetilesterasa que es más

termoresistente en la zanahoria se obtuvieron porcentajes de retención de 90%.

El agua absorbida durante la rehidratación fue mayor en los cubos deshidratados

en dos etapas que en una sola etapa, encontrándose lixiviación de sólidos

solubles entre 50 a 60 % en ambos esquemas. El parámetro de diferencia total de

color de las muestras de zanahoria deshidratadas no indica diferencia significativa

en el cambio de color respecto a la zanahoria fresca.

xiii

ABSTRACT

In this work a comparative study in dehydrated carrot cubes was done in the

spouted-bed dryer with comparing one stage of drying and two stages of drying:

the first stage were finalized when the initial moisture content about 90%

decreased to 70% (wet basis) and the second stage to the final moisture content of

about 10% (wet basis) with air temperatures of 60, 70 and 80 °C. For each scheme

of drying the drying curves were constructed and diffusive coefficients were

determined. Thermal degradation was evaluated with betacarotene retention,

peroxidase activity, pectinmethylesterase activity, rehydration tests and color of

dehydrated product. Besides and due the shrinkage of carrot cubes during drying,

water diffusivity was evaluated with correction for shrinkage.

In two-stage drying was possible maintained constant air flow in both dryers, wich

facilitates the operation compared to one-stage drying wich requires constant

reduction of the air flow. Coefficients of effective diffusion in one-stage drying are in

the order of 2.16 to 9.93 x 10-10 m2 s-1, while in two-stages drying were in the order

of 1.28 to 16.23 x 10-10 m2 s-1 where coefficients of effective diffusion were higher

in first stage, even considering the shrinkage effect. The β-carotene retention in

both schemes of drying was 80 to 90 % without statistical difference at 60, 70 and

80°C. Peroxidase retention was in the order of 20 to 35%, while

pectinmethylesterase was 90 %. Water absorption was higher in dehydrated carrot

cubes from two-stage drying at 60°C than at 70 and 80°C while in one-stage

drying, water absorption was similar to conditions of drying temperatures. Also was

observed leaching of soluble solids between 50 - 60% in both schemes of drying.

Parameter of total difference of color in dehydrated carrot cubes compared with

fresh carrots, indicates no significant difference in the color change.

1

I. INTRODUCCIÓN

En México la zanahoria (Daucus carota L.) es una hortaliza de amplia producción

principalmente en la parte central del país. La cual es consumida a nivel nacional e

internacional en una variedad de opciones de procesamiento para su posterior

utilización. Una de las formas de transformación es la deshidratación para ser

utilizada como materia prima en otros productos como sopas instantáneas o

alimentos precocinados (Zambrano et al.,2007).

El secado o deshidratación de alimentos, es el método más antiguo empleado

para su conservación, donde las propiedades físicas y bioquímicas del alimento

cambian principalmente debido a la pérdida de humedad (Flores, 2007). En este

proceso, el agua ubicada en la capa superficial del alimento es removida mediante

su conversión a vapor en una primera etapa, y posteriormente el agua del interior

migra a la zona de menor concentración siendo subsecuentemente removida

(Changrue, 2006). Bajo cualquier tecnología de secado, el objetivo principal para

el caso de frutas y vegetales e inclusive cereales es reducir el contenido de

humedad para inhibir el crecimiento microbiano, minimizar la actividad enzimática

y lograr la estabilidad del compuesto nutricional de interés.

La deshidratación de zanahoria se ha reportado en un sin número de

investigaciones por diferentes métodos como: solar, convección, microondas,

osmótico, vacío, infrarojo, liofilización (Changure, 2006; Sablani, 2006). Sin

embargo, el método por convección con aire caliente es el más empleado en la

deshidratación de frutas y vegetales, cobrando en las últimas décadas relevada

importancia el secador de lecho por fuente convencional y lecho por fuente

fluidizado por ofrecer ventajas como alta transferencia de humedad y buen

mezclado de partículas lo que provoca homogeneidad en el proceso e

incrementos en la velocidad de secado (Zielinska y Markowski, 2007).

INTRODUCCIÓN

2

Durante el secado de zanahoria por lotes en secadores de lecho por fuente y

lecho por fuente fluidizado es necesario reducir el flujo de aire conforme el tiempo

de secado transcurre, debido al encogimiento que sufre la partícula lo que hace

difícil el control del proceso; por lo tanto en este trabajo se propone el secado en

dos etapas para facilitar el control del proceso, sin variación en el flujo de aire y

estudiar el efecto sobre la calidad final del producto comparándolo con el proceso

de secado en una sola etapa.

3

II. ANTECEDENTES

II.1 EL SECADO

El secado comúnmente describe el proceso de remoción térmica de agua para

conseguir un producto sólido. El agua en un producto se presenta como una

solución líquida dentro de un medio sólido, atrapada en la microestructura de este

último; la cual ejerce una presión de vapor menor que la del líquido puro, y es

llamada humedad ligada. Al exceso de agua se le llama no enlazada o no ligada

(Menon y Mujumdar, 1987).

Cuando un producto húmedo sufre algún tratamiento térmico, dos procesos

ocurren simultáneamente:

1. Transferencia de energía (calor) del medio circundante para evaporar la

humedad superficial del producto.

2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del producto

subsecuentemente evaporada debido al proceso 1.

La velocidad a la cual el secado es realizado depende de la procedencia de los

dos procesos mencionados. La transferencia de energía en forma de calor a la

superficie del producto puede ocurrir como resultado de una convección,

conducción y radiación y, en algunos casos como resultado de la combinación de

estos efectos. Los secadores industriales difieren en tipo y diseño, dependiendo

del método principal de transferencia de calor empleado. En la mayoría de los

casos el calor es transferido a la superficie del producto húmedo, y posteriormente

al interior. Aunque, en otros tipos de secado como microondas, dieléctrico y de

radiofrecuencia, la energía es suplementada para generar calor dentro del

producto y este fluye a la superficie (Menon y Mujumdar, 1987).

ANTECEDENTES

4

El proceso de secado de un material puede describirse por una serie de etapas en

las que la velocidad de secado juega un papel determinante (figura II.1).

Figura II.1. Curva de velocidad de secado. (Adaptado por Barbosa y Vega, 1996).

La curva de velocidad de secado (figura II.1) puede presentar varios períodos, los

cuales se describen a continuación:

Período inicial o de ajuste a las condiciones de secado, representado en el

segmento A-B o A´-B. Los puntos A y A’ representan el inicio de secado

para un material frío y caliente, respectivamente. El punto B representa la

condición de temperatura de equilibrio de la superficie del producto.

Generalmente este período es corto y a menudo se desprecia en los

cálculos de tiempo de secado (Geankoplis, 2006; Barbosa y Vega, 1996;

Treybal, 1993).

Período de velocidad constante, representado por el segmento B-C. Está

asociado con la eliminación de agua no ligada del producto. Al inicio de este

período la superficie del sólido está saturada de agua y continúa mientras

el agua evaporada en la superficie pueda ser compensada por la que se

ANTECEDENTES

5

encuentra en el interior. La temperatura en la superficie corresponde

aproximadamente a la de bulbo húmedo del aire de secado (Geankoplis,

2006).

Período de velocidad decreciente. El punto C representa el inicio de éste

período y corresponde al contenido crítico de humedad (Xc) en el sólido. El

período de velocidad decreciente se divide en dos etapas: 1) representado

por el segmento C-D, que se da cuando las zonas húmedas en la

superficie disminuyen continuamente hasta que la superficie está seca

completamente (punto D). En este período la película superficial de

humedad del sólido se reduce debido a que la velocidad de movimiento del

líquido a la superficie es menor que la velocidad de transferencia de masa

desde la superficie; 2) representado por el segmento D-E, donde el plano

de evaporación se traslada al interior del sólido. Al continuar el secado, la

velocidad del movimiento de la humedad a través del sólido controla la

velocidad de secado, a causa de los gradientes de concentración entre el

interior y la superficie (Treybal, 1993; Geankoplis, 2006).

II.2 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE HUMEDAD

El movimiento del agua en el sólido puede explicarse por distintos mecanismos

como son: difusión del líquido debido a gradientes de concentración, difusión del

vapor debido a la presión parcial de vapor, movimiento del líquido por fuerzas

capilares, difusión de Knudsen, movimiento del liquido por fuerzas de gravedad y

difusión superficial (Chen y Johnson, 1969; Bruin y Luyben, 1980; Fortes y Okos,

1980 citados en (Barbosa y Vega, 1996). El movimiento del agua a través del

alimento depende tanto de su estructura porosa como de las interacciones del

agua con la matriz alimentaria (Barbosa y Vega, 1996).

ANTECEDENTES

6

El principal mecanismo en el secado de sólidos es la difusión del agua (Van

Arsdel, 1963; Geankoplis, 1983) y se lleva a cabo en capilares, poros y pequeños

huecos llenos con líquido. El líquido difunde hacia afuera hasta que alcanza la

superficie donde pasa a la corriente global del aire. Sin embargo, la teoría de la

difusión no tiene en cuenta el encogimiento, casos de endurecimiento o isotermas

de adsorción. La ley de Fick es usada frecuentemente para describir el proceso de

difusión de la humedad.

Donde X es el contenido de humedad libre, es el tiempo, x es la dimensión

espacial, y Def es el coeficiente de difusión.

La solución de esta ecuación está sujeta a las siguientes condiciones (Barbosa y

Vega, 1996; Pakowski y Mujumdar, 1987; Markowski et al., 2006; Togrul, 2006):

La transferencia de masa es unidimensional.

El sólido tiene un contenido de humedad inicial uniforme.

El movimiento interno de humedad es la principal resistencia a la

transferencia de humedad.

La transferencia de calor interna y externa se considera insignificante.

La solución de la ley de Fick modificada para diferentes geometrías con las

siguientes condiciones iniciales y de límite (Markowski et al., 2006) se presentan a

continuación (Pakowski y Mujumdar, 1987):

= 0 0 x r X = Xo

0 x = 0 0

x

X

0 x = r X = Xe

2

2

x

XDef

θ

X

(1)

ANTECEDENTES

7

a. Esfera

2

ef22

r

θDn

1n22e

n

16

eO

e

XX

XX

Donde X es el contenido de humedad al tiempo , Xo es el contenido de humedad

inicial, Xe es el contenido de humedad de equilibrio, Def es el coeficiente de

difusión efectiva m2/s, y r es el radio de la esfera.

b. Placa

2

ef22

4L

θD12n

1n22

e12n

18

eO

e

XX

XX

Donde L es la mitad del espesor de la lámina si se seca por ambas caras o el

espesor total de la lámina si se seca por una sola cara.

c. Cilindro

θDβ

1n2

n

2

a

ef2ne

β

1

r

4

eO

e

XX

XX

En la que ra es el radio del cilindro y βn son las raíces de la función de Bessel de

primera clase y orden cero.

Para tiempos largos de secado, tal y como ocurre en la mayoría de los casos

prácticos, sólo el primer término de la serie es significativo, por o que las

ecuaciones anteriores se reducen como sigue (Heldman y Sing, 1981):

a. Esfera

2

2ef

r

θD

2

6

e

XX

XX

eO

e

(2)

(3)

(4)

(5)

ANTECEDENTES

8

b. Placa

2

2ef

4L

θD

2

8

e

XX

XX

eO

e

c. Cilindro

2a

ef

r

5.78D

e692.0

eO

e

XX

XX

II.3 CAMBIOS INDUCIDOS POR EL SECADO EN FRUTAS Y

VEGETALES

El secado causa varios cambios en la estructura y propiedades de materiales

vegetales. Los cambios consisten en alteraciones físicas, reacciones químicas y

efectos bioquímicos. Los cambios físicos incluyen encogimiento, incremento o

descenso de porosidad, disminución de la habilidad de embeber agua y daños en

la microestructura de la partícula (Witrowa y Lewicki, 2006).

En la industria alimentaria el secado de frutas y vegetales se ha realizado

normalmente en secadores convectivos. Algunas propiedades físicas son

modificadas por ésta técnica de secado, como son pérdida de color, cambios en la

textura y encogimiento. Los cambios químicos causantes de la pérdida de sabor y

nutrientes también se presentan durante el secado convectivo. Muchos estudios

han tratado de mejorar los problemas del secado convectivo convencional,

llegando a la conclusión de que la temperatura usada en el proceso es un factor

importante en la solución de dichos problemas. Se ha demostrado también que el

secado a temperaturas bajas provee mejor calidad en el producto seco, pero los

tiempos y costos de operación son generalmente inaceptables (Changrue, 2006).

(6)

(7)

ANTECEDENTES

9

Respecto al secado de zanahoria se han reportado diferentes métodos, entre los

que destacan métodos por convección, por microondas, liofilización, etc

(Markowski et al., 2006). Dentro del secado en lotes a través de convección se

encuentran secadores de lecho fluidizado (Reyes et al., 2002, Markowski et al.,

2006), lecho fluidizado con ciclos de atemperado (Fano, 2008) y lecho por fuente

fluidizado (Zielinska y Markowski, 2007, Cárdenas, 2007). Este último ofrece

ventajas en la economía de operación con buena calidad del producto final,

comparable con las otras técnicas de secado, por lo que se utiliza en el presente

trabajo.

II.3.1 ENCOGIMIENTO

Uno de los más importantes cambios físicos que el alimento sufre durante el

secado es la reducción de su volumen. La pérdida de agua y el calentamiento

causan estrés en la estructura celular del alimento (Mayor y Sereno, 2004).

Cuando el agua es removida del material, se produce un desequilibrio de presión

entre la parte interna y externa del material, lo que conduce al encogimiento o

colapso de la estructura, cambios en la forma y ocasionalmente formación de

grietas en el producto (Mayor y Sereno, 2004).

En el caso del secado, el encogimiento es una consecuencia de la evaporación de

un disolvente contenido en una matriz sólida. Si la reducción en volumen es

proporcional a la pérdida de masa, el encogimiento es conocido como ideal (figura

II.2), el cual se presenta en el secado convectivo de zanahoria. Por otro lado, si la

reducción en volumen es menor que el volumen de agua evaporada (figura II.3), la

operación de secado genera un incremento en la porosidad del material, este

encogimiento es conocido como no ideal (Madiouli et al., 2007).

ANTECEDENTES

10

Figura II.2. Curva de encogimiento ideal con o

sin porosidad inicial.

Figura II.3. Encogimiento no ideal sin porosidad

inicial: curva de encogimiento ideal (línea

continua); curva experimental (curva punteada).

El secado de alimentos es un proceso complejo que incluye el transporte

simultáneo de masa y energía en un sistema que sufre diferentes cambios en su

composición química, estructura y propiedades físicas. Por tanto el encogimiento

debe tomarse en cuenta para predecir perfiles de contenido de humedad en el

material durante la operación de secado.

Dos diferentes aproximaciones han sido desarrolladas para modelar el

encogimiento: los modelos empíricos y los modelos fundamentales. En ambos

casos, modelos lineares y no lineares resultan de describir el comportamiento del

encogimiento versus contenido de humedad (Mayor y Sereno, 2004).

Los modelos empíricos obtienen una correlación empírica entre el encogimiento y

contenido de humedad. Estos son adecuados para describir materiales y

condiciones de operación que conducen a una porosidad insignificante.

desarrollada durante el proceso de secado, o a un uniforme desarrollo de

porosidad, correspondiendo a un descenso lineal del volumen durante todo el

proceso (Ratti, 1994; Hatamipour y Mowla, 2002; Zogzas et al., 1994; Lozano et

al., 1983).

ANTECEDENTES

11

Los modelos fundamentales se basan en balances de masa, definiciones de

densidad y porosidad, asumen en la mayoría de los casos adición de los

volúmenes de las diferentes fases en el sistema. Además no es necesario obtener

datos experimentales de encogimiento a cada condición del proceso, como en el

caso de los modelos empíricos (Susuki et al., 1976; Lozano et al., 1983: Mayor y

Sereno, 2004).

El encogimiento de un producto puede ser expresado en términos del volumen

específico, colapso y proporción de encogimiento. El uso del parámetro de colapso

es útil para dar seguimiento al encogimiento comparado con el volumen final. El

volumen específico es adecuado para comparar muestras idénticas porque este

parámetro indica las diferencias en la porosidad. La proporción de encogimiento

es un buen indicador del porcentaje de masa perdida durante el proceso (Madiouli

et al, 2007).

Talla et al. (2004), Guiné et al. (2006) y Ochoa (2007) analizan este fenómeno en

frutas, en el que se produce cambios en el volumen y área de transferencia de

calor y masa, debido a la contracción parcial de los tejidos por la pérdida de agua,

afectando de manera particular el coeficiente de difusión del material, el cual es

uno de los principales parámetros controlados en el proceso de secado. En el

secado de zanahoria, la presencia de este fenómeno tiene un efecto considerable

en la calidad como lo reportan Kerdpiboon y Devahastin (2007) y, Zielinska y

Markowski (2007). Otra importante consecuencia del encogimiento es el descenso

de la capacidad de rehidratación del producto seco (Mayor y Sereno, 2004).

Los modelos empleados para determinar los coeficientes de difusividad de la

humedad, predicen las curvas de secado de manera más aproximada cuando son

corregidos por el efecto del encogimiento. Park (1998) evaluó la deshidratación de

músculo de pescado, usó dos modelos que incluyen y excluyen el encogimiento,

los resultados conducen a diferencias significativas en los valores de Def y su

ANTECEDENTES

12

dependencia de la temperatura. Así también Hassini et al. (2007) encontró valores

diferentes de Def en el secado de papa al evaluar diferentes métodos, el primero

basado en la solución analítica del modelo difusivo de Fick y el segundo basado

en la solución numérica de la combinación de las ecuaciones de transferencia de

masa y humedad.

Debido al encogimiento ideal que presentan los cubos de zanahoria durante el

secado (Madiouli et al., 2007), es importante evaluar la difusividad del agua

considerando este efecto, para lo cual en el presente trabajo se propone usar la

ecuación de Hawlader citada por Giovanelli et al, (2002) quien propone una

correlación para predecir el radio (r´) de un alimento durante el secado, la cual es

una relación de la masa inicial del alimento (m0) y al tiempo (m), en donde n es

un parámetro de ajuste y r se refiere al radio inicial. Esta ecuación es a siguiente:

n

om

mrr´

II.3.2 REHIDRATACIÓN

La rehidratación es un importante paso en el uso de frutas y vegetales

deshidratados. Los consumidores han mostrado un alto interés en alimentos

saludables y listos para preparar; donde factores como conveniencia, frescura, alta

calidad, sabor y adecuada reconstitución son esenciales para la aceptación del

producto (Hollingsworth, 2002). Durante la rehidratación se presentan tres

procesos simultáneos: la capacidad de adsorber agua por parte del material

deshidratado, el hinchamiento de biopolímeros y lixiviación de sólidos solubles

(Witrowa y Lewicki, 2006; Krokida y Marinos-Kouris, 2003).

(8)

ANTECEDENTES

13

La cinética de rehidratación de zanahoria deshidratada es afectada por factores

como método de secado, composición del medio de rehidratación, tiempo,

velocidad de mezclado y porosidad (Marabi et al., 2006). Por ejemplo, la

rehidratación de zanahoria liofilizada es más rápida que la zanahoria secada por

convección; pero por otro lado una alta cantidad de carbohidratos es lixiviada

(Marabi, et al 2004), principalmente sacarosa, fructosa y glucosa. Las muestras de

zanahoria liofilizadas presentan una estructura altamente porosa lo que provoca

un aumento en la disolución de sólidos solubles y mayor rapidez en la capacidad

de rehidratación (Stepien, 2008).

El grado de rehidratación está en función del grado de ruptura de la célula y de su

estructura (Krokida y Marinos-Kouris, 2003; Lewiki et al, 1997). Durante el secado

se presenta una ruptura celular irreversible, resultando la pérdida de la integridad y

por lo tanto, una estructura densa de vasos capilares encogidos y destruidos con

propiedades hidrófilas reducidas, que refleja una incapacidad en la retención de

agua suficiente del producto rehidratado (Krokida y Marinos-Kouris, 2003).

II.3.3 COLOR

En el secado se presentan reacciones de deterioro que afectan el color,

propiedades nutricionales, textura y sabor en el producto final (Koca et al., 2007).

Durante el secado por convección, las condiciones de temperatura y humedad del

aire contribuyen al cambio de color como lo reportan Krokida et al. (1998) y Aversa

et al. (2009). Las reacciones de deterioro continúan posterior a este proceso, en el

que la velocidad de la reacción es influenciada por las condiciones de

almacenamiento (Koca et al., 2007).

El color es considerado como la cualidad dominante de la calidad debido a su

relación con el sabor y aroma. La decoloración del alimento es la consecuencia de

varias reacciones incluyendo la degradación del pigmento, la cual incluye

obscurecimiento especialmente de carotenos y clorofila por la reacción de

Maillard, condensación de la glucosa y fructosa, así como la oxidación de ácido

ANTECEDENTES

14

ascórbico (Krokida et al., 1998). Los vegetales deshidratados pierden su color

debido a la oxidación de moléculas altamente insaturadas por su exposición al aire

durante el almacenamiento (Park, 1987). Los carotenos son susceptibles a la

oxidación cuando son expuestos a la luz (Pezek y Warthesen, 1990), oxígeno y

enzimas (Gregory, 1996).

El método más común para caracterizar el obscurecimiento en zanahoria

deshidratada es la medición de la absorbancia a 420 nm (Baloch et al., 1973; Koca

et al., 2007). También se ha usado colorimetría triestímulo (Chen et al., 1995) y los

valores a y b de la escala Hunter (Krokida et al., 2001) para evaluar los cambios

de color en zanahoria.

ANTECEDENTES

15

II.4 SECADO EN LECHO POR FUENTE

II.4.1 LECHO POR FUENTE CONVENCIONAL

El buen funcionamiento de los equipos de secado garantiza la calidad del producto

final, donde el control de las condiciones es determinante para el establecimiento

de un secado estándar en la industria. En el secado de lecho por fuente, al igual

que en otros secadores como el fluidizado, una de las variables determinantes

para estandarizar el método es el control de flujo de aire y el reacomodo de

partículas en el lecho; para con ello obtener una adecuada curva de secado. La

aplicabilidad de la técnica de lecho por fuente para el secado de productos

granulares que son demasiado gruesos para ser rápidamente fluidizadas fue

reconocida a principios de la década de 1950 (Pallai et al., 1987).

El secador de lecho por fuente convencional (figura II.4) consiste de un recipiente

cilíndrico con fondo cónico equipado con una boquilla de entrada para el ingreso

del aire para formar la fuente (medio de secado). Este dispositivo sufre de

limitaciones de capacidad debido a que debe tener una altura de lecho máxima y

la problemática involucrada al tratar de ampliar el aparato más allá de 1 m de

diámetro (Pallai et al., 1987).

El recipiente cilíndrico es llenado con partículas sólidas relativamente grandes

(Dp>1 mm), si la velocidad de inyección del fluido es lo suficientemente alta

provocará una corriente de partículas que ascienden rápidamente a través de una

cavidad central o “spout” formada dentro del lecho de sólidos. Después de

alcanzar cierta altura sobre el nivel del lecho las partículas caen sobre la región

anular, es decir la zona localizada entre la pared del recipiente y la cavidad

central, donde éstas viajan rápidamente hacia abajo y en cierto grado hacia el

interior del lecho flojamente empacado (Barret et al., 1985; Epstein y Grace, 1984).

ANTECEDENTES

16

Figura II.4. Esquema de un secador de lecho por fuente (Spouted bed) (Epstein y

Grace, 1984).

De esta forma el lecho global de partículas se encuentra formado por una parte

central diluida con movimiento ascendente de sólidos en flujo paralelo con el fluido

y de una fase anular densa con movimiento descendente de sólidos en

contracorriente con el fluido que percuela al interior de la zona anular. Un

movimiento cíclico sistemático de sólidos es entonces establecido, provocando

que esta técnica posea un patrón hidrodinámico único, siendo más conveniente

que la fluidización convencional para ciertas aplicaciones (Barret et al., 1985).

Se han propuesto en la literatura varias modificaciones al lecho convencional de

manera de subsanar algunas de sus limitantes entre las que se encuentra el lecho

por fuente fluidizado.

ANTECEDENTES

17

II.4.2 LECHO POR FUENTE FLUIDIZADO

Con el objetivo de aumentar la velocidad de secado en la zona anular del lecho se

ha propuesto una modificación al lecho por fuente convencional que permita

incrementar la aireación del lecho anular, el cual es llamado lecho por fuente

fluidizado (figura II.5).

La técnica de secado en lecho por fuente-fluidizado ofrece ventajas como

coeficientes altos de transferencia de calor y masa y buen mezclado de partículas

que mejoran la homogenización del proceso y el incremento en la proporción de

secado (Zielinska y Markowski, 2007).

Figura II.5. Esquema de un secador de lecho por fuente-fluidizado.

Zielinska y Markowski (2007) reportan el secado de zanahoria en un secador lecho

por fuente-fluidizado, que en términos estrictos con base a Chaterjee, (1970)

respecto a la descripción del equipo no se puede considerar como tal debido a que

el flujo de aire se suministra a través de un distribuidor de flujo entre la sección

ANTECEDENTES

18

cilíndrica y cónica del equipo formándose un lecho fluidizado con mayor flujo de

aire en el centro del cuerpo del secador. Ellos corroboran la necesidad de

disminuir la velocidad de aire conforme el proceso de secado transcurre por el

efecto sobre las partículas de zanahoria, lo que complica la aplicabilidad práctica

del secador.

Cárdenas (2007) deshidrató cubos de zanahoria en un secador de lecho por

fuente fluidizado con flujos de aire independientes por el canal central y la zona

anular, sin embargo reporta que debido al encogimiento es imposible mantener la

velocidad de aire de secado constante por lo que es necesario disminuir los flujos

de aire por ambas zonas conforme disminuye la cantidad de humedad del sólido.

Para evitar el problema de la disminución del flujo de aire durante el secado

Almeida et al. (2004) realizaron el secado de cubos de guayaba por lotes en dos

etapas; la primera etapa en lecho fijo y la segunda en lecho por fuente, pero aun

así reportan una importante reducción de los valores de densidad y diámetro de

partícula en la segunda etapa de secado.

Pallai et al. (1987) sugieren el secado de zanahoria en dos etapas en continuo

empleando el secador lecho por fuente; sin embargo, debido al encogimiento

significativo de las partículas reportan que es necesario reducir el flujo de aire de

secado y la temperatura entre la primera y segunda etapa, encontrando resultados

favorables tanto en calidad del producto como eficiencia de secado.

Con base a lo anterior, en este trabajo se estudia el secado por lotes de cubos de

zanahoria en dos etapas en lecho por fuente, manteniendo en cada una de ellas

condiciones constantes para facilitar el control de la operación.

ANTECEDENTES

19

II.5 LA ZANAHORIA Y SUS BENEFICIOS

Zanahoria es el nombre común dado a la raíz de la planta herbácea bianual que

pertenece a la familia de las Umbelíferas (figura II.6), al género Daucus y especie

carota (NMX-FF-024-1982). La zanahoria (Daucus carota L.) es originaria de

formas silvestres desarrolladas en Europa y occidente de Asia (Banga, 1984) y fue

traída al nuevo mundo por los colonizadores españoles e ingleses, haciéndose

rápidamente popular en América (Claridades agropecuarias, 2000).

Figura II.6. Zanahoria (Daucus carota L.) tipo Nantes.

La raíz generalmente crece profunda y ramificada; el tallo de la inflorescencia es

acanalado, velludo y es de 30 a 100 cm de alto; las hojas son compuestas y

pinadas; las inflorescencias son umbelas compuestas de flores blancas. La época

de florecimiento ocurre en verano. La fruta es un aquenio cubierto con espinas

cafés. La porción comestible es la raíz primaria, la cual crece durante el primer

año de vida de la planta. La temperatura mínima de crecimiento es 5 °C y la

temperatura óptima de 18 – 25 °C (Krug, 1997). El crecimiento de la raíz, además

del genotipo y tipo de suelo, depende de factores climáticos como la radiación,

CO2 y agua (Suojala, 2000) que contribuyen en la madurez fisiológica.

La madurez fisiológica es el estado de desarrollo de la planta o parte de la planta

en el cual continua la ontogenia. En el caso de zanahoria, el contenido de

azúcares, se ha empleado como índice de madurez. Le Dily et al. (1993), define

ANTECEDENTES

20

madurez como el estado con el máximo valor del cociente de sacarosa y hexosas

(fructosa y glucosa).

Sin embargo, durante el almacenamiento un comportamiento común es el

incremento en el contenido de hexosas (fructosa y glucosa) y descenso de

sacarosa (Le Dily et al., 1993). Por otro lado, Lavelli et al. (2006) reporta el

descenso de la concentración de azúcares de 40 % y 5% después de días de

almacenamiento a 4 y 10 °C. En el caso del contenido de carotenos, no ocurrió

degradación a las temperaturas indicadas, por tanto puede emplearse como índice

de madurez.

II.5.1 EL CONSUMO DE ZANAHORIA EN MÉXICO

Esta hortaliza ha mostrado un importante crecimiento en México desde 1975, a tal

grado que se han duplicado tanto las áreas sembradas como la producción.

(Claridades agropecuarias, 2000)

La zanahoria es una de las hortalizas más consumidas en México, siendo el

consumo en fresco el que ha prevalecido a lo largo de las últimas décadas como

el mayor demandante de este producto (Claridades Agropecuarias, 2000).

Sin embargo, para la última década el consumo de hortalizas empacadas como

mínimos procesados y enlatados han tenido un realce importante como resultado

de los modelos de desarrollo actuales, y las nuevas perspectivas de consumo de

la población nacional (García, 2004). Dichas tendencias implican el desarrollo de

tecnología para la disponibilidad de productos diferenciados en el mercado, siendo

el secado una de las alternativas mayormente explotadas para la conservación de

los alimentos (Flores, 2007).

ANTECEDENTES

21

En el mercado existe gran cantidad de variedades que se pueden clasificar de

diversas maneras: color, origen, forma etc., aunque la más eficaz y concreta es

realizar una clasificación por su longitud. Con base a ésta última, la zanahoria se

puede clasificar como sigue (SIAP, 2003):

Zanahoria Nantes: Tipo de raíces de tamaño medio, con un peso cercano a 150 g,

de un largo variable entre 15 a 20 cm y un grosor de 3 cm, de forma cilíndrica, y

de color naranja intenso. Son las zanahorias que dominan el mercado para

consumo freso en muchos países.

Zanahoria Emperador: Tipo de raíces largas y delgadas, con un peso cercanos a

150 g y de un largo superior a 20 cm, de forma aguzada, de color naranja intenso

y acentuado sabor dulce.

Zanahoria Baby: Como su nombre lo indica, este tipo presenta raíces pequeñas,

con un peso de pocos gramos y un largo inferior a 10 cm, de forma cilíndrica con

punta redondeada, y de color naranja intenso.

ANTECEDENTES

22

II.5.2 PRODUCCIÓN DE ZANAHORIA

Datos de la FAO (FAOSTAT, 2010) indican que los principales países productores

son China, Rusia, Estados Unidos, Polonia y Japón, los cuales en conjunto

producen poco más del 50 % de total mundial. Con datos analizados a partir del

año 2000 a 2008, China es el principal productor a nivel mundial, en el último año

reportado por FAO este país aportó alrededor del 30 % del total mundial con una

producción de 9,292.32 miles de toneladas, mientras que Estados Unidos ocupa el

tercer lugar en producción. Es importante resaltar que el área destinada al cultivo

en este país es menor que en China, pero los rendimientos son los más altos de

los países analizados.

México aunque está dentro de los primeros 20 productores a nivel mundial, la

producción alcanzada en el mismo año fue de 386.04 miles de toneladas. En la

figura II.7 se presentan los principales países productores y la participación de

México respecto a la producción de zanahoria en el año 2008.

Figura II.7. Principales países productores de zanahoria durante el año 2008

(FAOSTAT, 2010).

ANTECEDENTES

23

Respecto a la producción nacional (figura II.8) de zanahoria se ha mantenido

constante entre los años 2000 a 2008 que es el año hasta donde se tiene datos

de acuerdo con el Sistema de Información Agropecuaria de Consulta (SIACON

2010). En México, la producción de zanahoria se lleva a cabo en cerca de 25

estados, aunque sólo cinco en conjunto han concentrado cerca del 86% de la

superficie sembrada y cosechada, así como de la producción, estos estados son

Guanajuato, Puebla, Zacatecas, México y Querétaro.

Figura II.8. Producción de zanahoria por estado de la República Mexicana en el

año 2008 (SIACON 2010).

En la Revista Claridades Agropecuarias del año 2000 reporta que de la producción

nacional de zanahoria, cerca del 88 % de la producción total es consumida por la

población nacional. Del cual aproximadamente el 90 % se destina par el consumo

en estado fresco para los diversos usos que los consumidores particulares pueden

hacer de ella. El porcentaje restante es destinado para el uso de la agroindustria,

sobre todo en elaboración de ensaladas, sopas instantáneas, así también como

complemento de chiles enlatados.

ANTECEDENTES

24

II.5.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA

El consumo de zanahoria ha aumentado por sus cualidades nutritivas debido al

contenido de vitaminas, minerales y fibra (cuadro II.1). Los carbohidratos son los

compuestos mayoritarios, la sacarosa es el azúcar predominante, seguido por la

glucosa y la fructosa. (Alasalvar et al., 2001; Suojala, 2000).

Cuadro II.1.Composición química de la zanahoria (valores nutricionales por 100 g).

Parámetro Unidad Cantidad

Agua % 90

Carbohidratos g 7.3

Proteínas g 0.6

Fibra g 3.4

Lípidos g

0.24

Vitaminas Unidad Cantidad Minerales Unidad Cantidad

A, retinol µg 774 Sodio mg 60

B1, Tiamina mg 0.07 Potasio mg 290

B2,Riboflavina mg 0.05 Magnesio mg 17

B3,Niacina mg 0.9 Calcio mg 37

B6, piridoxina mg 0.1 Fósforo mg 36

C, ácido ascórbico

mg 6.5 Hierro mg 0.5

E, Alfatocoferol

mg 0.4 Zinc mg 0.4

Vitamina K µg 19

Folato µg 16.4

Carotenoides µg 11326.1

Alonso, 2004; Fineli ® National Institute for Health and Welfare http://www.fineli.

fi/food.php.

ANTECEDENTES

25

Es importante señalar la cantidad de carotenoides que contiene esta hortaliza. La

única función reconocida que los carotenoides presentan en el organismo humano

es la capacidad de convertirse en retinol (función provitamínica-A), capacidad que

poseen aproximadamente el 10% de los carotenoides identificados en la

naturaleza, y aspecto por el que clásicamente han tenido interés estos

compuestos desde el punto de vista nutricional y fisiológico (Olmedilla et al.,

2001). También pueden jugar un papel preventivo frente al cáncer y enfermedades

cardiovasculares (Paiva y Russell, 1999).

II.5.4 CAROTENOIDES

Los carotenos desempeñan un papel muy importante en la fotosíntesis ya que

absorben luz al igual que la clorofila. Estos compuestos se pueden dividir en dos

grandes grupos de acuerdo con su estructura química: carotenos y xantofilas

(forma oxigenada de los carotenos). En la naturaleza existen tanto en forma libre

del tejido vegetal disueltos en lípidos, como formando complejos con proteínas,

carbohidratos y ácidos grasos, que generan diferentes colores según la manera en

que interaccionen (Badui, 2006).

En general, los carotenoides forman un grupo de compuestos liposolubles de color

amarillo, naranja y rojo, ampliamente distribuidos en la naturaleza y que

constituyen uno de los pigmentos más importantes; se encuentran en plátanos,

tomates, chiles, papas, duraznos, melocotones, zanahorias, leche, huevos, trigo,

maíz, soya y otros. En las plantas verdes, la clorofila es más abundante y más

intensa en color, por lo que los carotenoides presentes están enmascarados. Los

carotenoides se distinguen mejor en plantas jóvenes, cuando la clorofila aún no

desarrolla en grandes concentraciones (Badui, 2006).

Existen más de 200 carotenoides naturales de estructura conocida, así como

algunos que se modifican químicamente para emplearlos como colorantes en la

industria alimentaria; la suma total de ambos grupos es de aproximadamente 400.

ANTECEDENTES

26

Los carotenoides más comunes son: Fucoxantina, Luteína, Violaxantina,

Neoxantina, α- caroteno, β-caroteno, Zeaxantina, licopeno, Capsantina, Bixina y

Criptoxantina (Badui, 2006).

En la zanahoria existen seis tipos de carotenos - , β-, - , y -carotenos,

licopeno, β-zeacaroteno; de los cuales, β- carotenos son los predominantes

(Simon y Wolff, 1987; Heinonen, 1990; Surles, 2004). Actualmente la demanda de

β- caroteno ha incrementado debido a su actividad de provitamina A y los efectos

benéficos a la salud. Es la mayor fuente de provitamina A, provee el 17 % del

consumo total de vitamina A (Block, 1994).

II.5.5 BETA CAROTENO

El beta caroteno (figura II.9) es parte de la familia de los carotenoides, que como

ya se mencionó son encontrados en muchas frutas y vegetales, al igual que en

algunos productos animales como las yemas de huevo. Los carotenoides fueron

por primera vez aislados a inicios del siglo XIX, y han sido sintetizados para su uso

como colorantes desde 1950 (Badui, 2006).

Figura II.9. Estructura de α-Caroteno, β-Caroteno y -Caroteno.

ANTECEDENTES

27

Biológicamente el beta caroteno es el más importante al ser el precursor de la

vitamina A. Tiene propiedades antioxidantes y puede ayudar a la prevención de

cáncer y otras enfermedades.

El beta caroteno (C40H56), tiene dos anillos de ionona unidos a través de una

cadena intermedia isoprenoide con nueve dobles ligaduras conjugadas que

contribuyen a la estabilidad y el color de los carotenoides. La abertura de los

anillos o el aumento de la conjugación de los enlaces produce un cambio de color

hacia el rojo, mientras que la epoxidación o la pérdida de conjugación produce

colores amarillos. La diferencia entre los isómeros y estriba en la posición de

una doble ligadura en al anillo -ionona como se observa en la figura II.9, mientras

que el isómero tiene solamente un grupo cíclico cerrado (Badui, 2006).

Debido a su estructura, los carotenos están sujetos a cambios como la

isomerización y oxidación durante el procesamiento y almacenamiento, entre las

consecuencias están la pérdida de color, actividad biológica y de sus

características organolépticas. La oxidación se genera por radicales libres,

generados por altas temperaturas, presencia de oxígeno, metales, enzimas;

exposición a la luz, severidad del tratamiento térmico; material de empaque y

condiciones de almacenamiento (Rodriguez-Amaya ,2001). La pérdida de estos

pigmentos se presenta generalmente durante el secado de frutas y vegetales

(Badui, 2006 y Phanindra et al., 2001).

ANTECEDENTES

28

II.5.6 ENZIMAS PRESENTES EN LA ZANAHORIA

Anthon y Barret (2002) reportaron la presencia de peroxidasa (POD), pectin

metilesterasa (PME) y poligalacturonasa (PG) en la zanahoria. Mencionan que la

polifenoloxidasa (PFO) solo se encuentra en la cáscara, la cual es generalmente

desechada durante el proceso industrial al que se destine la zanahoria.

La PG y la PME están involucradas en la degradación de pectinas, afectando la

viscosidad y textura del producto. La PFO es la responsable del oscurecimiento y

desarrollo de colores desagradables. La POD cataliza la decoloración de

carotenoides en ausencia de ácidos grasos insaturados y de antocianinas,

además de ser resistente a la inactivación por calor (Badui, 2006).

La enzima peroxidasa (EC 1.11.1.7) cataliza las reacciones de oxidación usando

peróxidos u oxígeno como aceptor de hidrógeno. El mecanismo de las

peroxidasas está basado en la formación del complejo enzima – donador de

hidrógeno (Hemeda y Klein, 1991). Los donadores de hidrógeno pueden ser

fenoles, aminas u otros compuestos orgánicos. Los productos que son formados

durante la oxidación depende de la identidad de los donadores de hidrógeno

(Soysal y Soylemez, 2005).

La enzima pectinmetilesterasa (EC 3.1.1.11) cataliza la de-esterificación del

polímero ácido poligalacturonico metil ester para formar ácido pectico, metanol y

iones de hidrogeno como parte de enzimas pecticas de hidrolización, y conduce a

la formación de un gel pectato de calcio (Nguyen et al., 2002).

Konno et al. (1981) ha reportado actividad de la enzima exopoligalacturonasa (EC

3.2.1.67) en la zanahoria. El papel fisiológico de las enzimas poligalacturonasas es

romper el enlace glucosídico - (1-4) del ácido galacturónico de las pectinas por

una acción que se puede llevar a cabo tanto en el interior del polímero (endo)

como a partir de los extremos (exo) (Badui, 2006). Esta enzima presenta alta

ANTECEDENTES

29

estabilidad térmica lo que sugiere actividad residual después de tratamientos

térmicos (Anthon y Barret, 2002).

Para prevenir cambios durante el almacenamiento, frutas y vegetales son

generalmente sujetos a algún tipo de tratamiento térmico para inactivar estas

enzimas. Tratamientos como escalde, pasteurización, esterilización comercial son

comúnmente usados, sin embargo también se propone el uso de alta presión o

campos eléctricos pulsados (Anthon y Barret, 2002).

La estabilidad térmica de los carotenos y las enzimas antes mencionadas pueden

emplearse como indicadores de termodegradación en métodos de conservación

como el secado.

Fano et al. (2008) determinó el efecto del atemperado sobre el proceso de

deshidratación por lecho fluidizado de cubos de zanahoria reflejado en la

retención de carotenos, actividad residual de las enzimas invertasa, peroxidasa y

polifenoloxidasa y rehidratación. De los resultados obtenidos el esquema de

secado que presenta más ventajas en tiempo de proceso es 20 x 20 (relación al

tiempo de secado x tiempo de reposo) a 70 °C de temperatura del aire, en el que

se logra retener aproximadamente 95 % del contenido total de carotenos, y

respecto a la actividad enzimática residual obtuvo porcentajes de 22% de

peroxidasa y 50 % de invertasa.

Cardenas, (2007) realizó la deshidratación de cubos de zanahoria en lecho

fluidizado, lecho por fuente fluidizado con y sin tubo central. Evaluó parámetros de

calidad como la retención de carotenos no encontrando degradación de éstos en

ninguno de los secadores probados. De igual forma evaluó la actividad residual de

peroxidasa, obtuvo cerca del 60% de retención en el secador de lecho por fuente

fluidizado con tubo central contra 40 % en lecho fluidizado para condiciones

similares de secado. También evaluó la actividad de pectinmetilesterasa

ANTECEDENTES

30

observando una retención de alrededor del 100 % en el secado de lecho por

fuente fluidizado con tubo central con respecto a 94 % en lecho fluidizado.

Así también a continuación se mencionan otros trabajos donde se realizó la

deshidratación de zanahoria empleando diferentes técnicas de secado evaluando

como parámetro de calidad el contenido de carotenos:

Regier et al. (2005) investigaron la estabilidad de β-caroteno durante la

deshidratación por convección con aire y gas inerte, microondas-vacío y

liofilización de zanahoria. Después del secado por convección a temperaturas

debajo de 70 °C, el contenido de β-caroteno no cambió independiente del medio

de secado. El secado por liofilización no mostró ventaja frente al secado por

convección respecto a la retención de carotenos. En microondas-vacío se obtuvo

alta retención de carotenos en un corto tiempo de cerca de 2 horas.

Wang y Xi, (2005) realizaron el secado de zanahoria en un sistema de microondas

de dos etapas, evaluando el contenido de β-caroteno y la capacidad de

rehidratación. El contenido de β-caroteno disminuyo con un incremento en la

potencia aplicada durante la segunda etapa y duración de la primera etapa.

Suvarnakuta, et al. (2005) evaluaron la degradación de β-caroteno bajo diferentes

procesos de secado como vapor sobrecalentado a baja presión (LPSSD), vacío y

por convección. El secado por LPSSD y en vacío provocan menor degradación de

β-caroteno que en el caso de convección. La pérdida de β-caroteno dependió más

de la temperatura de la zanahoria que del contenido de humedad determinados a

lo largo de cada uno de los procesos de secado.

Phanindra et al. (2001) investigaron el efecto de la combinación del secado por

liofilización y convección en la calidad de la zanahoria. El contenido total de

carotenoides fue afectado significativamente durante el proceso. El secado por

convección produce encogimiento, dureza y baja rehidratación. El producto

ANTECEDENTES

31

liofilizado es poroso y presentó buena rehidratación. La calidad de la zanahoria a

través del secado por combinación de métodos fue superior al secado por

convección y similar a la liofilización en lo que respecta a apariencia y

rehidratación.

Zhen- Wei et al. (2004) compararon el efecto del secado sobre rebanadas de

zanahoria empleando microondas-vacío , liofilización y convección. Los resultados

muestran que la retención de carotenos con el secado por microondas-vacío fue

próximo a liofilización y mejor que por el método convencional de convección.

Como se puede apreciar en los trabajos antes mencionados, existen reportes

donde se compara varios procesos de deshidratación de zanahoria y donde en la

mayoría se utilizó la concentración de β-caroteno como parámetro de calidad y en

otros además de éste, se analiza la actividad enzimática residual. Es por este

motivo que en el presente trabajo se hace un estudio comparativo del daño

térmico sufrido por la zanahoria en términos de degradación enzimática como

peroxidasa y pectinmetilesterasa, además del contenido de carotenos durante el

secado en una etapa y dos etapas en lecho por fuente con el objetivo de mejorar

la calidad del producto deshidratado.

32

III. JUSTIFICACIÓN

El uso de secadores que funcionan por convección es una alternativa para

métodos de secado como el secado por liofilización o con vacío debido a los altos

costos de inversión y de mantenimiento. Los secadores de lecho por fuente y

lecho por fuente-fluidizado se han aplicado para el secado de vegetales como la

zanahoria con el objetivo de mejorar la calidad del producto final. Dentro de las

principales ventajas del uso de estos secadores esta la reducción de los tiempos

de secado al mejorar el contacto de sólido-gas, logrando menor daño térmico en el

producto deshidratado. Sin embargo, debido al gran efecto de encogimiento que

se produce durante este proceso, no es posible mantener la velocidad de aire

constante en el secado por lotes y se hace necesario reducirla conforme el tiempo

de operación transcurre, lo que dificulta la operación del equipo.

En el caso de la zanahoria, el proceso de secado cobra importancia debido a la

gran termolabilidad que tienen sus componentes, principalmente el contenido de

beta carotenos, cuyo contenido es apreciado nutricionalmente por los

consumidores. Por tanto, en el presente proyecto se realizó el secado por lotes de

cubos de zanahoria en dos etapas, aprovechando las ventajas del secador de

lecho por fuente convencional y lecho por fuente-fluidizado en conjunto, bajo

condiciones constantes de operación respecto al flujo de aire para minimizar el

efecto de encogimiento respecto al control de la operación. Asi mismo, se evaluó

la degradación térmica del producto con la retención de betacarotenos, actividad

enzimática de peroxidasa y pectinmetilesterasa, capacidad de rehidratación y color

del producto deshidratado.

33

IV. OBJETIVOS

IV.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar comparativamente la deshidratación de cubos de zanahoria en lecho por

fuente de una y dos etapas en condiciones constantes de operación, a través de

su efecto sobre los coeficientes de difusión y algunos parámetros de calidad.

IV.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar la primera etapa de secado de cubos de zanahoria en un secador

de lecho por fuente convencional nivel semipiloto a tres diferentes

temperaturas: 60ºC, 70ºC, 80ºC y una velocidad de aire de secado

constante.

Realizar la segunda etapa de secado de los cubos de zanahoria en un

secador de lecho por fuente-fluidizado nivel laboratorio, con temperaturas

del aire por el ducto central y la zona anular de 60ºC, 70ºC, 80ºC; utilizando

velocidades de aire de secado constantes tanto para la fuente como para el

espacio anular.

Realizar el secado de cubos de zanahoria en una sola etapa en el secador

de lecho por fuente convencional nivel semipiloto a tres diferentes

temperaturas: 60ºC, 70ºC, 80ºC variando el flujo de aire para hacer una

comparación de los esquemas de secado.

Determinar los coeficientes de difusividad para las condiciones de

operación planteadas en una sola etapa y dos etapas de secado.

Determinar el contenido de β-carotenos, actividad enzimática de peroxidasa

y pectinmetilesterasa y color en cubos de zanahoria fresca y seca.

Evaluar el encogimiento de la partícula de zanahoria en cada etapa de

secado y la capacidad de rehidratación de la zanahoria seca.

34

V. MATERIALES Y MÉTODOS

V.1 MATERIA PRIMA

Zanahoria (Daucus carota L.) tipo Nantes obtenida de un mercado local.

V.2 MATERIALES Y REACTIVOS DE GRADO ANALÍTICO

Espectrofotómetro UV-Vis Jenway 6305

Espectrofotómetro colormate HDS

Molino de café marca Braun KSM2

Estufa de vacío marca Lindberg/Blue M

Cubicador de papas a la francesa manual marca Acosta

Material de uso común en el laboratorio

Eter de petróleo (Marca REALYT´S)

Acetona (Marca REALYT´S)

Arena de mar (lavada y seca) (Marca Mallinckrodt)

Agua desionizada

Sulfato de sodio anhidro (Marca REASOL)

β-caroteno puro (Marca SIGMA)

Peróxido de Hidrógeno (Marca REASOL)

Hidróxido de sodio 0.01 N (Marca J.T. Baker)

Hidróxido de sodio 0.1 N (Marca J.T. Baker)

Cloruro de sodio (Marca Monterrey, S.A.)

Pectina cítrica (Marca REASOL)

o-dianisidina (Marca SIGMA)

Aceite comestible

MATERIALES Y MÉTODOS

35

V.3 EQUIPO DE SECADO

V.3.1 SECADOR DE LECHO POR FUENTE CONVENCIONAL SEMIPILOTO

La deshidratación de cubos de zanahoria en dos etapas se realizó en secadores

de lecho por fuente de diferente dimensión debido a que al deshidratar la carga

inicial se reduce el tamaño de la partículas conforme transcurre el proceso de

secado. Por tanto, en el esquema de dos etapas se requiere de un secador más

pequeño para alimentar la carga procedente de la primera etapa de secado.

El secador de lecho por fuente convencional a utilizar en la primera etapa de

secado está formado por una columna cilíndrica de acrílico de 60 cm de alto, de

25 cm de diámetro interno colocado sobre una base cónica de acero inoxidable de

60° de ángulo interno (figura V.1).

Figura V.1. Secador de lecho por fuente convencional nivel semipiloto.

La columna de acrílico sostiene en la parte superior una malla metálica de acero

inoxidable de 4 mm de apertura con el fin de impedir la salida de material

deshidratado. Esta malla tiene una perforación circular en la que se inserta la tolva

de alimentación de acero inoxidable de 15 cm de diámetro y ángulo de 60°

internos.


36

El flujo de aire necesario para la fuente es manejado por un turbo ventilador de

5 HP, controlado por medio de una válvula de compuerta y medido con un medidor

de orificio el cual fue calibrado con un anemómetro de propela (Anexo 1). El

sistema de calentamiento consiste de un quemador de gas LP controlado con una

válvula de aguja y la temperatura del aire en la entrada es medida con un

termopar tipo K.

Las velocidades superficiales de aire inyectado al secador para la fuente se

midieron determinando las diferencias de presión del flujo de aire a través de un

medidor de orificio conectado a un manómetro en U para el soplador con base a la

curva de calibración del Anexo 1.

V.3.2 SECADOR DE LECHO POR FUENTE FLUIDIZADO NIVEL LABORATORIO

Dado el encogimiento sufrido por los cubos de zanahoria en la primera etapa de

secado, la segunda etapa se realiza en un secador de lecho por fuente nivel

laboratorio, que por limitaciones del ventilador para el aire por la fuente fue

necesario trabajarlo como lecho por fuente fluidizado para poder formar la fuente y

permitir la libre circulación de las partículas.

El cuerpo del equipo está formado por una columna cilíndrica de acrílico de 50 cm

de alto, 14.3 cm de diámetro interno, colocado sobre una base cónica de acero

inoxidable perforada en toda su superficie que conduce de manera independiente

tanto el aire adicional a través del espacio anular del lecho, como el aire central

para formar la fuente (figura V.2). El flujo de aire necesario para la fuente y el

ánulo es manejado por ventiladores independientes con sus respectivas válvulas

de control.


37

Figura V.2. Secador de lecho por fuente- fluidizado nivel laboratorio.

El sistema de calentamiento tanto para el aire anular como para la fuente está

formado por un sistema de resistencias eléctricas, operadas por un control

automático de tipo proporcional derivativo con sensor tipo K para mantener las

temperaturas de entrada de aire al valor especificado.

La velocidad del aire alimentado al secador para la fuente y para la región anular

se determina con las diferencias de presión del flujo de aire a través de medidores

de orificio conectados a manómetros de agua, previamente calibrados con un

anemómetro de propela (Anexo 2 a y b).

La columna de acrílico sostiene en la parte superior una malla metálica de acero

inoxidable de 4 mm de apertura con el fin de impedir la salida de material

deshidratado. Esta malla tiene una perforación circular en la que se inserta la tolva

de alimentación de acero inoxidable con 15 cm de diámetro y ángulo de 60°

internos.


38

Lavado

Remoción de corona y punta y

pelado manual

Cubicado-cribado

Secador lecho por fuente convencional nivel semipiloto de 25 cm diámetro Uso = 1.65 m/s

Ts = 60, 70 y 80 °C

Análisis de β-caroteno y actividad enzimática residual, color

Rehidratación

Zanahoria tipo Nantes

Caracterización de partículas, análisis de

β-caroteno y actividad enzimática

Encogimiento

V.4 DESARROLLO EXPERIMENTAL

El desarrollo experimental para la deshidratación de cubos de zanahoria en una

sola etapa se resume en el diagrama de bloques de la figura V.3, las condiciones

de operación indicadas en este diagrama fueron establecidas después de realizar

pruebas preliminares indicadas en el apartado VI.:

Figura V.3. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del secado en una

sola etapa. Uso = Velocidad de operación inicial del aire por el “spout”; Ts =

Temperatura de entrada del aire de secado por el “spout”.


39

Lavado

Remoción de corona y punta y

pelado manual

Cubicado-cribado

1ª etapa de secado Secador lecho por fuente convencional nivel semipiloto de 25 cm diámetro

Us = 1.65 m/s T = 60, 70 y 80° C

Análisis de β-caroteno y actividad enzimática residual, color

Rehidratación

Zanahoria tipo Nantes

Caracterización de partículas, análisis de

β-caroteno y actividad enzimática

2 ª etapa de secado Secador lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio de 14.3 cm

diámetro Us = 0.68 m/s; Ts= 60, 70 y 80° C

Ua = 1.35 m/s; Ta = Ts T = 60, 70 y 80 °C

Encogimiento

El desarrollo experimental para la deshidratación de cubos de zanahoria en dos

etapas se resume en el diagrama de bloques de la Figura V.4:

Figura V.4. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del secado en dos

etapas. Us = Velocidad de operación del aire por el “spout”; Ua = Velocidad de

operación del aire por el ánulo; Ts = Temperatura de entrada del aire de secado

por el “spout”; Ta = Temperatura de entrada del aire de secado por el ánulo.


40

V.4.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA

La materia prima se lavó para eliminar impurezas y suciedad, luego se procedió a

remover la corona y punta y se eliminó la cáscara con un pelador manual.

Posteriormente, la zanahoria se cortó en mitades, y luego en rodajas para obtener

finalmente los cubos. Previamente el cubicador de papas a la francesa se

acondicionó con cuchillas para obtener rodajas y otras cuchillas para obtener los

cubos. El rendimiento aproximado de la zanahoria fresca después de obtener

cubos fue de 75 %. Los cubos obtenidos fueron de aproximadamente 0.8 cm x 0.8

cm x 0.8 cm y se procedió a cernir en una criba con malla de 9.51 mm de abertura

para obtener los cubos más uniformes que quedaron sobre la malla. De éstos, se

tomó una muestra para determinar β-caroteno, actividad enzimática, color y

características físicas de las partículas antes de cada experimento de secado.

En ambos procesos de secado los cubos de zanahoria se deshidrataron hasta una

humedad final de aproximadamente 0.1 base seca, para lo cual en la segunda

etapa del esquema de dos etapas y en un sola etapa se realizaron corridas largas

de secado con el fin de fijar el tiempo aproximado en el que la carga deshidratada

contenía la humedad planteada. En las corridas largas de secado se utilizaron las

condiciones de temperatura, velocidad de aire, carga inicial de cubos de zanahoria

mencionados en las figuras V.3 y V.4 y conforme el proceso de secado transcurría

se retiraron muestras a intervalos de tiempo para determinar el contenido de

humedad y volumen de partícula.

V.4.2 SECADO EN UNA SOLA ETAPA

El secado de cubos de zanahoria en dos etapas se comparó con un esquema de

una sola etapa en el secador de lecho por fuente convencional semipiloto a las

mismas temperaturas de proceso. En este caso, fue necesario ir reduciendo la

velocidad de aire conforme el secado transcurrió. La carga inicial de cubos de

zanahoria fue de 1.98 kg al igual que en el secado de dos etapas tal como se

determinó de pruebas preliminares y se realizaron corridas a 60, 70 y 80°C donde

se evaluaron los parámetros de calidad indicados para el esquema en dos etapas.


41

Al igual que en el esquema de secado de dos etapas, se tomaron muestras de 20

cubos de zanahoria para determinar el contenido de humedad y volumen de la

partícula hasta alcanzar el contenido final de humedad de 0.1 base seca. En el

esquema de secado de una sola etapa iniciado el proceso a la velocidad inicial

para la fuente, los cubos fueron retirados cada 10 minutos a partir de ese

momento y durante el tiempo que se mantuvo el primer cambio de velocidad de

aire, durante el segundo cambio de velocidad los cubos fueron retirados cada 15

minutos y en el último cambio de velocidad de aire hasta el final del proceso, los

cubos fueron retirados cada 20 min. El tiempo de duración de cada cambio de

velocidad se indica en el apartado VII de resultados para el esquema de una sola

etapa.

V.4.3 SECADO EN DOS ETAPAS

V.4.3.1 PRIMERA ETAPA DE SECADO: SECADOR DE LECHO POR FUENTE

CONVENCIONAL NIVEL SEMIPILOTO

El equipo se acondiciona a la temperatura y velocidad de entrada de aire de

trabajo, posteriormente se alimenta una carga de cubos de zanahoria de 1.98 kg

(cantidad determinada de pruebas preliminares indicadas en el apartado VI) por la

parte superior del cuerpo del secador a través de una tolva de alimentación para

sólidos. La cantidad de cubos agregado ocupó aproximadamente una altura

estática de lecho equivalente a la zona cónica del cuerpo del secador. Enseguida

de terminar de cargar el material se verificó y reajustó la velocidad y temperatura

del aire en caso de ser necesario.

Iniciado el proceso de secado en la primera etapa se procedió a retirar 20 cubos

de zanahoria cada 10 minutos para determinar contenido de humedad y volumen

de partícula, esto se realizó introduciendo un pequeño muestreador por la parte

superior del secador. En el esquema de secado a 60°C se realizó esta operación

durante los primeros 40 minutos debido a que a los 50 min las partículas empiezan

a golpear fuertemente la malla en la parte superior del cuerpo del secador, por

tanto la última muestra se tomó después de retirar la carga total de cubos de


42

zanahoria de la primera etapa. Para el secado a 70 y 80°C, las muestras de 20

cubos de zanahoria se retiraron cada 10 minutos en los primeros 30 min con el

muestreador y la última muestra como se indicó anteriormente. Al término del

tiempo de secado en la primera etapa, el total del material deshidratado se retira

de la primera etapa y se pasa a la segunda etapa donde ocupa una altura estática

de un diámetro de columna (H/Dc =1).

V.4.3.2 SEGUNDA ETAPA DE SECADO: SECADOR DE LECHO POR FUENTE-

FLUIDIZADO NIVEL LABORATORIO

Antes de retirar la carga de zanahoria de la primera etapa, se acondiciona la

temperatura y velocidad del aire de la fuente y del ánulo en el secador lecho por

fuente-fluidizado de la segunda etapa. La carga de cubos de zanahoria

deshidratado de la primera etapa se alimenta por la parte superior del cuerpo del

secador a través de una tolva de alimentación. El lote de material cargado ocupa

una altura estática de lecho equivalente a un diámetro de columna (H/Dc=1). Al

terminar de alimentar el material se verifica y reajusta la velocidad y temperatura

del aire en caso de ser necesario.

Iniciado el proceso de secado se procede a retirar 20 cubos de zanahoria para

determinar contenido de humedad y volumen de partícula, esto se realiza

introduciendo un muestreador por la parte superior del secador. En los esquemas

de secado a 60, 70 y 80 °C se muestrea cada 10 minutos en la primera hora de

secado, cada 20 minutos en la segunda hora, cada 30 minutos en la tercera hora y

cada 60 minutos en las horas posteriores. La última muestra se toma después de

retirar la carga total de zanahoria deshidratada.


43

V.5 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS

CUBOS DE ZANAHORIA

V.5.1 VOLUMEN DE PARTÍCULA

La determinación del volumen se realizó en cubos de zanahoria fresca y durante

cada etapa de secado con el método reportado por Mohsenin (1970) modificado

que consiste en la inmersión de las partículas en una probeta con volumen

conocido de aceite para conocer el volumen de aceite desplazado.

Del muestreo de cubos de zanahoria realizado en cada esquema de secado, para

la zanahoria fresca y seca se pesaron y colocaron 10 cubos de zanahoria en una

probeta de 50 ml con 25 ml de aceite comestible. Para la zanahoria deshidratada

al 10 % de humedad, se pesaron y colocaron los 10 cubos en una probeta de 25

ml con 15 ml de aceite. La determinación del volumen de partícula se realizó por

triplicado para todas las muestras, los valores promedio y la desviación estándar

fueron calculados. El volumen se calculó de acuerdo a la ecuación:

Donde:

Vp = Volumen de partícula

Vda = Volumen desplazado de aceite

Np = Número de partículas

V.5.2 DENSIDAD DE PARTÍCULA (DENSIDAD APARENTE)

La densidad aparente en cubos de zanahoria se determinó a partir de datos

obtenidos del volumen de partícula y aplicando la ecuación (10).

da

p

pV

mρ (10)

p

da

pN

VV

(9)


44

Donde:

p = Densidad de partícula

mp = Masa de las partículas

Vda = Volumen desplazado de aceite

V.5.3 DETERMINACIÓN DEL RADIO EQUIVALENTE

La determinación del radio de esfera equivalente (req) se calculó con la ecuación

(11), donde el volumen de partícula (ecuación 9) fue considerado como el volumen

equivalente de una esfera (VC) dado el cambio de geometría del cubo de

zanahoria durante el proceso de secado

3 c

eq4π

3Vr

Para el cálculo del coeficiente de difusión de cada etapa de secado se utilizó el req

medio logarítmico obtenido al inicio y final para cada una de ellas.

V.6 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD

La determinación de humedad se realizó tanto en la zanahoria fresca como en los

cubos retirados a diferente tiempo en cada esquema de secado y en la zanahoria

deshidratada final. El método seguido para esta determinación consistió en triturar

10 cubos de zanahoria, pesarlos y colocarlos en una caja de aluminio a peso

constante y mantenerlos en un horno de secado a una temperatura de 100 ± 2 °C

durante toda la noche. Posteriormente se dejaron enfriar en un desecador hasta

temperatura ambiente y se determinó el peso. El contenido de humedad se calculó

de la pérdida de peso respecto de la muestra fresca (Regier et al., 2005, Liu et al.,

2007).

(11)


45

V.7 DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES HIDRODINÁMICAS

V.7.1 VELOCIDAD MÍNIMA DE FLUIDIZACIÓN

La determinación de la velocidad mínima de fluidización se realizó a temperatura

ambiente para cubos de zanahoria fresca, mediante el siguiente método:

inicialmente se determinó la caída de presión en una columna de acrílico de 9 cm

de diámetro interno montado en el secador nivel laboratorio utilizando una lámina

perforada como distribuidor de flujo. Se hizo pasar un flujo de aire que se

disminuyo gradualmente y se registro la caída de presión en cm de agua del lecho

vacío en un manómetro en U.

Posteriormente en la columna de acrílico se colocó cierta cantidad de cubos de

zanahoria hasta una altura determinada y se suministró aire suficiente para

fluidizar los cubos de zanahoria. El flujo de aire de fluidización se disminuyó

gradualmente y se registró la caída de presión correspondiente para cada

velocidad de flujo con un manómetro en U. Este procedimiento se continuó hasta

cerrar por completo el flujo de aire. La velocidad mínima de fluidización se obtiene

en el cambio de pendiente de la curva descendente de la caída de presión en

función de la velocidad superficial del aire (Kunii y Levenspiel,1991).

Para el cálculo de la velocidad mínima de fluidización se procedió de la siguiente

manera: se realizó una gráfica de los valores de caída de presión obtenidos a

través del lecho, corregido por la caída de presión del equipo vacío a cada flujo de

aire, en función de la velocidad superficial del aire calculada con la ecuación (12)

de calibración del soplador (Anexo 2b) corregido por el diámetro de columna de

acrílico utilizada:

2

2

12627.01285.0

d

dPUo

Donde

d1 = diámetro de la cámara a la cual está calibrado el soplador (14.3 cm)

d2 = diámetro de la columna de acrílico (9 cm)

(12)


46

P = caída de presión registrada en el medidor de orificio (cm de agua)

Uo = velocidad superficial del aire (m/s)

V.7.2 VELOCIDAD MÍNIMA DE FORMACIÓN DE LA FUENTE

La determinación de la velocidad mínima de formación de la fuente se realizó a

temperatura ambiente para la zanahoria fresca, mediante el siguiente método: la

velocidad mínima de formación de la fuente se determinó a partir de la curva de

caída de presión del lecho en función de la velocidad superficial de un lecho de

cubos de zanahoria corregido por la caída de presión del equipo vacío. En el

cuerpo del secador de lecho por fuente convencional semipiloto se colocó 1.98 kg

de cubos de zanahoria hasta una altura que cubriera el lecho cónico, que es la

cantidad de material de zanahoria fresca usada en las corridas de secado, y se

suministra aire suficiente para formar la fuente de los cubos de zanahoria. El flujo

de aire se disminuye gradualmente y se registra la caída de presión

correspondiente para cada velocidad de flujo, este procedimiento se continuó

hasta cerrar por completo el flujo de aire. Para el cálculo de velocidad superficial

del aire y caída de presión en el lecho se procede como en el caso de la

determinación de velocidad mínima de fluidización.

La velocidad superficial en el secador lecho por fuente semipiloto se obtiene de la

ecuación del soplador previamente calibrado (Anexo 1), la cual es la siguiente:

)(1015.0)(0015.0 2 PPUo

La misma determinación se realizó con la zanahoria alimentada a la segunda

etapa de secado en el secador lecho por fuente nivel laboratorio con la ecuación

de calibración respectiva (Anexo 2a):

4242.0)(1046.0 PUo

(13)

(14)


47

V.8 DETERMINACIÓN DE CURVAS DE SECADO

Las curvas de secado en la primera etapa de secado en el secador lecho por

fuente convencional semipiloto se obtuvieron retirando 10 cubos de zanahoria

cada 10 minutos durante el tiempo de secado en esta etapa y posteriormente se

determino el contenido de humedad de cada muestra. De igual manera en la

segunda etapa en el secador lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio se

retiraron 10 cubos de zanahoria cada 10 minutos durante la primera hora de

secado; cada 20 minutos en la segunda hora; cada 30 min durante la tercer hora y

cada 60 min en horas posteriores.

Para el secado en una sola etapa se retiraron 10 cubos en tiempos similares al

esquema en dos etapas. Para poder comparar las curvas de secado de los

diferentes lotes y en diferentes condiciones de operación se determinó la humedad

adimensional, definida como la relación del contenido de humedad base seca al

tiempo (X) con respecto al contenido inicial de humedad base seca (Xo) y se

construyó la gráfica correspondiente respecto al tiempo.

V.9 DETERMINACIÓN DE CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO

Después de verificar que el secado se lleva a cabo en el período decreciente, la

determinación de las curvas de velocidad de secado tanto en una sola etapa como

en dos etapas de secado se obtuvo ajustando un polinomio de grado 4 ó 5 a los

puntos experimentales de la curva de secado, se obtuvo la primera derivada de

dicho polinomio y se sustituyeron valores de humedad base seca. Posteriormente

se realizó la gráfica de la derivada en función de la humedad base seca para

evaluar el efecto de la temperatura de secado.


48

V.10 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DIFUSIVOS

El valor del coeficiente de difusión efectiva de la humedad a través del sólido para

cada etapa de secado se determinó en el período de velocidad decreciente de

secado aplicando la segunda ley de Fick considerando la partícula como una

esfera:

Se llevó a cabo una recopilación de datos de contenido de humedad a

diferentes intervalos de tiempo durante cada etapa y esquema de secado.

Se aplicó la segunda ley de Fick considerando la partícula como una esfera

dado el cambio de geometría del cubo de zanahoria durante el proceso de

secado, con la ecuación (5) indicada en el apartado II:

2

2

2

6 eq

ef

r

D

eo

e eXX

XX

Donde:

X = contenido de humedad a cualquier tiempo (kg agua/kg de sólido seco)

Xe = contenido de humedad en equilibrio (kg agua/kg de sólido seco)

Xo = contenido de humedad inicial (kg agua/kg de sólido seco)

req = radio de esfera equivalente (m)

Def = coeficiente de difusión efectiva (m2/s)

= tiempo (s)

Los coeficientes difusivos se determinan a partir del logaritmo natural de los

términos de la ecuación anterior (ecuación 15), mediante la gráfica del

logaritmo natural de la humedad incumplida en función del tiempo:

2

2

2

6LnLn

eq

ef

eo

e

r

D

XX

XX

mθby

ef

2

eq

Dr

m

(5)

(15)

(16)

(17)


49

- Del valor de la pendiente (m) en la ecuación lineal obtenida y del radio

equivalente (req) se realiza la evaluación de los coeficientes de difusión (Def)

aplicando la siguiente ecuación (18):

2

2

eq

ef

rmD

V.11 DETERMINACIÓN DE ENCOGIMIENTO

El grado de encogimiento de los cubos de zanahoria en cada etapa de secado se

determinó como lo reportan autores como Madiouli et al. (2007) considerando el

caso de porosidad inicial igual a cero. El método consiste en determinar la relación

del volumen de partícula a diferente tiempo con el volumen inicial y la humedad

adimensional obtenida de la relación humedad base seca a diferente tiempo con la

humedad base seca inicial. La relación de volumen de partícula se considera el

grado de encogimiento y se realiza una gráfica de la relación de encogimiento

respecto a la humedad adimensional.

V.12 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIVIDAD

INCLUYENDO EL EFECTO DE ENCOGIMIENTO

Debido al encogimiento que presentan los cubos de zanahoria durante el secado,

es importante evaluar la difusividad del agua considerando este efecto, para lo

cual se propone usar la ecuación de Hawlader citada por Giovanelli et al. (2002)

quien propone una correlación para predecir el radio (r´) de un alimento durante el

secado, la cual es una relación de la masa inicial del alimento (m0) y al tiempo

(m), en donde n es un parámetro de ajuste y r se refiere al radio inicial.

(18)


50

β

n

om

mrr´

Debido a que en el presente trabajo se determinó de forma experimental r´ (radio

equivalente) y masa de la partícula tanto inicial como a diferente tiempo a lo largo

del secado, estos valores se consideran para determinar el valor de n. Este valor

se obtuvo por una regresión lineal de la forma logarítmica de la ecuación (8) como

se indica en la ecuación (20):

om

mnrr Ln Ln Ln

Posteriormente el valor de r´ de la ecuación (8) evaluado con el parámetro n se

sustituye en la ecuación (16) de manera de calcular el coeficiente de difusividad

incluyendo el efecto del encogimiento a partir de la pendiente de la gráfica de

logaritmo natural de la humedad incumplida en función de /r’2 como lo indica la

siguiente ecuación:

2

2

2

6LnLn

n

o

o

ef

eo

e

m

mr

DXX

XX

V.13 DETERMINACIÓN DE -CAROTENOS

La determinación de carotenos en la zanahoria fresca y deshidratada en cada

etapa y esquema de secado se llevó a cabo como lo reportan Zhen-Wei et al.

(2004) por un método modificado de la AOAC. El método consistió en la extracción

con una mezcla de éter de petróleo/acetona y la determinación cuantitativa por su

absorbancia a 450 nm. Los valores de absorbancia fueron referidos a una curva

(8)

(20)

(19)


51

tipo obtenida utilizando trans-β-caroteno puro y diluido con éter de petróleo al 100

%. Los resultados se reportan basados en los sólidos secos de la muestra.

Se tomaron aproximadamente 50 g de cubos de zanahoria fresca y se secaron al

vacío a 60 °C pues estos autores reportan una pérdida despreciable de β-caroteno

cuando la zanahoria es secada de esta forma. Posteriormente se pulverizó en un

molino de café. El método consistió en macerar 0.5 g base seca de este polvo con

una gotas de agua, 40 mL de una mezcla de éter de petróleo/acetona (1:1 v/v) y 3-

4 g de arena de cuarzo (lavada con ácido y secada) en un mortero. Se pasó el

extracto a través de un papel filtro cualitativo a un embudo de separación de 150

mL que contenía 50 mL de agua desionizada. Se extrajo el residuo en el mortero

con 40 mL de la mezcla éter de petróleo/acetona (1:1 v/v) y se filtró repetidamente

hasta que en el tejido desapareciera cualquier color amarillo o anaranjado y el

lavado fuera incoloro. Se lavó el filtrado en el embudo de separación con agua

destilada cinco veces para remover la acetona agitando ligeramente el embudo.

Se desechó la fase acuosa y agregó adicionando cristales de sulfato de sodio

anhidro para secar el éter de petróleo. Se dejó reposar la fase etérea por 15

minutos en la oscuridad para clarificar el extracto para su cuantificación. Se aforó

la fase éter de petróleo a 100 mL con éter de petróleo en un matraz volumétrico.

La concentración de carotenos en la solución es determinada cuantitativamente

por su absorbancia a 450 nm. La curva de calibración es obtenida utilizando trans-

β-caroteno puro y diluido con éter de petróleo al 100 %. Las muestras de

zanahorias deshidratadas se trataron con la misma metodología descrita

anteriormente.

V.14 DETERMINACIÓN DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

V.14.1 OBTENCIÓN DE EXTRACTOS

Los cubos de zanahoria fresca se licuaron con una solución de NaCl al 5 % fría

en una proporción de 20:100 (peso/volumen) de acuerdo a Morales et al. (2002) y

para el material deshidratado previamente pulverizado en una proporción 2:100


52

(peso/volumen). El aforo de las soluciones a 100 mL se realizó para poder

comparar el producto deshidratado con el producto fresco y así referir la actividad

enzimática al contenido de sólidos secos tanto en el material fresco como en el

deshidratado. Las soluciones se dejaron en refrigeración por 48 horas y se

filtraron a través de papel filtro cualitativo. El extracto fue analizado

inmediatamente después del filtrado.

V.14.2 ACTIVIDAD DE PEROXIDASA (POD)

La determinación de la actividad de peroxidasa se llevó acabo de acuerdo al

Manual de Worthigton (1961). El método consiste en monitorear el cambio en

absorbancia a 460 nm por unidad de tiempo durante 5 minutos, debido a la

oxidación del sustrato catalizado por la enzima. De una solución sustrato de H2O2

0.3 M diluido con una solución reguladora de fosfatos pH 6.0, 0.01 M se tomaron 6

mL y se agregaron a 0.05 mL del colorante o-dianisidina al 1%, de esta mezcla se

tomaron 2.5 mL y 0.5 mL del extracto de zanahoria para la reacción final. La

actividad de la enzima se determina con la pendiente de la parte recta de la curva

de absorbancia en función del tiempo.

V.14.3 ACTIVIDAD DE PECTIN METIL ESTERASA (PME)

La actividad de la pectinmetilesterasa en zanahoria se realizó por el método

reportado por autores como Nguyen et al. (2002), Anthon y Barret et al. (2002). La

actividad de PME es medida por la titulación continua con NaOH 0.01 N de los

grupos carboxílicos liberados de una solución de pectina. Se tomó una alícuota de

40 mL de una solución de pectina cítrica al 0.5 %, se ajustó la temperatura a 30

°C y el pH a 7.5 con NaOH 0.1 N. Después se agregaron 10 mL de extracto y se

reajustó el pH a 7.5 con NaOH 0.1 N. El volumen de NaOH gastado para

mantener el pH a 7.5 fue registrado durante 20 minutos. La actividad de PME se

determina con la pendiente de la parte recta de la curva del gasto de NaOH en

función del tiempo.


53

V.15 DETERMINACIÓN DE COLOR

La evaluación del color se determinó en el equipo ColorMate HDS Color Quality

por el método CIELab con iluminante D65. Este parámetro se efectuó en la

muestra fresca, la cual se utilizó como estándar, y en la muestra deshidratada

con el fin de comparar el cambio de color después de este proceso.

El método consistió en moler cubos de zanahoria fresca y deshidratada,

posteriormente, las muestras fueron secadas al vacío a 60 °C durante 24 horas y

pulverizadas en un molino de café. Las muestras fueron rehidratadas al contenido

de humedad inicial (90 %) con agua destilada a temperatura ambiente.

La muestra rehidratada fue colocada en una celda de cuarzo rectangular de 4 cm

y fue escaneada en 5 diferentes posiciones para obtener valores promedios de L,

a , b. Este procedimiento se repitió en cada esquema de secado.

V.16 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE REHIDRATACIÓN

La capacidad de rehidratación se determinó como lo reportan Zielinska y

Markowski (2007), el método consiste en sumergir 3 g de cubos de zanahoria

deshidratados en agua caliente durante 60 min dividido en dos etapas (10 min a

95°C y posteriormente 50 min a 60° C). La capacidad de rehidratación es

expresada como peso de agua ganado (g) por peso de sólido seco (g).

54

VI. PRUEBAS PRELIMINARES

En el secado de cubos de zanahoria en dos etapas en lecho por fuente se planteó

inicialmente el uso del secador de lecho por fuente convencional nivel semipiloto

para la primera etapa de secado y el material resultante pasarlo al secador lecho

por fuente- fluidizado nivel laboratorio para la segunda etapa, donde se evaluaría

el secado tanto en lecho por fuente convencional como en lecho por fuente

fluidizado.

Se realizó una prueba preliminar en la primera etapa en el secador de lecho por

fuente convencional semipiloto a una temperatura de 60 °C con una carga

aproximada de 3 kg de cubos de zanahoria sin pelar, equivalentes a H/Dc = 1 y

como pretratamiento al secado se hizo el escalde a vapor durante 3 min (Sablani,

2006). Sin embargo, al finalizar el secado en esta etapa se observó

obscurecimiento en los cubos deshidratados principalmente en la cáscara que es

donde se encuentra en mayor proporción la enzima polifenoloxidasa, además los

cubos se adherían unos a otros al inicio del secado limitando la formación de la

fuente. Por tanto, se decidió evaluar el secado sin pretratamiento alguno de los

cubos de zanahoria sin cáscara y se eliminó la determinación de actividad de esa

enzima.

La primera etapa de secado a 60°C se realizó con la cantidad mínima de aire para

formar la fuente y se continuó hasta que las partículas golpeaban la malla superior

del cuerpo del secador debido a la disminución de densidad, momento en el cual

se suspendió el secado en la primera etapa. Al término de ésto se determinó que

la humedad del sólido era de 70%, valor que se fijó para las otras temperaturas

como la humedad final de la primera etapa.

También se observó que el material con 70 % de humedad procedente de la

primera etapa de secado superaba una altura de lecho equivalente a un diámetro

de columna en el secador de lecho por fuente fluidizado a nivel laboratorio, siendo

imposible formar la fuente con esta carga con el soplador disponible.

PRUEBAS PRELIMINARES

55

Por tanto se determinó la carga inicial necesaria en el primer secador basado en

los sólidos secos para tener una carga de H/Dc = 1 en la segunda etapa, la cual si

podría ser procesada adecuadamente formando la fuente. Así el resultado fue de

1.98 kg de cubos de zanahoria fresca cargada a la primera etapa, que representa

aproximadamente una cantidad equivalente a la sección cónica del secador de

lecho por fuente semipiloto.

En la primera etapa de secado se había propuesto inicialmente usar dos

velocidades de aire (1.5 y 1.7 Ums) para la fuente, sin embargo, durante las

pruebas preliminares se observó que para formar la fuente y dar el mayor tiempo

posible de residencia se tenía que usar una velocidad de 1.65 m/s equivalente a

1.14 Ums ya que de otra forma el tiempo de secado en la primera etapa sería muy

pequeño. Por esta razón se fijó esa velocidad de aire y se varió la temperatura a

60, 70 y 80 ° C.

En el secador de lecho por fuente fluidizado a nivel laboratorio se había planteado

inicialmente utilizar una velocidad de aire de 1.5 Ums para su uso como lecho por

fuente convencional. Sin embargo, por la baja capacidad del soplador no se logró

la formación de la fuente del lecho de cubos de zanahoria con 70% de humedad

solo con el aire del “spout”. Por tanto, se determinó usar el equipo como lecho por

fuente fluidizado, para el cual se había planteado una velocidad de 0.7 Umf para

airear las partículas, pero se observó que para la formación de la fuente y la libre

circulación de las partículas era necesario abrir completamente tanto la válvula de

aire del “spout”, que corresponde a una velocidad de aire de 0.68 m/s, como la

válvula del aire del espacio anular, que corresponde a 1.35 m/s (equivalente a

0.96 Umf) sin poder variarla.

Con base a lo anterior el diseño experimental de las corridas de secado

planteados inicialmente en el proyecto no fue posible realizarlas debido a que las

velocidades de aire en el secado no pueden ser variadas, teniendo como única

variable a la temperatura. Con base en esto, se fijaron las condiciones de

operación indicadas en los diagramas de bloques V.3 y V.4 del aparatado del

desarrollo experimental.

PRUEBAS PRELIMINARES

56

Con respecto al secado en lecho por fuente convencional en una sola etapa, fue

necesario ir disminuyendo el flujo de aire inicial de 1.65 m/s hasta un valor final de

0.18 m/s conforme procedió el secado. Los cambios en el flujo de aire se

realizaron debido a la disminución de la densidad de los cubos de zanahoria al

disminuir la humedad, lo que provocaba que las partículas golpearan con gran

fuerza la malla superior, razón por la cual fue necesario disminuirla en varias

etapas conforme el secado transcurría. Esta reducción del aire y las etapas en las

que se realizó, se presentan en la sección de resultados para el secado en una

sola etapa (apartado VII.3).

57

VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

VII.1 CARACTERIZACIÓN FISICA DE LOS CUBOS DE ZANAHORIA

En el cuadro VII.1 se presentan las propiedades físicas evaluadas en los cubos de

zanahoria fresca de dimensiones promedio de 0.8 cm x 0.8 cm x 0.8 cm.

Cuadro VII.1. Propiedades físicas evaluadas en los cubos de zanahoria frescas.

Parámetro Valor

Humedad (%) 88.57 ± 0.892

Volumen de partícula (cm3) 0.92 ±0.041

Densidad de partícula (g/cm3) 1.05 ± 0.084

En el cuadro VII.2 se presentan las propiedades físicas evaluadas en los cubos de

zanahoria deshidratada. El contenido de humedad se disminuyó hasta

aproximadamente 10 % en los esquemas de secado para una sola etapa y dos

etapas de secado a las temperaturas de 60, 70 y 80 °C.

Cuadro VII.2. Propiedades físicas de cubos de zanahoria deshidratados en una

sola etapa y dos etapas a 60, 70 y 80 °C.

Esquema de secado

Temperatura de secado

Volumen de partícula (cm3)

Densidad de partícula (g/cm3)

UNA SOLA ETAPA

60° C 0.10 ± 0.007 1.29 ± 0.007

70° C 0.11 ± 0.014 1.24 ± 0.021

80° C 0.09 ± 0.014 1.36 ± 0.117

DOS ETAPAS

60° C 0.09 ± 0.014 1.33 ± 0.028

70° C 0.08 ± 0.007 1.25 ± 0.034

80° C 0.09 ± 0.007 1.25 ± 0.034

58

El volumen y densidad de partícula iniciales son en promedio 0.92 cm3 y 1.05

g/cm3, respectivamente. El volumen de partícula de zanahoria deshidratada

disminuye aproximadamente 10 veces con respecto al volumen de zanahoria

fresca. No se encontró diferencia estadística en el volumen de partícula

deshidratada a las diferentes temperaturas de 60, 70 y 80°C en ambos esquemas

de secado.

Respecto a la densidad de partícula, la partícula deshidratada en el esquema de

secado de dos etapas aumentó respecto a cubos de zanahoria fresca

aproximadamente 22% en promedio y en el esquema de una sola etapa aumentó

24% en promedio. Este aumento de densidad se debe a que con el efecto de la

temperatura se produce pérdida de humedad, por consiguiente aumenta el

contenido de sólidos secos y disminuye el volumen, conduciendo a tener mayor

densidad. Sin embargo, no hay diferencia significativa al 95 % de confianza en las

propiedades físicas evaluadas a las temperaturas de 60, 70 y 80 °C en ambos

esquemas de secado.

59

VII.2 HIDRODINÁMICA DE LOS SISTEMAS ESTUDIADOS

La determinación de la velocidad mínima de formación de la fuente en el secador

lecho por fuente nivel semipiloto se realizó con el método descrito anteriormente,

con cubos de zanahoria fresca con 90 % de humedad a temperatura ambiente.

Este secador fue utilizado en las corridas de secado en la primera etapa del

esquema de dos etapas y para una sola etapa, con una carga inicial de cubos de

zanahoria de 1.98 kg al 90 % de humedad. La velocidad mínima de formación de

la fuente fue de 1.45 m/s, la cual se determino de la gráfica de caída de presión vs

velocidad superficial como se observa en la figura VII.1.

Figura VII.1. Velocidad mínima de formación de la fuente de cubos de zanahoria con 90 % de

humedad en el secador de lecho por fuente semipiloto.

En el secador de lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio empleado en la

segunda etapa de secado del esquema de dos etapas, se intentó determinar la

velocidad mínima de formación de la fuente con cubos de zanahoria al 70 % de

humedad debido a que con este contenido de humedad y con una carga de cubos

de zanahoria equivalente a una altura de lecho equivalente a un diámetro de

columna es cargado el material en este secador, sin embargo por las limitantes del

soplador no fue posible su determinación.

Ums

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

60

La velocidad mínima de fluidización de los cubos de zanahoria con 90 % de

humedad fue en promedio 1.6 m/s. La figura VII.2 muestra un ejemplo de las

curvas obtenidas para la determinación de Ums.

Figura VII.2. Velocidad mínima de fluidización para cubos de zanahoria con 90 % de humedad.

Figura VII.3. Velocidad mínima de fluidización para cubos de zanahoria con 70 % de humedad.

Umf

Umf


61

La velocidad mínima de fluidización obtenida para los cubos de zanahoria con

70% de humedad fue en promedio 1.4 m/s, la cual es alrededor de 14% menor

que la Umf obtenida con los cubos de zanahoria al 90% de humedad. La figura

VII.3 muestra un ejemplo de las gráficas obtenidas para la determinación de Umf

con los cubos de zanahoria al 70% de humedad base húmeda.

Como se indicó en el apartado de pruebas preliminares, en el esquema de dos

etapas de secado fue necesario fijar la velocidad de aire en la primera etapa en el

secador de lecho por fuente convencional en 1.65 m/s por cuestiones prácticas

sin poder variarla. Este flujo corresponde con base en el resultado indicado en la

figura VII.1 a una relación de Us/Ums de tan sólo 1.14.

En el lecho por fuente fluidizado, utilizado en la segunda etapa de secado, la

velocidad de aire por el spout se tuvo que fijar en 0.68 m/s la cual no puede

relacionarse a la Ums de los cubos de zanahoria al 70 % de humedad (humedad

a la cual se cargan los cubos en la segunda etapa) por limitaciones del equipo. La

velocidad de aire por el espacio anular fijado en 1.35 m/s corresponde con base

en los resultados de la figura VII.3 a 0.96 Umf, considerablemente mayor que la

que inicialmente se había propuesto utilizar (0.7 Umf).

La velocidad mínima de fluidización determinada en el presente trabajo es similar

a la indicada por Fano et al. (2008) quienes reportan una Umf de 1.5 m/s para

cubos de zanahoria frescos. Por su parte, Cárdenas (2007) reporta una Umf de

5.4 m/s para cubos de zanahoria frescos (88% de humedad), este valor difiere en

mucho con el valor reportado en el presente trabajo. En el trabajo de Reyes et al.

(2002) reportan una velocidad mínima de fluidización de 0.88 m/s aunque ellos

utilizan un lecho fluidizado con agitador y no especifica si la velocidad de aire fue

determinada con material fresco o deshidratado. Comparando los valores de

velocidad mínima de fluidización para zanahoria reportados en los trabajos

mencionados respecto al valor obtenido experimentalmente se observa una

variación entre ellos excepto con el primer autor citado, estas diferencias pueden

deberse al tamaño de la partícula utilizado durante la determinación.


62

VII.3 SECADO EN UNA SOLA ETAPA

La deshidratación de los cubos de zanahoria en una sola etapa se realizó en el

secador de lecho por fuente semipiloto disminuyendo la velocidad superficial de

1.65 m/s inicial a 0.18 m/s al final del secado, debido a que conforme el tiempo de

secado transcurre la pérdida de humedad en las partículas acompañado del efecto

de encogimiento provoca que éstas comiencen a golpear con gran fuerza la malla

superior del cuerpo del secador. Por tanto, no es posible mantener la velocidad

constante y se hace necesario disminuirla gradualmente.

La disminución de la velocidad del aire de secado se fue efectuando cada vez que

la altura de las partículas en la fuente alcanzaba la malla en la parte superior del

cuerpo del secador. La altura de la fuente después de cada reducción de la

velocidad del aire se regresaba a una altura de 0.8 veces el diámetro de la

columna, la cual se tenía al inicio del secado. La velocidad inicial fue de 1.65 m/s,

el primer cambio de velocidad a 0.81 m/s se hizo aproximadamente a los 30

minutos del inicio de secado de cubos de zanahoria para las temperaturas de 60,

70 y 80 °C, sin embargo los cambios posteriores de velocidad a las mismas

temperaturas se realizaron a diferente tiempo, resultando una velocidad final de

0.18 m/s para cada condición de temperatura y a partir de este momento se

mantuvo constante hasta el final del secado. Los cambios de velocidad de aire en

el esquema de secado en una sola etapa a las diferentes temperaturas se

presentan en el cuadro VII.3.

Cuadro VII.3. Cambios de velocidad de aire en el secador lecho por fuente

semipiloto en el esquema de una sola etapa a las temperaturas de 60, 70 y 80 °C.

Cambio de velocidad (m/s)

Tiempo de duración (min) de la velocidad indicada

60 °C 70 °C 80 °C

1.65 30 30 30

0.81 70 45 25

0.35 65 65 45

0.18 235 215 100


63

Los cambios de velocidad de aire en el esquema de secado en una sola etapa a

las diferentes temperaturas se observa en forma gráfica en la figura VII.4 donde la

velocidad de aire inicial de la fuente se disminuyó gradualmente debido a los

cambios sufridos por los cubos de zanahoria en el volumen y densidad de la

partícula.

La velocidad de aire inicial es igual a la empleada en la primera etapa de secado

en el esquema de dos etapas con la misma carga inicial de cubos de zanahoria,

sin embargo, al llevar a cabo todo el proceso de secado en el mismo equipo es

importante la manipulación en el cambio de velocidad del aire, haciéndose de

manera más frecuente con el aumento de temperatura.

En la figura VII.4 se observa que el primer cambio de velocidad de 1.65 m/s a 0.81

m/s se realizó al mismo tiempo para todas las temperaturas, pero los

subsiguientes cambios se hicieron a tiempos menores conforme aumentaba la

temperatura de secado.

Figura VII.4. Variación de la velocidad superficial del aire durante el secado de

cubos de zanahoria en una sola etapa en el secador lecho por fuente semipiloto.


64

El cambio en la velocidad de aire en este tipo de secadores también es reportado

por autores como Zielinska y Markowski, (2007) y Cárdenas (2007). Cárdenas

(2007) realizó corridas de secado en un secador lecho por fuente fluidizado donde

utilizó una carga de 1 kg de cubos de zanahoria que ocupó una altura de lecho de

1.2 veces el diámetro (D = 14.2 cm). La velocidad inicial del aire utilizada fue de

1.69 m/s en el ánulo y 1.05 m/s en la fuente, las cuales no fue posible mantener

constantes por el encogimiento de las partículas y se disminuyeron gradualmente

hasta 0.9 m/s en el ánulo y 0.39 m/s en la fuente para temperaturas de 60, 70 y 80

°C en un tiempo total de proceso de 150 min a 270 min dependiendo de la

temperatura.

Zielinska y Markowski, (2007) realizaron el secado de cerca de 400 g de cubos de

zanahoria en un secador lecho por fuente fluidizado con una altura de lecho de

2.9 veces el diámetro (D=17 cm). La velocidad inicial del aire fue de

aproximadamente 7 m/s, la cual se bajo a 4 m/s para temperaturas de 60, 70, 80 y

90 °C en un tiempo total de proceso de 150 min a 200 min dependiendo de la

temperatura.

Lo anterior indica que en el secado por lotes de productos alimenticios, el flujo de

aire debe reducirse conforme el secado procede para no dañar o incluso arrastar

el producto con el aire de secado. Esto implica que el proceso debe ser

constantemente monitoreado para hacer los ajustes de aire pertinentes,

complicando de esta manera la operación. El secado en dos etapas puede

eliminar los constantes reajustes de aire haciendo más simple el control del

proceso.


65

VII.3.1 CURVAS DE SECADO UNA SOLA ETAPA

En la figura VII.5 se observan las curvas de secado de los cubos de zanahoria en

una sola etapa a 60, 70 y 80 °C tras la variación de la velocidad superficial del aire

de secado. El proceso de secado se detuvo hasta que el contenido de humedad

final en las partículas deshidratadas fue de aproximadamente 10%.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Hu

me

da

d a

dim

en

sio

na

l

tiempo (min)

60 C 70 C 80 C

Figura VII.5. Curvas de secado obtenidas durante la deshidratación de cubos de

zanahoria en una sola etapa de secado a 60° C, 70° C y 80° C.

En las curvas de secado en una sola etapa se observa que el tiempo de secado es

influido por la temperatura. A 80 °C el tiempo de secado se reduce de manera

significativa respecto a 60 y 70 °C, además de ser necesario un descenso más

rápido de la velocidad superficial del aire de secado a mayor temperatura.


66

VII.3.2 VELOCIDADES DE SECADO EN UNA SOLA ETAPA

La determinación de las velocidades de secado en el esquema de una sola etapa

de secado se llevó a cabo en el período decreciente de secado, por tanto las

curvas de secado se ajustaron a un polinomio para derivarlo posteriormente y de

esta forma conocer la velocidad de secado a cada una de las temperaturas

trabajadas. Los polinomios ajustados a cada una de las curvas de secado se

muestran en la figura VII.6:

Figura VII.6. Polinomios obtenidos en el esquema de una sola etapa de secado

para determinar la velocidad de secado a) 60 °C, b) 70 °C y c) 80 °C.

y = 1E-13x6 - 2E-10x5 + 8E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0026x2 - 0.1941x + 6.8594

R² = 0.9985

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = 6E-14x6 - 8E-11x5 + 5E-08x4 - 1E-05x3 + 0.002x2 - 0.179x + 7.5595

R² = 0.9984

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

b)

y = 1E-13x6 - 2E-10x5 + 8E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0026x2 - 0.1941x + 6.8594

R² = 0.9985

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = 6E-14x6 - 8E-11x5 + 5E-08x4 - 1E-05x3 + 0.002x2 - 0.179x + 7.5595

R² = 0.9984

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

b) a) b)

c)

y = 1E-13x6 - 2E-10x5 + 8E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0026x2 - 0.1941x + 6.8594

R² = 0.9985

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = 1E-12x6 - 1E-09x5 + 3E-07x4 - 5E-05x3 + 0.0049x2 - 0.284x + 7.9616R² = 0.9986

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250

Hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

b)

c)


67

En la figura VII.7 se observa la variación de la velocidad de secado respecto al

contenido de humedad y la temperatura, en las que se ajustó una tendencia lineal

a la parte recta de la curva para comparar las pendientes. Como se observa en

esta figura, la velocidad de secado decrece conforme el contenido de humedad

disminuye.

Figura VII.7. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoria en una sola

etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto a la humedad base seca.

Al realizar la comparación de las pendientes de la figura VII.7 para cada

temperatura se observa que ésta tiene un efecto importante en la pérdida de

humedad conforme el tiempo de secado transcurre. De manera de apreciar más

claramente la variación de la humedad se realizó un gráfica de la velocidad de

secado respecto al tiempo para cada temperatura. A partir de la gráfica VII.8 se

comprueba que el proceso de transporte de humedad se lleva a cabo en el

período decreciente.


68


etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto al tiempo.

Las velocidades de secado a 60 y 70 °C son similares, pero al usar una

temperatura de secado mayor como 80°C se obtiene mayor velocidad de secado.

En la figura VII.8 se muestra la gráfica de velocidad de secado respecto al tiempo

donde también se ajustó una tendencia lineal a la pate recta de la curva, de esta

gráfica se observa que al aplicar 80 °C se obtiene una mayor velocidad de secado

en el menor tiempo, lo que coincide con las curvas de secado de la figura VII.5.


69

VII.3.3 COEFICIENTES DE DIFUSION UNA SOLA ETAPA

En la figura VII.9 se observan las pendientes para el cálculo del coeficiente de

difusión para el secado de los cubos de zanahoria en una sola etapa, las cuales

son similares para 60 y 70°C pero menores que aquella a 80°C lo que coincide

con las velocidades de secado de la figura VII.7.

Figura VII.9. Humedad incumplida con respecto al tiempo de una sola etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en el secador lecho por fuente

convencional a 60, 70 y 80 °C. S1 y S2: subperiodos 1 y 2 respectivamente.

En la temperatura de 60° C se observan dos subperiodos con diferente pendiente.

La variación de la pendiente podría deberse a un cambio de mecanismo difusivo

debido al encogimiento de la partícula.

Los coeficientes de difusión se calcularon con base en la solución de la segunda

ley de Fick para la geometría de una esfera con los valores de las pendientes de la

figura VII.9, considerando las medias logarítmicas de los radios equivalentes al

inicio y final de cada experimento de secado (cuadro VII.4).


70

El coeficiente de difusión varía respecto a la temperatura como se observa en el

cuadro VII.4, los valores están dentro del intervalo 2.16 x 10 -10 a 9.93 x 10 -10 m2/s

similares a los reportados por otros autores para secado por convección de

zanahoria como los indicados por Zielinska y Markowski (2007) quienes reportan

difusividades que varían entre 4.58 x 10-10 y 3.45 x 10-9 m2/s, sin embargo son

menores a los reportados por Markowski et al. (2006) quienes reportan

coeficientes de difusión entre 3.52 x 10-9 y 6.92 x 10-9 m2/s, al igual que Doymaz

(2004) quien reporta 0.776 x 10-9 y 9.335 x 10-9 m2/s y Zogzas et al. (1996) quienes

reportan 2.3 x 10-10 y 4.5 x 10-9 m2/s. Estas diferencias pueden deberse a la

geometría considerada por cada uno de estos autores.

Cuadro VII.4. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C

en una sola etapa.


Radio equivalente Medio logarítmico (cm)

Coeficiente de difusión (m2/s) x 1010

60°C (S1) 0.4384 ± 0.0031 7.45 ±0.312

60°C (S2) 0.2916 ± 0.0076 2.16 ± 0.345

70°C (S1) 0.4206 ± 0.0058 7.74 ± 0.762

70°C (S2) 0.2848 ± 0.0171 2.57 ± 0.193

80°C 0.4089 ± 0.0031 9.93 ± 1.24

S1 y S2: subperiodos 1 y 2 respectivamente.


71

VII.4 SECADO EN DOS ETAPAS

En la figura VII.10 se observan las curvas de secado promedio de tres repeticiones

de los cubos de zanahoria deshidratados en dos etapas a 60, 70 y 80°C,

obtenidas registrando la pérdida de peso a diferentes intervalos de tiempo. La

primera etapa se detuvo a una humedad aproximada de 70% base húmeda para

las tres temperaturas y en la segunda etapa la humedad final fue de 10% base

húmeda.

Figura VII.10. Curvas de secado obtenidas durante la deshidratación de cubos de zanahoria en las dos etapas de secado a 60° C, 70° C y 80° C.

En la figura VII.10 se observa que no hay cambio en la curva de secado al cambiar

de la primera etapa a la segunda a pesar de que los sistemas de secado son

diferentes (lecho por fuente convencional en la primera etapa y lecho por fuente

fluidizado en la segunda etapa), lo que indica que el secado es controlado por

condiciones internas de la partícula. Esta figura muestra también que el secado se

realiza más rápidamente al incrementar la temperatura, siendo mayor a 80°C que

a 70° y 60°C; sin embargo hay muy poca diferencia entre 70° y 80°C en la primera

etapa de secado.

Primera etapa

Segunda etapa


72

VII.4.1 VELOCIDADES DE SECADO EN DOS ETAPAS

Con el objetivo de calcular las velocidades de secado, dado que todo el proceso

se llevo a cabo en el período decreciente de secado, se ajustaron las curvas de

secado a un polinomio para derivarlo posteriormente y de esta forma conocer la

velocidad de secado a cada una de las temperaturas trabajadas. Los polinomios

ajustados a cada una de las curvas de secado se muestran en la figura VII.11:

Figura VII.11. Polinomios obtenidos en el esquema de dos etapas de secado para

determinar la velocidad de secado a) 60 °C, b) 70 °C y c) 80 °C.

y = -2E-11x5 + 2E-08x4 - 9E-06x3 + 0.0019x2 - 0.2018x + 8.734R² = 0.9995

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = -5E-11x5 + 5E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0029x2 - 0.2424x + 8.321R² = 0.9997

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = -4E-11x5 + 5E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0031x2 - 0.2534x + 8.0192R² = 0.9988

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

a) b) b) a) b)

c)

a) b)

y = -2E-11x5 + 2E-08x4 - 9E-06x3 + 0.0019x2 - 0.2018x + 8.734R² = 0.9995

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = -5E-11x5 + 5E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0029x2 - 0.2424x + 8.321R² = 0.9997

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250 300

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

y = -4E-11x5 + 5E-08x4 - 2E-05x3 + 0.0031x2 - 0.2534x + 8.0192R² = 0.9988

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250

hu

med

ad

(b

s)

tiempo (min)

a) b)


73

Las velocidades de secado se obtuvieron de la primera derivada de cada uno de

los polinomios para cada una de las condiciones de operación. En la figura VII.12

se observa las velocidades de secado en dos etapas a 60, 70 y 80 °C donde se

aprecia la ausencia de período constante, por tanto se asume que la difusión es el

mecanismo que gobierna el transporte de humedad.

Figura VII.12. Curva de velocidad de secado en dos etapas de cubos de

zanahoria a 60, 70 y 80 °C.

Con el objetivo de analizar la difusión en cada etapa de secado, en la figura VII.13

y VII.14 se muestran las velocidades de secado en la primera y segunda etapa

respectivamente a 60, 70 y 80 °C. En estas figuras, la primera derivada del

polinomio de la figura VII.11 se ha ajustado a una recta para cada etapa con fines

de comparación, donde se determinó la pendiente de la tendencia lineal para

distinguir de manera más clara que las pendientes de las velocidades de secado

aumentan con la temperatura para ambas etapas de secado, lo que concuerda

con las curvas de secado presentadas en la figura VII.10.

Primera etapa

Segunda etapa


74

La primera etapa de secado se detuvo donde los cubos de zanahoria contenían

aproximadamente 2.4 humedad base seca y la segunda etapa después de

alcanzar aproximadamente 0.10 humedad base seca.

Figura VII.13. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoria en la primera

etapa a 60, 70 y 80 °C.

Figura VII.14. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoria en la

segunda etapa a 60, 70 y 80 °C.


75

Como se observa en las figuras VII.13 y VII.14, las pendientes de las velocidades

de secado a 70 y 80° C son considerablemente mayores en comparación a 60° C

en ambas etapas de secado, lo cual se debe a que a mayor temperatura se

obtiene mayor difusión de la humedad, lo que explica el menor tiempo para

alcanzar el contenido de humedad deseado.


etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto al tiempo.

En la figura VII.15 se muestra la gráfica de velocidad de secado respecto al tiempo

donde también se ajustó una tendencia lineal a la pate recta de la curva, de esta

gráfica se observa que al aplicar 70 y 80 °C se obtiene una mayor velocidad de

secado en el menor tiempo, lo que coincide con las curvas de secado de la figura

VII.10.


76

VII.4.2 COEFICIENTES DE DIFUSIÓN DOS ETAPAS

En la determinación de los coeficientes de difusión se realizó la gráfica del

logaritmo natural de la humedad incumplida en función del tiempo a las diferentes

temperaturas. En la figura VII.16 se muestran los valores de las pendientes

promedio de tres réplicas, obtenidas para el cálculo de los coeficientes de difusión

en la primera etapa de secado. En la primera etapa de secado, las pendientes son

mayores al aumentar la temperatura de secado, siendo éstas muy cercanas a 70

y 80 °C esto explica que en estas condiciones se alcance el contenido de

humedad deseado en tiempos similares.

Figura VII.16. Humedad incumplida con respecto al tiempo de la primera etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en el secador lecho por fuente

convencional a 60, 70 y 80 °C. En la figura VII.17 se muestran los valores de las pendientes obtenidas para el

cálculo de los coeficientes de difusión en la segunda etapa de secado. Como

sucedió en la primera etapa de secado, en la segunda etapa se observa que la

pendiente es mayor a 70 y 80° C que a 60 °C, lo que coincide con la figura VII.12

donde se observa que a estas temperaturas las velocidades de secado son

mayores.


77

En la segunda etapa de secado a las temperaturas de 60 y 70° C se observa la

presencia de dos subperiodos con diferente pendiente, lo que indica un cambio de

mecanismo de movimiento interno de la humedad conforme transcurre el secado.

Figura VII.17. Humedad no alcanzada con respecto al tiempo de la segunda

etapa de secado en el secador lecho por fuente fluidizado a 60, 70 y 80 °C.


Los coeficientes de difusión se calcularon según la solución de la segunda ley de

Fick, considerando la geometría de una esfera, con los valores de las pendientes

antes determinadas y considerando las medias logarítmicas de los radios

equivalentes al inicio y al final de cada etapa. Los coeficientes de difusión para el

esquema de dos etapas se presentan en el cuadro VII.5.


78

Cuadro VII.5. Coeficientes de difusión (promedio) para cubos de zanahoria a 60,

70 y 80 °C en dos etapas.


Radio equivalente Medio logarítmico (cm)

Coeficiente de difusión (m2/s) x 1010

Primera etapa Segunda etapa Primera etapa

Segunda etapa

60°C (S1) 0.5139 ± 0.0033 0.3574 ± 0.0025 11.5 ± 0.291 6.28 ± 0.639

60°C (S2)

0.2712 ± 0.0090

1.73 ± 0.966

70°C (S1) 0.5254 ± 0.0006 0.3547 ± 0.0013 15.5 ± 0.598 7.51 ± 0.246

70°C (S2) 0.2638 ± 0.0194 1.28 ± 0.213

80°C 0.5090 ± 0.0036 0.3470 ± 0.0069 16.3 ± 0.124 7.37 ± 0.695


Los valores de coeficiente de difusión de la humedad para los cubos de zanahoria

presentados en el cuadro VII.5 están dentro del intervalo de 16.3 x 10-10 a 1.28 x

10-10 m2/s. Como se observa en las figuras VII.16 y VII.17 las pendientes

obtenidas en ambas etapas de secado son similares a cada temperatura en el

primer subperiodo, sin embargo, la variación en los radios medios logarítmicos

durante el secado proporciona difusividades completamente diferentes. De

manera de excluir el efecto de encogimiento y cambio de tamaño de partícula, se

calculó nuevamente el coeficiente de difusión eliminando el efecto del

encogimiento, el cual se presenta más adelante en el apartado VII.6.


79

VII.5 COMPARACIÓN DEL PROCESO DE SECADO EN UNA Y DOS

ETAPAS

Las figuras VII.18, VII.19 y VII.20 presentan la comparación de los esquemas de

secado en una sola etapa y dos etapas para cada temperatura. Los tiempos

totales de secado en los esquemas de una sola etapa y dos etapas son similares a

80 °C, pero a 60 y 70 °C son mayores en una sola etapa de secado.


zanahoria en una sola etapa y dos etapas de secado a 60° C.

Las figuras VII.18 a VII.20 muestran que para cualquiera de las temperaturas de

operación, los esquemas de una y dos etapas de secado son prácticamente

iguales hasta donde los cubos de zanahoria alcanzan un contenido de humedad

de 70% base húmeda. Sin embargo, el contenido de humedad final requerido se

alcanza más rápido en el secado de la segunda etapa que en una sola etapa a las

temperaturas de 60 y 70°C, no habiendo diferencia para 80°C.

Segunda etapa

Primera etapa


80

Figura VII.19 Curvas de secado obtenidas durante la deshidratación de cubos de




Segunda etapa

Primera etapa

Segunda etapa

Primera etapa


81

El mayor tiempo de secado para una sola etapa comparado con la segunda etapa

en el esquema de dos etapas puede deberse a la continua reducción del flujo de

aire que se realizó en ese esquema causando que en la superficie de la partícula

no se mantuviera la humedad de equilibrio constante, o a un efecto de atemperado

al pasar la carga de cubos de zanahoria de la primera a la segunda etapa. La

operación de cambio de secadores tomó cerca de 10 minutos, en los cuales los

cubos de zanahoria no estuvieron expuestos al flujo de aire de secado, por lo que

pudo haber condensación del vapor de agua en las capas superficiales o un ligero

reacomodo del contenido de humedad debido a los gradientes internos.

Aunque a 80 °C no hubo efecto en el tiempo de secado en cualquiera de los

esquemas, posiblemente la temperatura fue superior a los posibles cambios antes

mencionados.

En el cuadro VII.6 se presenta la comparación de los tiempos de duración total de

cada esquema de secado a las diferentes temperaturas, con el respectivo gasto

volumétrico en los secadores empleados con la finalidad de establecer cual de

los esquemas de secado fue más eficiente. Conociendo las velocidades de

entrada del aire en cada secador y el área transversal de cada uno de los

secadores se calculó el flujo volumétrico (m3/s) de aire utilizado. Para el esquema

de una sola etapa en el secador de lecho por fuente convencional semipiloto este

flujo fue de 0.081 al inicio y 0.008 m3/s al final de la operación de secado.


82

Cuadro VII.6. Gasto volumétrico en los esquemas de secado de cubos de

zanahoria en una y dos etapas para las diferentes condiciones de operación.

Para el esquema de dos etapas, en el secador de lecho por fuente convencional

semipiloto en la primera etapa de secado el flujo volumétrico de aire constante fue

de 0.008 m3/s y en la segunda etapa en el secador lecho por fuente fluidizado

nivel laboratorio se calcularon estos valores tanto para la fuente como para el

ánulo siendo de 0. 0112 m3/s para la fuente y 0.0214 m3/s para el ánulo, estas

condiciones se mantuvieron constantes hasta el final del secado para este

esquema. Si se observa los valores de gasto de aire (m3) de las condiciones de

secado en los esquemas de secado tanto en los secadores de lecho por fuente

convencional como de lecho por fuente fluidizado a una misma temperatura, se

aprecia claramente que en el esquema de una sola etapa el gasto de aire es

menor que en el de dos etapas para secar la misma cantidad de sólidos a la

misma humedad final.

Temperatura

(°C) Tiempo de

proceso (min) Flujo volumétrico

(m3/s) Masa de aire utilizada (m3)

Una sola etapa

Inicial

60 400

0.081

490.23 Intermedio 0.81 /0.35

Final 0.008

Inicial

70 340

0.081

444.07 Intermedio 0.81 / 0.35

Final 0.008

Inicial

80 200

0.081

331.33 intermedio 0.81 / 0.35

Final 0.008

Dos etapas

Primera 60

50 0.081 830.21 Segunda

(fuente/ánulo) 300 0.0112 / 0.0214

Primera 70

40 0.081 625.02 Segunda

(fuente/ánulo) 220 0.0112 / 0.0214

Primera 80

35 0.081 522.42 Segunda

(fuente/ánulo) 180 0.0112 / 0.0214


83

Si se comparan los valores del coeficiente de difusión de la primera etapa de

secado y el subperiodo 1 de la segunda etapa del esquema de dos etapas con los

coeficientes del esquema de una sola etapa se obtiene una diferencia

estadísticamente significativa al 95 % de confianza, por tanto se hizo una

evaluación de medias por las pruebas de Tukey y Duncan. Los resultados indican

que los coeficientes de difusividad obtenidos en la primera etapa de secado a 80 y

70 °C del esquema de dos etapas son mayores respecto a los coeficientes

obtenidos del esquema de secado en una sola etapa.

En el cuadro VII.7 se indican las pendientes promedio de las graficas de humedad

incumplida con respecto al tiempo de secado tanto en una sola etapa como para el

esquema de dos etapas para evaluar si la diferencia entre los coeficientes de

difusividad para cada caso es debido a la variación en los radios medios

logarítmicos.

Cuadro VII.7. Pendientes del logaritmo de la humedad incumplida respecto al

tiempo obtenidas en los procesos de secado en una sola etapa y dos etapas.

UNA SOLA ETAPA DE

SECADO DOS ETAPAS DE SECADO

Temperatura Pendiente Temperatura Pendiente

Primera etapa Temperatura

Pendiente

Segunda

etapa

60 °C, S1 0.0230 ±

0.0006 60 °C

0.0259 ±

0.0007

60 °C, S1 0.0291 ±

0.0031

60 °C, S2 0.0153 ±

0.0016 60 °C, S2

0.0140 ±

0.0078

70 °C, S1 0.0259

±0.0018

70° C 0.0334 ±

0.0012

70 °C, S1 0.0353 ±

0.0013

70 °C, S1 0.0188

±0.0008 70 °C, S2

0.0109 ±

0.0087

80 °C 0.0352 ±

0.0093 80 °C

0.0374 ±

0.0013 80 °C

0.0363 ±

0.0014



84

Como se observa en el cuadro VII.7 las pendientes obtenidas para cada condición

de temperatura son similares en ambos esquemas de secado principalmente en

las corridas de secado 60 y 80°C. En ambos casos, la pendiente en una sola

etapa es similar a la obtenida en las pendientes de la primera y segunda etapa del

esquema de dos etapas, sin embargo las pendientes obtenidas en el secado a 70

°C en dos etapas son mayores que en una etapa.

Por tanto de manera de hacer una comparación más representativa de ambos

esquemas de secado y eliminar el efecto del radio medio logarítmico de las

partículas, el coeficiente de difusión se evaluó eliminando el efecto del

encogimiento. Los resultados de este análisis se presentan en el siguiente

apartado.


85

VII.6 ENCOGIMIENTO

El grado de encogimiento sufrido por los cubos de zanahoria durante el secado en

una sola etapa y dos etapas a 60, 70 y 80 ° C se presenta en las figuras VII.21 y

VII.22, en estas figuras Vo representa el volumen inicial de la partícula, V el

volumen cuando tiene un contenido de humedad X, Xo es el contenido de

humedad inicial.

Figura VII.21. Encogimiento de zanahoria versus humedad adimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante el secado de una sola etapa.

Los resultados obtenidos para el encogimiento ocurrido en el secado de zanahoria

por convección son similares a los reportados por Madiouli et al. (2007) y Mayor y

Sereno (2004), quienes reportan el encogimiento como ideal debido a que el

cambio en volumen es proporcional al descenso en el contenido de humedad, y es

prácticamente independiente de las condiciones de operación, pues los datos de

las diferentes temperaturas pueden ser representados aproximadamente por la

misma recta.


86

Figura VII.22. Encogimiento de zanahoria versus humedad adimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante el secado de dos etapas.

En la estimación de este parámetro se observó que la temperatura del aire no

afectó el encogimiento de los cubos de zanahoria, lo cual concuerda con

resultados publicados por Zielinska y Markowski (2007) quienes reportan una

pendiente de la ecuación a 70 °C de 0.957 para cubos de zanahoria secados en

lecho por fuente fluidizado, la cual es similar a las pendientes obtenidas en el

presente trabajo a 60, 70 y 80°C para cualquiera de los esquemas de secado

(figura VII.21 y VII.22).

En el secado de dos etapas de cubos de zanahoria se observó que las pendientes

de las curvas del logaritmo de humedad incumplida en función del tiempo son

similares al pasar de la primera a la segunda etapa a la misma temperatura. Por

tanto la variación del radio medio logarítmico durante el secado proporciona

difusividades completamente diferentes. Esto indica la importancia de evaluar los

coeficientes de difusión excluyendo el efecto de encogimiento en ambos

esquemas de secado para poder comparar el secado en dos etapas y una sola

etapa.


87

La variación del radio medio de la partícula debido al encogimiento se evaluó por

la ecuación de Hawlader (8) citada por Giovanelli et al. (2002). Como se describió

anteriormente, a partir de esta ecuación de determinó r´ por una regresión lineal

de la forma logarítmica (ecuación 19) para tener la funcionalidad de r´ con la

humedad base seca a cualquier tiempo.

En el secado de dos etapas y una sola etapa a 60, 70 y 80 °C se obtuvieron

curvas similares de logaritmo de radio experimental en función de logaritmo de

mt/mo. En ambos esquemas de secado se obtuvo una ecuación con los valores

promedio de masa y radio de la partícula para cada temperatura con el fin de

realizar la comparación entre los mismos. Las gráficas obtenidas se presentan en

el Anexo 3 para cada condición de trabajo y las ecuaciones obtenidas se

presentan en el cuadro VII.8.

Cuadro VII.8. Regresiones lineales de logaritmo de radio experimental en función

de logaritmo de mt/mo para los esquemas de dos etapas y una sola etapa a 60, 70

y 80 °C.

Esquema de

secado Ecuación

Esquema de

secado Ecuación

1E 60°C

3778.0

o

to

m

mrr 2E 60°C

3569.0

o

to

m

mrr

1E 70°C

3533.0

o

to

m

mrr 2E 70°C

3559.0

o

to

m

mrr

1E 80°C

372.0

o

to

m

mrr 2E 80°C

349.0

o

to

m

mrr

1E: Secado en una sola etapa, 2E: Secado en dos etapas


88

A partir de las ecuaciones indicadas en el cuadro anterior se obtuvo r´

sustituyendo los radios promedio iniciales con la relación de masa respectivo para

cada esquema de secado y a continuación se sustituyó por r de la ecuación (5) de

la segunda ley de Fick para una esfera y se evaluó el coeficiente de difusión por

la función obtenida para cada temperatura.

De esta manera, se determinaron las curvas del logaritmo natural de humedad

incumplida en función de /r´2 en lugar de como se hizo anteriormente, para de

esta manera excluir el efecto del encogimiento. Las pendientes obtenidas para el

cálculo de los coeficientes de difusión en el secado de dos etapas se muestran en

las figuras VII.23 y VII.24, de la primera y segunda etapa a 60, 70 y 80 °C

respectivamente. Las pendientes obtenidas para el cálculo de los coeficientes de

difusión en el secado de una sola etapa a 60, 70 y 80 °C se muestran en la figura

VII.25.

Figura VII.23. Logaritmo natural de humedad incumplida en función de /r´2 de la primera etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.


89

Figura VII.24. Logaritmo natural de humedad incumplida en función de /r´2 de la segunda etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuente fluidizado a 60, 70 y 80 °C.

Figura VII.25. Logaritmo natural de humedad incumplida en función de /r´2 del secado en una sola etapa en el secador de lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.


90

Los coeficientes de difusión corregidos por el efecto de encogimiento por la

ecuación de Hawlader se presentan en el cuadro VII.9 para cubos de zanahoria

deshidratados en dos etapas. Estos valores se ubican dentro del intervalo de 1.77

x 10-10 a 10.97 x 10-10 m2/s y en el esquema de una sola etapa varían de 1.60 x

10-10 a 4.05 x 10-10 m2/s.

Cuadro VII.9. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C

en una sola etapa y dos etapas corregidos por la ecuación de Hawlader.

Temperatura

Def (m2/s) en una

sola etapa de

secado x 1010

Temperatura

Def (m2/s) en dos etapas de

secado x 1010

Primera etapa Segunda etapa

60°C (S1) 3.37 ± 0.119 60°C (S1) 7.26 ± 0.597 3.37 ± 0.194

60°C (S2) 1.35 ± 0.238 60°C (S2) 1.51 ± 0.776

70°C (S1) 3.72 ± 0.477 70°C (S1) 10.80 ± 0.716 3.71 ± 0.597

70°C (S2) 2.02 ± 0.835 70°C (S2) 1.68 ± 0.970

80°C 4.89 ± 0.955 80°C 11.98 ± 0.388 4.39 ± 0.114


Los coeficientes de difusión obtenidos al considerar el efecto de encogimiento

fueron estadísticamente diferentes entre el secado en una sola etapa y dos

etapas. En el proceso de dos etapas, la primera etapa a las temperaturas de 70 y

80 °C obtuvo los mayores coeficientes de difusión respecto a la segunda etapa y

en una sola etapa.

En el cuadro VII.10 se observa que los coeficientes de difusión disminuyen al

considerar el efecto de encogimiento (C/E ) respecto a aquellos obtenidos con el

radio medio logarítmico (S/E) indicados en los cuadros VII.4 y VII.5.


91

Cuadro VII.10. Coeficientes de difusión promedio para cubos de zanahoria a 60,

70 y 80 °C en dos etapas y una sola etapa de secado sin el efecto de

encogimiento (S/E) y con el efecto de encogimiento (C/E).

Temperatura

Coeficientes de difusión (m2/s) en una sola etapa

de secado x 1010

Coeficiente de difusión (m2/s) en dos etapa de secado x 1010

S/E C/E Primera etapa Segunda etapa

S/E C/E S/E C/E

60°C (S1) 7.45 3.37 11.5 7.26 6.28 3.37

60°C (S2) 2.16 1.35

1.73 1.51

70°C (S1) 7.74 3.72 15.5 10.80 7.51 3.71

70°C (S2) 2.57 2.02

1.28 1.68

80°C 9.93 4.89 16.3 11.98 7.37 4.39


Como se observa en el cuadro VII.10, aunque los coeficientes de difusión sin

excluir el encogimiento son mayores, tras la corrección por este efecto

disminuyen en el secado de dos etapas y una sola etapa. Sin embargo, los

coeficientes caen dentro del mismo orden de 10-10 y son consistentemente

mayores en el secado de dos etapas.

En las figuras VII.26 y VII.27 se observa la curva de humedad generada con los

coeficientes difusivos obtenidos por medio de la segunda Ley de Fick sin

considerar el efecto del encogimiento (SE) y con el efecto del encogimiento (CE),

utilizando 10, 5 y 1 término de la serie (indicadas en las figuras como CALC 10,

CALC 5 y CALC 1, respectivamente). Donde se observan que las curvas

calculadas con 5 y 10 términos de la serie representan bastante bien a la obtenida

experimentalmente principalmente en los casos donde no se considera el efecto

del encogimiento. Las curvas restantes a los esquemas de secado de dos etapas

y una sola etapa a las temperaturas de secado se presentan en el Anexo 4.


92

Figura VII.26. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dos etapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la 2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidos sin considerar el encogimiento (SE).

Figura VII.27. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dos etapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la 2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidos considerando el encogimiento (CE).


93

VII.7 REHIDRATACIÓN

La capacidad de rehidratación obtenida por el método de Zielinska y Markowski

(2007) de las muestras deshidratadas a 60, 70 y 80 °C se expresó como se

muestra en las figuras VII.28 y VII.29 para los esquemas de dos etapas y una sola

etapa respectivamente, donde se representa la ganancia en peso del agua

adsorbida por gramo de sólido seco inicial durante el tiempo de rehidratación de

60 min.

Figura VII.28. Cambios en el contenido de humedad versus tiempo de

rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80°C en dos etapas.

En la figura VII.28 se observa que la muestra deshidratada a 60° C en el esquema

de dos etapas se rehidrata mejor que las muestras deshidratadas a 70 y 80°C. La

mayor adsorción de agua a la temperatura de secado de 60 °C respecto a otras

temperaturas superiores ha sido reportado por autores como Zielinska y

Markowski (2007) y Melquíades et al. (2009) en la rehidratación de zanahoria,

esto se explica debido a que con mayor temperatura de secado la partícula sufre

un estrés celular en conjunto con el efecto del encogimiento que dificulta la

rehidratación del producto.


94

La capacidad de adsorción de las muestras secas a 70 y 80 °C en el esquema de

dos etapas son similares entre ellos pero existe diferencia estadística significativa

(p 0.05) respecto a la temperatura de secado de 60 °C. Los cubos de zanahoria

deshidratados en una sola etapa no presentan un comportamiento similar en la

adsorción de agua respecto al esquema de dos etapas, donde además de

adsorber menos agua (figura VII.29), no hay diferencia estadística significativa

entre las temperaturas de secado.

Figura VII.29. Cambios en el contenido de humedad versus tiempo de rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80°C en una sola etapa.

En las figuras VII.28 y VII.29 se observa también que los cubos de zanahoria no

alcanzaron el equilibrio en el agua adsorbida durante las condiciones dadas de

rehidratación. El agua adsorbida por cubos de zanahoria deshidratados en dos

etapas a 60 °C alcanzó aproximadamente 5.30 g/g s.s. inicial, mientras que los

cubos deshidratados en una sola etapa alcanzan aproximadamente 4.33 g/g

s.s.inicial. Esta diferencia puede deberse a que el secado en una etapa es un poco

más largo en comparación al de dos etapas, endureciendo la superficie de la

partícula por lo que se rehidrata más lentamente.


95

La cantidad de agua adsorbida es baja en comparación al contenido de humedad

de los cubos de zanahoria frescos de aproximadamente 9 g/g s.s., posiblemente a

causa de daños en la estructura celular y porosidad de la partícula después del

secado, lo cual podría ser responsable de la aparente baja rehidratación. Witrowa

y Lewicki (2006) indican que en teoría el incremento en volumen del cubo debería

corresponder al agua absorbida, sin embargo, el incremento en volumen también

dependerá de la porosidad antes y después del proceso de secado además de la

composición química del material que puede presentar lixiviación durante este

proceso.

Aunque las figuras VII.28 y VII.29 muestran que la cantidad de agua adsorbida fue

tan sólo de 5.30 y 4.33 g/g de sólido seco inicial para los esquemas de dos y una

etapa respectivamente, los datos del cuadro VII.10 muestran que el contenido de

humedad del producto rehidratado fue en promedio 91 – 92 % base húmeda, lo

cual es similar al contenido de humedad en la zanahoria fresca. Por lo tanto, la

aparente baja adsorción de agua indicada en las figuras VII.28 y VII.29 es

afectada por la considerable pérdida de sólidos solubles indicados en el cuadro

VII.11, lo cuales según Zielinska y Markowski (2007) son principalmente azúcares.

Cuadro VII.11. Contenido de humedad después de la rehidratación de cubos de

zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y una sola etapa.

Esquema de secado

Temperatura

Humedad de cubos de zanahoria Humedad después de la rehidratación

(% bh) Frescos (% bh) Deshidratados(% bh)

Dos etapas

60 °C 90.35 10.48 92.45

70 °C 89.18 10.96 92.13

80 °C 88.22 9.42 91.97

Una sola

etapa

60 °C 88.86 10.09 92.54

70 °C 86.30 9.93 91.74

80 °C 89.04 10.67 92.84


96

Con el objetivo de cuantificar la lixiviación de sólidos solubles durante la

rehidratación de los cubos de zanahoria se determinó la humedad al producto

obtenido antes y después de la rehidratación para hacer un balance de sólidos.

Como puede apreciarse en el cuadro VII.12 la pérdida de sólidos por lixiviación fue

de 50 a 60 % para ambos esquemas de secado a las diferentes temperaturas,

siendo un poco menores para la zanahoria deshidratada a 60°C en el esquema de

dos etapas.

Cuadro VII.12. Pérdida de sólidos solubles durante la rehidratación de cubos de

zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y una sola etapa.

Los resultados del cuadro VII.12 concuerdan con los presentados por Stepien,

(2008) en la rehidratación de muestras de zanahoria deshidratada por convección,

en las cuales después de 5 horas de rehidratación en agua a 20 °C cerca del 50

al 70 % de sólidos difunden del tejido a la solución. Ellos reportan que ésta pérdida

se debe al rompimiento de la membrana del citoplasma y como resultado de lo

cual, los constituyentes del citoplasma fluyen al agua circundante. Por su parte,

Cárdenas (2007) reporta la lixiviación de 30 a 40 % de sólidos durante la cinética

de rehidratación realizada a temperatura ambiente de cubos de zanahoria

deshidratados en un equipo de lecho por fuente fluidizado, donde además indica

Esquema

de secado Temperatura

Sólidos secos en

cubos de zanahoria

deshidratados (%)

Sólidos secos

después de la

rehidratación (%)

Pérdida de sólidos

solubles durante la

rehidratación (%)

Dos etapas

60 °C 2.79 1.27 55

70 °C 2.81 1.24 56

80 °C 2.82 1.23 56

Una sola

etapa

60 °C 2.79 1.13 60

70 °C 2.86 1.23 57

80 °C 2.84 1.19 58


97

que ésta pérdida no tiene alguna relación con la temperatura de secado como

sucedió en este trabajo. Aunque en los cubos de zanahoria deshidratados en dos

etapas la lixiviación de sólidos es ligeramente menor que en una sola etapa.

Después del análisis realizado, es evidente que durante el secado de tejidos

vegetales se produce además del encogimiento, daños a la estructura celular.

Tales efectos hacen imposible restituir las propiedades iniciales del producto

durante la rehidratación. La pérdida de sólidos solubles durante la rehidratación

puede establecerse como una desventaja o no dependiendo del fin al cual es

destinado el producto deshidratado, por ejemplo si los cubos van a incorporarse

a una sopa instantánea los sólidos solubles quedan en el caldo que también será

ingerido y no se pierde el valor nutricional del producto.


98

VII.8 PARÁMETROS DE CALIDAD

VII.8.1 RETENCIÓN DE CAROTENOS

Se realizó una curva tipo de trans β-caroteno puro en éter de petróleo para

expresar el contenido de carotenos en µg de β-caroteno por gramo de sólido seco

de zanahoria. La curva tipo se muestra en la figura VII.30, la cual fue usada para

cuantificar carotenos en zanahoria fresca y deshidratada.

Figura VII.30. Curva tipo trans β-caroteno en éter de petróleo puro.

La determinación del contenido de carotenos se realizó tanto en la zanahoria

fresca como en la zanahoria deshidratada tanto en una como en dos etapas a las

diferentes temperaturas para evaluar la retención de este compuesto. En la figura

VII.31 se compara el porcentaje de retención de carotenos en cubos

deshidratados de zanahoria en todos los esquemas de secado. La concentración

de carotenos en la zanahoria fresca varió en el intervalo de 2.78 mg /g s.s. a 6.40

mg /g s.s. dependiendo del lote utilizado, por tal motivo fue importante realizar el

análisis en el producto fresco y deshidratado para cada corrida de secado debido

a la variación significativa de carotenos de un lote a otro.


99

En la figura VII.31 se observa que el porcentaje de retención de carotenos de la

zanahoria deshidratada en dos etapas y una sola etapa a las temperaturas de 60,

70 y 80 °C es cerca de 80 a 90 %, donde no se encontró diferencia estadística

significativa (p 0.05) para cualquier temperatura y esquema de secado.

Figura VII.31. Porcentaje de retención de carotenos en zanahoria deshidratada a

60, 70 y 80°C. 1E y 2E: secado en una etapa y dos etapas, respectivamente.

Los porcentajes de retención de carotenos son similares a lo reportado por autores

como Fano et al. (2008) y Cárdenas (2007) quienes reportan porcentajes de

retención de aproximadamente 90 % a temperaturas de 60 a 80° C en cubos de

zanahoria de tamaño similar al utilizado en el presente trabajo. La variación de la

pérdida de carotenos puede deberse a que el tiempo de residencia del producto

en el secador en tales esquemas fueron más cortos respecto a los utilizados en el

presente trabajo y en consecuencia las partículas fueron expuestas mayor tiempo

a la oxidación. Por su parte Zheng et al. (2004) y Suvarnakuta et al. (2005)

reportan entre 60 y 70 % del contenido residual de carotenos en el secado por

convección de zanahoria, en el que la principal causa de la degradación de

carotenos fue el oxígeno disponible para una reacción de oxidación en la cámara

de secado.


100

Por tanto, después de realizar el secado de cubos de zanahoria en los esquemas

reportados en el presente trabajo, se concluye que el secado bajo estas

condiciones y esquemas de secado no es severo respecto a la degradación de

carotenos, esto se refleja en los altos porcentajes de retención.

La retención de carotenos además de estar influenciada por el tiempo de

residencia en el proceso de secado, también es afectado por el espesor de la

partícula, como lo reporta Regier et al. (2005) quienes indican que el espesor de

la partícula influye en los porcentajes de retención de carotenos siendo mayor

cuando el espesor de la partícula es menor, encontrando del 80 % a casi el 100%

de carotenos en el producto deshidratado por convección.

La retención de carotenos en zanahoria deshidratada en el presente trabajo se

comparó con una muestra comercial de zanahoria deshidratada en una

presentación de tiras delgadas de la marca Bel-Ara con una humedad de 5.71 %.

Aunque se desconoce si la muestra fue sujeta a algún pretratamiento y el método

de secado utilizado, los resultados indican que la retención de carotenos en las

muestras deshidratadas en dos y una sola etapa de secado son mayores

respecto a la muestra comercial, la cual contiene 0.29 mg /g s.s comparada con

3.67 mg /g s.s en promedio en las muestras obtenidas en este trabajo.

Lavelli et al. (2007) reportan el efecto del contenido de agua sobre el contenido de

carotenos, los resultados de este estudio conducen a condiciones de proceso y

almacenamiento requeridos para alcanzar alto contenido de carotenos en la

zanahoria deshidratada. Ellos indican que la reducción de la humedad de 6 a 11 %

provoca alta estabilidad de los carotenos en el producto deshidratado. Como se

aprecia en los datos reportados por los autores mencionados anteriormente, hay

varios factores además del proceso de secado que influye en el contenido de

carotenos residual y la estabilidad de los mismos durante el almacenamiento.


101

VII.8.2 RETENCIÓN DE ACTIVIDAD DE PEROXIDASA

El porcentaje de retención de actividad de la enzima peroxidasa utilizada como

indicador de termodegradación en la zanahoria deshidratada respecto al producto

fresco para los diferentes esquemas de secado se observa en la figura VII.32.

Figura VII.32. Retención de actividad de peroxidasa en cubos de zanahoria

deshidratados. 1E y 2E: secado en una etapa y dos etapas, respectivamente.

El efecto térmico sobre los cubos de zanahoria ocasionó que la actividad

enzimática disminuyera notablemente, así el porcentaje de retención de

peroxidasa en cubos de zanahoria deshidratados varía de 20 a 35%. En la figura

VII.32 se observa que a menor temperatura de secado en una sola etapa y dos

etapas la retención de actividad de la enzima es mayor, pero no así cuando se

utiliza temperaturas altas. Después de comparar la actividad residual en ambos

esquemas a 60 y 70 °C no se determinó diferencia significativa entre ellos, aunque

en el secado de una sola etapa a 80 °C se obtuvo diferencia estadística

significativa (p 0.05) respecto al resto de los esquemas, esto puede deberse a la

combinación de tiempo y temperatura de este proceso.


102

La retención de actividad de peroxidasa (20 % de retención) en este último caso

refleja mayor daño térmico en el secado de una sola etapa de los cubos de

zanahoria respecto al de dos etapas empleando la mayor temperatura de secado.

Este efecto causado a la estructura celular de la partícula se observó

anteriormente en la menor cantidad de agua adsorbida durante la rehidratación

bajo ese esquema de secado.

Anthon y Barret (2002) y Morales et al. (2002) mencionan que en la zanahoria las

enzimas más resistentes a la inactivación térmica son la peroxidasa y

pectinmetilesterasa. Sin embargo como se observa en los resultados, la

deshidratación en lecho por fuente disminuye la actividad de la enzima peroxidasa

hasta un 20 a 35 %, la actividad residual de esta enzima es mayor en el secado de

dos etapas que en el de una etapa al menos a la temperatura de 80 °C.

Los porcentajes de retención de peroxidasa obtenidos en el presente trabajo

concuerdan a los reportados por Fano et al. (2008) que reporta hasta un 22 %

actividad residual en cubos de zanahoria deshidratados en un secador de lecho

fluidizado con ciclos de atemperado de 20 x 20 (relación al tiempo de secado x

tiempo de reposo) a 70 °C con un tiempo total de proceso de 166 min, además de

un tratamiento previo de escalde.

Cárdenas (2007) reporta de 40 a 60 % de retención en la deshidratación de cubos

de zanahoria empleando el secador de lecho por fuente fluidizado. Aunque las

condiciones de temperatura de secado son iguales a las empleadas en los

esquemas de dos etapas y una sola etapa, en el trabajo de este autor se parte de

una carga inicial de aproximadamente 300 g con tiempos de secado más cortos

(150 min a 270 min) comparados con el presente trabajo donde la carga inicial es

de 1.98 kg, por lo que el daño térmico es menor.


103

VII.8.3 RETENCIÓN DE ACTIVIDAD DE PECTINMETILESTERASA

En la figura VII.33 se observa la actividad residual de la enzima

pectinmetilesterasa de la zanahoria deshidratada en dos etapas y una sola etapa.

Se observa que la actividad residual de esta enzima es mayor que en el caso de la

peroxidasa bajo condiciones similares de proceso.

Figura VII.33. Retención de actividad de pectinmetilesterasa en cubos de

zanahoria deshidratados. 1E y 2E: secado en una etapa y dos etapas,

respectivamente.

La actividad de la enzima pectinmetilesterasa no disminuye de forma considerable

en alguno de los esquemas evaluados como se observó en el caso de la actividad

residual de la enzima peroxidasa. La actividad residual de la pectinmetilesterasa

en los cubos deshidratados en dos etapas y una sola etapa varió de 80 a 90 %, no

presentando diferencia estadística (p 0.05) a las temperaturas de secado de 60,

70 y 80 °C.

Como se muestra en la figura VII.33, la actividad residual de la pectinmetilesterasa

no presenta una relación con el aumento o descenso de la temperatura de secado

de los cubos de zanahoria, como se apreció en la actividad residual de la enzima


104

peroxidasa. Lo cual concuerda con Anthon y Barret (2002) quienes indican a la

pectinmetilesterasa con mayor termorresistencia que la peroxidasa.

Los porcentajes de retención obtenidos para esta enzima son similares en

comparación a los reportados por Cárdenas (2007) quien reporta porcentajes de

retención del 80 al 100% en zanahoria deshidratada en un secador de lecho por

fuente fluidizado.

La actividad enzimática de peroxidasa y pectinmetilesterasa en zanahoria

deshidratada en el presente trabajo se comparó con la muestra comercial de

zanahoria deshidratada de la marca Bel-Ara. En la muestra comercial no se

presentó retención de actividad enzimática por lo que se deduce que fue sometida

a tratamiento térmico del escalde antes del secado.

De los resultados obtenidos respecto a la actividad enzimática residual se puede

determinar a los esquemas de dos etapas y una sola etapa como tratamientos no

severos debido a la alta retención en la actividad de pectinmetilesterasa en

cualquiera de los esquemas presentados. El mejor de los casos se observa en el

secado en una sola etapa a 80 °C donde se logra retener hasta 20 % de la

actividad de peroxidasa y un 85 % de actividad de pectinmetilesterasa.


105

VII.8.4 DETERMINACIÓN DE COLOR

Para la determinación de la diferencia de color que presentan los cubos de

zanahoria deshidratados se determinó como muestra de referencia a la zanahoria

fresca. Por tanto para realizar la comparación, la zanahoria fresca fue sometida a

deshidratación en vacío con una rehidratación posterior hasta obtener

aproximadamente 90 % de contenido de humedad similar a la zanahoria fresca.

Los resultados de la determinación de color en los cubos deshidratados a 60, 70 y

80° C en dos etapas y una sola etapa se muestran en el cuadro VII.13.

La determinación de color se realizó en el espectrofotómetro Colormate, este

equipo realiza la medición de los parámetros L*, a*, b* y D.E de la muestra

respecto a una muestra estándar donde el parámetro L* indica la luminosidad, a*

indica la saturación que define el componente rojo –verde, b* el ángulo de tono

que define el componente amarillo-azul y D.E. representa el cambio total de color.

A partir de los datos reportados por el equipo, en el cuadro 10 se muestran los

valores delta de tales parámetros considerando como referencia los valores del

estándar (zanahoria fresca deshidratada en vacío).

Cuadro VII.13. Determinación de color (ΔL*, Δa*, Δb* y D.E) en zanahoria

deshidratada.

Esquema de secado ΔL* Δa* Δb* DE

60°C 2E 0.46 0.13 1.34 1.42

70°C 2E 1.23 0.13 2.8 3.06

80°C 2E -1.15 -1.61 -1.01 2.22

60°C 1E 0.49 -0.38 1.56 1.68

70°C 1E -0.73 -1.85 -0.62 2.08

80°C 1E 0.29 -1.87 1.65 2.51

1E y 2E son secado en una y dos etapas, respectivamente.


106

Las muestras deshidratadas en los esquemas de dos etapas y una sola etapa a

60, 70 y 80 °C presentan en la mayoría de los casos un aumento en la

luminosidad. La disminución del parámetro a* indica una tendencia hacia el color

verde mientras que el aumento de b* indica un descenso en el tono del amarillo.

Estos cambios provocan un obscurecimiento de las muestras deshidratadas

respecto del color naranja característico de la zanahoria estándar. Por tanto, el

aumento del parámetro DE confirma el cambio en la intensidad de color que

presentan las muestras. Francis y Clydesdale (1975) indicaron que un DE de 2

puede ser un cambio de color notablemente diferente, mientras que un valor de 3

es inaceptable para muchos productos. El ligero cambio de color naranja

característico de la zanahoria fresca hacia un tono amarillo – verde aun puede

considerarse como aceptable para este producto. Esta variación puede

relacionarse con la pérdida de carotenos obtenida en los esquemas de secado

empleados. Koca et al. (2007) reporta que la degradación de carotenos afecta el

color, debido a que estos compuestos son susceptibles a la oxidación cuando son

expuestos a la luz, oxígeno y enzimas, los cuales están presentes bajo las

condiciones de secado empleados en el presente trabajo.

El cambio de color con la aplicación de temperatura para el caso de la zanahoria

es reportado también por autores como Krokrida et al. (2001) y Markowski et al.

(2006) quienes concluyen que además del obscurecimiento que sufren las

partículas por métodos de secado por convección, también indican diferencias en

color del producto final debido al efecto de la variedad de la zanahoria. Por tanto

se observa que el cambio de color en la zanahoria deshidratada puede deberse a

una combinación de factores como obscurecimiento no enzimático por el

contenido de azúcares en este producto.

107

VIII. CONCLUSIONES

En el secado de dos etapas en los secadores de lecho por fuente y lecho por

fuente fluidizado se logro mantener una velocidad de aire constante en cada uno

de ellos, por lo que el control de la operación se facilita respecto a la operación en

una etapa que requiere la reducción constante del flujo de aire y por tanto la

operación es más compleja.

Debido al encogimiento de los cubos de zanahoria es imposible mantener la

velocidad del aire de secado constante, por lo que en el esquema de una sola

etapa es necesario reducirla conforme transcurre el proceso.

Los coeficientes de difusión efectiva en la primera etapa de secado son mayores

respecto a la segunda etapa de secado del esquema de dos etapas y a los de una

sola etapa, aun considerando el efecto de encogimiento. Los coeficientes de

difusión obtenidos para los cubos de zanahoria deshidratados en una y dos etapas

están dentro de los intervalos reportados por la bibliografía.

En el esquema de secado de dos etapas se observó la presencia de dos

subperíodos a las temperaturas de 60 y 70°C, indicando un cambio en el

mecanismo de secado. En el caso del secado en una sola etapa se observó la

presencia de dos subperíodos sólo a la temperatura de 60 °C.

El tiempo de secado a 80°C se reduce de manera significativa respecto a 60 y

70°C en ambos esquemas. Sin embargo, los tiempos de secado a 60 y 70°C son

mayores en una sola etapa.

El encogimiento de los cubos de zanahoria durante el secado resultó ser ideal e

independiente de la temperatura, es decir el cambio en volumen es proporcional al

descenso en el contenido de humedad. Este tipo de encogimiento de los cubos

durante el secado fue independiente de las condiciones de operación.

La capacidad de rehidratación de los cubos deshidratados en dos etapas fue

mayor que en una sola etapa. La cantidad de agua adsorbida por los cubos

deshidratados en dos etapas a 60° C fue mayor que a las temperaturas de 70 y

80° C, probablemente debido a un mayor endurecimiento de la superficie a

temperaturas más altas. Sin embargo, en el esquema de una sola etapa no se

obtuvo diferencia en el agua adsorbida por los cubos de zanahoria deshidratados

a las diferentes temperaturas.

CONCLUSIONES

108

Durante la rehidratación hubo una pérdida de sólidos solubles entre 50 a 60 % en

ambos esquemas de secado, observando menor lixiviación de sólidos en el

esquema de dos etapas.

En el porcentaje de retención de carotenos en el secado de dos etapas y una sola

etapa a 60, 70 y 80°C no se encontró diferencia estadística significativa. La

retención de carotenos varió entre 80 a 90 % en ambos esquemas de secado.

La actividad residual de la enzima peroxidasa (20 a 35%) es menor respecto a la

enzima pectinmetilesterasa (80 a 90%), la cual es más termoresistente en la

zanahoria.

El daño térmico causado a los cubos de zanahoria deshidratados indica un

tratamiento poco severo debido a que hay actividad enzimática de

pectinmetilesterasa casi en su totalidad y de peroxidasa de alrededor del 30 %,

además de la alta retención del contenido de carotenos. Aunque en el esquema de

una sola etapa de secado a 80°C se obtuvo menor retención de actividad de

peroxidasa, posiblemente a la combinación de tiempo y temperatura de proceso.

Por lo que al menos en este caso el secado de dos etapas es menos severo que el

de una sola etapa.

En el parámetro de color los cubos de zanahoria deshidratados en una y dos

etapas muestran un ligero cambio en el tono respecto del color característico del

producto fresco, sin embargo el cambio de color puede considerarse como

aceptable.

CONCLUSIÓN GENERAL

En este trabajo se probó que si bien la operación de secado en dos etapas es un

poco menos severo que el de una sola etapa, no hay diferencia apreciable en la

calidad del producto obtenido en cuanto a retención de carotenos, actividad

residual de peroxidasa y pectinmetilesterasa o color del producto deshidratado.

El esquema de secado en dos etapas consume aproximadamente 50%más aire

que el de una sola etapa, sin embargo se obtienen menores tiempos de secado a

60 y 70°C y mayores coeficientes de difusión, aunado a una operación mucho más

fácil de controlar que la de una sola etapa obteniendo un producto de calidad

similar con mayor capacidad de rehidratación.

LITERATURA CITADA

109

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116

ANEXOS

ANEXOS

117

Anexo 1. Calibración del soplador para la fuente del secador lecho por fuente

convencional semipiloto.

Anexo 2a. Calibración del soplador para la fuente del secador lecho por fuente

fluidizado.

ANEXOS

118

Anexo 2b. Calibración del soplador para la zona anular del secador lecho por

fuente fluidizado.

ANEXOS

119

Anexo 3. Gráficas de regresiones lineales de logaritmo natural de radio

experimental en función de logaritmo natural de mt/mo para los esquemas de dos

etapas y una sola etapa a 60, 70 y 80 °C.

Secado en una sola etapa a 60°C.


ANEXOS

120


Secado en dos etapas a 60°C.

ANEXOS

121



ANEXOS

122

Anexo 4. Gráficas de humedad experimental (EXP) y calculada con 10, 5 y 1

términos (CALC 10, CALC 5 y CALC 1) por la segunda Ley de Fick para una

esfera sin considerar el efecto del encogimiento (SE) y considerando el efecto del

encogimiento (CE) para los esquemas de una sola etapa y dos etapas de secado.

ANEXOS

123

ANEXOS

124

ANEXOS

125

ANEXOS

126

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