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Efecto del tiempo y concentración de sacarosa sobre la pérdida de agua y ganancia
de sólidos en la deshidratación osmótica de maca “lepidium peruvianum”
M. Alfaro, V. Cruz, Y. Sáenz, E. Vásquez D.
Escuela de Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Trujillo, Trujillo - Perú
Entregado el 18 de marzo del 2009
Resumen
El propósito del presente estudio fue investigar la deshidratación osmótica de maca (“Lepidium peruvianum”) evaluando la influencia de
la concentración de azúcar ( 20 y 60 °Brix) y el tiempo de inmersión ( 30 y 300 min), en términos de ganancia de sólidos y pérdida de
agua. El análisis estadístico fue realizado con el diseño experimental DCCR, alcanzando un nivel de significación aceptable para las
variables independientes con respecto a las variables dependientes. Fue usada la metodología de superficie respuesta para el
procesamiento de los datos, encontrando valores óptimos para las variables independientes en función de las variables dependientes,
siendo éstos, 55% de concentración de azúcar con un tiempo de 260 minutos. En la zona óptima del proceso de deshidratacion, la pérdida
de agua varió entre 20 a 24 g agua/100g, y la ganancia de sólidos entre 14 a 17 g/100g.
El incremento del tiempo de inmersión y la concentración de solución tuvieron un efecto positivo en la ganancia de sólidos y la pérdida de
agua.
Palabras claves: Deshidratación osmótica; proceso osmótico; tratamiento osmótico; absorción de sólidos; ganancia de sólidos; papaya.
1. Introducción
En la actualidad, cada vez se hace más importante
para el consumidor ingerir alimentos que además de los
beneficios originales que este le pueda aportar le ayude en
el mantenimiento de su salud y en la prevención de
enfermedades. Por tal motivo, cada vez más, un buen
porcentaje de la producción mundial de frutas está siendo
utilizada en procesos de producción de alimentos
funcionales (Milacatl, 2003).
Son pocos los métodos de conservación que se
aplican a las hortalizas para prolongar su frescura y
principalmente se utiliza la refrigeración, el lavado y
desinfección, el curado o encerado, aún así tienen una
vida de mercadeo corta. En cambio cuando no es tan
importante conservar la frescura pero sí mantener las
características adecuadas para su consumo por tiempos
prolongados, se tienen disponibles otras tecnologías de
conservación que controlan la humedad de las hortalizas,
por ejemplo: el secado con aire caliente, la liofilización,
elaboración de conservas, la osmodeshidratación (García
y Riaño, 1996).
Durante el tratamiento osmótico, los dos mayores
flujos contracorriente ocurren simultáneamente. Debido a
la actividad del gradiente del soluto a través de la
membrana celular semi -permeable, flujos de agua del
producto entran al medio osmótico, mientras el soluto
osmótico es transferido del medio hacia el producto. La
lixiviación de los sólidos del producto (es decir los
azúcares, ácidos, minerales, vitaminas) hacia el medio es
el tercer fenómeno del traslado que puede afectar
características organolépticas y nutritivas, aunque es
considerado cuantitativamente despreciable (Dixon y Jen,
1977; Lazarides, 1994).
La mayor importancia de ganancia de los sólidos con
respecto a la proporción de remoción de agua y las
características de calidad del producto final ha atraído el
interés de una investigación extensa. Está demostrado que
el daño permanente en células vegetales (es decir, debido
al calentamiento, congelación/descongelación) resulta en
la captación extensiva de sólidos de la solución osmótica
(Lazarides y Mavroudis, 1995). Además de la
temperatura del proceso y la concentración de la solución
osmótica, el tamaño del soluto osmótico fue demostrado
que juega un papel central a la captación del soluto
(Lazarides et al., 1995). Finalmente, se ha sugerido un
revestimiento como un medio de prevenir la ganancia de
sólidos (Lenart y Piotrowski, 2001; Matuska, et al.,
2006).
La deshidratación osmótica, al igual que cualquier
otro proceso, requiere que se optimice con el fin de
minimizar costos y efectos indeseados en el producto
resultante. Optimizar es seleccionar la mejor alternativa
de un grupo específico de alternativas para un proceso
determinado y para ello se requiere, primero, de un
método que describa las alternativas potenciales del
proceso, y segundo, un criterio para decidir cuál de las
alternativas es la mejor (Lawson et al.).
Corzo et al. (2003), mediante la metodología de
superficie de respuesta llegó a optimizar la
deshidratación osmótica del melón (Cucumis melo,
variedad Edisto), cortado en forma cilíndrica, al concluir
que a una temperatura de 37.95ºC, concentración de
sacarosa de 41.60 ºBrix y a un tiempo de 132.30 min. Se
produce una pérdida de peso de 0,11 g/g, una pérdida de
agua de 0,3282 g/g y una ganancia de soluto de 12,3
°Brix/g.
Reyes et al. (2005) también utilizó la metodología de
superficies de respuesta para optimizar la transferencia de
masa ocurrida durante la deshidratación osmótica (DO)
de láminas de sardina buscando las condiciones óptimas
de un proceso, es decir las más deseables modelando la
pérdida de agua, pérdida de peso y ganancia de sal
ocurrida durante la deshidratación osmótica de láminas de
sardinas sometidas a diferentes condiciones de
concentración, temperatura y tiempo, y optimizando los
niveles de los factores que permitan tener las mejores
respuestas del proceso de deshidratación osmótica. Millan
et al. (2005), mediante un diseño experimental rotable,
estudio el efecto de cuatro variables de proceso
(concentración de la solución osmótica, tamaño de la
muestra de fruta, temperatura y tiempo de proceso) sobre
las manifestaciones macroscópicas de los fenómenos de
transporte de masa en la deshidratación osmótica de
banana (Musa sapientum), melón (Cucumis melo L.),
papaya (Carica papaya L.) y manzana (Malus sylvestris
miller), a fin de generar modelos empíricos que
permitieran predecir la pérdida de agua y la ganancia de
sólidos en tales substratos.
2. Materiales y Métodos
Materiales
- Balanza analítica, precisión 0.0001 g
- Estufa
- Termómetro
- Cronometro
- Maca "Lepidium peruvianum"
- Placas Petri
- Recipientes de plástico
- Recipientes de vidrio
- Agente edulcorante: Sacarosa
- Agua destilada
- Pelador
- Cuchillos
Métodos
Preparación y manejo de la muestra
La investigación fue realizada en el Laboratorio
Operacional de la Escuela de Ingeniería Agroindustrial,
de la de la Universidad Nacional de Trujillo, Sede
Trujillo a una temperatura de 20 ºC.
Los tubérculos de maca fueron adquiridos de un
mercado local “La Hermelinda”, los cuales estaban en
buenas condiciones.
El contenido de humedad de las muestras se realizó a
cada intervalo de tiempo, las muestras fueron depositadas
en placas Petri, las que fueron colocadas en una estufa a
115ºC por 5 horas hasta alcanzar un peso constante. Una
balanza analítica de precisión 0.0001 g fue utilizada para
medir este valor.
La ganancia de sólidos de las muestras se realizo
calculando su porcentaje de materia seca inicial, y por
diferencias con el peso de materia seca final se logro
calcular la ganancia sólidos.
Se realizará la optimización de las variables
concentración de sacarosa y tiempo de deshidratación del
proceso, que nos permita minimizar el contenido de
humedad y maximizar el contenido de sólidos.
Una vez que se obtuvo el producto fresco
seleccionado y caracterizado se procedió a pelarlo y
trocearlo en cubos de 1cm3. Aunque el peso inicial y los
sólidos fueron considerados en los cálculos, las muestras
fueron seleccionadas para obtener el mismo peso inicial,
dentro de un pequeño rango de variación (±0.9g), el
promedio de las muestras fue de 1.524.
Las muestras, luego de ser escaldadas, fueron
sumergidos en una soluciónes azucaradas entre 20g/100gr
y 60 g/100g.(temperatura ambiente del Laboratorio de
Agropecuarias), durante intervalos de tiempo entre 30 a
300 minutos, con agitación consistente en un masaje
manual cada media hora. Para cada período de tiempo ya
definido se determinaron los sólidos solubles totales
(g/100g) en una de las muestras que se encontraban en el
osmo-reactor; así como también el porcentaje de
humedad. Con estos valores y a partir de los siguientes
balances de masas se determinaron: la cantidad de agua
retirada durante el proceso (liberado por el tubérculo), la
masa final de la maca y el porcentaje de pérdida de masa
de la maca.
Nomenclatura
WL
SG
E
M
ms
Pérdida de agua (g/g materia seca inicial)
Ganancia de sólidos (g/g materia seca inicial)
Contenido de agua en el producto (g)
Masa del producto (g)
Materia seca en el producto (g)
T
Z
Tiempo (s)
Fracción másica de sólidos solubles (%)
Subíndices
o
t
Valor en el momento cero
Valor en el tiempo t
Soluciones osmóticas
Se prepararon cinco soluciones de azúcar a 60; 54.14;
40; 24.14; 20 g/100gr, éstas concentraciones se
obtuvieron mezclando agua destilada con azúcar en
porcentajes de peso – peso.
Las soluciones osmóticas fueron puestas en
recipientes de plástico que sirvieron como osmo-
reactores. Cada recipiente contenía 10 muestras. En total
fueron reportados 5 tiempos (30min, 69.54min, 165min,
260min, y 300min).
Las muestras fueron aseguradas mediante una malla
metálica para evitar que floten en la superficie de la
solución osmótica. Cada cierto tiempo (30min) se agitaba
manualmente para mantener la concentración constante
en el medio osmótico. El recipiente fue almacenado a
temperatura ambiente. La proporción en peso de la
solución y muestra fue aproximadamente 15:1 para
asegurar constante la solución a lo largo de cada paso del
proceso osmótico.
Métodos analíticos
La pérdida de agua (WL) y ganancia de sólidos (SG)
fueron expresados en g/g de masa seca inicial a fin de
explicar las diferencias de las concentraciones iníciales de
sólidos entre muestras. Los cálculos fueron hechos
usando el método gravimétrico, según las relaciones
siguientes:
O
TO
M
EEWL 100(%) (1)
O
ot
M
msmsSG 100(%) (2)
3. Resultados y discusiones
Tabla 1. Resultados de la deshidratación osmótica de “Lepidium
peruvianum”.
CONCENTRACION
DE AZUCAR
(g/100gr)
TIEMPO (seg)
PERDIDA
DE AGUA
(g /100g)
GANANCIA
DE SOLIDOS
(g /100g)
54,14 69,54 8,6931926 2,04908802
54,14 260,46 18,04962 8,24284113
24,14 69,54 6,71061863 2,18131706
24,14 260,46 8,08411762 2,51899356
20 165 3,72644605 2,32665066
60 165 20,5877572 11,730482
40 300 19,66207 8,65347999
40 30 5,71854696 2,56393391
40 165 7,23212182 3,04578682
40 165 7,49034009 3,17002002
40 165 7,51870907 3,62876493
Los resultados para los modelos de regresión indican
que son estadísticamente significativos para el factor
tiempo y concentracion.
La ausencia de error en el modelo de ajuste sugiere
que todos los modelos son válidos. Así, podríamos
concluir que éstos modelos describen adecuada y
correctamente el funcionamiento del proceso; tanto en
términos de extracción de agua como en ganancia de
sólidos.
3.1. Pérdida de agua (WL)
Se evaluó los efectos estimados de cada una de las
variables involucradas, así como de su interacción.
Contando con los efectos estimados, se procedió
a conocer los coeficientes de regresión del modelo
con lo cual se obtuvo el modelo matemático siguiente:
WL = 19,28964 - 0,68664C + 0,00955C2 - 0,09472T - 0,00024T2 + 0,00144CT
El modelo generado debía ser validado
estadísticamente por lo que se procedió a armar el Cuadro ANVA para cada uno de los factores y para el
modelo en general, mostrando el valor de significancia
(p) y el coeficiente de determinación (R2
), los cuales se
observan en la Tabla 2.
Tabla 3. Cuadro ANVA del modelado de la variable respuesta:
Perdida de agua.
Factor S.C. G.L C.M. F p R2
Regresión 272,4689465 2 136,234 12,0176 0,003889 0,90297
Error 90,68982096 8 11,3362
Totales 363,1587675 10
Según la Tabla 3, la pérdida de agua dependió del
tiempo. El efecto de éste factor se manifiesta porque WL
aumenta directamente con la raíz cuadrada del tiempo.
Esto concuerda con los resultados de estudios anteriores
(Hawkes y Flink, 1978).
La regresión lineal muestra la gran dependencia de
WL respecto del tiempo (R2=0.90297).
Barbosa Cánovas y Vega Mercado (2000),
concluyeron, que la mayor pérdida de agua por parte del
alimento, en el proceso de secado osmótico ocurre en las
primeras 6 horas, siendo las 2 iniciales las de mayor
velocidad de eliminación de agua. Esta tendencia cinética
también fue reportada por Nowakunda, Andrés y Fito
(2004) en osmodeshidratación de rodajas de banano. Lo
cual se confirma en este estudio en deshidratación de
maca.
Nieuwenhuijzen et al., 2001), manifestó que el uso de
solutos de alto peso molecular favorece la pérdida de
agua a expensas de la ganancia de sólidos (Spiazzi y
Mascheroni, 1997; Rastogi et al., 2002).
40 35 30 25 20 15 10 5
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
CONCENTRACION DE AZUCAR
0
50
100
150
200
250
300
350
TIE
MP
O
En la Figura1 se muestra la gráfica de la
superficie, mostrando en colores los rendimientos
esperados para cualquier combinación de las variables
independientes evaluadas.
Figura 1. Superficie respuesta de la variable: Perdida de agua.
Asimismo, se muestra la superficie de contornos,
en la cual se realizará la optimización del proceso de
deshidratación osmótica de maca respecto a la pérdida de
humedad, éste gráfico se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Superficie de contornos de la variable: Perdida de agua.
En el grafico de la superficie respuesta para la
variable dependiente de pérdida de agua se encontró que
el valor más óptimo de nuestros datos utilizados fue de
55% de concentración de azúcar con un tiempo de 260
minutos. tal como se muestra en la grafica de superficie
respuesta
3.2. Ganancia de sólidos (SG)
Se evaluó los efectos estimados de cada una de las
variables involucradas, así como de su interacción.
Contando con los efectos estimados, se procedió
a conocer los coeficientes de regresión del modelo
con lo cual se obtuvo el modelo matemático siguiente:
SG = 11,17253 -0,48215C+ 0,00600C2 - 0,03945T + 0,00006T2 + 0,00103CT
El modelo generado debía ser validado
estadísticamente por lo que se procedió a armar el Cuadro ANVA para cada uno de los factores y para el
modelo en general, mostrando el valor de significancia
(p) y el coeficiente de determinación (R2
), los cuales se
observan en la Tabla 4.
Tabla 4. Cuadro ANVA del modelado de la variable respuesta:
Ganancia de sólidos.
Factor S.C. G.L C.M. F p R2
Regresión 73,01357346 2 36,5067 7,50499 0,014611 0.81028
Error 38,91465334 8 4,86433
Totales 111,9282268 10
El ANVA muestra la gran dependencia de la
ganancia de sólidos del tiempo y de la concentración de
azúcar (R2=0.8102),
Heng et al. (1990) explicaron que el uso de
soluciones altamente concentradas favorables a mayor
WL puede reducir la SG, probablemente debido a una
capa de azúcar que se puede formar en la periferia de las
piezas del fruto como una barrera. Sin embargo,
Panagiotou et al. (1999) encontraron que a medida que se
incrementó la concentración del agente osmótico durante
la DO de banana, manzana y kiwi se acentuó la SG.
Rios et al. (2005) describe que en el comportamiento
de la deshidratación osmótica de frutos de papaya
hawaiiana en jarabe de sacarosa, se observa la
disminución de los sólidos solubles para el jarabe y la
pérdida de masa para el producto. También que en las
primeras cuatro horas las que tienen mayor incidencia en
la deshidratación del fruto, periodo en el cual la
transferencia de soluto desde el agente osmo-
deshidratante hacia el fruto y la transferencia de agua
desde este son altas. Sin embargo, se puede observar que
a medida que ocurre el proceso simultáneo de
transferencia de masa, la velocidad de intercambio tiende
a disminuir de forma progresiva hasta alcanzar un
equilibrio cinético en el cual no hay transferencia de
soluto ni de agua y en donde se alcanza la máxima
deshidratación del fruto.
La sacarosa es el agente de menor capacidad osmo-
deshidratante, lo cual de acuerdo a Moreira Azoubel y
Xidieh Murr (2000) se debe a que la sacarosa permite la
formación de una capa sub-superficial de azúcar, la cual
interfiere con los gradientes de concentración a través de
la interfase agente edulcorante-fruto actuando como una
barrera física contra la remoción de agua del fruto. Esta
formación de subcapa concentrada bajo la superficie de la
fruta en procesos de osmo-deshidratación ha sido
reportada por Lazarides, 2001; Lenart y Gorecka, 1989.
20 16 12 8 4
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
CONCENTRACION DE AZUCAR
0
50
100
150
200
250
300
350
TIE
MP
O
En la Figura 3 se muestra la gráfica de la superficie
obtenida con el software, mostrando en colores la
ganancia de sólidos esperados para la deshidratación
osmótica de maca.
Figura 3. Superficie respuesta de la variable: Ganancia de sólidos.
Asimismo, se muestra la superficie de contornos, en
la cual se realizará la optimización del proceso de
deshidratación osmótica de maca respecto a la ganancia
sólidos, éste gráfico se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Superficie de contornos de la variable: Ganancia de sólidos.
En el grafico de la superficie respuesta para la variable
dependiente de ganancia de sólidos se encontró que el
valor más óptimo de nuestros datos utilizados fue de 55%
de concentración de azúcar con un tiempo de 260
minutos. tal como se muestra en la grafica de superficie
respuesta.
3.3 Optimización del proceso de deshidratación
osmótica de maca
La optimización del proceso se realizó usando los
gráficos de superficie de contornos de las variables:
perdida de agua (regiones) y ganancia de sólidos
(líneas), tal y como se muestra en la Figura 5.
Figura --. Optimización del proceso de deshidratación osmótica de
maca
Según esta zona óptima de deshidratación,
obtendremos ganancias de solidos entre 12 a 15 g/100g
y perdidaas de agua entre 18 a 22 g/100 g. Para lograr
tal objetivo se necesitan concentraciones de azúcar por
encima de 53 y 58 % durante 250 – 300 minutos de
deshidratado
Se puede observar en las graficas de superficie respuesta
que la pérdida de agua y la ganancia de solidos aumentan
al incrementar el tiempo y la concentración de la solución
osmótica.
4. Conclusiones
Se puede observar que la pérdida de agua y la
ganancia de solidos aumentan al incrementar el tiempo y
la concentración de la solución osmótica.Los resultados
para los modelos indican que son estadísticamente
significativos para el factor tiempo y concentración de
azúcar.
Valores altos de R2 para WL y SG indican que estos
modelos explican en gran medida las diferencias
observadas en la extracción de agua y en la absorción de
sólidos en la deshidratación osmótica de maca.
La ausencia de error en el modelo de ajuste sugiere
que todos los modelos son válidos. Así, podríamos
concluir que éstos modelos describen adecuada y
correctamente el funcionamiento del proceso; tanto en
términos de extracción de agua como en ganancia de
sólidos.
Empleando el método gráfico se obtuvo una zona
óptima correspondiente a una concentración entre 53 y 58
%, un tiempo entre 250 y 300 min.
La zona óptima correspondiente a la sobre posición
de las gráficas de contorno de pérdida de agua y ganancia
de sólidos. se logra a una concentración de la solución
osmótica entre 53 y 58% de azúcar, tiempo de
deshidratación entre 250 y 300 min. En esta zona óptima,
la pérdida de agua varió entre 18 a 22 g agua/100g, la
ganancia de sólidos entre 12 a 15 g/100g.
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