Determinación experimental de la Cinética y del Coeficiente de Difusión Másico en la Deshidratación Osmótica del Aguaymanto
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1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA QUÍMICA
Determinación experimental de la Cinética y del Coeficiente de Difusión Másico
en la Deshidratación Osmótica del Aguaymanto (Physalis peruviana L.)
Arequipa-Perú
-2021-
2
ÍNDICE
1
LOCALIZACIÓN................................................................................................................................... 5
2
FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN............................................................................................ 5
2.1
Definición del problema.................................................................................................................... 5
2.2
Descripción del trabajo ..................................................................................................................... 5
2.3
Objetivos ........................................................................................................................................... 6
2.4
Hipótesis............................................................................................................................................ 6
2.5
Justificación ....................................................................................................................................... 9
3
ANTECEDENTES ............................................................................................................................... 10
4
MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................ 13
4.1
Aguaymanto .................................................................................................................................... 13
4.2
Origen................................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
4.3
Nombres Populares............................................................................ ¡Error! Marcador no definido.
4.4
Clasificación Taxonómica y Morfología........................................................................................... 14
4.5
Composición Nutricional ................................................................................................................. 15
4.6
Propiedades Antioxidantes del Aguaymanto..................................... ¡Error! Marcador no definido.
4.7
Características Físico-Químicas ....................................................................................................... 16
4.7.1
Calibre ......................................................................................................................................... 16
4.7.2
Peso ............................................................................................................................................. 16
4.7.3
Densidad ..................................................................................................................................... 17
4.7.4
Sólidos Solubles Totales (SST) ..................................................................................................... 17
3
4.7.5
Acidez .......................................................................................................................................... 18
4.7.6
pH ................................................................................................................................................ 19
4.8
Sacarosa .......................................................................................................................................... 19
4.9
Secado ............................................................................................................................................. 20
4.9.1
Definición .................................................................................................................................... 20
4.9.2
Tipos de Secado ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
4.10
Deshidratación Osmótica ............................................................................................................ 21
4.10.1
Fundamentos de la deshidratación osmótica ......................................................................... 21
4.10.2
Ventajas de la Deshidratación Osmótica ................................................................................ 23
4.10.3
Desventajas de la Deshidratación Osmótica ........................................................................... 23
4.10.4
Factores de la Deshidratación Osmótica ................................................................................ 24
4.10.5
Cinética de la Deshidratación Osmótica ................................................................................. 27
4.11
Difusión y Transferencia de Masa ............................................................................................... 28
4.11.1
Proceso de Transferencia de Masa ......................................................................................... 28
4.11.2
Difusión Molecular .................................................................................................................. 29
4.11.3
Leyes de la difusión molecular: Leyes de Fick ............................ ¡Error! Marcador no definido.
4.12
Método de la Segunda Ley de Fick Modificado por Crank ......................................................... 29
4.13
Modelo Matemático De Peleg .................................................................................................... 32
5
4.13.1
Parámetros .............................................................................................................................. 32
4.13.2
Modelo Empírico de Peleg ...................................................................................................... 33
METODOLOGÍA ............................................................................................................................... 34
4
5.1
Identificación de variables .............................................................................................................. 34
5.2
Diseño Experimental .......................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
5.2.1
Matriz de Diseño Experimental................................................................................................... 35
5.2.2
Determinación de las características fisicoquímicas del aguaymanto ....................................... 37
5.3
Procedimiento................................................................................................................................. 38
5.4
Algoritmo de investigación ............................................................................................................. 41
6
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .................................................................................................... 42
7
RECURSOS DE INVESTIGACIÓN ....................................................................................................... 43
7.1
Materia Prima ................................................................................................................................. 43
7.2
Agente osmótico. ............................................................................................................................ 43
7.3
Materiales ....................................................................................................................................... 43
7.3.1
Reactivos ..................................................................................................................................... 44
7.3.2
Equipos ........................................................................................................................................ 44
5
1
LOCALIZACIÓN
La investigación se ejecutará en laboratorio lab área de trabajo implementado con todos los
materiales y equipos por los responsables de la investigación ubicado en el distrito de José
Bustamante y Rivero, Cerro Colorado, Arequipa – Perú.
Temporalidad
2
2.1
FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN
Definición del problema
Debido al aumento en la exportación de aguaymanto en 81.5% y con la finalidad de incrementar
los beneficios económicos para los productores es necesario innovar con procesos que den valor
agregado al producto, ofertando una forma de consumo diferente que pueda garantizar la
estabilidad y durabilidad del producto para épocas en que no esté disponible o requiera de su
traslado a zonas distantes.
En un proceso de secado convencional donde se alcanzan temperaturas de 120°C (referencia)
puede afectar la estabilidad del ácido ascórbico y fitoesteroles causando una pérdida en su
capacidad antioxidante, alterando sus propiedades constitutivas, y activas del producto.
Actualmente se desconoce el efecto del tiempo, concentración de la solución osmótica,
temperatura, en la deshidratación osmótica que nos conocer la cinética y nos permita establecer
el coeficiente de difusión másico.
2.2
Descripción del trabajo
6
2.3
Objetivos
Objetivo General
•
Determinar experimentalmente la cinética y el coeficiente de deshidratación osmótica del
aguaymanto (Physalis peruviana) para geometrías esféricas.
•
Determinar experimentalmente el efecto de la concentración de la solución osmótica y la
temperatura en el coeficiente de difusión de deshidratación del aguaymanto (Physalis
peruviana) para geometrías esféricas.
Objetivos Específicos
•
Determinar experimentalmente el efecto de la temperatura y/o la concentración de la
solución osmótica en la pérdida de humedad en la deshidratación del aguaymanto. (factor
o combinación)
•
Determinar experimentalmente el efecto de la temperatura y/o la concentración de la
solución osmótica en la ganancia de sólidos en la deshidratación del aguaymanto. (factor
o combinación)
•
Valorar las varianzas constantes del rendimiento de la ganancia de sólidos y pérdida de
peso para determinar si los resultados en función ANOVA, son correctos.
•
Modelar el coeficiente de difusión de la deshidratación osmótica con un modelo
estadístico y según la segunda ley de Fick modificado por Crank.
2.4
Hipótesis
Hipótesis General
7
•
Se determina experimentalmente que la concentración de la solución y la temperatura
afectan el coeficiente de difusión de deshidratación osmótica del aguaymanto (Physalis
peruviana) para geometrías esféricas.
•
Se determina experimentalmente el efecto de la concentración de la solución osmótica y
la temperatura en el coeficiente de difusión de deshidratación del aguaymanto (Physalis
peruviana) para geometrías esféricas.
Hipótesis Específicos
•
La temperatura y/o la concentración de la solución osmótica afectan en la pérdida de
humedad en la deshidratación del aguaymanto. (factor o combinación)
•
La temperatura y/o la concentración de la solución osmótica afectan en la ganancia de
sólidos en la deshidratación del aguaymanto. (factor o combinación)
•
Las varianzas constantes del rendimiento de la ganancia de sólidos y pérdida de peso en
función ANOVA demuestran que los resultados en función ANOVA son correctos
•
Se logra modelar el coeficiente de difusión de la deshidratación osmótica con un modelo
estadístico y según la segunda ley de Fick modificado por Crank.
Mediante la variación de la temperatura y de las concentraciones de la sacarosa en la solución, es
posible conocer la cinética másica de deshidratación osmótica del aguaymanto y evaluar las condiciones
para alcanzar su máximo valor de la pérdida de humedad y ganancia de sólidos en la fruta.
De acuerdo a las ecuaciones de Peleg y la segunda ley de Fick modificado por Crank para geometrías
esféricas y a través de un análisis estadístico en el proceso de deshidratación osmótica del aguaymanto
se podría modelar matemáticamente la cinética másica y determinar cuál se ajusta mejor a la pérdida
8
de humedad y ganancia de sólidos en la fruta, para cada uno de los experimentos realizados en los dos
niveles de concentración y temperatura respectivamente
El análisis estadístico de datos demostraría un efecto significativo de la concentración de sacarosa y la
temperatura sobre la cinética de deshidratación osmótica con un nivel de confianza aceptable.
9
2.5
Justificación
Justificación Técnica
Se dispone del conocimiento necesario para la realización del proyecto, en base a artículos, tesis
y libros, para la ejecución del proyecto de investigación.
Desde el punto de vista técnico el proyecto de investigación podrá brindar información científica
del proceso de deshidratación osmótica del aguaymanto, a partir de la concentración de solución
osmótica, la ganancia o pérdida de humedad, la temperatura y del tiempo del proceso, para poder
controlar estos factores y obtener mejores resultados.
En el desarrollo del presente proyecto de investigación, no generará a lo largo de las pruebas
preliminares ni en su ejecución de pruebas específicas pasivos ambientales que repercutan al medio
ambiente y al ecosistema cercano a la localización del proyecto.
Justificación Socioeconómica
El proyecto se justifica en base al beneficio social brindando un nuevo conocimiento en la
fenomenología de transferencia de masa en el aguaymanto y con los empresarios que deseen utilizar el
proceso de deshidratación osmótica en sus líneas productivas pudiendo utilizar el proceso desde una
forma más analítica y no solo empírica.
De una forma indirecta el proyecto logrará insertar un nuevo proceso y un nuevo tipo de producto
en base al aguaymanto en el mercado, pudiendo ampliar las modalidades de conservación y posterior
comercialización y así beneficiar en la economía de los pequeños empresarios.
10
3
ANTECEDENTES
Nacional
El trabajo de investigación, titulada: Efecto de la concentración del soluto en la deshidratación
osmótica del aguaymanto (Cerdán & López, 2014) ha sido desarrollado para evaluar el efecto de la
concentración de la sal y el azúcar para la deshidratación osmótica del Aguaymanto (Physalis peruvian)
a concentraciones de: 10%, 20% y 30%, por tiempos de 30, 60, 90 y 120 minutos. La máxima pérdida de
humedad encontrada fue de 82.20 hasta 57.50% en solución al 30% de concentración de sal; y una
ganancia máxima de sólidos solubles de 17.70 hasta 40.03% ; así mismo se modeló matemáticamente
la transferencia de masa utilizando la ecuación de Fick al 30 % de solución salina, siendo las respectivas
ecuaciones de difusividad en la pérdida de humedad D(30%) = 4 x 10‾⁹ y de la ganancia de sólidos
D(30%) = 2.5 x 10‾⁹ , esta curva tuvo mayor elevación mientras pasaba el tiempo.
Leyva Astucuri & Ruiz Arauco (2014) en su tesis: Determinación de los coeficientes de difusividad
másica en la deshidratación osmótica del pepino dulce (Solanummuricatum Aiton) buscó valorar el
fenómeno de la solución osmótica y la temperatura sobre el coeficiente de transferencia de masa en el
deshidratado osmótico del pepino dulce (Solanum muricatum Aiton). Las muestras estudiadas se
realizaron con láminas de 15mm de espesor, sumergidas por 14 horas a intervalos de 1 hora; a soluciones
de sacarosa de 40º, 50º y 60ºBrix, con temperaturas controladas (30º, 40º y 50ºC) y presión atmosférica
de la ciudad de Huancayo. Para dar a conocer el efecto de osmodeshidratación, se determinaron los
coeficientes de difusividad de sólidos solubles con la segunda ley de Fick (modelo de Crack para una placa);
los datos experimentales se ajustaron por regresión lineal a una ecuación cuadrática, entre las variables:
ºBrix y Tiempo. Los valores de coeficientes de difusividad determinados tuvieron una diferencia
significativa al 5%, explicando así que la velocidad de difusión de sólidos solubles en las láminas de pepino
11
dulce es mayor a 60° y 50° Brix que a 40 Brix, y que, a temperaturas altas, la difusividad de sólidos solubles
es más rápida.
En el Estudio de la difusividad efectiva del almíbar en piña (Ananas-Comosus) para su
conservación. Realizado por (Castillo & Arce, 2017) desarrollaron el estudio de la difusividad del almíbar
en la piña (Ananas comosus) para evaluar el coeficiente de difusión y sus parámetros de operación;
viscosidad y densidad, para después validar los resultados obtenidos con los establecidos en la teoría. Las
evaluaciones de las muestras se realizaron durante tiempos comprendidos de 60-240 minutos hasta llegar
al equilibrio en soluciones osmóticas a (14-32°Brix), a temperatura ambiente. La determinación del
coeficiente de difusión del almíbar se realizó a través de la segunda ley de fick, tomando en cuenta la
configuración cúbica de la piña. El mayor valor del coeficiente de difusión fue de 4.56 *10-10 m2/seg a 32
°Brix, a temperatura ambiente a 180 minutos; el cual es consistente con los valores reportados en la
literatura. Los resultados de la investigación demostraron que los factores que contribuyen a la
determinación de las difusividades efectivas son; el tiempo de sumergimiento y la concentración de la
solución osmótica.
El Modelamiento de azuara, Magee y Peleg en cinética de deshidratación osmótica de Kiwi
(Chuquillanqui Romero, 2017) se realizó para evaluar su nivel de predicción de dichos modelos. Las
muestras fueron tratadas en soluciones osmóticas de sacarosa, miel y glucosa a 40, 50 y 60 °Brix. En los
resultados de mayor pronóstico para la ganancia de sólido por DO corresponden al modelo de Azuara
para las tres soluciones a 60 °Brix; obteniéndose un coeficiente para sacarosa (R 2= 0,9875); para miel (R
2= 0,9766); para glucosa (R 2= 0,988), y las constantes de velocidad obtenidos fueron para sacarosa S1
(1,60) y PAoo (91,74 %); para miel S1 (1,28) y PAoo (84,75 %); para glucosa S1 (1,76) y PAoo (83,33 %).Y la
mayor predicción para la ganancia de sólidos en el DO para las tres soluciones fue el modelo de Peleg a
60 °Brix obteniéndose un coeficiente de determinación para sacarosa (R 2= 0,9949); para miel (R 2=
0,9972), para glucosa (R 2= 0,9967), y las constantes de velocidad obtenidos fueron para sacarosa S2
12
(0,0472 min/%) y K2 (0,8736 1/%); para miel S2 (0,0518) y K2 (0,6733), y la glucosa S2 (0,0505) y K2
(0,7594). Para p ≤ 0,05, los mode974793186los matemáticos son aceptables.
Internacional
Ochoa Martínez & Ayala Aponte (2005) en su investigación propusieron el objetivo general de
presentar los modelos matemáticos más empleados para simular el proceso de deshidratación osmótica,
haciendo un análisis crítico de los mismos. Donde proponen que la transferencia de masa en el proceso
de deshidratación osmótica a presión atmosférica se modela fenomenológicamente utilizando
comúnmente el modelo de Crank que consiste en un ajuste de la ley de Fick. Y que las demás alternativas
que existen para modelar el proceso de deshidratación osmótica, corresponden a modelos empíricos, de
los cuales algunos de ellos se desarrollaron a partir de ajustes polinómicos y otros, a partir de los balances
de masa y de las relaciones entre las variables del proceso. Por otro lado, para procesos que involucran
presiones de vacío, la transferencia de masa se representa principalmente con el modelo del Mecanismo
Hidrodinámico (HDM).
Por otro lado (Mosquera Vivas et al., 2019) desarrollaron un artículo a cerca de Ultrasonido y
Deshidratación Osmótica como Pretratamientos a la Liofilización de Melón (Cucumis melo L.) en la revista
Información Tecnológica, Colombia. En dicho estudio, se determinó el efecto que tienen dos
pretratamientos: deshidratación osmótica (45ºBrix, 60 y 90min) y ondas de ultrasonido (25kHz, 15 y
30min) en el secado por liofilización (-40°C, 8Pa) en los tiempos de liofilización 0, 60, 120, 180, 240 y 300
min; sobre Rodajas pretratadas (4mm de espesor y 20mm de diámetro). Como blanco de control se
utilizaron muestras liofilizadas no pretratadas. Para el ajuste de los datos experimentales se emplearon
modelos matemáticos propuestos en la literatura. Señalan que la deshidratación osmótica aceleró el
proceso de secado sin embargo el ultrasonido retrasó considerablemente el proceso de secado y presentó
menor difusividad y porosidad.
13
Así mismo Kvapil, (2019) en su estudio de investigación con cubos de zapallo, titulada
Deshidratación osmótica y envasado en atmósferas modificadas de anco (Cucurbita moschata)
mínimamente procesado; tuvo por finalidad estudiar el efecto de la aplicación de la deshidratación
osmótica y en atmósferas modificadas, sobre la vida útil de anco (Cucurbita moschata) mínimamente
procesado. Para estudiar la cinética de DO se tuvieron en cuenta el tamaño del producto (cubos de 0,5,
1,0 y 1,5 de lado), la concentración de la solución osmodeshidratante (sacarosa - 45, 55 y 65°Bx), el
agregado de cloruro de sodio (1 y 2%) y el agregado de lactato de calcio (2%); ajustando los datos
obtenidos a modelos matemáticos de Azuara, Peleg y Hawkes y Flink. Con los valores obtenidos se
determinó las condiciones de proceso y la película más apropiados para su almacenamiento. Los cubos de
1,0 cm, deshidratados durante 3 horas con solución ternaria de sacarosa (55°Bx) y cloruro de sodio (2%),
fueron los más adecuados y el agregado de lactato de calcio no modificó su textura. Los datos
experimentales se ajustan a los modelos matemáticos. Para el almacenamiento en atmósfera modificada,
se seleccionó el polipropileno (PP) y se concluyó que los cubos de anco deshidratados mínimamente
procesados prolongan su vida útil en 5 días resultando el recuento de microorganismos el parámetro
limitante a los 15 días ya que los puntajes de calidad global tuvieron valores superiores al límite fijado.
4
4.1
MARCO TEÓRICO
Aguaymanto
El fruto es una baya carnosa en forma de globo, con un diámetro que oscila entre 1.25 y 2.5 cm y
con un peso entre 4 y 10 g, está cubierto por un cáliz formado por cinco sépalos que le protege contra
insectos, pájaros, patógenos y condiciones climáticas extremas. La pulpa presenta un sabor semi ácido y
contiene de 100 a 300 semillas pequeñas de forma lenticular. (Huachuhuillca Lizarme, 2017)
Recientemente se ha incluido la uchuva en la lista de los "súper-frutos" por su alto contenido de
vitaminas, minerales y fibra. (Fischer et al., 2014)
14
El ciclo de vida es de 1 a 3 años (en estado natural y con tecnología básica), ciclo comercial 1 7 a
19 meses desde la siembra, el momento de la cosecha es cuando los cálices empiezan a secarse, la cosecha
es ininterrumpida desde que empieza hasta 2 a 3 años aproximadamente (en estado natural y con
tecnología básica), en ciclo comercial tecnificado de 9 a 11 meses. (Navarro Oré, 2015).
Aguaymanto (Physalis peruviana L.)
4.2
Clasificación Taxonómica y Morfología
La clasificación taxonómica de Physalis peruviana L. según la National Center USDA (2000):
Clasificación taxonómica de Physalis peruviana L
Taxonomía
Reino
Plantae
Subreino
Tracheobionta
División
Angiospermae
Clase
Magnoliopsida
Subclase
Asteridae
Orden
Solanales
Familia
Solanaceae
Género
Physalis
Especie
Physalis peruviana L.
Nombres comunes
Uchuva, uvilla, tomatillo, aguaymanto, capulí
Fuente: National Center USDA (2000)
15
Composición Nutricional
El aguaymanto es un fruto azucarado y con buen contenido de vitamina A, además de hierro,
fosforo, pectinas y almidones. También se encuentra varios ácidos que le dan el carácter ácido y
contribuyen a sus propiedades fisicoquímicas y sensoriales. (Lizarme, 2017). Se muestra en la siguiente
tabla:
Composición nutricional del aguaymanto
Componentes
Contenido por 100 g
Calorías
54.00
Agua
79.60
Grasa
1.10
Carbohidratos
0.40
Fibra
13.10
Cenizas
4.80
Calcio
1.00
Fósforo
38.00
Hierro
1.20
Vitamina A
1.1 mg(648 UI)
Tiamina
0.18
Riboflavina
0.03
Niacina
1.30
Ácido ascórbico
26.00
Fuente: (Huachuhuillca Lizarme, 2017).
Estudios realizados en Perú mostraron que el aguaymanto es fuente de vitamina A
(1460mg/100g), proteínas (1900mg / 100g), lípidos (0.5g/100g) y minerales (55.41mg/100g) asi mismo
tiene gran contenido de fitoquímicos bioactivos de ácido ascórbico es de (43,3 mg6/100 g) de fruto. El
aguaymanto tiene gran importancia gracias a su elevado valor nutricional por sus componentes bioactivos
16
que tienen efecto en la salud humana. Para obtener mejores resultados es recomendable recolectarlos a
los 70 días después de su siembra cuando tenga un color amarillo intenso (Ramírez, 2015)
4.3
Características Físico-Químicas
4.3.1 Calibre
Chasquibol Silva & Yácono Llanos, (2015) en su estudio proponen que el aguaymanto tiene un
diámetro entre 1,25 - 2,5 cm, en casos raros sobre todo en primeros frutos, supera los 2.50 cm. El tamaño
del fruto, básicamente depende del tipo genético de la planta, lo cual puede ser grande o pequeño el fruto
del aguaymanto según la variedad de la planta. El color como el tamaño del fruto de una misma variedad
están relacionados, ya que a medida que alcanza la madurez el fruto, tenderá a crecer el tamaño y se
intensificará el color y se determina por el diámetro ecuatorial de cada fruto (Herrera, 2009). En la Tabla
se encontraron 5 calibres del aguaymanto y su tolerancia para su comercialización hecho por el Instituto
Colombiano de Normas Técnicas (NTC 4580)
Calibres del aguaymanto
Diámetro (mm)
Calibre
<=15.0
A
15.1-18
B
18.1-20
C
20.1-22
D
>=22.1
E
Fuente: NTC4580 (1999) Se pueden tener fruta de categoría extra y de las
demás categorías, en cualquier de los calibres establecidos
4.3.2
Peso
El peso del fruto del aguaymanto tiene un promedio de 4 a 5 g (Espinoza, 2016). Presenta un peso
variable debido a los ecotipos para la zona norte del Perú, como: Urquiaco (Cajamarca), Agocucho
17
(Cajamarca), Huancayo 1 y Huancayo 2 (Junín), Cajabamba (Cajamarca) y Era (Cajabamba). (MINCETUR,
2011).
Herrera (2009),citado por Galvis et al.,( 2005 )encontró que el fruto maduro gana peso; debido a
que la corteza y las semillas aumentan de un 4,12 a un 4,52% y de un 8,23 a un 10,05%, respectivamente,
a costo de una reducción de la pulpa de un 87,65 a un 85,43% a medida que este órgano madura.
4.3.3 Densidad
La densidad del fruto también denominada masa especifica depende de su contenido de la
materia seca, el agua y aire dentro del fruto. Mendoza y Rodríguez (2012), encontraron que la densidad
del aguaymanto es de 1,1031 kg/cm3, mientras que (Marín A et al., 2010) determinaron una densidad de
1,038 kg/cm3 para el aguaymanto.
Densidad del aguaymanto
(kg/m3)
(Mendoza & Rodriguez, 2012)
(Marín A et al., 2010)
1,1031
1.038
Fuente: Valores del testigo comercial de uchuva procedente del mercado de Medellín.
4.3.4 Sólidos Solubles Totales (SST)
El contenido de SST en los frutos se obtiene normalmente evaluando los grados Brix del fruto. El
SST o contenido de azúcar mide e incluye los carbohidratos, ácidos orgánicos, proteínas, grasas y
minerales del fruto. Eso representa 10-20% del peso fresco del fruto y aumenta con la maduración para
producir un fruto menos ácido y más dulce. (YARA, 2020)
El aguaymanto en coloración verde contiene altos grados de almidón que se hidroliza durante la
maduración.(Fischer,1995 citado por Galvis et al., 2005). El primer efecto de la hidrólisis del almidón es el
aumento de los sólidos solubles (SST) como consecuencia de la disminución de los niveles de ácidos
18
orgánicos. Los SST, expresados en °Brix, se incrementan durante todo el período de desarrollo del fruto y
alcanzan su máximo valor en el grado de madurez fisiológica; A partir de este día ocurre una reducción
progresiva en el contenido de los SST.
Sólidos Solubles Totales Expresado como °Brix de acuerdo a la Tabla de Color
Color
0
1
2
3
4
5
6
°Brix (Mínimo)
9.4
11.4
13.2
14.1
14.5
14.8
15.1
Fuente: NTC 4580 (1999)
4.3.5 Acidez
La acidez total titulable, es la medida de ácido cítrico en porcentaje. En la investigación de Arteaga
y León, (2016) encontraron que el comportamiento de la concentración en el aguaymanto es decreciente
en relación al tiempo de maduración esto debido a que se da la conversión del ácido cítrico en azúcares.
Herrera (2000) citado por Galvis et al., (2005) sostiene que este fruto tiene una considerable
cantidad de ácidos entre 1.6 a 2.0%.
En la Tabla muestra el contenido de acidez expresado en % de ácido cítrico en cada estado de
madurez (color) según la Norma Técnica Colombiana 4580 (1999).
19
Acidez expresada como % de Ác. Cítrico de acuerdo con la Tabla de Color
Color
0
1
2
3
4
5
6
% Acidez
2.69
2.7
2.56
2.34
2.03
1.83
1.68
Fuente: NTC 4580 (1999)
4.3.6 pH
En el proceso de maduración del aguaymanto el PH aumenta como resultado de la reducción de
los niveles de ácidos orgánicos. (Galvis et al., 2005).
Velasquez y Velasquez (2017) en su estudio de dos ecotipos e que el PH del fruto del aguaymanto
de Huaribamba y Acomayo en estado verde es 3.28 y 3.18 respectivamente. Y en estado maduro es de
4.04 y 3.84.
Composición Fisicoquímica del aguaymanto verde y anaranjado
Componentes
Verde
Anaranjado
PH
3.1
3.5
Sólidos solubles
12
13.5
Acidez
2.4
1.4
5
9.64
°Brix/acidez
Fuente: Véliz, N. y Espinoza,C (2010)
4.4
Sacarosa
La sacarosa es un disacárido compuesto por una molécula de glucosa {dextrosa) y fructosa
(lewlosa), que al calentarla en un medio ácido o por acción de la enzima invertasa, se descompone para
formar (+) O-glucosa y (-) Dfructosa, mezcla que se denomina "azúcar invertido", y el proceso, "inversión"
20
o "hidrólisis"; se obtiene a partir de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera; es estable al aire, pero
en forma de polvo absorbe la humedad del aire. Es fermentable, pero a altas concentraciones (>17%},
resiste la descomposición bacteriana. Se utiliza como endulzante, preservante, antioxidante, excipiente y
agente granulador y tensoactivo en jabones, productos de belleza y tintas (AguiJar N, 2006). La sacarosa
es uno de los mejores agentes osmóticos. Es un inhibidor eficaz de la polifenoloxidasa, evita la perdida de
sabores volátiles y la mayoría de las membranas celulares son impermeables a ella; su difusividad es
mucho más bajo que la del agua, lo que resulta en una baja captación de sólidos en el tejido.
4.5
Secado
4.5.1 Definición
La deshidratación o secado es una de las prácticas más comunes para prolongar la vida útil de los
alimentos, que tiene como finalidad principal disminuir el contenido de la actividad de agua libre para
detener el crecimiento microbiológico, así como las reacciones de deterioro. Por otro lado, permite
desarrollar nuevos productos de acuerdo con la tecnología utilizada y/o componentes agregados. (Wais,
2011)
La deshidratación es un método primitivo utilizado por el hombre para conservar los alimentos.
Muchas frutas y hortalizas también son conservadas de esta forma el cual no necesita de esfuerzos
humano si se realiza naturalmente
El secado o deshidratación de los materiales biológicos (en especial de los alimentos) se usa
también como técnica de preservación. Los microorganismos que provocan la descomposición de los
alimentos no pueden crecer y multiplicarse en ausencia del agua. Los microorganismos dejan de ser
activos cuando el contenido de agua se reduce por debajo del 10% en peso. Sin embargo, generalmente
es necesario reducir este contenido de humedad por debajo del 5% en peso en los alimentos, para
preservar su sabor y su valor nutritivo. Los alimentos secos pueden almacenarse durante periodos
bastante largos. (Geankoplis, 1998)
21
4.6
Deshidratación Osmótica
4.6.1
Fundamentos de la deshidratación osmótica
La deshidratación osmótica trata de la inmersión de un alimento, generalmente una fruta, ya sea
entero o en piezas, en una solución acuosa de alta concentración de soluto. Torreggiani (1993, citado por
Corzo y Centeno, 2003).
La DO da lugar a tres tipos de transferencia de masa en contracorriente: transferencia de agua del
producto a la solución osmótica, transferencia de soluto de la solución al producto y salida de solutos
nativos (azúcares, ácidos orgánicos, minerales y vitaminas) del producto hacia la solución, considerándose
esta última como despreciable por ser cuantitativamente pequeña.(Ayala et al., 2010)
Fenómenos de Transferencia de Masa en las Células de los Alimentos durante la DO
Nota: Adaptado “Deshidratación osmótica” (p.3), por M. Parzanese, 2010, Tecnología para la Industria
alimentaria.
La DO es un método que, reduciendo hasta un 80% del agua original de los alimentos, permite
obtener productos de humedad intermedia, con una buena calidad organoléptica. La solución osmótica
que se usa para deshidratar el producto debe ser rica en solutos que depriman la actividad de agua del
mismo, y que genere una diferencia de presión osmótica entre el producto a deshidratar y la solución. Los
solutos que normalmente se utilizan en las soluciones osmóticas, son de bajo costo, tales como sacarosa,
glucosa, fructosa, cloruro de sodio, glicerol, sorbitol y combinaciones de estos, presentando efecto
22
sinérgico, como es el caso de la mezcla sacarosa-cloruro de sodio. Generalmente, las soluciones de
sacarosa son usadas para frutas y las soluciones de cloruro de sodio para vegetales.
Existen estudios de las principales variables que producen efecto sobre la deshidratación
osmótica, específicamente sobre la cinética de transferencia de materia, entre ellas destacan las propias
del producto como composición, tamaño, forma, presencia de piel, pretratamientos previos, y de la
solución osmótica como temperatura, concentración, naturaleza del agente osmótico, presión de trabajo,
razón alimento-solución, tiempo y agitación. (Vega Gálvez et al., 2007)
De manera general en función de los mecanismos de transporte de materia, las variables que
afectan el proceso de deshidratación osmótica y que pueden manejarse operativamente son:
temperatura del proceso, concentración de la solución osmótica, naturaleza del agente osmótico
utilizado, presión, relación masa producto a volumen de solución osmótica y agitación Raoult-Wack et
al.,(1989, citado por Corzo y Centeno, 2003).
La fuerza impulsora para la transferencia de masa está relacionada con la actividad de agua del
alimento y de la solución osmótica (RaoultWack et al., 1991):
𝜇 = 𝜇° +
Donde:
𝜇 : Potencial hídrico de la muestra
𝜇° : Potencial químico de referencia del agua
V: Volumen molar del agua
R: constante de los gases
T: Temperatura
𝑎𝑤 : actividad de agua
𝑅𝑇
𝑉
ln 𝑎𝑤
23
El proceso de ósmosis llega a su término hasta que los potenciales químicos del alimento y de la
solución llegan al equilibrio. De este modo se puede observar que la actividad de agua de la solución
osmótica debe de ser menor a la del alimento para que pueda llevar a cabo el proceso. (Barbosa y
vega,1996)
4.6.2 Ventajas de la Deshidratación Osmótica
-
Evita pérdidas de aromas de los alimentos, pues éstos son volátiles a altas temperaturas;
debido a que el agua que sale del alimento va a la solución concentrada en estado líquido.
-
La ausencia de aire en el interior de la masa de jarabe donde se halla sumergido el
alimento, evita las correspondientes reacciones de oxidación que afectan directamente
la apariencia del producto final
-
En este proceso no se rompen las células, por lo cual puede mantenerse un alto nivel de
calidad sensorial en el producto final.
-
El producto final puede mantenerse estable a temperatura ambiente en condiciones de
humedad restringidas.
-
La solución de tratamiento puede hacerse a base de azúcares (frutas) y salmueras
(verduras) que son de fácil adquisición
4.6.3 Desventajas de la Deshidratación Osmótica
-
No se puede aplicar en todos los alimentos, sólo en aquellos que presentan estructura
sólida. Cuando el alimento se sumerge en una solución concentrada, puede aparecer un
pequeño residuo de la misma solución al finalizar el proceso; esto puede minimizarse si
se escurre el alimento.
-
Al haber una inmersión del alimento en el jarabe, se ocasiona flotación, pues algunas
muestras del alimento serán menos densas. El jarabe no circulará completamente sobre
los trozos y superficies y se obtendrá una ósmosis parcial. Puede solucionarse colocando
24
un contra peso de manera que el alimento siempre esté en contacto con la solución
concentrada.
-
Muchas veces el grado de humedad al final del proceso no es suficientemente bajo y es
necesario complementar con otras técnicas como secado o congelamiento. (Sierra, 2010)
4.6.4 Factores de la Deshidratación Osmótica
4.6.4.1 Temperatura de la solución osmótica
La temperatura produce cambios en el proceso de DO debido a los efectos que tiene sobre la
difusión de agua del producto hacia la solución y sobre la permeabilidad de las membranas celulares.
Respecto a la velocidad de pérdida de agua el aumento de temperatura favorece la agitación molecular
lo cual eleva la velocidad de difusión. En cuanto a la permeabilidad de las membranas, como ya se
mencionó, un aumento de temperatura puede afectarla perjudicando el proceso. Para la mayoría de las
especies vegetales el rango de temperatura al cual las membranas de las células se modifican es entre los
50° C y 55° C aproximadamente.
4.6.4.2 Presión de operación
Cuando se lleva a cabo la Deshidratación Osmótica a Vacío (DOV) se favorece el proceso de
transferencia de agua ya que permite retirar los gases ocluidos en espacios intracelulares y ser ocupados
por la solución osmótica, incrementando el área disponible para la transferencia de masa. Por otro lado,
la aplicación de vacío al proceso de DO no afecta la ganancia de solutos por parte del alimento.
4.6.4.3 Agitación de la solución osmótica
Una mejora del proceso de DO puede lograrse mediante la agitación de la solución ya que permite
homogeneizar la temperatura y la concentración de soluto. Como consecuencia aumenta la velocidad de
deshidratación ya que constantemente la fruta está en contacto con una solución de alta concentración y
de temperatura uniforme.
25
4.6.4.4 Concentración de la solución osmótica
Cuanto mayor sea la concentración de soluto de la solución osmótica mayor será la diferencia de
presión osmótica entre ésta y el producto, lo cual aumentará la velocidad de salida de agua del producto.
Sin embrago debe tenerse en cuenta que concentraciones muy altas de soluto pueden causar que se
forme una capa de este sobre la superficie de las frutas lo que dificultaría la pérdida de agua. Por lo tanto,
es muy importante realizar ensayos previos para determinar cuál es la concentración más adecuada para
cada producto.
4.6.4.5 Tipo de soluto
La elección del soluto depende del tipo de producto a tratar, del costo del soluto y la calidad final
deseada. Como ya se mencionó el soluto más difundido para la deshidratación osmótica de frutas es la
sacarosa, aunque en muchos casos se utiliza mezclas de sacarosa con mínimas proporciones de cloruro
de sodio (sal). La aplicación de esta mezcla presenta ventajas respecto a la utilización de cada uno por
separado, ya que la deshidratación es mayor y la penetración de solutos es menor. Esto se debe a que la
sacarosa forma una barrera sobre la superficie de la fruta que evita la penetración de la sal, pero a su vez
la presencia de sal en la solución mantiene una baja actividad de agua lo cual produce una continua
pérdida de agua y una baja ganancia de solutos.
26
Usos y ventajas de algunos agentes osmóticos
Nombre
Usos
Ventajas
Cloruro sódico
Carnes y verduras soluciones
superiores al 10%
Alta capacidad de depresión aw
Sacarosa
Frutas principalmente
Reduce pardeamientos y aumenta la
retención de volátiles
Lactosa
Frutas principalmente
Sustitución parcial de sacarosa
Glicerol
Frutas y verduras
Mejora la textura
Frutas, verduras y carnes
Características sensoriales ajustadas,
combina la alta capacidad de
depresión de aw fr las sales con alta
capacidad de eliminación de agua
del azúcar
Combinación
Fuente: (Barbosa y vega,2000)
4.6.4.6 Propiedades del soluto
Las propiedades fisicoquímicas del soluto elegido son una variable determinante en la
transferencia de masa durante la DO. Si se utilizan solutos de peso molecular alto se favorece la pérdida
de agua, mientras que si se eligen solutos cuyo peso molecular es bajo la impregnación de soluto al
alimento será mayor ya que las moléculas de éste pueden pasar más fácilmente hacia el interior del tejido
celular.
4.6.4.7 Geometría y tamaño del producto
Dependiendo del tipo de geometría y tamaño que presente el producto variará la superficie por
unidad de volumen expuesta a la acción de la solución osmótica. Diferentes estudios demostraron que si
se tienen productos de menor tamaño (la superficie por unidad de volumen aumenta) se eleva la pérdida
de agua, por el contrario, si se tienen trozos de fruta, u otro alimento, de tamaño superiores (la superficie
por unidad de volumen disminuye) la pérdida de agua es menor.
27
4.6.4.8 Relación masa de solución / masa de producto
Cuanto mayor sea la relación masa de solución sobre la masa de producto a tratar (es decir cuanto
mayor sea la cantidad de jarabe respecto a la cantidad de fruta) mayor será la pérdida de agua y la
ganancia de solutos. (Parzanese, 2005)
4.6.5 Cinética de la Deshidratación Osmótica
La cinética de deshidratación estudia la variación de la humedad del producto en relación al
tiempo. Las curvas de cinética de osmodeshidratación dan idea del tiempo necesario para llegar al
equilibrio osmótico, del consumo de energía, del mecanismo de transferencia de agua, de las condiciones
predominantes en la transferencia de calor y masa, y de la influencia que tienen en la velocidad de secado
las variables de proceso tales como: la temperatura, humedad del producto, concentración de la solución,
etc. García y Shimalko, (2007, citado por Vásquez Oscco, 2018)
En estudios de cinéticas, los parâmetros cinéticos fundamentales que se evalúan son: la velocidad
de reacción de las propiedades (la masa, porcentaje de pérdida de peso y firmeza) durante el tiempo que
tardan en completarse los procesos tecnológicos empleados, Eisenthal y Danson, (2002, citado por García
P. et al., 2013)
La determinación de los parámetros cinéticos de deshidratación, permiten describir el
comportamiento de las propiedades de las frutas durante cada proceso, así como, predecir la respuesta
de las mismas frente a cambios en las condiciones, Briggs y Haldane, (1925, citado por García P. et al.,
2013)
28
4.7
Difusión y Transferencia de Masa
4.7.1 Proceso de Transferencia de Masa
Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por transferir una sustancia a través de
otras a escala molecular. La transferencia de masa es un resultado de la diferencia de concentraciones, o
gradiente, en donde la sustancia que se difunde abandona un lugar en que está muy concentrada y pasa
a un lugar de baja concentración.(Treybal, 2007)
La transferencia de masa es decisiva en muchas áreas de la y la ingeniería. La transferencia de
masa se verifica cuando el componente de una mezcla emigra en una misma fase o de una fase a otra, a
causa de la diferencia de concentración entre dos puntos. Muchos fenómenos comunes implican una
transferencia de masa. El líquido de un recipiente abierto lleno de agua se evapora en el aire estacionario
debido a la 40 diferencia de concentración del vapor de agua entre la superficie del líquido y el aire que
lo rodea. Existe una "fuerza impulsora" de la superficie al aire. Un trozo de azúcar sumergido en una taza
de café se disuelve y se difunde, sin agitación, en la solución que lo rodea. Cuando la madera verde recién
cortada se expone a la acción atmosférica, se seca parcialmente a medida que el agua de la madera se
difunde hasta la superficie cortada y después, a la atmósfera circundante. En un proceso de fermentación,
los nutrimentos y el oxígeno disueltos en la solución se difunden hacia los microorganismos .(Geankoplis,
1998)
La mayoría de las operaciones de transferencia de masa que se utilizan para separar los
componentes de una solución, logran hacerlo al poner la solución que va a separarse en contacto con otra
fase insoluble. Como se verá, la rapidez con la cual un componente se transfiere de una fase a otra
depende de un coeficiente llamado de transferencia de masa, o de rapidez, y del grado de desviación del
sistema de equilibrio. La transferencia termina cuando se alcanza el equilibrio. Ahora bien, los coeficientes
de rapidez para los diferentes componentes en una fase dada difieren entre sí en mayor grado bajo
29
condiciones en donde prevalece la molecular, pero aun en este caso la diferencia no es muy grande
(Treybal, 2007)
4.7.2
Difusión Molecular
Si una solución es completamente uniforme con respecto a la concentración de sus componentes,
no ocurre ninguna alteración; en cambio, si no es uniforme, la solución alcanzará espontáneamente
uniformidad por difusión, ya que las sustancias se moverán de un punto de elevada a otro de baja
concentración. La rapidez con la cual un soluto se mueve en cualquier punto y en cualquier dirección
dependerá, por tanto, del gradiente de concentración en ese punto y esa dirección. Para describir
cuantitativamente este proceso, se necesita una medida apropiada de la rapidez de transferencia. La
rapidez de transferencia puede describirse adecuadamente en función del flujo molar, o
moles/(tiempo)(área), ya que el área se mide en una dirección normal a la 41 difusión. Sin embargo,
aunque una solución no uniforme sólo contenga dos componentes, éstos deberán difundirse, si se quiere
alcanzar la uniformidad. Surge entonces la necesidad de utilizar dos fluxes para describir el movimiento
de un componente: N, el flux relacionado con un lugar fijo en el espacio, y J, el flux 1 de un compuesto
con relación a la velocidad molar promedio de todos los componentes. (Treybal, 2007)
4.8
Método de la Segunda Ley de Fick Modificado por Crank
Las cantidades de absorción o desorción son medidas con un balance de absorción en donde la
muestra se encuentra en un medio controlado. El método está basado en una cantidad absorbida por la
muestra en una solución de concentración constante. Esta solución puede ser situada en una solución
buffer (o una fuente de gas de presión constante) de la difusión a temperatura constante. Los pesos de
las muestras son anotados en cada intervalo de tiempo hasta lograr el equilibrio.
Para una geometría de placa de espesor L y difusividad constante (Crank, 1975)está probado que:
∞
𝑊𝑡
8
1
𝜋2
2
=1− 2∑
𝑒𝑥𝑝
[−(2𝑛
−
1)
𝐷]
(2𝑛 − 1)2
𝑊∞
𝜋
𝐿2 𝑡
𝑛=𝑢
30
Donde:
Wt: Es la cantidad (Kg.) en un tiempo t(s), W es la cantidad absorbida en un tiempo infinito,
luego que alcanzó el estado de equilibrio.
Para el caso de una geometría plana:
Considerando que la distribución inicial de concentración es uniforme (C=Co en t=0) y que la
superficie está en equilibrio con el medio, (C=Ce en x= L/2). La ecuación a continuación se integra:
∞
𝐶 − 𝐶𝑒
8
1
𝜋 2 𝐷𝑒 𝑡
2
=
∑
𝑒𝑥𝑝 [−(2𝑛 + 1)
]
𝐶° − 𝐶𝑒 𝜋 2
2𝑛 + 1
𝐿2
𝑛=0
Una simplificación usual es utilizar una solución asintótica de la ecuación (10), que consiste en
reducir la serie infinita al primer término, debido a que los términos superiores se hacen muy pequeños
para tiempos largos citado por Mesa, (Meza Duman, 2007)) a la siguiente expresión:
𝐶 − 𝐶𝑒
8
𝜋 2 𝐷𝑒 𝑡
= 2 𝑒𝑥𝑝 (− 2 )
𝐶°− 𝐶𝑒
𝜋
𝐿
Donde:
C: Contenido de soluto (Kg. de soluto/Kg. de sólido seco, base seca)
Ce: Contenido de concentración de equilibrio (Kg. de soluto/Kg. de sólido seco, base seca)
Co: Contenido de concentración inicial (Kg. de soluto/Kg. de sólido seco, base seca)
De: Difusividad efectiva 2 1 m s
L: Longitud de la placa (m)
t: Tiempo (s)
Para el caso de una geometría esférica:
31
Los coeficientes de difusión efectiva se pueden obtener de la segunda ley de Fick, para una
geometría de esfera y en estado inestable, considerando difusión constante en el proceso, humedad
inicial uniforme y difusión radial.
∞
𝐶𝑡 − 𝐶𝑒
6
1
−𝐷𝑒 𝑛2 𝜋 2 𝑡
= 2 ∑ 2 𝑒𝑥𝑝 [
] … (1)
𝐶0 − 𝐶𝑒 𝜋
𝑛
𝑟2
𝑛=1
Para tiempos largos, la ecuación (1) puede ser ajustada para el cálculo de la difusión efectiva:
𝐶𝑡 − 𝐶𝑒
6
−𝐷𝑒 𝜋 2 𝑡
= 2 𝑒𝑥𝑝 [
] … (2)
𝐶𝑜 − 𝐶𝑒 𝜋
𝑟2
Donde:
𝐶𝑡 : Contenido de soluto (Kg. De soluto/Kg. De sólido, base húmeda)
𝐶𝑒 : Contenido de concentración de Equilibrio (Kg. De soluto/Kg. De sólido, base húmeda)
𝐶𝑜 : Contenido de concentración inicial (Kg. De soluto/Kg. De sólido, base húmeda)
𝐷𝑒 : Difusividad efectiva (m2s-1)
𝐿: Radio promedio (m2)
𝑡: Tiempo (s)
Investigadores han demostrado que la temperatura es un factor que afecta la difusividad en agua
de los materiales agrícolas. Generalmente la dependencia de la difusividad de la temperatura se describe
por el modelo de Arrhenius [4,8,12,13,14]:
32
4.9
Modelo Matemático De Peleg
4.9.1 Parámetros
(Cardosa Piscoya & Custodio Nolasco, 2015)Mencionan que el modelo empírico de Peleg es uno
de lo más comúnmente usados por su simplicidad y por permitir caracterizar el proceso de absorción
completo y no solo las condiciones de equilibrio. Este modelo no describe el proceso físico de difusión.
Se calcula la pérdida de peso y la ganancia de sólidos. La pérdida de agua se determina
gravimétricamente, y se realiza un balance de masa para verificar la concordancia de las determinaciones.
Los parámetros a evaluar se expresan de la siguiente forma:
WR: reducción o pérdida de peso (g.1 00 g-1 MF)
WL: pérdida de agua (g agua.1 00 g-1 MF)
SG: ganancia de sólidos (g sólidos.1 00 g-1 MF)
MF: muestra fresca inicial
La determinación de la pérdida de peso (WR}, ganancia de sólidos (SG) y pérdida de agua (WL) se
efectuó a través de la evaluación de las relaciones (1), (2), (3) y (4).
WR% =
𝑊𝑖 − 𝑊𝑡
× 100 … … (1)
𝑊𝑖
SG% =
𝑆𝑆𝑖 − 𝑆𝑆𝑡
× 100 … … (2)
𝑊𝑖
WL% = SG% + WR% … … (3)
33
WL% =
M𝑖 − M𝑡
x100 … … (4)
𝑊𝑖
Donde:
W ¡= peso de la muestra inicial en g
Wt = peso de la muestra al tiempo t en g
SS¡= sólidos solubles iniciales (°Brix) expresados en g sólidos.1 00 g-1 MF
SSt= sólidos solubles al tiempo t (°Brix) expresados en g sólidos.1 00 g-1 MF
Mi= humedad inicial expresada en g Hz0.1 00 g-1 MF
Mt = humedad al tiempo t expresada en g Hz0.1 00 g-1 MF
4.9.2 Modelo Empírico de Peleg
(Chuquillanqui Romero, 2017)
𝑡
= 𝑆1 + 𝐾1 × 𝑡 … … (5)
M𝑡 − M𝑖
𝑡
= 𝑆2 + 𝐾2 × 𝑡 … … (6)
𝑆𝐺∞ − 𝑆𝐺
𝑡
= 𝑆2 + 𝐾2 × 𝑡 … … (7)
𝑆𝐺∞ − 𝑆𝐺
𝐾1: es inversamente proporcional a la velocidad a la transferencia de agua
𝑆1= constante de velocidad para la pérdida de agua
𝑆2=constante de velocidad reparativa apara ganancia de solidos
𝑡: Tiempo de deshidratación osmótica
34
5
5.1
METODOLOGÍA
Identificación de variables
Variables independientes
a. Concentración de la solución osmótica: Será preparada diluyendo la sacarosa comercial en agua
destilada; el cual se trabajará a concentraciones de 50 °Brix y 60 °Brix .
b. Temperatura: Se controlará en las soluciones osmóticas de sacarosa a las temperaturas de 40 °C
y 50°C
Nombre de Variable
Símbolo
Concentración de solución osmótica
𝐶𝑠𝑜
Temperatura
𝑇
Valor
50°brix
60°brix
40°C
50°C
Fuente: elaboración propia
Variables Dependientes
a. Coeficiente de difusión másica: Es la difusión efectiva entre dos medios de diferente
concentración cuyo valor será valorado experimentalmente.
Nombre de Variable
Coeficiente de Transferencia de masa
Fuente: elaboración propia
Símbolo
Valor
De
m2/s
35
5.2
Operacionalización de variables
VARIABLE
DEFINICIÓN
INDICADOR
UNIDAD
HIPÓTESIS
FUENTE Y/O
INSTRUMENTO
Variable independiente
Concentración
Hipótesis General
Se determina
experimentalmente el efecto
de la concentración de la
solución osmótica y la
temperatura en el coeficiente
de difusión de deshidratación
del aguaymanto (Physalis
peruviana) para geometrías
esféricas.
5.3
Temperatura
Coeficiente de
difusión másica
La
concentración
de la solución
osmótica a la
que va a ser
expuesto el
aguaymanto
50,60
°Brix
Refractómetro
Propiedad de
la solución
que estará en
contacto con
la fruta
40,50
°C
Termómetro
g/s
Balanza
analítica
Variable dependiente
El mecanismo
de
transferencia
de masa
Difusividad
entre dos
medios de
diferente
concentración
Metodología experimental
Diseño factorial 2^2
Número de Experimentos: 22 = 4 experimentos
Se realizarán 4 experimentos* 10 mediciones = 40 mediciones totales por réplica
Para 2 réplicas =80 número de datos
5.3.1 Matriz de Diseño Experimental
36
N° de Experimentos
X1
1
0
2
0
3
1
4
1
Fuente: Elaboración Propia
X2
1
0
1
0
Concentración
50°brix
50°brix
60°brix
60°brix
Temperatura
40°C
50°C
40°C
50°C
Combinaciones
a1.b1
a1.b2
a2.b1
A2.b2
Respuesta
Y11
Y12
Y13
Y21
Tabla xx : Datos experimentales de pérdida de humedad (%humedad) en el aguaymanto en la solución
osmótica de sacarosa
20'
TIEMPO (min)
N°Experi
mento
1
2
3
4
Concentración
Temperatura
50 °brix
50 °brix
60 °brix
60 °brix
50 °brix
50 °brix
60 °brix
60 °brix
40 °C
40 °C
40 °C
40 °C
50 °C
50 °C
50 °C
50 °C
40'
60'
80'
100'
120'
140'
160'
180'
200'
% HUMEDAD
Tabla xx : Datos experimentales de ganancia de sólidos solubles (°Brix) en el aguaymanto en la solución
osmótica de sacarosa (solo lo considera esta tabla para hallar el coeficiente de difusión)
TIEMPO (min)
N°Experi
mento
1
2
3
4
20'
Concentración
Temperatura
50 °brix
50 °brix
60 °brix
60 °brix
50 °brix
50 °brix
60 °brix
60 °brix
40 °C
40 °C
40 °C
40 °C
50 °C
50 °C
50 °C
50 °C
40'
60'
80'
100'
120'
140'
Concentración °BRIX
160'
180'
200'
37
5.3.2 Determinación de las características fisicoquímicas del aguaymanto
a) Medición del calibre
Se mide el diámetro del radio de cada unidad de aguaymanto utilizando un calibrador (Vernier).
hallando un valor promedio en cada tramo.
b) Peso
Se pesa cada fruto tomando pesos promedio para la experimentación de tal forma que no difieran
de +-0.05g entre ellos.
c) Sólidos solubles totales (SST)
La norma técnica colombiana, 4580 (1999), menciona que se determina por el método
refractométrico.
Se coloca una gota de líquido extraído de la fruta, en el refractómetro y se hace pasar luz a través
de él, observándose, en una escala graduada. Los resultados se expresan como °Brix a 20 °C. La lectura se
debe corregir utilizando el porcentaje de ácido cítrico, mediante la siguiente ecuación:
𝑆𝑆𝑇𝐶𝑂𝑅 = 0.194 × %𝐴 + 𝑆𝑆𝑇
Donde:
SSTCOR= Sólidos solubles totales corregidos
%A= % Ácido cítrico
SST = Sólidos solubles totales en grados °Brix
(Anexo )
38
5.4
Procedimiento
a) Recepción: El aguaymanto (fruta) y la sacarosa (Agente osmótico) son adquiridos del mercado
San Camilo.
b) Selección: La fruta debe estar en similar estado de madurez, tamaño, firmeza y color, se
desechan las que se encuentren dañadas o que aún tengan el color verde.
c) Acondicionamiento de la fruta: Se desinfectan con solución de hipoclorito de sodio al 0.1 ,
posteriormente son lavados con agua hervida a temperatura ambiente, sin producir daños en los tejidos.
Se realiza la determinación del peso inicial, acidez, °Brix inicial
d) Preparación de la Solución: Se prepara soluciones de sacarosa en agua destilada a
concentraciones de: 50 °y 60°Brix. determinando su concentración con un refractómetro portátil. Las
temperaturas de trabajo son 40 y 50 °C.
Sacarosa: Se utilizó sacarosa comercial
e) Inmersión de la Fruta en la Solución osmótica: Se selecciona 10 unidades de aguaymanto a los
cuales se mide la masa; diámetro; humedad y los grados °Brix inicial y se los rotula.
Luego en el deshidratador osmótico la fruta es sumergida en la solución osmótica 50 ó 60 °Brix según
corresponda; se fija las revoluciones del agitado y temperaturas de trabajo: 40 ó 50 ° C para cada
tratamiento.
f) Toma de muestra: El proceso de deshidratación se realiza por un tiempo de 3 horas y 20 min a
40 ºC y 50 ºC según el tratamiento. Para estudiar la variación de masa se retira una unidad rotulada de
aguaymanto por periodos de 20 min.
Una vez extraídas las muestras, se elimina la disolución superficial utilizando papel absorbente,
para así proceder a realizar su respectivo análisis.
39
Se realiza una recirculación de la solución osmótica para homogenizarla y se Se evalúa la diferencia de
peso al final del tratamiento respecto al peso inicial y los grados °Brix final de la fruta.
40
Fuente: Elaboración propia
41
5.5
Algoritmo de investigación
42
6
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Cuadro de Actividades
Del 20 Oct 2020 al 09 Jul 2021
Actividad
Revisión bibliográfica
Inicio
20/10/2020
Dias
45
Final
04/12/2020
Elaboración de plan de tesis
Diseño de módulo de
deshidratación
Construcción del módulo de
deshidratación
30/12/2020
65
05/03/2021
10/01/2021
30
09/02/2021
24/02/2021
50
15/04/2021
Revisión de plan de tesis
Levantamiento de
observaciones del plan de
tesis
05/03/2021
10
15/03/2021
15/03/2021
17
01/04/2021
Aprobación del plan de tesis
01/04/2021
10
11/04/2021
Recolección de la información
15/04/2021
30
15/05/2021
Tratamiento de la información
Análisis de datos
Presentación de primer
borrador
Correción
01/05/2021
17/05/2021
15
15
16/05/2021
01/06/2021
02/06/2021
13/06/2021
10
10
12/06/2021
23/06/2021
Elaboración de informe final
24/06/2021
15
09/07/2021
43
7
7.1
RECURSOS DE INVESTIGACIÓN
Materia Prima e insumos
Se empleará aguaymanto proveniente del norte de nuestro país en estado de maduración de 3-5
según la escala de color de la NTC 4580:2019; en estado fresco cumpliendo con las siguientes
características:
TABLA CARACTERÍSTICA DEL AGUAYMANTO
CARACTERISTICAS
VALOR UNIDADES
HUMEDAD
80-90
%
DIAMETRO
1.3-1.5 cm
Fuente: Elaboración propia
7.2
Agente osmótico.
Se utilizará como agente de deshidratación sacarosa comercial, que es comúnmente usado para
frutas.
7.3
Materiales
-
Bureta graduada de 50ml +-0.05ml
-
Probeta graduada de 100 y 500 ml +-1.0 ml
-
Soporte universal
-
Vasos de precipitación 50, 100,250 ml +- 0.10ml
-
Gradilla
-
Pabilo
-
Pinza
-
Vernier
-
Probetas
44
-
7.3.1
Placas petri
Reactivos
-
Hidróxido de sodio Na OH 0.1 N, 100 %, PM = 40 g/mol,
-
Indicador Anaranjado de metilo
-
Agua destilada
7.3.2 Equipos
-
Refractómetro digital
-
Balanza analítica
-
Termómetro digital
-
Ph metro
-
Balanza analítica
-
Estufa
-
refráctrometro
-
Cronómetro
-
Módulo de deshidratación osmótica
45
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