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U N I V E R S I D A D D E P I U R A F A C U L T A D D E I N G E N I E R Í A Ing. Gastón Cruz Alcedo OSMOTIC DEHYDRATION OF PINEAPPLE AND PAPAYA GRUPO N°1 Adrianzén Salinas, Diandra Arleen Crisanto Morales, José Miguel Marcelo Meca, José María Navarro Lazo, Edwin Paul Núñez Zapata, Fernando Enrique Seminario Chávez, Rosaura María Claudia Piura, 30 de octubre de 2018 2 Resumen El mercado de frutas deshidratadas está en crecimiento. El consumo global de frutas deshidratadas alcanzaría los 4 millones de toneladas en el 2020, debido a la tendencia mundial de consumir alimentos naturales y sanos que combatan la obesidad y por la mayor conciencia de cuidar la salud. Al deshidratar las frutas se convierten en un nuevo producto potencial de exportación, según Global Industry Analysts (GIA), una de las firmas de investigación de mercado con mayor prestigio en el mundo. Para deshidratar las frutas existen diversos procesos. Uno de ellos es la deshidratación osmótica, la cual se basa en la sumersión de un alimento en una solución con alta presión osmótica. Las frutas contienen agua como componente principal, se encuentran entre un 70% hasta un 92%. En el presente trabajo se detalla la extracción del agua en las frutas mediante el proceso de deshidratación osmótica, de esta manera se podrá conservar más tiempo, sin perder sus proteínas, carbohidratos, lípidos y vitaminas. Para ello, se definirá el proceso industrial necesario, incluyendo las operaciones y procesos unitarios. También, se comenta acerca de la situación actual de la industria peruana en frutas deshidratas y cómo está regulado este sector a través de normas técnicas. 3 Abstract The market for dehydrated fruits is growing. The global consumption of dehydrated fruits would reach 4 million tons in 2020, due to the global trend of consuming natural and healthy foods that combat obesity and the greater awareness of health care. By dehydrating fruits, they become a new potential export product, according to Global Industry Analysts (GIA), one of the most prestigious market research firms in the world. To dehydrate fruits there are several processes. One of them is osmotic dehydration, which is based on the submersion of a food in a solution with high osmotic pressure. Fruits contain water as a main component, they are between 70% and 92%. In the present work the extraction of water in fruits is detailed through the process of osmotic dehydration, in this way it will be possible to conserve more time, without losing its proteins, carbohydrates, lipids and vitamins. For this, the necessary industrial process will be defined, including the operations and unit processes. Also, comments are made on the current situation of the Peruvian industry in dehydrated fruits and how this sector is regulated through technical standards. 4 Índice Resumen ........................................................................................................................... 2 Abstract ............................................................................................................................. 3 Introducción ...................................................................................................................... 6 Capítulo 1. Marco Teórico................................................................................................ 7 1.1 Situación Actual del Sector Industrial ............................................................... 7 1.1.1 A nivel Mundial .......................................................................................... 7 1.1.2 Perú como exportador de fruta deshidratada .............................................. 9 1.2 Empresas Representativas ................................................................................ 11 1.3 Diagrama de flujo de Proceso Industrial .......................................................... 12 1.4 Equipos de proceso industrial .......................................................................... 13 1.4.1 Deshidratador industrial ........................................................................... 13 1.4.2 Cuba para tratamiento de permeabilización ............................................. 14 1.4.3 Cuba para lavado ...................................................................................... 14 1.4.4 Paila Osmótica .......................................................................................... 15 1.4.5 Centrífuga ................................................................................................. 15 1.4.6 Secador industrial ..................................................................................... 15 1.5 Normas técnicas ............................................................................................... 16 1.5.1 Fichas técnicas – procesados de frutas ..................................................... 16 1.5.2 Código de prácticas de higiene para las frutas desecadas ........................ 17 1.5.3 Fruit and vegetable processing ................................................................. 17 1.5.4 Composición de frutos deshidratados ....................................................... 18 1.5.5 Contenido de agua de las frutas ................................................................ 19 Capítulo 2. Materiales, equipos e instrumentos .............................................................. 20 2.1 Materias primas e insumos............................................................................... 20 2.1.1 Fruta .......................................................................................................... 20 2.1.2 Agua.......................................................................................................... 20 2.1.3 Azúcar y sal .............................................................................................. 20 2.2 Equipos e instrumentos utilizados en los experimentos .................................. 21 Capítulo 3. Diagramas de flujo ....................................................................................... 24 3.1 Proceso para la papaya y piña .......................................................................... 24 Capítulo 4. Descripción de ensayos ................................................................................ 25 4.1 Objetivos de los ensayos .................................................................................. 25 4.2 Deshidratación osmótica. ................................................................................. 25 5 4.2.1 Ensayo según el tipo de corte de la fruta. ................................................. 25 4.2.2 Solución osmótica con distintos componentes ......................................... 26 4.3 Secado .............................................................................................................. 27 4.3.1 Variación en la temperatura de la estufa. ................................................. 27 Capítulo 5. Resultados, discusión y comentarios ........................................................... 28 5.1 Resultados del proceso de deshidratación osmótica ........................................ 28 5.1.1 Primera prueba .......................................................................................... 29 5.1.2 Segunda prueba......................................................................................... 30 5.1.3 Comentarios Generales y Diseño 𝟐𝑲 ....................................................... 32 5.1.4 Determinación del tiempo del proceso de deshidratación osmótica. ........ 35 5.2 Resultados del proceso de secado por aire caliente .........................................38 5.2.1 Primera prueba .......................................................................................... 38 5.2.2 Segunda Prueba ............................................................................................. 40 5.3 Eficiencia de los procesos ................................................................................ 42 Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones ................................................................ 45 Referencias bibliográficas y linkografía ......................................................................... 47 6 Introducción La deshidratación de frutas tiene gran importancia en la actualidad pues sirve como método para la conservación de estos productos, puesto que brinda una mayor duración al alimento, permitiendo su consumo en época de escasez y además su acceso a mercados de larga distancia. Las frutas deshidratadas mantienen sus nutrientes como vitaminas, antioxidantes, proteínas, minerales, componentes benéficos para la salud, el proceso no influye en ello, siempre y cuando haya sido realizado correctamente, contribuyendo a su cuidado. El consumo global de frutas deshidratadas alcanzaría los 4 millones de toneladas en el 2020, debido a la tendencia mundial de consumir alimentos naturales y sanos que combatan la obesidad y por la mayor conciencia de cuidar la salud. (Vásquez, 2016) Según el estudio de GIA 2014, coloca a Estados Unidos entre los principales países compradores mundiales de fruta deshidratada (piña, mango, durazno, aguaymanto, berries) con el 12,9% del total de sus importaciones. Le siguen el mercado alemán (8,8%), el ruso (5,8%), el neerlandés (5,6%), y Reino Unido (5,4%). Y, en cuanto al mercado mundial de mezcla de frutas deshidratadas (dos o más frutas), figuran cinco países como principales compradores: Reino Unido (18,8% de sus importaciones totales), seguido por Kazajistán (11,7%), Alemania (9,8%), Francia (8,1%) y Bélgica (5,5). En el presente trabajo se realiza la deshidratación osmótica, cuya explicación del procedimiento será detallada en el contenido, tales como flujogramas, instrumentos e insumos, experimentación y análisis de los resultados obtenidos. Cabe resaltar que la deshidratación por ósmosis no es muy utilizada en los procesos industriales para exportación; lo que se pretende realizar es la demostración de esta, aplicando la teoría de tecnología de procesos, para un mejor aprendizaje. 7 Capítulo 1. Marco Teórico Es importante antes definir el proceso de ósmosis como: El desplazamiento de moléculas de solvente a través de una membrana semipermeable desde una región de concentración de soluto más baja (…), hacia otra de concentración más alta (…) del mismo soluto, por acción de las diferencias de presión osmótica que poseen estas soluciones. El proceso finaliza cuando se igualan las presiones osmóticas.(Parzanese, 2018, pág. 3) Existirá entonces un “impulso” que hará que se transporte moléculas de solvente entre dos soluciones, hasta que exista una presión que evite la entrada de este. A mayor presión osmótica en una solución, mayor “impulso” tendrá el solvente para entrar en la solución. El principio antes mencionado, se aplicará para conseguir una deshidratación parcial de frutas debido a la inmersión de estas en una solución altamente concentrada y en consecuencia con alta presión osmótica. La característica de membrana semipermeable, que permite el paso de algunas moléculas a través de esta, está presente en la naturaleza y composición de la fruta. Además del flujo del solvente, en este caso agua, de la fruta hacia la solución más concentrada, también existirá un flujo en sentido contrario de solutos hacia la fruta. 1.1 Situación Actual del Sector Industrial 1.1.1 A nivel Mundial La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, mundialmente conocida como FAO tiene por objetivo la seguridad alimentaria para todos, garantizando el acceso regular para alimentos, manteniendo una vida sana y activa, además tiene a 194 estados miembros y trabaja con más de 130 países. Esta organización precisa que alrededor de un tercio de la producción de alimentos mundialmente es desechada a la basura. Aproximadamente son 1.300 millones de toneladas desechadas por año, lo que implica pérdidas de recursos para la producción de alimentos que contaminan al medio ambiente. Además, establece que esa fruta desperdiciada emite una severa cantidad de CO2, semejante a la de los países más contaminantes como Estados Unidos y China. Se presenta en la Ilustración 1, un esquema que nos brinda información acerca de los principales países importadores y exportadores de fruta deshidratada. 8 Ilustración 1. Principales países importadores y exportadores de fruta deshidratada Fuente: The Observatory of Economic Complexity 2018 A continuación, se comenta la postura entre los años 2011 y 2018 de diversas entidades ante el mercado de la fruta deshidratada: Pronatural (Francia) Empresa francesa con más de 30 años en el mercado, llego a Perú por segunda vez a la feria Expo-alimentaria, con el fin de mantener lazos con las empresas exportadoras de frutas orgánicas, deshidratadas y secas. Llevando más de 800 toneladas de productos peruanos (entre ellos frutas orgánicas deshidratadas y frutos secos) para el año 2016, teniendo operaciones minoristas y mayoristas. Euromonitor En 2017, Euromonitor, proveedor independiente a nivel mundial de investigación estratégica de mercados, valoró el mercado de frutas deshidratadas en 490 millones de USD, aproximadamente 190 mil toneladas, siendo Reino Unido el mayor importador y consumidor de frutas deshidratadas en Europa, debido a su localización geográfica y clima que impide el cultivo de la mayoría de las frutas. 9 1.1.2 Perú como exportador de fruta deshidratada Oficina de Comercio del Perú en Millán (OCEX Millán) Recalcó que Perú tendría mayor exportación de fruta deshidratada (lúcuma y hortalizas) hacia Italia, debido a su mayor demanda de alimento saludable y de mayor resistencia. Selva y sierra exportadora Sierra y selva exportadora, institución pública de promoción para el acceso a mercados nacionales y de exportación de la producción competitiva de pequeños y medianos productores ubicados en la sierra y selva del Perú, manifestó que el consumo de frutas deshidratas llegaría a los 4 millones de toneladas en el año 2020. En diciembre del 2015, Sierra y Selva Exportadora, anunció que Perú elaboraba 1.6 millones de toneladas de fruta. Dentro de esos 1.6 millones de toneladas, 160 mil toneladas se desaprovechaban por no tener un valor agregado. Consorcio Agroexportador de Perú (CAP), afirmo que Perú principalmente exporta fruta deshidratada hacia Alemania, Austria, Francia, Suiza y Japón. También exportaría las hortalizas deshidratadas a Italia, Portugal y Alemania. Teniendo como inicio a las primeras plantas deshidratadoras de frutas en Paita (Céticos) en la región de Piura. AgroForum.pe. Es la primera red social de agricultura y agro negocios en todo el Perú. Ofrece una gran variedad de frutas deshidratadas para todo el mercado nacional. Las frutas que nos ofrecen son: Kiwi, fresa, uchuvas, mango, manzana roja y verde, pera, piña, plátano de la isla y biscocho. La consultora Mercurio Consultores S.L, elaboró un estudio sobre lo que un productor peruano necesita para ingresar a mercados extranjeros, obteniendo como resultado los siguientes atributos: o Calidad en precio Los productos deshidratados se dirigen a un público que conoce con exactitud los diferentes precios cómodos que existen dentro del mercado. Por lo mismo, los productos deben presentar un precio cómodo y accesible. o Presentación del producto Si bienes cierto, el producto que se lance al mercado debe ser de calidad y de un precio cómodo, no llamaría la atención si un buen margen publicitario. Además, la consultora realizó entrevistas a diferentes entidades, dando como resultado las siguientes recomendaciones a efectos de la producción en origen: o Adecuar el producto Si el producto va dirigido a un mercado de deportistas, este debe enfatizar las bajas calorías y a la vez que sea alcanzable y fácil de 10 llevar. De igual forma si este producto va dirigido a un público de menores, este puede tener varias combinaciones sabores diferentes e infantiles. o Particularidad Se debe tener en cuenta siempre la competencia. Diferenciando nuestro producto, agregando un ingrediente en particular, sería muy beneficioso para fomentar la venta. Las frutas que benefician a la salud, que tenga alto contenido de antioxidantes y que a la vez sean orgánicas se convertirían en un plus para nuestras ventas. o Ecología En estos últimos años, se ha considerado mucho el tema ecológico ya que existe un gran número de usuarios que han optado por el consumo de productos ecológicos, evitando una alta serie de contaminación. Se debe considerar la producción ecológica de este tipo de productos como un atributo cada vez más valorado por el consumidor español (utilizar frutas de procedencia ecológica). 11 1.2 Empresas Representativas Tabla 1. Empresas representativas del sector. Nombre Lugar Web Tipos de producto (Fruta deshidratada) Mercado MAHAFRUITS Lima http://mahafruits.com/frutasd eshidratadas/ Piña, mango y manzana. Nacional OLIVICO Lima http://www.olivico.com/index .html Mangos de Chulucanas, tomates, piña, aguaymanto de Cajamarca y papaya. Nacional e Internacional MAQFRUEX DEL PERÚ EIRL Sullana - Piura http://www.maqfruexdelperu. com/ Aguaymanto, fresa, piña, banano, mango, ají jalapeño y ají habanero. Internacional KISAFRUT Los Olivos - Lima http://deshidratadoskisafrut.c om/index.html Mango, fresa, manzana, aguaymanto y plátano Nacional ECOFRUITS Lima http://www.ecofruitsperu.com / Mango, aguaymanto, piña, manzana y coco. Nacional ALPES DEL NORTE Chiclayo - Lambaye que http://www.alpesdelnorte.co m/categoria/2/deshidratados Aguaymanto, plátano, mango y piña Internacional Fuente: Elaboración Propia http://mahafruits.com/frutasdeshidratadas/ http://mahafruits.com/frutasdeshidratadas/ http://www.olivico.com/index.html http://www.olivico.com/index.html http://www.maqfruexdelperu.com/ http://www.maqfruexdelperu.com/ http://deshidratadoskisafrut.com/index.html http://deshidratadoskisafrut.com/index.html http://www.ecofruitsperu.com/ http://www.ecofruitsperu.com/ http://www.alpesdelnorte.com/categoria/2/deshidratados http://www.alpesdelnorte.com/categoria/2/deshidratados 12 1.3 Diagrama de flujo de Proceso Industrial Aunque se presentan distintas maneras de deshidratar la fruta según la empresa con la cual se trabaje, a continuación, se presenta un flujograma del proceso en general que siguen las plantas industriales de deshidratación de frutas, tanto nacionales como internacionales. Comienza por la selección de fruta, debe ser de primera calidad, sabor excelente, con un grado de maduración intermedio, esta etapa es importante porque de ella dependerá la calidad del producto terminado. La fruta seleccionada pasa a ser lavada y desinfectada con abundante agua a presión, para que posteriormente sea pelada. El cortado dependerá mucho del tipo de fruta, si se requiere en lonjas, cubos o rodajas, estos trozos son colocados en bandejas, dejándolos listos para su proceso de deshidratación. El tiempo de proceso depende del alimento, mientras mayor sea su proporción de agua, más tiempo tomará deshidratar la fruta. El pesado, es como lo requiera la empresa que esté produciendo, algunas lo realizan de manera manual, otras con porciones o unidades dependiendo de la presentación que se le quiera dar. Luego pasa a ser empaquetado, listo para su comercialización y venta. Selección de fruta Lavado y Desinfectado Pelado Cortado Deshidratado Pesado Empaquetado Ilustración 2. Flujograma general de proceso industrial Fuente: Elaboración propia 13 1.4 Equipos de proceso industrial 1.4.1 Deshidratador industrial Es un deshidratador industrial de frutas, y todo tipo de alimentos con temperatura y humedad controlada. Secado eléctrico o a gas; mediante aire forzado por medio de ventiladores centrífugos. Tiene las siguientes especificaciones técnicas: o Estructura: 100% en acero inoxidable 304 anti-ácido. o Voltaje: 3 fases 220 voltios para calentamiento por resistencias – 110/220 para calentamiento a gas. o Potencia eléctrica: 10 Kilovatios (calentamiento por resistencias). o Consumo a gas: 60.000 BTU/hora – Gas natural o propano. (calentamiento por GN o GLP). o Flujo de aire: Ventilación centrifuga. o Rango de temperatura: 10°-70° centígrados. o Control de Humedad: 80 / 6% – controlada mediante Higrómetro digital Características: o Ofrece el sistema más seguro de combustión a gas, con controles de ignición Honeywell; marca americana ampliamente reconocida por la calidad y seguridad de sus equipos de control. o Combustible: Gas natural (GN) o propano (GLP) o Quemador de soplete con alimentación de aire, por ventilador centrifugo para mayor eficiencia energética. o Tarjeta de control de ignición marca Honeywell con pre-barrido de 30 segundos para garantizar la máxima seguridad. Ilustración 3. Deshidratador Industrial de frutas 64 bandejas Fuente: Equipos Industriales S.A.S. https://customer.honeywell.com/en-US/Pages/Department.aspx?cat=HonECC%20Catalog&category=Combustion+Controls&catpath=1.2.9 https://customer.honeywell.com/en-US/Pages/Department.aspx?cat=HonECC%20Catalog&category=Combustion+Controls&catpath=1.2.9 14 o Válvula de gas Honeywell 1.4.2 Cuba para tratamiento de permeabilización Equipo utilizado para la eliminación del recubrimiento ceroso de la fruta, por medio de un tratamiento con solución de hidróxido de sodio. 1.4.3 Cuba para lavado Equipo utilizado para quitar rápidamente el hidróxido de sodio residual del proceso anterior. Ilustración 5. Diagrama de proceso de lavado Fuente: Elaboración Propia Ilustración 4. Diagrama de proceso de tratamiento de permeabilización Fuente: Elaboración Propia 15 1.4.4 Paila Osmótica Recipiente donde se colocan la fruta y el jarabe o solución osmótica, para su óptima deshidratación se recomienda contar con un sistema de agitación continua. 1.4.5 Centrífuga Equipo utilizado al terminar el proceso de deshidratación osmótica, se emplea para eliminar el jarabe y agua excedente que contenga la fruta. La velocidad de este equipo debe relacionarse con el tipo de fruto al que se está centrifugando. Ilustración 6. Diagrama de proceso de centrifugación Fuente: Elaboración Propia 1.4.6 Secador industrial Equipo utilizado para deshidratar la fruta por medio de aire caliente. Tipos de secadores: o Secador de Horno: puede procesar frutas, grano y vegetales. Consiste en una construcción de dos secciones con un piso con ranuras que separa la sección de secado con la sección de calefacción. o Secador de Cabina o Bandeja: la fruta o alimento se coloca en una serie de bandejas, las cuales se adentran en un compartimiento del secador, el cual está expuesto al aire caliente. o Secador de Túnel: contiene una cabina equipada con rieles para mover unas cajoneras a lo largo de la cámara de secado, donde el aire caliente ingresa y circula a través de ellas. o Secador con cinta transportadora: tiene el principio similar al de túnel, la diferencia consiste en que el producto es transportado sobre una cinta.16 1.5 Normas técnicas 1.5.1 Fichas técnicas – procesados de frutas1 Artículo publicado por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO: Food and Agriculture Organization of the United Nations) contiene las especificaciones de la fruta secada a través de métodos como deshidratación osmótico y secado por aire caliente. Estos dos procesos son los que vamos a considerar en nuestro proyecto de investigación. Además, esta normativa contiene la descripción del producto final, materia prima e ingredientes, recomendaciones y reglas sobre el estado de los equipos e instalaciones, descripción del proceso productivo, costos y aspectos de comercialización. A continuación, se presenta una tabla resumen de las especificaciones que debe presentar los productos como piña, papaya y manzana. Tabla 2. Especificaciones técnicas de frutas deshidratadas Fuente: Procesados de Fruta (FAO) 1 Fichas Técnicas Procesados de Frutas. setiembre 07, 2018, de FAO Especificaciones Piña Papaya Manzana Humedad (%) Deshidratación Osmótica 65 – 70 50 – 70 - Secado Aire caliente 20 - 25 20 - 25 10 Sólidos solubles (º Brix) 30 65 - Acidez (pH) 3.5 3.5-3.9 - Sulfito Residual (ppm) 50 50 50 Empacado Producto empacado en bolsas tiene una vida útil de 30 días a temperatura ambiente, mientras el envasado en frascos tiene una vida útil de 8 meses. Producto empacado en bolsas tiene una vida útil de 60 días a temperatura ambiente, si la humedad es inferior al 25%. El producto empacado en bolsas tiene una vida útil de 60 días a temperatura ambiente. Instalaciones El local debe cumplir con los requisitos que exige las autoridades de salud para el procesamiento de alimentos. Los pisos deben ser de concreto recubiertos de losetas o resina plástica, con desnivel para el desagüe. Los techos de estructura metálica, con zinc y cielorraso. Las puertas de metal o vidrio y ventanales de vidrio. Se recomienda el uso de cedazo en puertas y ventanas. 17 1.5.2 Código de prácticas de higiene para las frutas desecadas2 El documento que registra las normas y condiciones de higiene, es aplicable a las frutas desecadas por medios naturales o artificiales, o por combinación de los dos métodos. Las frutas reguladas por este código comprenden las manzanas, albaricoques, melocotones (duraznos), peras, nectarinas, ciruelas pasas, higos, dátiles y productos de la vid, tales como uvas pasas y pasas de Corinto. El contenido del documento se separa en secciones las cuales describen requisitos de materia prima, requisitos de instalaciones y operaciones de elaboración y finalmente especificaciones aplicables al producto terminado, sección v del artículo, el cual expresa lo siguiente: En la medida compatible con las buenas prácticas de fabricación, los productos deberán estar exentos de sustancias objetables. Los productos no deberán contener ningún microorganismo patógeno, ni ninguna sustancia tóxica producida por microorganismos. Los productos deberán satisfacer los requisitos estipulados por los Comités del Codex Alimentarius sobre Residuos de Plaguicidas y sobre Aditivos Alimentarios, que figuran en las listas autorizadas o en las normas de productos del Codex. 1.5.3 Fruit and vegetable processing3 Del presente documento se toma una tabla acerca de información técnica de algunos productos deshidratados por medio osmótico. Tabla 3. Tabla de datos técnicos de productos deshidratados Fruit or vegetable Type of cut Treatment Banana 5 mm slices 2 hours, 80% sugar, 2000 ppm SO2 at 70ºC. Papaya 8x8 mm slices 4 hours, 80% sugar, 2000 ppm SO2 at 70ºC. Mango, ripe 8 mm slices 2 hours, 60% sugar, 8000 ppm SO2 Onions 2 mm slices 2 hours, 60% sugar + 10% salt, 4000 ppm SO2. Strawberries whole 4 hours, 80% sugar 4000 ppm SO2. Fuente: FAO 2 FAO. (2011). Código de prácticas de higiene para las frutas desecadas. De Codex Alimentarius 3 Mircea Enachescu Dauthy. (2004). Fruit and vegetable processing. De FAO p. 92 18 1.5.4 Composición de frutos deshidratados Tabla 4. Analyses of dried bananas Constituent Banana Flour made from green fruit Banana powder made from full yellow fruit Banana powder made from ripe fruit Water (%) 5.99 3.8 2.59 Fat (ether extract) (%) 1.06 2.01 1.91 Starch (%) 65.61 29.87 29.87 Reducing sugars (as invert) (%) 8.3 17.72 15.62 Non – reducing sugars (as sucrose) (%) 0.64 26.83 33.25 Ash (%) 3.06 3.07 3.05 Undetermined (%) 11.47 12.52 9.62 Fuente: Vom Loesecke H. DRYING AND DEHYDRATION OF FOODS. P.54 Tabla 5. Approximate composition of dried figs Constituent Partially dried, cooked, unsulfured from Asia Minor Dried American Moisture (%) 27.9 24.0 Total Solids (%) 72.1 76.0 Ash (%) 2.2 2.4 Fat ( ether extract) (%) 0.4 1.2 Reducing sugars (as dextrose) (%) 51.3 55.0 Sucrose (%) none - Crude fiber (%) 7.4 5.8 Total carbohydrates (by diff) (%) 59.1 68.0 Total acid, as malic (%) - 0.6 Fuente: Vom Loesecke, H. DRYING AND DEHYDRATION OF FOODS. p. 61 Tabla 6. Approximately composition of dried peaches Water (%) 24.0 Total Solids (%) 76.0 Ash (%) 3.0 Fat ( ether extract) (%) 0.6 Crude fiber (%) 3.5 Total carbohydrates (by diff) (%) 69.4 Total acid, as malic (%) 3.0 Total sugars (%) 51.0 Fuente: Vom Loesecke, H. DRYING AND DEHYDRATION OF FOODS. p. 69 19 Tabla 7. Approximately composition of dried pears Water (%) 24.0 Total Solids (%) 76.0 Ash (%) 1.7 Fat ( ether extract) (%) 0.4 Crude fiber (%) 6.1 Total acid, as malic (%) 1.5 sugars (%) 36.0 Undeterminated (%) 27.9 Fuente: Vom Loesecke, H. DRYING AND DEHYDRATION OF FOODS. p. 72 1.5.5 Contenido de agua de las frutas Tabla 8. Contenido de agua en frutas Producto Contenido en agua % Manzana 75.0 – 85.0 Plátano 74.8 Higos (pasos) 24 Higos (frescos) 78 Limón 89.3 Mango 81.4 Papaya 90.8 Pera 82.7 Piña 85.3 Fuente: Manual de datos para ingeniería de los alimentos. p. 72 20 Capítulo 2. Materiales, equipos e instrumentos 2.1 Materias primas e insumos 2.1.1 Fruta En el presente trabajo, las principales materias primas utilizadas fueron piña y papaya, las cuales estaban en su etapa de madurez comercial (comestible) sin llegar la sobre madurez. Estas fueron adquiridas en el Mercado Modelo de Piura. Para la primera prueba, tanto la papaya como la piña fueron cortadas en cubos, pero debido a la textura y relieve de la fruta, en algunos no se logró la simetría. Luego, para el desarrollo de la segunda prueba, fueron cortadas en rodajas para favorecer el contacto con la solución. Ilustración 7. Piña contenida en tul Fuente. Elaboración propia 2.1.2 Agua El agua fue utilizada en el lavado, para eliminar residuos como tierra o cuerpos extraños, y en la preparación del jarabe (componentes: agua, azúcar con o sin sal) que posteriormente realizó la deshidratación osmótica de la fruta. El agua fue obtenida de la red de agua potable EPS Grau. 2.1.3 Azúcar y sal Otro insumo fue el azúcar para la elaboración del jarabe, la marca de ésta fue Bell’s. En algunos experimentos, la sal fue incluida en el jarabe, de este insumo se compró un 1 kg de la marca Marina. Ambos insumos fueron adquiridos en el Mercado Modelo. 21 2.2 Equipos e instrumentos utilizados en los experimentos Balanza digital de cocina Este tipo de balanza fue utilizada durante la primera y segunda prueba del proceso de experimentación. La marca es: Ufesa, la cual fue prestada para el experimento. El rango de pesado es 5000 g y la capacidad de lectura es 1g. Ilustración 8. Balanza digital Fuente: Elaboración propia Balanza de precisión (Laboratorio) Esta balanza fue utilizada en la siguiente etapa del proceso de experimentación, para pesar muestras de fruta secada en el horno. La marca de balanza es Ohaus, la cual fue prestada por el laboratorio de la Universidad de Piura. El rango de pesado es 3000 g y la capacidad de lectura es 0.01g. Ilustración 9. Balanza Fuente: Elaboración propia Brixómetro Se emplearon 2 brixómetros, uno de escala de 0 a 65 Brix y otro de 45 a 95 Brix, estos instrumentos fueron útiles para las mediciones de grados Brix del jarabe y fruta, primero se calibraron con agua y después con la ayuda de una pipeta se 22 echaba la solución que se quería medir su concentración de sólidos solubles. La marca es SPER SCIENTIFIC y fueron prestados por la Universidad de Piura. Ilustración 10. Brixómetro. Fuente: Elaboración propia Estufa de secado Este equipo fue necesario para la última parte del proceso de experimentación, la cual consiste en secar la fruta después de haber sido deshidratada osmóticamente. Se dejaron algunas muestras y con intervalos de 2h se iban pesando para calcular empíricamente la humedad. La marca de la estufa es Memmert y fue prestado y utilizado en el laboratorio de química de la Universidad de Piura. Ilustración 11. Estufa de secado Fuente: Elaboración propia Recipientes Se utilizaron 8 recipientes herméticos de vidrio de 1.5 L para la deshidratación osmótica y 8 recipientes pequeños herméticos de vidrio para colocar las muestras de fruta deshidratada. Además, colocamos teflón en la boquilla del envase para evitar que posibles factores externos como la humedad del ambiente, insectos, polvo, etc; alteren las propiedades del experimento. 23 Ilustración 12. Recipientes Fuente: Elaboración propia Tela tipo Tul Medio artesanal que permite simular el proceso de centrifugado manual de la fruta. Otros materiales: Papel aluminio Celosía Tijeras Placa Petri Cuchillos Pipeta Pasteur 24 Capítulo 3. Diagramas de flujo 3.1 Proceso para la papaya y piña Ilustración 13. Diagrama de flujo para la papaya Fuente: Elaboración propia 25 Capítulo 4. Descripción de ensayos 4.1 Objetivos de los ensayos a) Primer objetivo: Determinar los factores que tienen influencia en la deshidratación osmótica de frutas. Se realizará mediante el Diseño de experimentos 2K, un modelo estadístico clásico cuyo objetivo es averiguar si unos determinados factores son o no significativos en nuestra variable de interés: Porcentaje de pérdida de agua. Si existe influencia de algún factor, cuantificar su importancia mediante un modelo estadístico que nos permitirá obtener la combinación óptima de factores que aumenten el porcentaje de pérdida de agua. En total se realizó dos pruebas de ocho experimentos cada una. Los factores que se analizaron son 3 (K=3): la concentración de la solución (45 o 57 °Brix), tipo de fruta (piña o papaya) y contenido de sal, el cual, para la primera prueba se estableció entre 0% o 5% de la solución (porcentaje en masa) y la segunda se estableció el rango de 0% o 10% de la solución (porcentaje en masa). Estos ensayos consisten en sumergir la fruta en una solución preparada con agua, sal y azúcar en un frasco hermético. Cada prueba presentó variaciones en los factores. b) Segundo objetivo: Determinar el tiempo requerido para el proceso de deshidratación osmótica. Al transcurrir un tiempo determinado se realizó la medición del peso de la fruta y °Brix de la solución. c) Tercer objetivo: Determinar la eficiencia del proceso de deshidratación osmótica y secado por estufa. Al inicio y final de la deshidratación osmótica se medió °Brix de la fruta y el peso inicial de cada experimento (8 experimentos por cada prueba). Estos resultados se compararon con las normas establecidas por la FAO para frutas deshidratas, y se verificó la eficiencia de los procesos estudiados. A continuación, se explican las pruebas o ensayos realizados para obtener los objetivos 1, 2 y 3 antes explicados. Se realizó dos pruebas, la segunda recoge las mejores prácticas de la primera y se perfecciona todo aquello que se identificó como posible mejora. 4.2 Deshidratación osmótica. 4.2.1 Ensayo según el tipo de corte de la fruta. La fruta que iba a ser deshidratada en el proceso de ósmosis fue cortada de dos maneras diferentes en cada prueba realizada. Es así que, para la primera prueba, tanto la papaya como la piña, fueron cortadas en 26 forma de cubos, como muestra la ilustración 14. Por otro lado, en la segunda prueba las porciones de fruta fueron cortadas en forma de rodajas o tiras (ilustración 15). Ambas muestras tuvieron un peso aproximado de 100 g. 4.2.2 Solución osmótica con distintos componentes La solución o jarabe de azúcar que era utilizada para realizar la deshidratación osmótica presentó variantes, específicamente en sus componentes. Si bien el nombre “jarabe de azúcar”, alude a una disolución de azúcar y agua, es importante dar a conocer que algunas de estas tuvieron un componente adicional que fue la sal, con la finalidad de acelerar el proceso de deshidratación osmótica. De esta manera los experimentos realizados para cada prueba quedaron definidos como lo muestra la tabla 9. Tabla 9. Resumen de los experimentos para cada prueba Fuente: Elaboración propia. Experimento Fruta Solución 1 Papaya Agua, azúcar y sal 3 2 Piña 4 5 Papaya Agua y azúcar 7 6 Piña 8 Ilustración 14. Fruta cortada en cubos Fuente: Elaboración propia. Ilustración 15. Fruta cortada en rodajas Fuente: Elaboración propia. 27 4.3 Secado 4.3.1 Variación en la temperatura de la estufa. El proceso de secado que fue posterior a la deshidratación osmótica, también se realizó variando un parámetro: la temperatura de secado. Para la prueba 1 se tuvo una temperatura de trabajo de 75 °C. Para la prueba 2 la temperatura de trabajo fue de 65 °C. Ilustración 16. Piña secada a 75 °C ( figura izquierda) y papaya secada a 60 °C (figura derecha). Fuente: Elaboración propia 28 Capítulo 5. Resultados, discusión y comentarios 5.1 Resultados del proceso de deshidratación osmótica Las cantidades necesarias de los componentes para el desarrollo de la primera y segunda prueba fueron halladas utilizando las ecuaciones 1 y 2. 1000 = 𝑋𝐴 + 𝑋𝐻 + 𝑋𝑆 … (1) 100 ∗ (𝑋𝐴 + 𝑋𝑆) 𝑋𝐴 + 𝑋𝐻 + 𝑋𝑆 = 𝐵𝑅𝐼𝑋 … (2) Donde: XA: Cantidad de azúcar (g) XH: Cantidad de agua (g) XS: Cantidad de sal (g) Para hallar el porcentaje en masa de sólidos solubles de la fruta al final del proceso se utilizó la fórmula (3). Así mismo se usó la fórmula (4) para obtener el porcentaje de perdida de agua. %𝑆𝑆𝐼 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = % 𝑆𝑆𝐹 ∗ 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 … (3) %𝑃𝐴 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗ 100 … (4) Donde: % SS: porcentaje de sólidos solubles. El subíndice I corresponde al inicio y F al final. Cabe resaltar que los grados Brix fueron calculados considerando el componente sal, aunque no es el término que se utiliza en la industria para la medición de la concentración de la sal en una solución. 29 5.1.1 Primera prueba A continuación, se presenta las cantidades de fruta y sólidos que fueron utilizados para el desarrollo de esta prueba. Tabla 10. Cantidad de fruta y solutos en la solución osmótica Fuente: Elaboración Propia. Debido a que la capacidad de lectura de la balanza digital decocina es de 1g (ilustración 8), las cantidades calculadas en la tabla 10, presentaron variaciones con las que realmente se utilizó. En la tabla 11, se muestra un cuadro resumen de las cantidades usadas y los resultados obtenidos del proceso de deshidratación osmótica. En la tabla 12, se presentan las mediciones de °Brix obtenidas durante la ejecución del experimento. Tabla 11. Resultados de proceso de deshidratación osmótica para prueba 1. Experimento Peso Inicial (g) Humedad Inicial (%) Sólidos Solubles iniciales (%) Peso Final (g) Humedad Final (%) Sólidos Solubles finales (%) Pérdida de Agua (%) 1 98 92.40% 7.60% 68.84 89.18% 10.82% 29.76% 2 98 88.50% 11.50% 62.92 82.09% 17.91% 35.80% 3 97 92.40% 7.60% 58.74 87.45% 12.55% 39.44% 4 97 88.50% 11.50% 55.33 79.84% 20.16% 42.96% 5 95 92.40% 7.60% 68.22 89.42% 10.58% 28.19% 6 95 88.50% 11.50% 60.32 81.89% 18.11% 36.51% 7 95 92.40% 7.60% 59.81 87.93% 12.07% 37.04% 8 94 88.50% 11.50% 57.5 81.20% 18.80% 38.83% Fuente: Elaboración propia. Experiment o Fruta Solución Osmótica Tipo de fruta Peso de la fruta (g) Azúcar (g) Agua (g) Sal (g) °Bri x 1 Papaya 98.75 355 582.46 50 45 2 Piña 98.75 355 582.46 50 45 3 Papaya 97.55 463 462.46 50 57 4 Piña 97.55 463 462.46 50 57 5 Papaya 95.50 405 550 0 45 6 Piña 95.50 405 550 0 45 7 Papaya 94.30 513 430 0 57 8 Piña 94.30 513 430 0 57 30 Tabla 12. Resultados de °Brix del proceso de deshidratación osmótica para prueba 1. Experimento Duración (horas) Brix inicial de la solución Brix final de la solución % Δ Brix 1 04:40 42.90 40.70 5.13 2 04:35 41.53 40.30 2.96 3 04:50 54.47 50.30 7.66 4 05:00 54.17 50.90 6.04 5 04:40 43.53 41.25 5.24 6 05:15 43.57 41.10 5.67 7 04:55 55.30 50.95 7.87 8 05:30 55.53 52.75 5.01 Fuente: Elaboración propia. Para la prueba 1 los experimentos permanecieron sumergidos en la solución entre 4 – 5 horas. Esta condición, junto con la forma cúbicas de las muestras afectó los resultados esperados. De acuerdo a la tabla 11 el experimento con mayor tasa de pérdida de agua fue el 4, siguiendo el 3 y 8. Los experimentos 4, 6 y 8 presentan menor composición porcentual de humedad, sin embargo, no se logró cumplir con las normas técnicas establecidas. 5.1.2 Segunda prueba A continuación, se presenta las cantidades de fruta y solidos que fueron utilizados para el desarrollo de esta prueba. Tabla 13. Cantidad de fruta y solutos en la solución. Fuente. Elaboración propia. En la tabla 14, se muestra un cuadro resumen de las cantidades usadas, los resultados obtenidos del proceso de deshidratación osmótica y en la tabla 15, las mediciones de °Brix obtenidas durante la ejecución del experimento. Experimento Fruta Solución Osmótica Tipo de fruta Peso de la fruta (g) Azúcar (g) Agua(g) Sal(g) °Brix 1 Papaya 100 350 550 100 45 2 Piña 100 350 550 100 45 3 Papaya 100 470 430 100 57 4 Piña 100 470 430 100 57 5 Papaya 100 450 550 0 45 6 Piña 100 450 550 0 45 7 Papaya 100 570 430 0 57 8 Piña 100 570 430 0 57 31 Tabla 14. Resultados de proceso de deshidratación osmótica para prueba 2. Experimento Peso Inicial Humedad4 Inicial (%) Sólidos Solubles Iniciales (%) Peso Final Humedad Final (%) Sólidos Solubles Finales (%) Pérdida de Agua (%) 1 100 90.8% 9.2% 51 82.0% 18.0% 49% 2 100 85.3% 14.7% 53 72.3% 27.7% 47% 3 100 90.8% 9.2% 42 78% 21.9% 58% 4 100 85.3% 14.7% 57 74.2% 25.8% 43% 5 100 90.8% 9.2% 63 85.4% 14.6% 37% 6 100 85.3% 14.7% 46 68.0% 32.0% 54% 7 100 90.8% 9.2% 49 81.2% 18.8% 51% 8 100 85.3% 14.7% 49 70.0% 30.0% 51% Fuente. Elaboración propia. Tabla 15. Resultados de °Brix del proceso de deshidratación osmótica para prueba 2. Experimento Duración (horas) Brix inicial de la solución Brix final de la solución % Δ Brix 1 15:00 45.50 40.60 10.77 2 15:00 44.60 41.90 6.05 3 15:00 56.20 52.00 7.47 4 15:00 57.50 51.50 10.43 5 15:00 44.30 40.90 7.67 6 15:00 44.80 41.50 7.37 7 15:00 55.80 47.30 15.23 8 15:00 55.00 51.30 6.73 Fuente: Elaboración propia. De acuerdo a la tabla 14 el experimento con mayor tasa de pérdida de agua fue el 3, siguiendo el 6, 7 y 8. Los experimentos 6 y 8 presentan menor composición porcentual de humedad y, además, son los dos experimentos con los cuales se logró cumplir con los porcentajes indicados por la FAO para la deshidratación de frutas. Las mejoras en el proceso de deshidratación osmótica de la prueba 2 con respecto a la prueba 1, fueron explicadas por el tipo de corte que se realizó (se cambió de cubos a rodajas delgadas), el método de centrifugado (presionar la fruta y aumentar el tiempo de centrifugado), el tiempo de la fruta sumergida en la solución (15 horas), la precisión en la medida de los insumos. Además, también ayudó una mejor preparación y la experiencia obtenida de la prueba 1. 4 Hayes, G. (1992). Manual de datos para ingeniería de los alimentos. Zaragoza (España): Acribia, S.A. p.72 32 5.1.3 Comentarios Generales y Diseño 𝟐𝑲 Existe diferencia entre °Brix en la solución inicial calculada y la real para ambas pruebas, debido a que, durante la elaboración de las soluciones, en algunas de ellas no se logró disolver completamente los solutos en el solvente. Por ello, se calculó el error absoluto y relativo. Tabla 16. Porcentaje de error de las mediciones. Experimento Error absoluto Prueba 1 Error relativo Prueba 1 Error absoluto Prueba 2 Error relativo Prueba 2 1 2.10% 4.67% 0.50% 1.11% 2 3.47% 7.70% 0.40% 0.89% 3 2.53% 4.44% 0.80% 1.40% 4 2.83% 4.97% 0.50% 0.88% 5 1.47% 3.26% 0.70% 1.56% 6 1.43% 3.19% 0.20% 0.44% 7 1.70% 2.98% 1.20% 2.11% 8 1.47% 2.57% 2.00% 3.51% Fuente: Elaboración propia. Para explicar las medidas obtenidas, se buscó proponer un modelo que explique la relación existente entre los factores utilizados con el porcentaje de pérdida de agua de los dos tipos de fruta utilizados. Para ello se utilizó el diseño de experimentos factorial 2𝐾 como herramienta de análisis estadístico, junto con el uso del software Minitab se consiguieron los siguientes resultados. Tabla 17. Resultados del modelo 2𝑘. RESUMEN DEL MODELO S 𝑅2 𝑅2𝑎𝑗𝑢𝑠 𝑅2𝑝𝑟𝑒𝑑 1.45774 97.14% 95.00% 88.57% COEFICIENTE CODIFICADOS TÉRMINO EFECTO COEF VALOR P CONSTANTE ---- 48.750 0.000 BRIX -4.000 -2.000 0.018 TF*BRIX -7.500 -3.7500 0.002 TF*SAL 8.500 4.250 0.001 Fuente. Elaboración Propia. El modelo obtenido es aceptable. El coeficiente de determinación 𝑅2 (indicador que mide que tan bueno es el modelo), coeficiente de determinación corregido 𝑅2𝑎𝑗𝑢𝑠 y el predictivo 𝑅2𝑝𝑟𝑒𝑑 (indicador de qué tan buena es la predicción del modelo con datos fuera de la muestra), son valores altos y brindan seguridad al modelo. 33 Las variables Brix, TF*BRIX y TF*SAL, se consideran variables significativas, es decir, es relevante incluirla en la regresión porque tiene información de la variable respuesta no incluida en el resto de las variables, pues el p-valor es menor a 0.05 (valor límite utilizado para considerar a un factor significativo). El modelo final estimado es el siguiente: 𝑃𝐴 = 48.750 − 2.000𝐵𝑅𝐼𝑋 − 3.750𝑇𝐹 ∗ 𝐵𝑅𝐼𝑋 + 4.250𝑇𝐹 ∗ 𝑆𝐴𝐿 … (5) De acuerdo al modelo final se determinan los siguientes apartados: Los grados Brix es el único factor principal considerado significativo, es decir, es un factor que influye de forma determinante en la pérdida de agua de la fruta, a mayor concentración de azúcar y sal contenga la solución, mayor será la variable respuesta analizada. Sin embargo, se tiene que considerar la interacción que existe en el segundo término del modelo, la cual influye también en la determinación de este factor. Utilizandoel modelo se puede describir como: “Si el nivel de grados Brix utilizado es -1 (57ºBrix), el porcentaje de pérdida de agua aumentará en 2.000% por término medio, manteniendo constante las otras variables”. Este resultado concuerda con la bibliografía encontrada. La ilustración 17 representa lo mencionado. El siguiente término en el modelo es una interacción entre dos factores principales TF*BRIX. Se pueden tener diversas interpretaciones, tomando en cuenta el modelo, se concluye: o Si el TF es 1 (papaya), los grados Brix que se deben utilizar para obtener un mejor rendimiento es -1(57ºBrix), así la el porcentaje de pérdida de agua aumenta en 3.750 % por término medio, manteniendo constante las otras variables. o Si el TF es -1 (piña), los grados Brix que se deben utilizar es 1 (45ºBrix). Al igual que el primer caso, el porcentaje de pérdida de agua aumenta en 3.750% por término medio, manteniendo constante las otras variables. La ilustración 18 nos permite visualizar el análisis realizado. El último término del modelo es una interacción entre los factores TF*SAL, se interpreta de la siguiente manera: o Si el TF es 1 (papaya), es favorable agregar a la solución Sal, por lo cual su valor debe ser 1(100 g). El porcentaje de pérdida de agua aumenta en 4.250% por término medio, si las otras variables permanecen constantes. o Si el TF es -1 (piña), no es favorable utilizar sal en la solución, el nivel de este factor sería -1 (0 g). El porcentaje de pérdida de agua aumente en 4.25% por término medio, manteniendo constante las otras variables. La ilustración 18 representa lo mencionado. 34 Ilustración 17.Gráfica de efectos principales para PA (pérdida de agua) Fuente: Elaboración propia Ilustración 18. Gráfica de interacción para PA (pérdida de agua). Fuente: Elaboración propia Como síntesis de este modelo estadístico se propone: Si la fruta utilizada es papaya se recomienda realizar el experimento con contenido de sal, la cual se puede variar a la cantidades utilizadas en este ensayo, y usar una solución muy concentrada ( mayor a 57º Brix). Si la fruta utilizada es piña la mejor combinación de factores es utilizar una solución con un nivel de concentración moderado [45 − 50]ºBrix y no agregar sal a la solución o jarabe. Se presenta a continuación la tabla 18, la cual, contiene información y datos usados para el desarrollo del análisis estadístico con ayuda del software MINITAB. Además, presenta las predicciones o ajustes que realiza el modelo obtenido para la prueba 2. En el cual, se visualiza 35 que el experimento 3 obtiene mayor porcentaje de pérdida de agua. Ahora, si analizamos los experimentos con la piña sobresale el experimento 6. Tabla 18. Diseño 2𝑘. Experimento Tipo de FrutaA °BrixB SalC PAD (%) Ajustes 1 1 1 1 49 47.25 2 -1 1 1 47 46.25 3 1 -1 1 58 58.75 4 -1 -1 1 43 42.75 5 1 1 -1 37 38.75 6 -1 1 -1 54 54.75 7 1 -1 -1 51 50.25 8 -1 -1 -1 51 51.25 A: 1 (papaya) y -1 (piña). B: 1 ( 45ºBrix) y -1 (57ºBrix). C: 1( 0g) y -1 (100g). D: Pérdida de agua Fuente. Elaboración propia. 5.1.4 Determinación del tiempo del proceso de deshidratación osmótica. De los resultados obtenidos en segunda prueba, se planteó como segunda meta determinar el tiempo requerido para lograr obtener una fruta deshidratada por este proceso de ósmosis. Para el desarrollo, se eligió el experimento 3 prueba 2, se anotaron las medidas de peso obteniendo los resultados de la tabla 19 y la ilustración 19, 20 y 21. Es importante acotar que el para el desarrollo de la prueba 2 se dejó reposar la fruta durante aproximadamente 15 horas, y para la prueba 1 entre 4 y 5 horas. Tabla 19. Datos Objetivo 2. OBJETIVO 2 Hora Duración (Hora) Peso de la fruta (g) variación peso (g) °Brix 1 9:00:00 0:00:00 100 0 57.3 2 9:30:00 0:30:00 80 20 56.7 3 10:07:00 1:00:00 69 11 55.8 4 10:42:00 1:30:00 59 10 54.5 5 11:17:00 2:00:00 53 6 52.3 6 11:52:00 2:30:00 50 3 52 7 12:27:00 3:00:00 47 3 51.9 8 1:01:00 3:30:00 45 2 51.9 9 1:35:00 4:00:00 43 2 51.7 10 2:09:00 4:30:00 42 1 51.3 11 2:43:00 5:00:00 42 0 51.3 12 3:17:00 5:30:00 42 0 51.3 13 3:51:00 6:00:00 42 0 51.3 Fuente. Elaboración propia. 36 Ilustración 19. Gráfica peso fruta vs tiempo Fuente. Elaboración propia . Ilustración 20. Gráfica Brix vs tiempo Fuente. Elaboración propia 0 20 40 60 80 100 120 00:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00 06:00:00 07:12:00 P ES O F R U TA ( g) TIEMPO 50 51.1 52.2 53.3 54.4 55.5 56.6 57.7 00:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00 06:00:00 07:12:00 B R IX TIEMPO 37 Ilustración 21. Gráfica % pérdida de peso fruta vs tiempo Fuente. Elaboración propia La fruta perdió 58 g durante el proceso, 81% de esa cantidad se pierde habiéndose cumplido las dos primeras horas, indicando que la velocidad de deshidratación es mayor durante este intervalo de tiempo. Habiendo pasado 4 horas y media, el experimento llegó a pesar el mismo resultado obtenido en la prueba 2. Se deduce que la velocidad de intercambio de masa disminuye de forma progresiva hasta alcanzar un punto de equilibrio. Pasado este tiempo la fruta no volvió a perder más peso con lo cual se acabó el experimento pasando las 6 primeras horas. Por lo tanto, se concluye que el proceso de ósmosis llego a su punto de equilibrio, en donde no se produce transferencia de masa y ese punto es donde se alcanza la máxima deshidratación de la fruta. 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 00:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00 06:00:00 07:12:00 % P ER P ID A D E P ES O TIEMPO 38 5.2 Resultados del proceso de secado por aire caliente El peso final de la fruta seca fue calculado de la siguiente manera: Ilustración 22. Diagrama del proceso de secado. Fuente: Elaboración propia. 𝑃 = 𝑆𝑀 ∗ °𝐵𝑟𝑖𝑥 1 − 𝐻𝐹 … (6) Donde: P: Peso final de la fruta seca (g) SM: Peso de la muestra 1 o 2 (g) B: °Brix de la muestra 1 o 2 (%) HF: Humedad final (%) 5.2.1 Primera prueba Tabla 20. Resultados de proceso de deshidratación osmótica y secado por estufa para prueba 1. Experimento Peso Inicial (g) Humedad (%) Sólidos Solubles (%) Humedad (%) Sólidos Solubles (%) Peso Final (g) Pérdida de Agua (%) 1 98 92.40% 7.60% 69.65% 30.35% 24.54 74.96% 2 98 88.50% 11.50% - - - - 3 97 92.40% 7.60% 61.26% 38.74% 19.03 80.38% 4 97 88.50% 11.50% 53.94% 46.06% 24.22 75.03% 5 95 92.40% 7.60% 69.26% 30.74% 23.49 75.27% 6 95 88.50% 11.50% 55.75% 44.25% 24.69 74.01% 7 95 92.40% 7.60% 60.57% 39.43% 18.31 80.73% 8 94 88.50% 11.50% 51.89% 48.11% 22.47 76.10% Fuente: Elaboración propia. 39 Podemos observar que los experimento 8, 4 y 6 permanecen con los porcentajes de humedad más bajos, sin embargo, no se logró cumplir con las normas. A continuación, se muestra el peso final y las gráficas para cada experimento, se va visto conveniente separar por tipo de fruta con el fin de facilitar la lectura de resultados. Tabla 21. Pesos finales en gramos para la Prueba 1 Prueba 1 - Experimento Inicial Tras 2 horas Tras 4 horas Tras 6 horas Tras 7 horas Tras 24 horas 1 68.84 45.83 34.84 27.34 24.64 24.54 2 62.92 37.84 31.24 - - - 3 58.74 35.53 25.13 20.63 19.13 19.03 4 55.33 34.92 29.32 26.02 24.92 24.22 5 68.22 47.49 36.39 27.29 23.59 23.49 6 60.32 40.79 32.49 26.99 25.09 24.69 7 59.81 37.41 27.81 20.81 18.51 18.31 8 57.5 38.77 29.87 24.67 23.07 22.47 Fuente: Elaboración Propia. Ilustración 23. Gráfica proceso de secado de papaya prueba 1. Fuente: Elaboración propia. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 24:00:00 28:48:00 p es o d e la f ru ta ( g) Tiempo (h) experimento 1 experimento 3 experimento5 experimento 7 40 Ilustración 24. Gráfica proceso de secado de piña prueba 1. Fuente: Elaboración propia. 5.2.2 Segunda Prueba Tabla 22. Resultados de proceso de deshidratación osmótica y secado por estufa para prueba 2. Experimento Peso Inicial (g) Humedad (%) Sólidos Solubles (%) Humedad (%) Sólidos Solubles (%) Peso Final (g) Pérdida de Agua (%) 1 100 90.8% 9.2% 64.15% 35.85% 25.66 74.34% 2 100 85.3% 14.7% 41.78% 58.22% 25.25 74.75% 3 100 90.8% 9.2% 65.67% 34.33% 26.8 73.2% 4 100 85.3% 14.7% 55.79% 44.21% 33.25 66.75% 5 100 90.8% 9.2% 56.52% 43.48% 21.16 78.84% 6 100 85.3% 14.7% 20.71% 79.29% 18.54 81.46% 7 100 90.8% 9.2% 65.85% 34.15% 26.94 73.06% 8 100 85.3% 14.7% 27.66% 72.34% 20.32 79.68% Fuente: Elaboración propia. Podemos observar que los experimento 6 y 8 permanecen con los porcentajes de humedad más bajos. Ahora el experimento 6 es el único que ha llegado a cumplir con las normas técnicas. A continuación, se muestra el peso final y las gráficas para cada experimento, se va visto conveniente separar por tipo de fruta con el fin de facilitar la lectura de resultados. 0 10 20 30 40 50 60 70 0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 24:00:00 28:48:00 p es o d e la f ru ta ( g) Tiempo (h) experimento 2 experimento 4 experimento 6 experimento 8 41 Tabla 23. Pesos finales en gramos para la Prueba 2 Prueba 2 - Experimento Inicial Tras 2 horas Tras 4 horas Tras 6 horas Tras 24 horas Tras 29 horas 1 51.26 33.6 29.25 27.88 25.85 25.66 2 48.82 36.2 30.09 27.97 25.42 25.25 3 43.56 33.47 29.95 28.88 26.99 26.8 4 54.28 43.81 38.61 36.64 33.5 33.25 5 56.18 31.62 26.24 24.69 22.9 21.16 6 40.14 25.51 21.68 19.22 18.68 18.54 7 46.53 32.28 29.65 28.73 27.11 26.94 8 42.55 27.92 24.53 23.16 21.14 20.32 Fuente: Elaboración propia. Ilustración 25. Gráfica proceso de secado de papaya prueba 2. Fuente: Elaboración propia. 0 10 20 30 40 50 60 70 0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 24:00:00 28:48:00 33:36:00 p es o d e la f ru ta ( g) Tiiempo (horas) EXPERIMENTO 1 EXPERIMENTO 3 EXPERIMENTO 5 EXPERIMENTO 7 42 Ilustración 26. Gráfica proceso de secado de piña prueba 2. Fuente: Elaboración propia. Para la prueba 1, se logró alcanzar resultados similares y incluso mejores en algunos experimentos, comparándolos con la prueba 2, a pesar de poseer mayores pesos iniciales. Debido a este suceso, se considera muy importante la temperatura en que se lleva a cabo el proceso de secado por aire caliente, ya que como es obvio favorece a la pérdida de agua de los productos. Para prueba 1 la temperatura de desarrollo fue de 75º C, mientras que en la prueba 2, 60 º C. El principal obstáculo para el proceso de secado por aire caliente es que la fruta que pasa por un proceso de deshidratación osmótica posee una capa de azúcar en su superficie producto de la transferencia de masa entre la solución o jarabe y la fruta, la cual actúa como barrera contra la remoción de agua de la fruta. Esta es una de las razones principales por la cual, los pesos finales de la mayoría de experimentos no lograron cumplir los requisitos de las normas técnicas. 5.3 Eficiencia de los procesos Como primer paso para hallar el rendimiento de los procesos realizados, se calculó el peso que deberían tener los experimentos según los requisitos de las normas publicadas. Luego del proceso de deshidratación osmótica la fruta (piña y papaya) debe estar compuesta entre [65 − 70]% de humedad y al finalizar el proceso de secado por aire caliente, ésta debe contener entre [20 − 25]% de 0 10 20 30 40 50 60 70 0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 24:00:00 28:48:00 33:36:00 p es o d e la f ru ta ( g) Tiiempo (horas) EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO 4 EXPERIMENTO 6 EXPERIMENTO 8 43 humedad.5 Los pesos que debe tener la fruta en las pruebas 1 y 2 se muestran en las tablas 24 y 25. Tabla 24. Pesos según norma para la prueba 1. Experimento º Brix Peso de la Fruta (g) Pesos de la fruta (g) Proceso deshidratación osmótica – Humedad requerida: Proceso secado por aire caliente – Humedad requerida: 70% 25% 1 7.6 98 24.83 9.93 2 11.5 98 37.57 15.03 3 7.6 97 24.57 9.83 4 11.5 97 37.18 14.87 5 7.6 95 24.07 9.63 6 11.5 95 36.42 14.57 7 7.6 95 24.07 9.63 8 11.5 94 36.03 14.41 Fuente: Elaboración propia. Tabla 25. Pesos según norma para la prueba 2. º Brix Fruta Pesos de la fruta (g) Proceso de deshidratación osmótica – Humedad requerida: Proceso secado por aire caliente – Humedad requerido: 70% 25% 14.7 piña 49.00 19.60 9.2 papaya 30.67 12.27 *Los pesos iniciales de todos los experimentos es de 100g Fuente: Elaboración propia. Para calcular el rendimiento de los procesos se utilizó la siguiente fórmula. 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 − 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ∗ 100 … (7) 5 Fichas Técnicas Procesados de Frutas. setiembre 07, 2018, de FAO Sitio web: http://www.fao.org/3/a- au168s.pdf 44 Tabla 26. Eficiencia de los procesos para la prueba 1. Prueba 1 Experimento Proceso de deshidratación osmótica Proceso de secado por aire caliente Peso de la fruta (g) Eficiencia del proceso de DO Peso de la fruta (g) Eficiencia del proceso de secado 1 68.84 40.74% 24.54 83.74% 2 62.92 48.80% - - 3 58.74 53.74% 19.03 89.82% 4 55.33 58.46% 24.22 83.89% 5 68.22 38.88% 23.49 84.35% 6 60.32 50.14% 24.69 82.95% 7 59.81 50.01% 18.31 90.29% 8 57.5 53.36% 22.47 85.34% Fuente: Elaboración propia. Tabla 27. Eficiencia de los procesos para la prueba 2. Fuente: Elaboración propia. Prueba 2 Experim ento Proceso de deshidratación osmótica Proceso de secado por aire caliente Peso de la fruta (g) Eficiencia del proceso de DO peso de la fruta Eficiencia del proceso de secado 1 51 70.67% 25.66 84.73% 2 53 92.16% 25.25 58.46% 3 42 83.65% 26.8 83.43% 4 57 84.31% 33.25 53.48% 5 63 53.37% 21.16 89.86% 6 46 105.88% 18.54 67.16% 7 49 73.56% 26.94 83.28% 8 49 100.00% 20.32 63.43% 45 Capítulo 6. Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Se concluye que para un mejor resultado en el que se obtengan valores más cercanos a los establecidos en la FAO, el corte en forma de rodajas en mejor que el corte en forma de cubos. La fruta que mostró un mejor comportamiento en el proceso de deshidratación osmótica, es decir tuvo un mejor rendimiento en esta etapa, fue la piña. Todo lo contrario, sucedió en el proceso de secado, donde quien evidenció mejores resultados fue la papaya. Con respecto a la solución osmótica, guiándonos de la prueba 2, la cual tuvo 100 g iniciales de fruta para cada experimento; en el caso de la piña, el mejor jarabe fue 45 °Brix sin sal y para la papaya fue de 57 °Brix incluyendo 100 g de sal; por lo tanto, se concluye que la sal acelera el proceso de deshidratación de la papaya más que la piña. La deshidratación osmótica resulta muy útil puesto que, por la diferencia de presiones, se extrae el agua excedente que se encuentra en la fruta, sin perder sus propiedades, extendiendo así su durabilidad para el consumo. El tiempo de permanencia de la fruta en la solución afecta el experimento. Esto se pudo comprobar en la variación de 6% en promedio de °Brix para la primera prueba que duró 5 horas y la variación de 9% en la segunda prueba que duró 15 horas. En el proceso de secado se tuvo en cuenta el factor tiempo, así como la temperatura. En lo referido al primer factor se llegó a la conclusión que el experimento 6, de la prueba dos, que consistía en piña y tenía una solución de agua y azúcar, tuvo un proceso de secado más rápidocon respecto a los otros experimentos durante las primeras 5 horas. Después de ese tiempo el comportamiento de todos los experimentos fue lineal. Con respecto al tiempo de la fruta en la estufa, se notó que, a menor tiempo y mayor temperatura, el rendimiento de la fruta es mejor que al dejarla más tiempo y con una temperatura más baja; no obstante, la formación de una capa melosa en la fruta luego del proceso de deshidratación osmótica no permitió el paso del agua excedente en la fruta y no se logró secar la fruta conforme a las normas técnicas de la FAO. La variación de porcentaje de agua perdida en el secado por estufa es mayor en las primeras horas. Lo mismo se puede verificar en la deshidratación osmótica. Pasado un tiempo, la pérdida de agua llega a un “estado estacionario” en el que, aunque transcurra mucho tiempo, la cantidad de agua no varía. El proceso de deshidratación osmótica evita el consumo de energía, aunque no se consiga reducir la humedad de la fruta a niveles como el uso de una estufa, esta preserva sus componentes esenciales como los nutrientes, textura, color, etc.; a diferencia de utilizar técnicas energéticas que buscan otras maneras de mantener estos componentes. 46 Recomendaciones La de sal como un componente agregado en menor cantidad a la solución de agua y azúcar, tiene como objetivo acelerar el proceso de deshidratación osmótica durante las primeras 5 horas aproximadamente; no obstante, se recomienda que la cantidad de sal agregada no perjudique las propiedades de la fruta, como su sabor, madurez, entre otros. Según el tipo de corte de la fruta, es recomendable que este se haga en rodajas y de grosor entre 0.5 cm a 1.5 cm; con la finalidad de extraer con mayor rapidez el agua excedente durante las primeras horas. Después de sacar la fruta de la solución osmótica y antes de pasar a centrifugar la misma, se recomienda dejarla escurrir dentro de la tela tipo tul durante unos minutos hasta que deje de gotear la solución impregnada en la fruta. Al momento de elegir la temperatura de la estufa, se tiene que tener cuidado en no quemar el producto; por lo tanto, la realización de este proyecto nos permite recomendar al lector un intervalo apropiado de temperaturas que oscilen entre los 60°C a 75°C. Debido a la madurez de la fruta, mientras está no esté madura su pulpa resulta ser más dura y esto no nos ayuda en el intercambio de moléculas de sacarosa con las de agua, en cambio, si se utiliza una fruta más madura, su pulpa es más blanda y se haría más fácil el proceso de ósmosis y en menos tiempo, mejorando la conserva del alimento por un tiempo más prolongado. La limpieza del vidrio del refractómetro donde se coloca la muestra para medir su concentración es fundamental para que los datos sean confiables y no influya en los resultados debido a los residuos que hubiera sino se limpiará adecuadamente. 47 Referencias bibliográficas y linkografía AgroForum.pe. (2018). AgroForum.pe. Obtenido de AgroForum.pe: https://www.agroforum.pe/agro-noticias Alpes del Norte. (2018). Alpes del Norte. Obtenido de Alpes del Norte: http://www.alpesdelnorte.com/planta-procesamiento Carrillo, J. (2003). Integración de Un Sistema Virtual Full Duplex para el Desarrollo de Prácticas de Ingeniería de Alimentos a través de Internet 2. septiembre 05, 2018, de Universidad de las Américas Puebla Sitio web: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/carrillo_a_j/ Comercio. (3 de Abril de 2015). Mincetur promueve envíos de congelados y deshidratados a Italia. 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