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ÍNDICE

i

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... iv

ÍNDICE DE CUADROS ................................................................................................... viii

NOMENCLATURA ............................................................................................................ x

RESUMEN ....................................................................................................................... xii

ABSTRACT .................................................................................................................... xiii

I. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

II. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 3

II.1 El Secado ............................................................................................................ 3

II.2 Mecanismos de transferencia de humedad.......................................................... 5

II.3 Cambios inducidos por el secado en frutas y vegetales ....................................... 8

II.3.1 Encogimiento ................................................................................................ 9

II.3.2 Rehidratación ............................................................................................. 12

II.3.3 Color ........................................................................................................... 13

II.4 Secado en lecho por fuente ............................................................................... 15

II.4.1 Lecho por fuente convencional ................................................................... 15

II.4.2 Lecho por fuente fluidizado ......................................................................... 17

II.5 La Zanahoria y sus beneficios ........................................................................... 19

II.5.1 El consumo de zanahoria en México .......................................................... 20

II.5.2 Producción de zanahoria ............................................................................ 22II.5.3 Composición química ................................................................................. 24

II.5.4 Carotenoides .............................................................................................. 25

II.5.5 Beta Caroteno ............................................................................................ 26

II.5.6 Enzimas presentes en la zanahoria ............................................................ 28

III. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 32

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................. 33

IV.1 Objetivo general .................................................................................................... 33

IV.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 33V. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................... 34

V.1 Materia prima ......................................................................................................... 34

V.2 Materiales y Reactivos de grado analítico .............................................................. 34

V.3 Equipo de secado .................................................................................................. 35

V.3.1 Secador de lecho por fuente convencional semipiloto .................................... 35


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ÍNDICE

ii

V.3.2 Secador de lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio .................................. 36

V.4 Desarrrollo experimental ....................................................................................... 38

V.4.1 Acondicionamiento de la muestra ................................................................... .40

V.4.2 Secado en una sola etapa .............................................................................. .40

V.4.3 Secado en dos etapas ..................................................................................... 41

V.4.3.1 Primera etapa de secado ....................................................................... 41

V.4.3.2 Segunda etapa de secado ..................................................................... 42

V.5 Determinación de las propiedades físicas de los cubos de zanahoria .................... 43

V.5.1 Volumen de partícula ....................................................................................... 43

V.5.2 Densidad de partícula (Densidad aparente) ..................................................... 43

V.5.3 Determinación del radio equivalente ............................................................... 44

V.6 Determinación de humedad ................................................................................... 44

V.7 Determinación de propiedades hidrodinámicas ...................................................... 45

V.7.1 Velocidad mínima de fluidización ..................................................................... 45

V.7.2 Velocidad mínima de formación de la fuente ................................................... 46

V.8 Determinación de curvas de secado ...................................................................... 47

V.9 Determinación de curvas de velocidad de secado ................................................. 47

V.10 Determinación de los coeficientes difusivos ......................................................... 48

V.11 Determinación de encogimiento ........................................................................... 49

V.12 Determinación del coeficiente de difusividad incluyendo el efecto de

encogimiento….. .......................................................................................................... 49

V.13 Determinación de β -carotenos ........................................................................... 50

V.14 Determinación de actividad enzimática ................................................................ 51

V.14.1 Obtención de extractos .................................................................................. 51

V.14.2 Actividad de peroxidasa (POD) ...................................................................... 52

V.14.3 Actividad de pectin metil esterasa (PME) ....................................................... 52

V.15 Determinación de color ........................................................................................ 53

V.16 Determinación de la capacidad de rehidratación .................................................. 53

VI. PRUEBAS PRELIMINARES ...................................................................................... 54

VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................. 57

VII.1 Caracterización física de los cubos de zanahoria ................................................. 57

VII.2 Hidrodinámica de los sistemas estudiados ........................................................... 59

VII.3 Secado en una sola etapa.................................................................................... 62


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ÍNDICE

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura II.1. Curva de velocidad de secado. (Adaptado por Barbosay Vega, 1996).

4

Figura II.2. Curva de encogimiento ideal con o sin porosidad inicial. 10

Figura II.3. Encogimiento no ideal sin porosidad inicial: curva deencogimiento ideal (línea continua); curva experimental (curvapunteada).

10

Figura II.4. Esquema de un secador de lecho por fuente (Spoutedbed) (Epstein y Grace, 1984).

16

Figura II.5. Esquema de un secador de lecho por fuente-fluidizado. 17

Figura II.6. Zanahoria (Daucus carota L.) tipo Nantes. 19

Figura II.7. Principales países productores de zanahoria durante elaño 2008.

22

Figura II.8. Producción de zanahoria por estado de la RepúblicaMexicana en el año 2008.

23

Figura II.9. a) Estructura de α-Caroteno, β-Caroteno, y -

Caroteno.

26

Figura V.1. Secador de lecho por fuente convencional nivelsemipiloto.

35

Figura V.2. Secador de lecho por fuente- fluidizado nivellaboratorio.

37

Figura V.4. Diagrama de bloques del desarrollo experimental delsecado en una sola etapa.

38

Figura V.3. Diagrama de bloques del desarrollo experimental delsecado en dos etapas. 39

Figura VII.1. Velocidad mínima de formación de la fuente de cubosde zanahoria con 90 % de humedad en el secador de lecho porfuente semipiloto.

59


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ÍNDICE

v

Figura VII.2. Velocidad mínima de fluidización para cubos dezanahoria con 90 % de humedad.

60

Figura VII.3. Velocidad mínima de fluidización para cubos dezanahoria con 70 % de humedad

60

Figura VII.4. Variación de la velocidad superficial del aire duranteel secado de cubos de zanahoria en el secador lecho por fuentesemipiloto.

63

Figura VII.5. Curvas de secado obtenidas durante ladeshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa desecado a 60 °C, 70 °C y 80 °C.

65

Figura VII.6. Polinomios obtenidos en el esquema de una solaetapa de secado para determinar la velocidad de secado a) 60 °C,

b) 70 °C, c) 80 °C.

66

Figura VII.7. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoriaen una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto a lahumedad base seca.

67

Figura VII.8. Curva de velocidad de secado de cubos de zanahoriaen una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respecto al tiempo.

68

Figura VII.9. Humedad incumplida con respecto al tiempo de unasola etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas en elsecador lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

69

Figura VII.10. Curvas de secado obtenidas durante ladeshidratación de cubos de zanahoria en las dos etapas desecado a 60 °C, 70 °C y 80 °C.

71

Figura VII.11. Polinomios obtenidos en el esquema de dos etapas de secado para determinar la velocidad de secado a) 60 °C, b) 70°C, c) 80 °C.

72

Figura VII.12. Curva de velocidad de secado en dos etapas decubos de zanahoria a 60, 70 y 80 °C.

73

Figura VII.13. Curva de velocidad de secado de cubos dezanahoria en la primera etapa a 60, 70 y 80 °C.

74

Figura VII.14. Curva de velocidad de secado de cubos dezanahoria en la segunda etapa a 60, 70 y 80 °C.

74


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ÍNDICE

vi

Figura VII.15. Curva de velocidad de secado de cubos dezanahoria en una sola etapa de secado a 60, 70 y 80 °C respectoal tiempo.

75

Figura VII.16. Humedad incumplida con respecto al tiempo de laprimera etapa de secado de cubos de zanahoria deshidratadas enel secador lecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

76

Figura VII.17. Humedad no alcanzada con respecto al tiempo de lasegunda etapa de secado en el secador lecho por fuentefluidizado a 60, 70 y 80 °C.

77

Figura VII.18. Curvas de secado obtenidas durante ladeshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa y dosetapas de secado a 60 °C.

79

Figura VII.19. Curvas de secado obtenidas durante la

deshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa y dosetapas de secado a 70 °C.

80

Figura VII.20. Curvas de secado obtenidas durante ladeshidratación de cubos de zanahoria en una sola etapa y dosetapas de secado a 80 °C.

80

Figura VII.21. Encogimiento de zanahoria versus humedadadimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante elsecado de una sola etapa.

85

Figura VII.22. Encogimiento de zanahoria versus humedadadimensional en zanahoria secada a 60, 70 y 80 °C durante elsecado de dos etapas.

86

Figura VII.23. Logaritmo natural de humedad incumplida enfunción de /r´2 de la primera etapa de secado de cubos dezanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuenteconvencional a 60, 70 y 80 °C.

88

Figura VII.24. Logaritmo natural de humedad incumplida enfunción de /r´2 de la segunda etapa de secado de cubos dezanahoria deshidratadas en el secador de lecho por fuentefluidizado a 60, 70 y 80 °C.

89

Figura VII.25. Logaritmo natural de humedad incumplida enfunción de /r´2 del secado en una sola etapa en el secador delecho por fuente convencional a 60, 70 y 80 °C.

89


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ÍNDICE

vii

Figura VII.26. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dosetapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidos sinconsiderar el encogimiento (SE).

92

Figura VII.27. Curvas de secado a 60°C para el esquema de dosetapas comparada con la generada por el modelo de ajuste de la2da Ley de Fick a partir de los coeficientes difusivos obtenidosconsiderando el encogimiento (CE).

92

Figura VII.28. Cambios en el contenido de humedad versus tiempode rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80 °C endos etapas.

93

Figura VII.29. Cambios en el contenido de humedad versustiempo de rehidratación en zanahoria deshidratada a 60, 70 y 80°C en una sola etapa.

94

Figura VII.30. Curva tipo trans β-caroteno en éter de petróleo puro. 98

Figura VII.31. Porcentaje de retención de carotenos en zanahoriadeshidratada a 60, 70 y 80 °C.

99

Figura VII.32. Retención de actividad de peroxidasa en cubos dezanahoria deshidratados.

101

Figura VII.33. Retención de actividad de pectinmetilesterasa encubos de zanahoria deshidratados.

103


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ÍNDICE

viii

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro II.1. Composición química de la zanahoria (valoresnutricionales por 100 g).

24

Cuadro VII.1. Propiedades físicas evaluadas en los cubos de

zanahoria fresca.

57

Cuadro VII.2. Propiedades físicas de cubos de zanahoriadeshidratados en una sola etapa y dos etapas a 60, 70 y 80 °C.

57

Cuadro VII.3. Cambios de velocidad de aire en el secador lecho porfuente semipiloto en el esquema de una sola etapa a lastemperaturas de 60, 70 y 80 °C.

62

.Cuadro VII.4. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60,70 y 80 °C en una sola etapa.

70

Cuadro VII.5. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60,70 y 80 °C en dos etapas. 78

Cuadro VII.6. Gasto volumétrico en los esquemas de secado decubos de zanahoria en una y dos etapas para las diferentescondiciones de secado.

82

Cuadro VII.7. Pendientes obtenidas del logaritmo de la humedadincumplida respecto al tiempo obtenidas en los procesos de secadoen una sola etapa y dos etapas.

83

Cuadro VII.8. Regresiones lineales de logaritmo de radio

experimental en función de logaritmo de mt/mo para los esquemasde dos etapas y una sola etapa a 60, 70 y 80 °C.

87

Cuadro VII.9. Coeficientes de difusión para cubos de zanahoria a 60,70 y 80 °C en una sola etapa y dos etapas corregidos por laecuación de Hawlader.

90

Cuadro VII.10. Coeficientes de difusión promedio para cubos dezanahoria a 60, 70 y 80 °C en dos etapas y una sola etapa desecado sin el efecto de encogimiento (S/E) y con el efecto deencogimiento (C/E).

91

Cuadro VII.11. Contenido de humedad después de la rehidrataciónde cubos de zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y unasola etapa.

95

Cuadro VII.12. Pérdida de sólidos solubles durante la rehidrataciónde cubos de zanahoria secos en los esquemas de dos etapas y unasola etapa.

96


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ÍNDICE

ix

Cuadro VII.13. Determinación de color ( ΔL*, Δa*, Δb* y D.E) enzanahoria deshidratada.

105


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x

NOMENCLATURA

a* = Factor de color (saturación y definición del componente rojo-verde)

b* = Factor de color (ángulo de tono y definición del componente amarillo-azul)

d1 = Diámetro de la cámara a la cual estaba calibrado el soplador (14.2 cm)d2 = Diámetro de la cámara de trabajo (9 cm)

Def = Coeficiente de difusión efectiva (m2/s)

DE = Factor de color (diferencia de color)

dX/dθ = Cambio de humedad con respecto al tiempo (kg humedad/ kg de sólidoseco segundo)

gss = gramos de sólidos seco (g)

L = espesor de la placa (m)

mo = masa inicial del sólido deshidratado (g)

mp = masa de las partículas (g).

mt = masa al tiempo t (g)

Np = número de partículas

r = Radio de la esfera (m)

r a = radio del cilindro (m)

r eq = radio de esfera equivalente (m)

r ´ = radio de la partícula durante el secado (m)

Ta = temperatura de entrada en el ánulo (°C)

Ts = temperatura de entrada en la fuente (°C)

Umf = velocidad mínima de fluidización (m/s)

Ums = velocidad mínima de formación de la fuente (m/s)Vc = volumen inicial de las partícula (m

3)

V = volumen de la partícula con contenido de humedad X (m 3)

Vp = volumen de partícula (m3)

Vda = volumen desplazado de aceite (m3)


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NOMENCLATURA

xi

X = Contenido de humedad base seca (kg de agua /kg de sólido seco)

x = Dimensión espacial característica del material de secado (m)

Xo = Contenido de humedad inicial (kg de agua /kg de sólido seco)Xe = Contenido de humedad en el equilibrio (kg de agua /kg de sólido seco)

LETRAS GRIEGAS

ε = Porosidad

= Tiempo (s)

= Humedad no alcanzada (adimensional) = Delta aplicada en los factores de color


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xii

RESUMEN

En el presente trabajo se realizó un estudio comparativo de la deshidratación de

cubos de zanahoria en esquemas de secado en lecho por fuente en una sola

etapa y en dos etapas: la primera desde la humedad inicial de aproximadamente

90% hasta 70% base húmeda y la segunda etapa de 70% hasta el contenido de

humedad final de 10% base húmeda a las temperaturas de secado de 60, 70 y 80

°C. Para cada esquema de secado se construyeron las curvas de secado, se

determinaron los coeficientes difusivos y se evaluó la degradación térmica del

producto con la retención de betacarotenos, actividad enzimática de peroxidasa y

pectinmetilesterasa, capacidad de rehidratación y color del producto deshidratado.

Así también, debido al encogimiento que presentan los cubos de zanahoria

durante el secado se evaluó la difusividad del agua considerando este efecto. Enel secado de dos etapas en los secadores de lecho por fuente y lecho por fuente

fluidizado se logró mantener una velocidad de aire constante en cada uno de ellos,

por lo que el control de la operación se facilita respecto a la operación en una

etapa que requiere la reducción constante del flujo de aire y por tanto la operación

es más compleja. Los coeficientes de difusión efectiva en el esquema de una sola

etapa están en el intervalo de 2.16 a 9.93 x 10 -10 m2/s, mientras en el esquema de

dos etapas varían de 1.28 a 16.3 x 10-10 m2/s donde los coeficientes de difusión

efectiva son mayores en la primera etapa de secado respecto a la segunda etapa

de secado, aun considerando el efecto de encogimiento. El porcentaje de

retención de β-carotenos en ambos esquemas fue de 80 a 90 %, no se encontró

diferencia estadística significativa a 60, 70 y 80 °C. Respecto a la actividad

enzimática residual de peroxidasa se obtuvieron porcentajes de retención de 20 a

35 %, sin embargo la actividad de la pectinmetilesterasa que es más

termoresistente en la zanahoria se obtuvieron porcentajes de retención de 90%.

El agua absorbida durante la rehidratación fue mayor en los cubos deshidratados

en dos etapas que en una sola etapa, encontrándose lixiviación de sólidos

solubles entre 50 a 60 % en ambos esquemas. El parámetro de diferencia total de

color de las muestras de zanahoria deshidratadas no indica diferencia significativa

en el cambio de color respecto a la zanahoria fresca.


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xiii

ABSTRACT

In this work a comparative study in dehydrated carrot cubes was done in the

spouted-bed dryer with comparing one stage of drying and two stages of drying:the first stage were finalized when the initial moisture content about 90%

decreased to 70% (wet basis) and the second stage to the final moisture content of

about 10% (wet basis) with air temperatures of 60, 70 and 80 °C. For each scheme

of drying the drying curves were constructed and diffusive coefficients were

determined. Thermal degradation was evaluated with betacarotene retention,

peroxidase activity, pectinmethylesterase activity, rehydration tests and color of

dehydrated product. Besides and due the shrinkage of carrot cubes during drying,

water diffusivity was evaluated with correction for shrinkage.

In two-stage drying was possible maintained constant air flow in both dryers, wich

facilitates the operation compared to one-stage drying wich requires constant

reduction of the air flow. Coefficients of effective diffusion in one-stage drying are in

the order of 2.16 to 9.93 x 10-10 m2 s-1, while in two-stages drying were in the order

of 1.28 to 16.23 x 10-10 m2 s-1 where coefficients of effective diffusion were higher

in first stage, even considering the shrinkage effect. The β-carotene retention in

both schemes of drying was 80 to 90 % without statistical difference at 60, 70 and

80°C. Peroxidase retention was in the order of 20 to 35%, while

pectinmethylesterase was 90 %. Water absorption was higher in dehydrated carrot

cubes from two-stage drying at 60°C than at 70 and 80°C while in one-stage

drying, water absorption was similar to conditions of drying temperatures. Also was

observed leaching of soluble solids between 50 - 60% in both schemes of drying.

Parameter of total difference of color in dehydrated carrot cubes compared with

fresh carrots, indicates no significant difference in the color change.


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1

I . INTRODUCCIÓN

En México la zanahoria (Daucus carota L.) es una hortaliza de amplia producción

principalmente en la parte central del país. La cual es consumida a nivel nacional e

internacional en una variedad de opciones de procesamiento para su posterior

utilización. Una de las formas de transformación es la deshidratación para ser

utilizada como materia prima en otros productos como sopas instantáneas o

alimentos precocinados (Zambrano et al.,2007).

El secado o deshidratación de alimentos, es el método más antiguo empleado

para su conservación, donde las propiedades físicas y bioquímicas del alimento

cambian principalmente debido a la pérdida de humedad (Flores, 2007). En esteproceso, el agua ubicada en la capa superficial del alimento es removida mediante

su conversión a vapor en una primera etapa, y posteriormente el agua del interior

migra a la zona de menor concentración siendo subsecuentemente removida

(Changrue, 2006). Bajo cualquier tecnología de secado, el objetivo principal para

el caso de frutas y vegetales e inclusive cereales es reducir el contenido de

humedad para inhibir el crecimiento microbiano, minimizar la actividad enzimática

y lograr la estabilidad del compuesto nutricional de interés.

La deshidratación de zanahoria se ha reportado en un sin número de

investigaciones por diferentes métodos como: solar, convección, microondas,

osmótico, vacío, infrarojo, liofilización (Changure, 2006; Sablani, 2006). Sin

embargo, el método por convección con aire caliente es el más empleado en la

deshidratación de frutas y vegetales, cobrando en las últimas décadas relevada

importancia el secador de lecho por fuente convencional y lecho por fuente

fluidizado por ofrecer ventajas como alta transferencia de humedad y buenmezclado de partículas lo que provoca homogeneidad en el proceso e

incrementos en la velocidad de secado (Zielinska y Markowski, 2007).


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INTRODUCCIÓN

2

Durante el secado de zanahoria por lotes en secadores de lecho por fuente y

lecho por fuente fluidizado es necesario reducir el flujo de aire conforme el tiempo

de secado transcurre, debido al encogimiento que sufre la partícula lo que hace

difícil el control del proceso; por lo tanto en este trabajo se propone el secado endos etapas para facilitar el control del proceso, sin variación en el flujo de aire y

estudiar el efecto sobre la calidad final del producto comparándolo con el proceso

de secado en una sola etapa.


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3

I I . ANTECEDENTES

II.1 EL SECADO

El secado comúnmente describe el proceso de remoción térmica de agua para

conseguir un producto sólido. El agua en un producto se presenta como una

solución líquida dentro de un medio sólido, atrapada en la microestructura de este

último; la cual ejerce una presión de vapor menor que la del líquido puro, y es

llamada humedad ligada. Al exceso de agua se le llama no enlazada o no ligada

(Menon y Mujumdar, 1987).

Cuando un producto húmedo sufre algún tratamiento térmico, dos procesos

ocurren simultáneamente:

1. Transferencia de energía (calor) del medio circundante para evaporar la

humedad superficial del producto.

2. Transferencia de la humedad interna a la superficie del producto

subsecuentemente evaporada debido al proceso 1.

La velocidad a la cual el secado es realizado depende de la procedencia de losdos procesos mencionados. La transferencia de energía en forma de calor a la

superficie del producto puede ocurrir como resultado de una convección,

conducción y radiación y, en algunos casos como resultado de la combinación de

estos efectos. Los secadores industriales difieren en tipo y diseño, dependiendo

del método principal de transferencia de calor empleado. En la mayoría de los

casos el calor es transferido a la superficie del producto húmedo, y posteriormente

al interior. Aunque, en otros tipos de secado como microondas, dieléctrico y de

radiofrecuencia, la energía es suplementada para generar calor dentro del

producto y este fluye a la superficie (Menon y Mujumdar, 1987).


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AN TE CEDENTES

5

encuentra en el interior. La temperatura en la superficie corresponde

aproximadamente a la de bulbo húmedo del aire de secado (Geankoplis,

2006).

Período de velocidad decreciente. El punto C representa el inicio de éste

período y corresponde al contenido crítico de humedad (Xc) en el sólido. El

período de velocidad decreciente se divide en dos etapas: 1) representado

por el segmento C-D, que se da cuando las zonas húmedas en la

superficie disminuyen continuamente hasta que la superficie está seca

completamente (punto D). En este período la película superficial de

humedad del sólido se reduce debido a que la velocidad de movimiento del

líquido a la superficie es menor que la velocidad de transferencia de masadesde la superficie; 2) representado por el segmento D-E, donde el plano

de evaporación se traslada al interior del sólido. Al continuar el secado, la

velocidad del movimiento de la humedad a través del sólido controla la

velocidad de secado, a causa de los gradientes de concentración entre el

interior y la superficie (Treybal, 1993; Geankoplis, 2006).

II.2 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE HUMEDAD

El movimiento del agua en el sólido puede explicarse por distintos mecanismos

como son: difusión del líquido debido a gradientes de concentración, difusión del

vapor debido a la presión parcial de vapor, movimiento del líquido por fuerzas

capilares, difusión de Knudsen, movimiento del liquido por fuerzas de gravedad y

difusión superficial (Chen y Johnson, 1969; Bruin y Luyben, 1980; Fortes y Okos,

1980 citados en (Barbosa y Vega, 1996). El movimiento del agua a través delalimento depende tanto de su estructura porosa como de las interacciones del

agua con la matriz alimentaria (Barbosa y Vega, 1996).


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AN TE CEDENTES

6

El principal mecanismo en el secado de sólidos es la difusión del agua (Van

Arsdel, 1963; Geankoplis, 1983) y se lleva a cabo en capilares, poros y pequeños

huecos llenos con líquido. El líquido difunde hacia afuera hasta que alcanza la

superficie donde pasa a la corriente global del aire. Sin embargo, la teoría de la

difusión no tiene en cuenta el encogimiento, casos de endurecimiento o isotermas

de adsorción. La ley de Fick es usada frecuentemente para describir el proceso de

difusión de la humedad.

Donde X es el contenido de humedad libre, es el tiempo, x es la dimensión

espacial, y Def es el coeficiente de difusión.

La solución de esta ecuación está sujeta a las siguientes condiciones (Barbosa y

Vega, 1996; Pakowski y Mujumdar, 1987; Markowski et al., 2006; Togrul, 2006):

La transferencia de masa es unidimensional.

El sólido tiene un contenido de humedad inicial uniforme.

El movimiento interno de humedad es la principal resistencia a la

transferencia de humedad.

La transferencia de calor interna y externa se considera insignificante.

La solución de la ley de Fick modificada para diferentes geometrías con las

siguientes condiciones iniciales y de límite (Markowski et al., 2006) se presentan a

continuación (Pakowski y Mujumdar, 1987):

= 0 0 x r X = Xo

0 x = 0 0 x

X

0 x = r X = Xe

2

2

x

XDef

θ

X

1


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AN TE CEDENTES

7

a. Esfera

2

ef 22

r

θDn

1n22

en

16

eO

e

X X

X X

Donde X es el contenido de humedad al tiempo , Xo es el contenido de humedad

inicial, Xe es el contenido de humedad de equilibrio, Def es el coeficiente de

difusión efectiva m2/s, y r es el radio de la esfera.

b. Placa

2

ef 22

4L

θD12n

1n

22e

12n

18

eO

e

X X

X X

Donde L es la mitad del espesor de la lámina si se seca por ambas caras o el

espesor total de la lámina si se seca por una sola cara.

c. Cilindro

θDβ

1n

2

n

2

a

ef

2

neβ

1

r

4

eO

e

X X

X X

En la que r a es el radio del cilindro y βn son las raíces de la función de Bessel de

primera clase y orden cero.

Para tiempos largos de secado, tal y como ocurre en la mayoría de los casos

prácticos, sólo el primer término de la serie es significativo, por o que las

ecuaciones anteriores se reducen como sigue (Heldman y Sing, 1981):

a. Esfera

2

2ef

r

θD

2

6

e

X X

X X

eO

e

2

3

4

5


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AN TE CEDENTES

9

Respecto al secado de zanahoria se han reportado diferentes métodos, entre los

que destacan métodos por convección, por microondas, liofilización, etc

(Markowski et al., 2006). Dentro del secado en lotes a través de convección se

encuentran secadores de lecho fluidizado (Reyes et al., 2002, Markowski et al.,

2006), lecho fluidizado con ciclos de atemperado (Fano, 2008) y lecho por fuente

fluidizado (Zielinska y Markowski, 2007, Cárdenas, 2007). Este último ofrece

ventajas en la economía de operación con buena calidad del producto final,

comparable con las otras técnicas de secado, por lo que se utiliza en el presente

trabajo.

II.3.1 ENCOGIMIENTO

Uno de los más importantes cambios físicos que el alimento sufre durante el

secado es la reducción de su volumen. La pérdida de agua y el calentamiento

causan estrés en la estructura celular del alimento (Mayor y Sereno, 2004).

Cuando el agua es removida del material, se produce un desequilibrio de presión

entre la parte interna y externa del material, lo que conduce al encogimiento o

colapso de la estructura, cambios en la forma y ocasionalmente formación de

grietas en el producto (Mayor y Sereno, 2004).

En el caso del secado, el encogimiento es una consecuencia de la evaporación de

un disolvente contenido en una matriz sólida. Si la reducción en volumen es

proporcional a la pérdida de masa, el encogimiento es conocido como ideal (figura

II.2), el cual se presenta en el secado convectivo de zanahoria. Por otro lado, si la

reducción en volumen es menor que el volumen de agua evaporada (figura II.3), la

operación de secado genera un incremento en la porosidad del material, este

encogimiento es conocido como no ideal (Madiouli et al., 2007).


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Los modelos fundamentales se basan en balances de masa, definiciones de

densidad y porosidad, asumen en la mayoría de los casos adición de los

volúmenes de las diferentes fases en el sistema. Además no es necesario obtener

datos experimentales de encogimiento a cada condición del proceso, como en el

caso de los modelos empíricos (Susuki et al., 1976; Lozano et al., 1983: Mayor y

Sereno, 2004).

El encogimiento de un producto puede ser expresado en términos del volumen

específico, colapso y proporción de encogimiento. El uso del parámetro de colapso

es útil para dar seguimiento al encogimiento comparado con el volumen final. El

volumen específico es adecuado para comparar muestras idénticas porque esteparámetro indica las diferencias en la porosidad. La proporción de encogimiento

es un buen indicador del porcentaje de masa perdida durante el proceso (Madiouli

et al, 2007).

Talla et al . (2004), Guiné et al . (2006) y Ochoa (2007) analizan este fenómeno en

frutas, en el que se produce cambios en el volumen y área de transferencia de

calor y masa, debido a la contracción parcial de los tejidos por la pérdida de agua,

afectando de manera particular el coeficiente de difusión del material, el cual es

uno de los principales parámetros controlados en el proceso de secado. En el

secado de zanahoria, la presencia de este fenómeno tiene un efecto considerable

en la calidad como lo reportan Kerdpiboon y Devahastin (2007) y, Zielinska y

Markowski (2007). Otra importante consecuencia del encogimiento es el descenso

de la capacidad de rehidratación del producto seco (Mayor y Sereno, 2004).

Los modelos empleados para determinar los coeficientes de difusividad de la

humedad, predicen las curvas de secado de manera más aproximada cuando son

corregidos por el efecto del encogimiento. Park (1998) evaluó la deshidratación de

músculo de pescado, usó dos modelos que incluyen y excluyen el encogimiento,

los resultados conducen a diferencias significativas en los valores de Def y su


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dependencia de la temperatura. Así también Hassini et al. (2007) encontró valores

diferentes de Def en el secado de papa al evaluar diferentes métodos, el primero

basado en la solución analítica del modelo difusivo de Fick y el segundo basado

en la solución numérica de la combinación de las ecuaciones de transferencia de

masa y humedad.

Debido al encogimiento ideal que presentan los cubos de zanahoria durante el

secado (Madiouli et al., 2007), es importante evaluar la difusividad del agua

considerando este efecto, para lo cual en el presente trabajo se propone usar la

ecuación de Hawlader citada por Giovanelli et al, (2002) quien propone una

correlación para predecir el radio (r´) de un alimento durante el secado, la cual es

una relación de la masa inicial del alimento (m0) y al tiempo (m), en donde n esun parámetro de ajuste y r se refiere al radio inicial. Esta ecuación es a siguiente:

n

om

mr r´

II.3.2 REHIDRATACIÓN

La rehidratación es un importante paso en el uso de frutas y vegetales

deshidratados. Los consumidores han mostrado un alto interés en alimentos

saludables y listos para preparar; donde factores como conveniencia, frescura, alta

calidad, sabor y adecuada reconstitución son esenciales para la aceptación del

producto (Hollingsworth, 2002). Durante la rehidratación se presentan tresprocesos simultáneos: la capacidad de adsorber agua por parte del material

deshidratado, el hinchamiento de biopolímeros y lixiviación de sólidos solubles

(Witrowa y Lewicki, 2006; Krokida y Marinos-Kouris, 2003).

(8)


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La cinética de rehidratación de zanahoria deshidratada es afectada por factores

como método de secado, composición del medio de rehidratación, tiempo,

velocidad de mezclado y porosidad (Marabi et al ., 2006). Por ejemplo, la

rehidratación de zanahoria liofilizada es más rápida que la zanahoria secada por

convección; pero por otro lado una alta cantidad de carbohidratos es lixiviada

(Marabi, et al 2004), principalmente sacarosa, fructosa y glucosa. Las muestras de

zanahoria liofilizadas presentan una estructura altamente porosa lo que provoca

un aumento en la disolución de sólidos solubles y mayor rapidez en la capacidad

de rehidratación (Stepien, 2008).

El grado de rehidratación está en función del grado de ruptura de la célula y de su

estructura (Krokida y Marinos-Kouris, 2003; Lewiki et al, 1997). Durante el secadose presenta una ruptura celular irreversible, resultando la pérdida de la integridad y

por lo tanto, una estructura densa de vasos capilares encogidos y destruidos con

propiedades hidrófilas reducidas, que refleja una incapacidad en la retención de

agua suficiente del producto rehidratado (Krokida y Marinos-Kouris, 2003).

II.3.3 COLOR

En el secado se presentan reacciones de deterioro que afectan el color,

propiedades nutricionales, textura y sabor en el producto final (Koca et al., 2007).

Durante el secado por convección, las condiciones de temperatura y humedad del

aire contribuyen al cambio de color como lo reportan Krokida et al. (1998) y Aversa

et al. (2009). Las reacciones de deterioro continúan posterior a este proceso, en el

que la velocidad de la reacción es influenciada por las condiciones de

almacenamiento (Koca et al., 2007).

El color es considerado como la cualidad dominante de la calidad debido a su

relación con el sabor y aroma. La decoloración del alimento es la consecuencia de

varias reacciones incluyendo la degradación del pigmento, la cual incluye

obscurecimiento especialmente de carotenos y clorofila por la reacción de

Maillard, condensación de la glucosa y fructosa, así como la oxidación de ácido


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II.4 SECADO EN LECHO POR FUENTE

II.4.1 LECHO POR FUENTE CONVENCIONAL

El buen funcionamiento de los equipos de secado garantiza la calidad del productofinal, donde el control de las condiciones es determinante para el establecimiento

de un secado estándar en la industria. En el secado de lecho por fuente, al igual

que en otros secadores como el fluidizado, una de las variables determinantes

para estandarizar el método es el control de flujo de aire y el reacomodo de

partículas en el lecho; para con ello obtener una adecuada curva de secado. La

aplicabilidad de la técnica de lecho por fuente para el secado de productos

granulares que son demasiado gruesos para ser rápidamente fluidizadas fue

reconocida a principios de la década de 1950 (Pallai et al., 1987).

El secador de lecho por fuente convencional (figura II.4) consiste de un recipiente

cilíndrico con fondo cónico equipado con una boquilla de entrada para el ingreso

del aire para formar la fuente (medio de secado). Este dispositivo sufre de

limitaciones de capacidad debido a que debe tener una altura de lecho máxima y

la problemática involucrada al tratar de ampliar el aparato más allá de 1 m de

diámetro (Pallai et al., 1987).

El recipiente cilíndrico es llenado con partículas sólidas relativamente grandes

(Dp>1 mm), si la velocidad de inyección del fluido es lo suficientemente alta

provocará una corriente de partículas que ascienden rápidamente a través de una

cavidad central o “spout” formada dentro del lecho de sólidos. Después de

alcanzar cierta altura sobre el nivel del lecho las partículas caen sobre la región

anular, es decir la zona localizada entre la pared del recipiente y la cavidadcentral, donde éstas viajan rápidamente hacia abajo y en cierto grado hacia el

interior del lecho flojamente empacado (Barret et al., 1985; Epstein y Grace, 1984).


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Figura II.4. Esquema de un secador de lecho por fuente (Spouted bed) (Epstein yGrace, 1984).

De esta forma el lecho global de partículas se encuentra formado por una parte

central diluida con movimiento ascendente de sólidos en flujo paralelo con el fluido

y de una fase anular densa con movimiento descendente de sólidos en

contracorriente con el fluido que percuela al interior de la zona anular. Un

movimiento cíclico sistemático de sólidos es entonces establecido, provocando

que esta técnica posea un patrón hidrodinámico único, siendo más conveniente

que la fluidización convencional para ciertas aplicaciones (Barret et al., 1985).

Se han propuesto en la literatura varias modificaciones al lecho convencional de

manera de subsanar algunas de sus limitantes entre las que se encuentra el lecho

por fuente fluidizado.


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II.4.2 LECHO POR FUENTE FLUIDIZADO

Con el objetivo de aumentar la velocidad de secado en la zona anular del lecho se

ha propuesto una modificación al lecho por fuente convencional que permita

incrementar la aireación del lecho anular, el cual es llamado lecho por fuente

fluidizado (figura II.5).

La técnica de secado en lecho por fuente-fluidizado ofrece ventajas como

coeficientes altos de transferencia de calor y masa y buen mezclado de partículas

que mejoran la homogenización del proceso y el incremento en la proporción de

secado (Zielinska y Markowski, 2007).

Figura II.5. Esquema de un secador de lecho por fuente-fluidizado.

Zielinska y Markowski (2007) reportan el secado de zanahoria en un secador lecho

por fuente-fluidizado, que en términos estrictos con base a Chaterjee, (1970)

respecto a la descripción del equipo no se puede considerar como tal debido a que

el flujo de aire se suministra a través de un distribuidor de flujo entre la sección


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cilíndrica y cónica del equipo formándose un lecho fluidizado con mayor flujo de

aire en el centro del cuerpo del secador. Ellos corroboran la necesidad de

disminuir la velocidad de aire conforme el proceso de secado transcurre por el

efecto sobre las partículas de zanahoria, lo que complica la aplicabilidad práctica

del secador.

Cárdenas (2007) deshidrató cubos de zanahoria en un secador de lecho por

fuente fluidizado con flujos de aire independientes por el canal central y la zona

anular, sin embargo reporta que debido al encogimiento es imposible mantener la

velocidad de aire de secado constante por lo que es necesario disminuir los flujos

de aire por ambas zonas conforme disminuye la cantidad de humedad del sólido.

Para evitar el problema de la disminución del flujo de aire durante el secado

Almeida et al. (2004) realizaron el secado de cubos de guayaba por lotes en dos

etapas; la primera etapa en lecho fijo y la segunda en lecho por fuente, pero aun

así reportan una importante reducción de los valores de densidad y diámetro de

partícula en la segunda etapa de secado.

Pallai et al. (1987) sugieren el secado de zanahoria en dos etapas en continuo

empleando el secador lecho por fuente; sin embargo, debido al encogimiento

significativo de las partículas reportan que es necesario reducir el flujo de aire de

secado y la temperatura entre la primera y segunda etapa, encontrando resultados

favorables tanto en calidad del producto como eficiencia de secado.

Con base a lo anterior, en este trabajo se estudia el secado por lotes de cubos de

zanahoria en dos etapas en lecho por fuente, manteniendo en cada una de ellas

condiciones constantes para facilitar el control de la operación.


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madurez como el estado con el máximo valor del cociente de sacarosa y hexosas

(fructosa y glucosa).

Sin embargo, durante el almacenamiento un comportamiento común es el

incremento en el contenido de hexosas (fructosa y glucosa) y descenso de

sacarosa (Le Dily et al., 1993). Por otro lado, Lavelli et al. (2006) reporta el

descenso de la concentración de azúcares de 40 % y 5% después de días de

almacenamiento a 4 y 10 °C. En el caso del contenido de carotenos, no ocurrió

degradación a las temperaturas indicadas, por tanto puede emplearse como índice

de madurez.

II.5.1 EL CONSUMO DE ZANAHORIA EN MÉXICO

Esta hortaliza ha mostrado un importante crecimiento en México desde 1975, a tal

grado que se han duplicado tanto las áreas sembradas como la producción.

(Claridades agropecuarias, 2000)

La zanahoria es una de las hortalizas más consumidas en México, siendo el

consumo en fresco el que ha prevalecido a lo largo de las últimas décadas comoel mayor demandante de este producto (Claridades Agropecuarias, 2000).

Sin embargo, para la última década el consumo de hortalizas empacadas como

mínimos procesados y enlatados han tenido un realce importante como resultado

de los modelos de desarrollo actuales, y las nuevas perspectivas de consumo de

la población nacional (García, 2004). Dichas tendencias implican el desarrollo de

tecnología para la disponibilidad de productos diferenciados en el mercado, siendo

el secado una de las alternativas mayormente explotadas para la conservación de

los alimentos (Flores, 2007).


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En el mercado existe gran cantidad de variedades que se pueden clasificar de

diversas maneras: color, origen, forma etc., aunque la más eficaz y concreta es

realizar una clasificación por su longitud. Con base a ésta última, la zanahoria se

puede clasificar como sigue (SIAP, 2003):

Zanahoria Nantes: Tipo de raíces de tamaño medio, con un peso cercano a 150 g,

de un largo variable entre 15 a 20 cm y un grosor de 3 cm, de forma cilíndrica, y

de color naranja intenso. Son las zanahorias que dominan el mercado para

consumo freso en muchos países.

Zanahoria Emperador: Tipo de raíces largas y delgadas, con un peso cercanos a

150 g y de un largo superior a 20 cm, de forma aguzada, de color naranja intensoy acentuado sabor dulce.

Zanahoria Baby: Como su nombre lo indica, este tipo presenta raíces pequeñas,

con un peso de pocos gramos y un largo inferior a 10 cm, de forma cilíndrica con

punta redondeada, y de color naranja intenso.


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II.5.2 PRODUCCIÓN DE ZANAHORIA

Datos de la FAO (FAOSTAT, 2010) indican que los principales países productores

son China, Rusia, Estados Unidos, Polonia y Japón, los cuales en conjunto

producen poco más del 50 % de total mundial. Con datos analizados a partir delaño 2000 a 2008, China es el principal productor a nivel mundial, en el último año

reportado por FAO este país aportó alrededor del 30 % del total mundial con una

producción de 9,292.32 miles de toneladas, mientras que Estados Unidos ocupa el

tercer lugar en producción. Es importante resaltar que el área destinada al cultivo

en este país es menor que en China, pero los rendimientos son los más altos de

los países analizados.

México aunque está dentro de los primeros 20 productores a nivel mundial, la

producción alcanzada en el mismo año fue de 386.04 miles de toneladas. En la

figura II.7 se presentan los principales países productores y la participación de

México respecto a la producción de zanahoria en el año 2008.

Figura II.7. Principales países productores de zanahoria durante el año 2008

(FAOSTAT, 2010).


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Respecto a la producción nacional (figura II.8) de zanahoria se ha mantenido

constante entre los años 2000 a 2008 que es el año hasta donde se tiene datos

de acuerdo con el Sistema de Información Agropecuaria de Consulta (SIACON

2010). En México, la producción de zanahoria se lleva a cabo en cerca de 25

estados, aunque sólo cinco en conjunto han concentrado cerca del 86% de la

superficie sembrada y cosechada, así como de la producción, estos estados son

Guanajuato, Puebla, Zacatecas, México y Querétaro.

Figura II.8. Producción de zanahoria por estado de la República Mexicana en el

año 2008 (SIACON 2010).

En la Revista Claridades Agropecuarias del año 2000 reporta que de la producción

nacional de zanahoria, cerca del 88 % de la producción total es consumida por la

población nacional. Del cual aproximadamente el 90 % se destina par el consumo

en estado fresco para los diversos usos que los consumidores particulares pueden

hacer de ella. El porcentaje restante es destinado para el uso de la agroindustria,

sobre todo en elaboración de ensaladas, sopas instantáneas, así también como

complemento de chiles enlatados.


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II.5.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA

El consumo de zanahoria ha aumentado por sus cualidades nutritivas debido al

contenido de vitaminas, minerales y fibra (cuadro II.1). Los carbohidratos son los

compuestos mayoritarios, la sacarosa es el azúcar predominante, seguido por la

glucosa y la fructosa. (Alasalvar et al., 2001; Suojala, 2000).

Cuadro II.1.Composición química de la zanahoria (valores nutricionales por 100 g).

Parámetro Unidad Cantidad

Agua % 90

Carbohidratosg 7.3

Proteínas g 0.6

Fibra g 3.4

Lípidosg

0.24

Vitaminas Unidad Cantidad Minerales Unidad Cantidad

A, retinol µg 774 Sodio mg 60

B1, Tiamina mg 0.07 Potasio mg 290

B2,Riboflavina mg 0.05 Magnesio mg 17

B3,Niacina mg 0.9 Calcio mg 37

B6, piridoxina mg 0.1 Fósforo mg 36

C, ácidoascórbico

mg 6.5 Hierro mg 0.5

E, Alfatocoferol

mg 0.4 Zinc mg 0.4

Vitamina K µg 19

Folato µg 16.4

Carotenoides µg 11326.1

Alonso, 2004; Fineli ® National Institute for Health and Welfare http://www.fineli.fi/food.php.


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Los carotenoides más comunes son: Fucoxantina, Luteína, Violaxantina,

Neoxantina, α- caroteno, β-caroteno, Zeaxantina, licopeno, Capsantina, Bixina y

Criptoxantina (Badui, 2006).

En la zanahoria existen seis tipos de carotenos - , β-, - , y -carotenos,licopeno, β-zeacaroteno; de los cuales, β- carotenos son los predominantes

(Simon y Wolff, 1987; Heinonen, 1990; Surles, 2004). Actualmente la demanda de

β- caroteno ha incrementado debido a su actividad de provitamina A y los efectos

benéficos a la salud. Es la mayor fuente de provitamina A, provee el 17 % del

consumo total de vitamina A (Block, 1994).

II.5.5 BETA CAROTENO

El beta caroteno (figura II.9) es parte de la familia de los carotenoides, que como

ya se mencionó son encontrados en muchas frutas y vegetales, al igual que en

algunos productos animales como las yemas de huevo. Los carotenoides fueron

por primera vez aislados a inicios del siglo XIX, y han sido sintetizados para su uso

como colorantes desde 1950 (Badui, 2006).

Figura II.9. Estructura de α-Caroteno, β-Caroteno y -Caroteno.


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Biológicamente el beta caroteno es el más importante al ser el precursor de la

vitamina A. Tiene propiedades antioxidantes y puede ayudar a la prevención de

cáncer y otras enfermedades.

El beta caroteno (C40H56), tiene dos anillos de ionona unidos a través de una

cadena intermedia isoprenoide con nueve dobles ligaduras conjugadas que

contribuyen a la estabilidad y el color de los carotenoides. La abertura de los

anillos o el aumento de la conjugación de los enlaces produce un cambio de color

hacia el rojo, mientras que la epoxidación o la pérdida de conjugación produce

colores amarillos. La diferencia entre los isómeros y estriba en la posición de

una doble ligadura en al anillo -ionona como se observa en la figura II.9, mientras

que el isómero tiene solamente un grupo cíclico cerrado (Badui, 2006).

Debido a su estructura, los carotenos están sujetos a cambios como la

isomerización y oxidación durante el procesamiento y almacenamiento, entre las

consecuencias están la pérdida de color, actividad biológica y de sus

características organolépticas. La oxidación se genera por radicales libres,

generados por altas temperaturas, presencia de oxígeno, metales, enzimas;

exposición a la luz, severidad del tratamiento térmico; material de empaque ycondiciones de almacenamiento (Rodriguez-Amaya ,2001). La pérdida de estos

pigmentos se presenta generalmente durante el secado de frutas y vegetales

(Badui, 2006 y Phanindra et al., 2001).


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II.5.6 ENZIMAS PRESENTES EN LA ZANAHORIA

Anthon y Barret (2002) reportaron la presencia de peroxidasa (POD), pectin

metilesterasa (PME) y poligalacturonasa (PG) en la zanahoria. Mencionan que la

polifenoloxidasa (PFO) solo se encuentra en la cáscara, la cual es generalmentedesechada durante el proceso industrial al que se destine la zanahoria.

La PG y la PME están involucradas en la degradación de pectinas, afectando la

viscosidad y textura del producto. La PFO es la responsable del oscurecimiento y

desarrollo de colores desagradables. La POD cataliza la decoloración de

carotenoides en ausencia de ácidos grasos insaturados y de antocianinas,

además de ser resistente a la inactivación por calor (Badui, 2006).

La enzima peroxidasa (EC 1.11.1.7) cataliza las reacciones de oxidación usando

peróxidos u oxígeno como aceptor de hidrógeno. El mecanismo de las

peroxidasas está basado en la formación del complejo enzima – donador de

hidrógeno (Hemeda y Klein, 1991). Los donadores de hidrógeno pueden ser

fenoles, aminas u otros compuestos orgánicos. Los productos que son formados

durante la oxidación depende de la identidad de los donadores de hidrógeno

(Soysal y Soylemez, 2005).

La enzima pectinmetilesterasa (EC 3.1.1.11) cataliza la de-esterificación del

polímero ácido poligalacturonico metil ester para formar ácido pectico, metanol y

iones de hidrogeno como parte de enzimas pecticas de hidrolización, y conduce a

la formación de un gel pectato de calcio (Nguyen et al., 2002).

Konno et al. (1981) ha reportado actividad de la enzima exopoligalacturonasa (EC

3.2.1.67) en la zanahoria. El papel fisiológico de las enzimas poligalacturonasas es

romper el enlace glucosídico - (1-4) del ácido galacturónico de las pectinas por

una acción que se puede llevar a cabo tanto en el interior del polímero (endo)

como a partir de los extremos (exo) (Badui, 2006). Esta enzima presenta alta


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estabilidad térmica lo que sugiere actividad residual después de tratamientos

térmicos (Anthon y Barret, 2002).

Para prevenir cambios durante el almacenamiento, frutas y vegetales son

generalmente sujetos a algún tipo de tratamiento térmico para inactivar estas

enzimas. Tratamientos como escalde, pasteurización, esterilización comercial son

comúnmente usados, sin embargo también se propone el uso de alta presión o

campos eléctricos pulsados (Anthon y Barret, 2002).

La estabilidad térmica de los carotenos y las enzimas antes mencionadas pueden

emplearse como indicadores de termodegradación en métodos de conservación

como el secado.

Fano et al. (2008) determinó el efecto del atemperado sobre el proceso de

deshidratación por lecho fluidizado de cubos de zanahoria reflejado en la

retención de carotenos, actividad residual de las enzimas invertasa, peroxidasa y

polifenoloxidasa y rehidratación. De los resultados obtenidos el esquema de

secado que presenta más ventajas en tiempo de proceso es 20 x 20 (relación al

tiempo de secado x tiempo de reposo) a 70 °C de temperatura del aire, en el que

se logra retener aproximadamente 95 % del contenido total de carotenos, y

respecto a la actividad enzimática residual obtuvo porcentajes de 22% de

peroxidasa y 50 % de invertasa.

Cardenas, (2007) realizó la deshidratación de cubos de zanahoria en lecho

fluidizado, lecho por fuente fluidizado con y sin tubo central. Evaluó parámetros de

calidad como la retención de carotenos no encontrando degradación de éstos en

ninguno de los secadores probados. De igual forma evaluó la actividad residual de

peroxidasa, obtuvo cerca del 60% de retención en el secador de lecho por fuente

fluidizado con tubo central contra 40 % en lecho fluidizado para condiciones

similares de secado. También evaluó la actividad de pectinmetilesterasa


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observando una retención de alrededor del 100 % en el secado de lecho por

fuente fluidizado con tubo central con respecto a 94 % en lecho fluidizado.

Así también a continuación se mencionan otros trabajos donde se realizó la

deshidratación de zanahoria empleando diferentes técnicas de secado evaluando

como parámetro de calidad el contenido de carotenos:

Regier et al. (2005) investigaron la estabilidad de β-caroteno durante la

deshidratación por convección con aire y gas inerte, microondas-vacío y

liofilización de zanahoria. Después del secado por convección a temperaturas

debajo de 70 °C, el contenido de β-caroteno no cambió independiente del medio

de secado. El secado por liofilización no mostró ventaja frente al secado porconvección respecto a la retención de carotenos. En microondas-vacío se obtuvo

alta retención de carotenos en un corto tiempo de cerca de 2 horas.

Wang y Xi, (2005) realizaron el secado de zanahoria en un sistema de microondas

de dos etapas, evaluando el contenido de β-caroteno y la capacidad de

rehidratación. El contenido de β-caroteno disminuyo con un incremento en la

potencia aplicada durante la segunda etapa y duración de la primera etapa.

Suvarnakuta, et al. (2005) evaluaron la degradación de β-caroteno bajo diferentes

procesos de secado como vapor sobrecalentado a baja presión (LPSSD), vacío y

por convección. El secado por LPSSD y en vacío provocan menor degradación de

β-caroteno que en el caso de convección. La pérdida de β-caroteno dependió más

de la temperatura de la zanahoria que del contenido de humedad determinados a

lo largo de cada uno de los procesos de secado.

Phanindra et al. (2001) investigaron el efecto de la combinación del secado por

liofilización y convección en la calidad de la zanahoria. El contenido total de

carotenoides fue afectado significativamente durante el proceso. El secado por

convección produce encogimiento, dureza y baja rehidratación. El producto


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liofilizado es poroso y presentó buena rehidratación. La calidad de la zanahoria a

través del secado por combinación de métodos fue superior al secado por

convección y similar a la liofilización en lo que respecta a apariencia y

rehidratación.

Zhen- Wei et al. (2004) compararon el efecto del secado sobre rebanadas de

zanahoria empleando microondas-vacío , liofilización y convección. Los resultados

muestran que la retención de carotenos con el secado por microondas-vacío fue

próximo a liofilización y mejor que por el método convencional de convección.

Como se puede apreciar en los trabajos antes mencionados, existen reportes

donde se compara varios procesos de deshidratación de zanahoria y donde en lamayoría se utilizó la concentración de β-caroteno como parámetro de calidad y en

otros además de éste, se analiza la actividad enzimática residual. Es por este

motivo que en el presente trabajo se hace un estudio comparativo del daño

térmico sufrido por la zanahoria en términos de degradación enzimática como

peroxidasa y pectinmetilesterasa, además del contenido de carotenos durante el

secado en una etapa y dos etapas en lecho por fuente con el objetivo de mejorar

la calidad del producto deshidratado.


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I I I . JUSTIFICACIÓN

El uso de secadores que funcionan por convección es una alternativa para

métodos de secado como el secado por liofilización o con vacío debido a los altos

costos de inversión y de mantenimiento. Los secadores de lecho por fuente y

lecho por fuente-fluidizado se han aplicado para el secado de vegetales como la

zanahoria con el objetivo de mejorar la calidad del producto final. Dentro de las

principales ventajas del uso de estos secadores esta la reducción de los tiempos

de secado al mejorar el contacto de sólido-gas, logrando menor daño térmico en el

producto deshidratado. Sin embargo, debido al gran efecto de encogimiento que

se produce durante este proceso, no es posible mantener la velocidad de aire

constante en el secado por lotes y se hace necesario reducirla conforme el tiempo

de operación transcurre, lo que dificulta la operación del equipo.

En el caso de la zanahoria, el proceso de secado cobra importancia debido a la

gran termolabilidad que tienen sus componentes, principalmente el contenido de

beta carotenos, cuyo contenido es apreciado nutricionalmente por losconsumidores. Por tanto, en el presente proyecto se realizó el secado por lotes de

cubos de zanahoria en dos etapas, aprovechando las ventajas del secador de

lecho por fuente convencional y lecho por fuente-fluidizado en conjunto, bajo

condiciones constantes de operación respecto al flujo de aire para minimizar el

efecto de encogimiento respecto al control de la operación. Asi mismo, se evaluó

la degradación térmica del producto con la retención de betacarotenos, actividad

enzimática de peroxidasa y pectinmetilesterasa, capacidad de rehidratación y color

del producto deshidratado.


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V. MATERIALES Y MÉTODOS

V.1 MATERIA PRIMA

Zanahoria (Daucus carota L.) tipo Nantes obtenida de un mercado local.

V.2 MATERIALES Y REACTIVOS DE GRADO ANALÍTICO

Espectrofotómetro UV-Vis Jenway 6305

Espectrofotómetro colormate HDS

Molino de café marca Braun KSM2

Estufa de vacío marca Lindberg/Blue M

Cubicador de papas a la francesa manual marca Acosta

Material de uso común en el laboratorio

Eter de petróleo (Marca REALYT´S)

Acetona (Marca REALYT´S)

Arena de mar (lavada y seca) (Marca Mallinckrodt)

Agua desionizada

Sulfato de sodio anhidro (Marca REASOL) β-caroteno puro (Marca SIGMA)

Peróxido de Hidrógeno (Marca REASOL)

Hidróxido de sodio 0.01 N (Marca J.T. Baker)

Hidróxido de sodio 0.1 N (Marca J.T. Baker)

Cloruro de sodio (Marca Monterrey, S.A.)

Pectina cítrica (Marca REASOL)

o-dianisidina (Marca SIGMA)

Aceite comestible


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MATERIALES Y MÉTODOS

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V.3 EQUIPO DE SECADO

V.3.1 SECADOR DE LECHO POR FUENTE CONVENCIONAL SEMIPILOTO

La deshidratación de cubos de zanahoria en dos etapas se realizó en secadores

de lecho por fuente de diferente dimensión debido a que al deshidratar la carga

inicial se reduce el tamaño de la partículas conforme transcurre el proceso de

secado. Por tanto, en el esquema de dos etapas se requiere de un secador más

pequeño para alimentar la carga procedente de la primera etapa de secado.

El secador de lecho por fuente convencional a utilizar en la primera etapa de

secado está formado por una columna cilíndrica de acrílico de 60 cm de alto, de

25 cm de diámetro interno colocado sobre una base cónica de acero inoxidable de

60° de ángulo interno (figura V.1).

Figura V.1. Secador de lecho por fuente convencional nivel semipiloto.

La columna de acrílico sostiene en la parte superior una malla metálica de acero

inoxidable de 4 mm de apertura con el fin de impedir la salida de material

deshidratado. Esta malla tiene una perforación circular en la que se inserta la tolva

de alimentación de acero inoxidable de 15 cm de diámetro y ángulo de 60°

internos.


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El flujo de aire necesario para la fuente es manejado por un turbo ventilador de

5 HP, controlado por medio de una válvula de compuerta y medido con un medidor

de orificio el cual fue calibrado con un anemómetro de propela (Anexo 1). El

sistema de calentamiento consiste de un quemador de gas LP controlado con una

válvula de aguja y la temperatura del aire en la entrada es medida con un

termopar tipo K.

Las velocidades superficiales de aire inyectado al secador para la fuente se

midieron determinando las diferencias de presión del flujo de aire a través de un

medidor de orificio conectado a un manómetro en U para el soplador con base a la

curva de calibración del Anexo 1.

V.3.2 SECADOR DE LECHO POR FUENTE FLUIDIZADO NIVEL LABORATORIO

Dado el encogimiento sufrido por los cubos de zanahoria en la primera etapa de

secado, la segunda etapa se realiza en un secador de lecho por fuente nivel

laboratorio, que por limitaciones del ventilador para el aire por la fuente fue

necesario trabajarlo como lecho por fuente fluidizado para poder formar la fuente y

permitir la libre circulación de las partículas.

El cuerpo del equipo está formado por una columna cilíndrica de acrílico de 50 cm

de alto, 14.3 cm de diámetro interno, colocado sobre una base cónica de acero

inoxidable perforada en toda su superficie que conduce de manera independiente

tanto el aire adicional a través del espacio anular del lecho, como el aire central

para formar la fuente (figura V.2). El flujo de aire necesario para la fuente y el

ánulo es manejado por ventiladores independientes con sus respectivas válvulas

de control.


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Figura V.2. Secador de lecho por fuente- fluidizado nivel laboratorio.

El sistema de calentamiento tanto para el aire anular como para la fuente está

formado por un sistema de resistencias eléctricas, operadas por un control

automático de tipo proporcional derivativo con sensor tipo K para mantener las

temperaturas de entrada de aire al valor especificado.

La velocidad del aire alimentado al secador para la fuente y para la región anular

se determina con las diferencias de presión del flujo de aire a través de medidores

de orificio conectados a manómetros de agua, previamente calibrados con un

anemómetro de propela (Anexo 2 a y b).

La columna de acrílico sostiene en la parte superior una malla metálica de acero

inoxidable de 4 mm de apertura con el fin de impedir la salida de material

deshidratado. Esta malla tiene una perforación circular en la que se inserta la tolva

de alimentación de acero inoxidable con 15 cm de diámetro y ángulo de 60°

internos.


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Lavado

Remoción de corona y punta ypelado manual

Cubicado-cribado

Secador lecho por fuente convencional nivel semipiloto de 25 cm diámetro

Uso = 1.65 m/sTs = 60, 70 y 80 °C

Análisis de β-caroteno y actividadenzimática residual, color

Rehidratación

Zanahoria tipo Nantes

Caracterización de partículas, análisis deβ-caroteno y actividad enzimática

Encogimiento

V.4 DESARROLLO EXPERIMENTAL

El desarrollo experimental para la deshidratación de cubos de zanahoria en una

sola etapa se resume en el diagrama de bloques de la figura V.3, las condiciones

de operación indicadas en este diagrama fueron establecidas después de realizar

pruebas preliminares indicadas en el apartado VI.:

Figura V.3. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del secado en unasola etapa. Uso = Velocidad de operación inicial del aire por el “spout”; Ts =Temperatura de entrada del aire de secado por el “spout”.


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Lavado

Remoción de corona y punta ypelado manual

Cubicado-cribado

1ª etapa de secadoSecador lecho por fuente convencional nivel semipiloto de 25 cm diámetro

Us = 1.65 m/sT = 60, 70 y 80° C

Análisis de β-caroteno y actividadenzimática residual, color

Rehidratación

Zanahoria tipo Nantes

Caracterización de partículas, análisis deβ-caroteno y actividad enzimática

2 ª etapa de secado

Secador lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio de 14.3 cmdiámetroUs = 0.68 m/s; Ts= 60, 70 y 80° C

Ua = 1.35 m/s; Ta = Ts

Encogimiento

El desarrollo experimental para la deshidratación de cubos de zanahoria en dos

etapas se resume en el diagrama de bloques de la Figura V.4:

Figura V.4. Diagrama de bloques del desarrollo experimental del secado en dosetapas. Us = Velocidad de operación del aire por el “spout”; Ua = Velocidad deoperación del aire por el ánulo; Ts = Temperatura de entrada del aire de secadopor el “spout”; Ta = Temperatura de entrada del aire de secado por el ánulo.


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V.4.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA MUESTRA

La materia prima se lavó para eliminar impurezas y suciedad, luego se procedió a

remover la corona y punta y se eliminó la cáscara con un pelador manual.

Posteriormente, la zanahoria se cortó en mitades, y luego en rodajas para obtenerfinalmente los cubos. Previamente el cubicador de papas a la francesa se

acondicionó con cuchillas para obtener rodajas y otras cuchillas para obtener los

cubos. El rendimiento aproximado de la zanahoria fresca después de obtener

cubos fue de 75 %. Los cubos obtenidos fueron de aproximadamente 0.8 cm x 0.8

cm x 0.8 cm y se procedió a cernir en una criba con malla de 9.51 mm de abertura

para obtener los cubos más uniformes que quedaron sobre la malla. De éstos, se

tomó una muestra para determinar β-caroteno, actividad enzimática, color y

características físicas de las partículas antes de cada experimento de secado.

En ambos procesos de secado los cubos de zanahoria se deshidrataron hasta una

humedad final de aproximadamente 0.1 base seca, para lo cual en la segunda

etapa del esquema de dos etapas y en un sola etapa se realizaron corridas largas

de secado con el fin de fijar el tiempo aproximado en el que la carga deshidratada

contenía la humedad planteada. En las corridas largas de secado se utilizaron las

condiciones de temperatura, velocidad de aire, carga inicial de cubos de zanahoriamencionados en las figuras V.3 y V.4 y conforme el proceso de secado transcurría

se retiraron muestras a intervalos de tiempo para determinar el contenido de

humedad y volumen de partícula.

V.4.2 SECADO EN UNA SOLA ETAPA

El secado de cubos de zanahoria en dos etapas se comparó con un esquema de

una sola etapa en el secador de lecho por fuente convencional semipiloto a las

mismas temperaturas de proceso. En este caso, fue necesario ir reduciendo la

velocidad de aire conforme el secado transcurrió. La carga inicial de cubos de

zanahoria fue de 1.98 kg al igual que en el secado de dos etapas tal como se

determinó de pruebas preliminares y se realizaron corridas a 60, 70 y 80°C donde

se evaluaron los parámetros de calidad indicados para el esquema en dos etapas.


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V.5 DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOSCUBOS DE ZANAHORIA

V.5.1 VOLUMEN DE PARTÍCULA

La determinación del volumen se realizó en cubos de zanahoria fresca y durante

cada etapa de secado con el método reportado por Mohsenin (1970) modificado

que consiste en la inmersión de las partículas en una probeta con volumen

conocido de aceite para conocer el volumen de aceite desplazado.

Del muestreo de cubos de zanahoria realizado en cada esquema de secado, para

la zanahoria fresca y seca se pesaron y colocaron 10 cubos de zanahoria en una

probeta de 50 ml con 25 ml de aceite comestible. Para la zanahoria deshidratada

al 10 % de humedad, se pesaron y colocaron los 10 cubos en una probeta de 25

ml con 15 ml de aceite. La determinación del volumen de partícula se realizó por

triplicado para todas las muestras, los valores promedio y la desviación estándar

fueron calculados. El volumen se calculó de acuerdo a la ecuación:

Donde:Vp = Volumen de partícula

Vda = Volumen desplazado de aceite

Np = Número de partículas

V.5.2 DENSIDAD DE PARTÍCULA (DENSIDAD APARENTE)

La densidad aparente en cubos de zanahoria se determinó a partir de datosobtenidos del volumen de partícula y aplicando la ecuación (10).

da

p

pV

mρ (10)

p

da

pN

V V

(9)


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Donde:

p = Densidad de partícula

mp = Masa de las partículas

Vda = Volumen desplazado de aceite

V.5.3 DETERMINACIÓN DEL RADIO EQUIVALENTE

La determinación del radio de esfera equivalente (r eq) se calculó con la ecuación

(11), donde el volumen de partícula (ecuación 9) fue considerado como el volumen

equivalente de una esfera (VC) dado el cambio de geometría del cubo de

zanahoria durante el proceso de secado

3 c

eq4π

3Vr

Para el cálculo del coeficiente de difusión de cada etapa de secado se utilizó el r eq

medio logarítmico obtenido al inicio y final para cada una de ellas.

V.6 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD

La determinación de humedad se realizó tanto en la zanahoria fresca como en los

cubos retirados a diferente tiempo en cada esquema de secado y en la zanahoria

deshidratada final. El método seguido para esta determinación consistió en triturar

10 cubos de zanahoria, pesarlos y colocarlos en una caja de aluminio a peso

constante y mantenerlos en un horno de secado a una temperatura de 100 ± 2 °C

durante toda la noche. Posteriormente se dejaron enfriar en un desecador hasta

temperatura ambiente y se determinó el peso. El contenido de humedad se calculó

de la pérdida de peso respecto de la muestra fresca (Regier et al., 2005, Liu et al.,

2007).

(11)


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V.7 DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES HIDRODINÁMICAS

V.7.1 VELOCIDAD MÍNIMA DE FLUIDIZACIÓN

La determinación de la velocidad mínima de fluidización se realizó a temperatura

ambiente para cubos de zanahoria fresca, mediante el siguiente método:

inicialmente se determinó la caída de presión en una columna de acrílico de 9 cm

de diámetro interno montado en el secador nivel laboratorio utilizando una lámina

perforada como distribuidor de flujo. Se hizo pasar un flujo de aire que se

disminuyo gradualmente y se registro la caída de presión en cm de agua del lecho

vacío en un manómetro en U.

Posteriormente en la columna de acrílico se colocó cierta cantidad de cubos dezanahoria hasta una altura determinada y se suministró aire suficiente para

fluidizar los cubos de zanahoria. El flujo de aire de fluidización se disminuyó

gradualmente y se registró la caída de presión correspondiente para cada

velocidad de flujo con un manómetro en U. Este procedimiento se continuó hasta

cerrar por completo el flujo de aire. La velocidad mínima de fluidización se obtiene

en el cambio de pendiente de la curva descendente de la caída de presión en

función de la velocidad superficial del aire (Kunii y Levenspiel,1991).

Para el cálculo de la velocidad mínima de fluidización se procedió de la siguiente

manera: se realizó una gráfica de los valores de caída de presión obtenidos a

través del lecho, corregido por la caída de presión del equipo vacío a cada flujo de

aire, en función de la velocidad superficial del aire calculada con la ecuación (12)

de calibración del soplador (Anexo 2b) corregido por el diámetro de columna de

acrílico utilizada:

2

2

12627.01285.0

d

d P Uo

Donde

d1 = diámetro de la cámara a la cual está calibrado el soplador (14.3 cm)

d2 = diámetro de la columna de acrílico (9 cm)

(12)


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P = caída de presión registrada en el medidor de orificio (cm de agua)

Uo = velocidad superficial del aire (m/s)

V.7.2 VELOCIDAD MÍNIMA DE FORMACIÓN DE LA FUENTE

La determinación de la velocidad mínima de formación de la fuente se realizó a

temperatura ambiente para la zanahoria fresca, mediante el siguiente método: la

velocidad mínima de formación de la fuente se determinó a partir de la curva de

caída de presión del lecho en función de la velocidad superficial de un lecho de

cubos de zanahoria corregido por la caída de presión del equipo vacío. En el

cuerpo del secador de lecho por fuente convencional semipiloto se colocó 1.98 kg

de cubos de zanahoria hasta una altura que cubriera el lecho cónico, que es la

cantidad de material de zanahoria fresca usada en las corridas de secado, y sesuministra aire suficiente para formar la fuente de los cubos de zanahoria. El flujo

de aire se disminuye gradualmente y se registra la caída de presión

correspondiente para cada velocidad de flujo, este procedimiento se continuó

hasta cerrar por completo el flujo de aire. Para el cálculo de velocidad superficial

del aire y caída de presión en el lecho se procede como en el caso de la

determinación de velocidad mínima de fluidización.

La velocidad superficial en el secador lecho por fuente semipiloto se obtiene de la

ecuación del soplador previamente calibrado (Anexo 1), la cual es la siguiente:

)(1015.0)(0015.0 2 P P Uo

La misma determinación se realizó con la zanahoria alimentada a la segunda

etapa de secado en el secador lecho por fuente nivel laboratorio con la ecuación

de calibración respectiva (Anexo 2a):

4242.0)(1046.0 P Uo

(13)

(14)


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V.8 DETERMINACIÓN DE CURVAS DE SECADO

Las curvas de secado en la primera etapa de secado en el secador lecho por

fuente convencional semipiloto se obtuvieron retirando 10 cubos de zanahoria

cada 10 minutos durante el tiempo de secado en esta etapa y posteriormente se

determino el contenido de humedad de cada muestra. De igual manera en la

segunda etapa en el secador lecho por fuente fluidizado nivel laboratorio se

retiraron 10 cubos de zanahoria cada 10 minutos durante la primera hora de

secado; cada 20 minutos en la segunda hora; cada 30 min durante la tercer hora y

cada 60 min en horas posteriores.

Para el secado en una sola etapa se retiraron 10 cubos en tiempos similares al

esquema en dos etapas. Para poder comparar las curvas de secado de los

diferentes lotes y en diferentes condiciones de operación se determinó la humedad

adimensional, definida como la relación del contenido de humedad base seca al

tiempo (X) con respecto al contenido inicial de humedad base seca (Xo) y se

construyó la gráfica correspondiente respecto al tiempo.

V.9 DETERMINACIÓN DE CURVAS DE VELOCIDAD DE SECADO

Después de verificar que el secado se lleva a cabo en el período decreciente, la

determinación de las curvas de velocidad de secado tanto en una sola etapa como

en dos etapas de secado se obtuvo ajustando un polinomio de grado 4 ó 5 a los

puntos experimentales de la curva de secado, se obtuvo la primera derivada de

dicho polinomio y se sustituyeron valores de humedad base seca. Posteriormente

se realizó la gráfica de la derivada en función de la humedad base seca para

evaluar el efecto de la temperatura de secado.


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V.10 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DIFUSIVOS

El valor del coeficiente de difusión efectiva de la humedad a través del sólido para

cada etapa de secado se determinó en el período de velocidad decreciente de

secado aplicando la segunda ley de Fick considerando la partícula como una

esfera:

- Se llevó a cabo una recopilación de datos de contenido de humedad a

diferentes intervalos de tiempo durante cada etapa y esquema de secado.

- Se aplicó la segunda ley de Fick considerando la partícula como una esfera

dado el cambio de geometría del cubo de zanahoria durante el proceso de

secado, con la ecuación (5) indicada en el apartado II:

22

2

6 eqef

r

D

eo

e e X X

X X

Donde:

X = contenido de humedad a cualquier tiempo (kg agua/kg de sólido seco)

Xe = contenido de humedad en equilibrio (kg agua/kg de sólido seco)

Xo = contenido de humedad inicial (kg agua/kg de sólido sec

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