COEFICIENTES DE DIFUSIVIDAD EFECTIVA E ISOTERMAS DE

COEFICIENTES DE DIFUSIVIDAD EFECTIVA E ISOTERMAS DE SORCIÓN PARA
DISTINTAS MATRICES DE SALCHICHONES
Comaposada J.*, Muñoz, I.
Enginyeria Alimentaria, IRTA, Finca Camps i Armet. 17121 Monells, Girona,
[email protected], web: http://www.irta.cat
PALABRAS CLAVE
Carne, transferencia de masa, actividad de agua, secado, productos curados
RESUMEN
El coeficiente de difusividad efectiva del agua en la carne y la isoterma de sorción son
parámetros esenciales para desarrollar modelos de simulación de secado de productos
cárnicos. El valor de estos parámetros depende de factores específicos relacionados con el
producto, como la composición (contenido de agua, sal, grasa,…), y también de otros
factores más generales como la temperatura. La gran variedad de matrices y procesos
existentes para la obtención de productos cárnicos comerciales dificulta la obtención de
valores estándar de coeficientes de difusividad e isotermas de sorción. El objetivo de este
estudio es determinar los coeficientes de difusividad e isotermas de sorción de distintas
matrices de salchichones comerciales. Los resultados de difusividad efectiva de agua en
matrices de salchichones entre 5 ºC y 25 ºC se encuentran entre 7,20—10-11 y 3,22—10-11
m2/s. Como conclusión se desprende la necesidad de determinar la difusividad efectiva del
agua e isotermas de sorción de forma experimental para cada producto de cara a poder
crear modelos precisos de secado de productos cárnicos.
INTRODUCCIÓN
Los embutidos crudos curados son productos tradicionales de gran consumo en la región
mediterránea. En su elaboración tradicional, el secado es la etapa más larga. Las condiciones
ambientales cambian durante esta etapa y el producto cárnico fresco se convierte en un
producto con aproximadamente la mitad de su contenido inicial de agua y con unas
propiedades de textura y sabor totalmente distintas. Es de interés la obtención de modelos
que puedan describir el proceso de secado para así poder observar la evolución del producto
en función de las diferentes condiciones aplicadas. El modelo creado permite analizar de
forma rápida los cambios y mejoras en el proceso. La utilización de estas herramientas
representa un ahorro considerable tanto a nivel de tiempo como de dinero para las empresas
que las utilizan. Hay que tener en cuenta que los desarrollos realizados en simulación tienen
que ser verificados a nivel real. Aunque los resultados en simulación pueden llegar a ser muy
exactos, no permiten realizar todo el trabajo en simulación. Para la realización de modelos es
necesario no sólo disponer de las ecuaciones matemáticas que permitan modelizar el
proceso, sino también de los coeficientes de transferencia de agua en el interior del producto
y las condiciones de equilibrio entre la superficie de este y su entorno. Así pues, el
coeficiente de difusividad efectiva del agua (De) en la carne y la isoterma de sorción son
parámetros esenciales para desarrollar modelos de simulación de secado de productos
cárnicos. El valor de estos parámetros depende de factores específicos relacionados con el
producto, como la composición (contenido de agua, sal, grasa,…), y también de otros
factores más generales como la temperatura. En los trabajos de Palumbo y col. (1977), en
pepperoni, y Mulet y col. (1992), en sobrasada, se pone de manifiesto que al aumentar el
contenido de grasa disminuye el coeficiente de difusividad efectiva del agua. Por otra parte,
muchos estudios realizados en diversos productos muestran que De se incrementa al
aumentar el contenido de humedad, aunque Motarjemi (1988), en carne de ternera picada,
y Palmia y col. (1993) en lomo fresco de cerdo, no observaron de forma clara este efecto en
un rango de humedades entre 0,3 y 1,8 kg/kg de materia seca (ms). El efecto del contenido
de sal en De de productos cárnicos ha sido analizada por diversos autores (Palmia y col.,
1993, Gou y col., 1996). La dependencia de De en alimentos con respecto a la temperatura
ha sido verificada en numerosos estudios, llegando al acuerdo generalizado de que existe
una relación de tipo Arrhenius entre estas dos variables (Okos y col., 1992). La gran
variedad de matrices y procesos existentes para la obtención de productos cárnicos
comerciales dificulta la obtención de valores estándar de coeficientes de difusividad e
isotermas de sorción. El objetivo de este estudio es determinar los coeficientes de difusividad
e isotermas de sorción de distintas matrices de salchichones comerciales.
MATERIALES Y METODOS
Se realizó el estudio con 8 tipos de salchichones. Se seleccionaron en una empresa
elaboradora en función del diámetro de la pieza, tamaño de picado de la carne y contenido
de grasa de la mezcla (Tabla 1).
Tabla 1. Parámetros de selección de los embutidos.
Salchichón
1
2
3
4
5
6
7
8
Diámetro
mm
Picado
mm
1
4
2
5
12
1
5
12
35-37
54-55
85
Grasa
%
27,3
21,9
34,1
20,0
20,2
32,3
20,4
19,1
Determinación del coeficiente de difusividad
Se utilizó la segunda ley de Fick para modelizar el proceso de deshidratación (Ecuación 1).
Esta ley relaciona las variaciones de la concentración (en este caso agua) con el tiempo y el
espacio durante la duración del proceso considerado. La variaciones de concentración vienen
dadas por su gradiente y por el coeficiente de difusividad (De), el cual es objeto de este
estudio..
∂ w
∂2 w
= − De
∂ θ
∂ x2
(1)
donde w representa el contenido de humedad local, θ es el tiempo y x es espacio.
Se utilizaron dos métodos para el cálculo del coeficiente de difusividad. Un método simple
mediante una solución análitica de la equación de Fick, y un método numérico.
a) Método simple: Para determinar la difusividad efectiva de forma simplificada para
tiempos de proceso largos se puede utilizar la Ecuación 2. Esta ecuación corresponde
a la solución de la ecuación de Fick para una lámina plana infinita sometida a unas
condiciones en las que el contenido de humedad de la superficie se encuentra en
equilibrio con las condiciones del aire y la transferencia de masa externa desde la
superficie es elevada comparado con la transferencia de agua en el interior del
producto.
 W − We
ln
 Wo − We
 − π 2 De
=
⋅θ

4r 2

(2)
donde W representa el contenido de humedad global y r es la mitad del espesor. El
valor de le contenido de agua al equilibrio We se estimó a partir de las isotermas de
sorción obtenidas en este estudio. Se utilizó la ecuación de Arrhenius para incorporar
el efecto de la temperatura en la difusividad del agua en el producto (Ecuación 3).
 − Ea 

De = D0 exp
 RT 
(3)
donde Ea representa la energía de activación, R la constante universal de los gases
(8.314472 J/K mol) y T la temperatura (K)
b) Método numérico: Se desarrolló una herramienta de software mediante Matlab
(2008) para la determinación de valores de difusividad de agua considerando la
transferencia de calor y masa para un objeto cilíndrico poroso húmedo sometido a
secado tal y como se describe en Muñoz y Comaposada (2011). Se llevó a cabo una
rutina para determinar los valores de difusividad para cada etapa del proceso a partir
de datos tomados de un proceso industrial. Esta herramienta está disponible online
en http://irtasim.irta.cat/inputform.aspx y lleva por nombre IRTASIM. Para la
determinación de la difusividad son necesarios los siguientes datos: temperatura del
aire (T), humedad relativa del aire (HR), la velocidad del aire, evolución del peso y el
tiempo, así como las condiciones iniciales del producto, es decir, humedad, contenido
de grasa, contenido de sal, longitud y diámetro del producto. Se utilizaron las
isotermas de sorción obtenidas en este estudio para calcular el contenido de agua al
equilibrio a lo largo del proceso de secado. Los valores De se obtienen considerando
su dependencia con el contenido de agua y temperatura de la supeficie del producto
(Ecuación 4).
 − 53467 
De = (a—W + b ) exp

 RT

(4)
Preparación de las muestras y proceso de secado
La preparación de las muestras fue distinta según el método de determinación del coeficiente
de difusividad efectiva.
a) Muestras para el método simple: para cada tipo de salchichón se tomaron varias
piezas de un mismo lote de fabricación industrial de una empresa cárnica al inicio del
proceso de secado. Se enfriaron las muestras a –3 ± 0.5 ºC y se lonchearon 2
lonchas de unos 2.3 mm de grosor de cada una de las 3 piezas muestreadas (6
lonchas en total). Se sometieron las distintas lonchas en un túnel de secado a
temperatura, humedad relativa y velocidad del aire constante. Se determinó la
difusividad efectiva del agua a 3 temperaturas distintas, 6,2 ±1,9, 14,4 ±1,9 y 24,6
±1,4 ºC. La humedad relativa del aire fue del 46,6 ±6,2 % y la de la velocidad del
aire de 4,9 ±1,3 m/s.
b) Muestras para el método numérico: se identificaron 4 piezas para cada tipo de
salchichón al inicio de secado en el secadero industrial y se registró la temperatura,
humedad relativa y velocidad del aire a la que estaban sometidas durante el proceso
de secado industrial. También se registró la evolución del peso y diámetro de cada
una de las piezas. La forma como se tomaron estas medidas está descrita en el
manual
de
ayuda
del
usuario
de
la
aplicación
IRTASIM
en
http://irtasim.irta.cat/inputform.aspx.
Se tomaron varias piezas de cada tipo de salchichón a inicio de secado para determinar la
composición inicial del lote de fabricación. Así mismo, a final del secado se tomaron las
muestras y piezas monitorizadas para la determinación del contenido de agua.
Determinación de las isotermas de sorción
La determinación de las isotermas se realizó mediante la determinación del contenido de
agua y la actividad de agua (aw) de las lonchas utilizadas en el método simple en distintos
momentos del proceso de secado en túnel de secado. Se hicieron los análisis por duplicado
de aw con un equipo Novasina Thermoconstanter TH-500 y del contenido de agua
(pérdida de peso después de 24 horas a 103 ± 2 ºC (AOAC, 1990)). Se determinaron las
isotermas por duplicado a 5, 15 y 25 ºC.
Análisis de composición inicial y pH
El contenido de agua, grasa, proteína, colágeno y sal se determinaron utilizando Foss
FoodScan espectrofotómetro de infrarrojo cercano según el método descrito por
Anderson (2007). El pH se determinó mediante un pH-metro Crison GLP 21 (Crison
Instruments, SA, Alella, España).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El tamaño y aspecto de los embutidos estudiados se visualiza en la Figura 1. Se observa
los distintos niveles de picado y distribución de grasa entre ellos.
1
2
3
4
5
6
7
8
Figura 1. Imagen de la sección de los embutidos después de su embutición y envasado al vacio.
Tabla 2. Composición y pH de los distintos salchichones estudiados.
pH
Humedad
*
Grasa SS
Proteina Colageno
NaCl
%
%
%
%
%
1
4,7
51,0
55,7
12,1
2,1
3,7
2
5,2
56,8
50,7
14,3
1,7
3,2
3
4,8
45,9
62,9
14,6
3,2
3,4
4
4,7
56,4
46,1
14,3
1,4
3,5
5
4,8
55,4
45,3
17,8
1,7
3,3
6
4,6
47,9
61,9
15,4
3,0
3,0
7
4,7
55,2
45,6
15,2
2,3
3,3
8
*
4,9
56,4
43,7
18,5
1,4
2,9
Grasa SS: % contenido de grasa respecto la materia seca
En la Tabla 2 se muestra la composición de dichos embutidos y su pH. De los embutidos
analizados, el 3 y 6 presentan un contenido de grasa mayor, mientras que el embutido 1
presenta un nivel de grasa intermedio, ambos embutidos con una distribución de los
granos de grasa entra la matriz cárnica aparentemente similar. El diámetro de picado de
la carne y grasa es pequeño, aunque el diámetro del embutido y la composición distinta.
Asimismo, el picado de los embutidos 4 y 7 es similar, con un aspecto de la distribución
de los granos de grasa similar. Igualmente con los embutidos 5 y 8.
Isotermas de sorción
Se observan variaciones pequeñas debido a la temperatura en el rango de 5 a 25 ºC en
las isotermas de los distintos embutidos (Figura 2). Por otro lado, se observan dos
grupos de isotermas. Uno para las muestras de embutidos grasos (3 y 6), y otro, para
las muestras de embutidos magros 2, 4, 7 y 8, donde el contenido de agua al equilibrio
es superior para una misma actividad de agua que en las muestras de embutidos grasos.
La muestra 1, con un contenido graso intermedio muestra una isoterma más próxima a
las muestras magras. Se realizaron dos ajustes a la ecuación GAB (Ecuación 5), uno para
el grupo de las muestras grasas (3 y 6) y otro para el resto de muestras. Se despreció el
efecto de la temperatura en el ajuste. Los parámetros de la ecuación GAB se muestran
en la Tabla 3.
(5)
Tabla 3. Parámetros de la ecuación GAB para los salchichones grasos y magros.
Salchichones grasos
Salchichones magros
XG
CG
KS
GAB G
0.05928
4441
0.9793
GAB M
0.0769
5 ºC
1,4
15 ºC
1
25 ºC
2
1,2
kg H2O/kg ms
10318.08 0.9804
3
4
1,0
5
6
0,8
7
Contenido de H2O,
8
0,6
GAB M
GAB G
0,4
0,2
0,0
0,5
0,7
aw
0,9
0,5
0,7
0,9
aw
0,5
0,7
0,9
aw
Figura 2. Isotermas de sorción de los distintos embutidos estudiados
Coeficiente de difusividad
Tanto la merma objetivo como las condiciones de secado condicionan el tiempo de
secado en los embutidos estudiados. Aunque en general se mantiene que el tiempo de
secado es menor para los embutidos con un diámetro menor (Tabla 4), los embutidos 5 y
8 presentan tiempos de secado cortos en comparación con el resto. Esta diferencia se
atribuye principalmente a la merma final para el embutido 5 y a las distintas condiciones
de secado para el embutido 8, pues los coeficientes de difusividad (Tabla 5) son similares
o incluso algo inferiores que en los embutidos con un diámetro similar (4 y 7
respectivamente).
Tabla 4. Dimensión de los embutidos y características del proceso de secado industrial.
Va*
Tiempo
secado
Merma
%
Tiempo de
funcionamiento
climatizador*
%
m/s
dias
%
14.8
73.8
33.9
0.5
14
33,6
13.3
69.6
48.7
1.5
13
39,7
0,25
13.3
68.8
79.1
0.5
27
29,0
0,36
14.6
70.3
48.1
0.6
27
36,4
0,47
14.8
70.3
42.1
0.5
14
29,7
1,00
14.0
70.4
57.8
0.4
33
21,2
53.3
1.0
31
27,7
56.3
1.5
21
26,9
Diametro
Longitud
Temperatura*
Humedad
relativa*
mm
m
%
1
35
0,42
2
37
0,33
3
54
4
55
5
55
6
85
7
85
1,00
12.5
80.1
85
1,00
12.3
75.6
8
*
promedios ponderados durante el proceso de secado
La determinación del coeficiente de difusividad mediante el método simple a distintas
temperaturas permite la determinación del parámetro de energía de activación (Ea) de la
ecuación de Arrhenius (Figura 4). Al aumentar la Ea disminuye el efecto de la temperatura en
el cálculo del coeficiente De. Los embutidos 1 y 2 son los que aportan valores de Ea más
elevados. Mediante los parámetros de Arrhenius obtenidos para cada embutido (Tabla 5) se
han calculado los valores de De a la temperatura promedio ponderada del secado industrial.
Los valores obtenidos muestran una difusividad mayor en los embutidos menos grasos 4, 5,
7 y 8 (Tabla 5). La dispersión de valores de De es mayor en los embutidos más grasos, pero
también lo es en cuanto a otros aspectos de los embutidos como el pH y el contenido en sal,
que pueden modificar al valor de De.
0,0
-23
0
10000 20000 30000 40000
De 5 ºC =
y = -27101x - 12,127
R² = 0,9895
-23,3
-1,0
-1,5
-23,1
-23,2
4,48—10-11
ln De
ln ((W-We) / (W0-We))
-0,5
-23,4
-23,5
-23,6
-2,0
-23,7
De 25 ºC = 9,85—10-11
De 15 ºC = 6,27—10-11
-23,8
-23,9
-2,5
0,0004 0,00041 0,00042 0,00043 0,00044
Tiem po, s
1/ T,
K
Figura 3. Determinación de la difusividad de agua y parámetros de la ecuación de arrhenius
mediante el método simple para el embutido 7.
En la Figura 4 se muestra un ejemplo del ajuste mediante el método numérico a la curva
de secado del embutido 7 en su proceso de secado industrial. Los valores de merma
experimental se encuentran al final de cada fase de secado (condiciones de secado
constante), obteniendo así un valor De para cada fase. Este método permite determinar
la D e en función del contenido de agua global y temperatura superficial (Ecuación 4) al
final de cada una de estas fases. En la Tabla 5 se reportan los parámetros de la ecuación
de D e para cada embutido. Cuanto más próximo a cero es el parámetro a (Tabla 5),
menor dependencia de la De con el contenido de agua. En el cálculo de estos parámetros
para el embutido 5 se ha realizado considerando una sola etapa para todo del proceso de
secado, lo cual no permite la obtención de dicha dependencia.
Tabla 5. Parámetros de las ecuaciones de D e (Ecuaciones 3 y 4) y valores de De obtenidos
mediante el método simple y el método numérico.
Embutido
Método simple
2
Método numérico
*
2
**
De m2/s
De m /s
a
b
41515,3
5,19—10-11
-1,2023
-0,77513
4,20—10-11
4,47E-02
50141,2
3,22—10-11
-3,6757
0,71677
4,03—10-11
3,62E-09
10436,3
4,52—10-11
-2,5088
-0,43866
4,59—10-11
-11
-4,933
2,7058
7,20—10-11
-1,3678
4,86—10-11
D0 m /s
Ea J/mol
1
1,76E-03
2
3
4
8,27E-05
33586,4
6,63—10
5
7,67E-08
16862,7
6,70—10-11
6
7,81E-06
29259,1
3,72—10-11
0,195
-1,7355
3,63—10-11
7
5,41E-06
27101,2
6,00—10-11
-0,78812
-0,46991
5,44—10-11
25652,7
-11
-1,3026
0,057152
5,46—10-11
8
2,76E-06
5,57—10
*
Valores obtenidos a la temperatura de proceso de secado industrial (Tabla 4).
Valores promedio ponderado de los De obtenidos en función del contenido de agua
durante el proceso.
**
30
25
Merm a, %
20
15
Ajuste m odelo
m atemático
Valores
experim entales
10
5
0
0
200
400
Tiem po, h
600
800
Figura 4. Ajuste a la curva de secado del embutido 4 mediante el método numérico.
El promedio ponderado del los De obtenidos en las distintas fases de los procesos de
secado para cada uno de los embutidos obtenido mediante el método numérico es
próximo al obtenido mediante el método simple (Tabla 5 y Figura 5). Asimismo, estos
valores son del mismo orden de magnitud que los valores reportados en otros estudios
de embutidos (Palumbo y col., 1977, Mulet y col., 1992). El método numérico
(herramienta on-line IRTAsim) aporta la ventaja de facilitar la obtención de los
parámetros De y la simulación de los procesos industriales a partir de la información
obtenida en el proceso de secado industrial y sin necesidad de realizar experimentos de
secado en el laboratorio. La utilización de este método para la obtención de estos
parámetros para un embutido concreto, indistintamente de la formulación y/o
particularidades del producto, permitirá mejorar la simulación de los procesos
industriales de secado.
8,0E-11
Método simple
7,0E-11
Método numérico
De , m 2/s
6,0E-11
5,0E-11
4,0E-11
3,0E-11
2,0E-11
1,0E-11
0,0E+00
1
2
3
4
5
Em butido
6
7
8
Figura 5. Comparación de los valores de D e obtenidos para los distintos embutidos mediante el
método simple y el numérico.
CONCLUSIONES
La determinación de la difusividad efectiva del agua e isotermas de sorción de forma
experimental para cada producto mediante el método numérico propuesto, permitirá crear
modelos más precisos de secado de productos cárnicos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Red de Referencia en Tecnología de Alimentos (XARTA) de la
Generalitat de Catalunya (proyecto EvalXARTA 2010 Ref. Ex11) y al Sexto Programa
Marco de Investigación de la UE (proyecto Q-PORKCHAINS FOOD-CT-2007-036245) la
financiación de este estudio. También agradecemos la colaboración de la empresa
Casademont S.A. en la preparación y procesado de las muestras.
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