Deshidratacion_osmotica_de_maca_-_paper

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

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)

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

T Z Subíndices o t

Tiempo (s) Fracción másica de sólidos solubles (%) Valor en el momento cero Valor en el tiempo t

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.

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 osmoreactores. 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: WL (%)

E ET 100 O MO

(1)

ms t

(2)

SG(%) 100

ms o MO

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).

En la Figura1 se muestra la gráfica de la superficie, mostrando en colores los rendimientos esperados para cualquier combinación de las variables independientes evaluadas.

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.

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. 350

300

TIEMPO

250

200

150

100

50

0 15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CONCENT RACION DE AZUCAR

40 35 30 25 20 15 10 5

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:

Factor

S.C.

G.L

C.M.

F

p

Regresión

73,01357346

2

36,5067

7,50499

0,014611

Error

38,91465334

8

4,86433

Totales

111,9282268

10

R2 0.81028

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 osmodeshidratante 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 osmodeshidratante, 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.

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 --. 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

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.

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.

350

300

250

TIEMPO

4. Conclusiones 200

150

100

50

0 15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

CONCENT RACION DE AZUCAR

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.

20 16 12 8 4

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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