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Abstract:
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En los últimos años, la aplicación de Ultrasonidos de Alta Intensidad (US) en
procesos alimentarios ha despertado un gran interés debido a su capacidad para
intensificar los fenómenos de transporte de materia. Esta ...[+]
En los últimos años, la aplicación de Ultrasonidos de Alta Intensidad (US) en
procesos alimentarios ha despertado un gran interés debido a su capacidad para
intensificar los fenómenos de transporte de materia. Esta capacidad es atribuida a una
serie de mecanismos inducidos por los US que pueden afectar tanto la resistencia
interna como la resistencia externa al transporte de materia. Además, la aplicación de
US puede influir en la estructura del producto tratado y en consecuencia en su calidad
final. Para poder tener un mejor conocimiento de los efectos de los US, tanto en el
transporte de materia como en la calidad del producto final, es importante profundizar
en la interacción entre la energía acústica y la estructura del alimento. Por lo tanto, el
principal objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar la influencia de los US en el
transporte de materia y en la interacción ultrasonidos-estructura del producto en
varios sistemas sólido-líquido y sólido-gas.
Respecto a las aplicaciones en sistemas sólido-líquido, se estudió el efecto de los US
en el salado de carne y en el desalado de bacalao. En ambos estudios, el principal
objetivo fue evaluar la influencia de la aplicación de US en las cinéticas de transporte
de agua y NaCl, así como en la microestructura y en las propiedades físicas del
producto final. Además, en el salado de carne (5±1 ºC), se estudió el efecto de la
concentración de NaCl en la salmuera (50, 100, 150, 200, 240 y 280 kg NaCl/m3
). En
este sentido, se observó que la concentración de la salmuera afectó a la dirección del
transporte de agua. Así, a concentraciones inferiores a 200 kg NaCl/m3
, las muestras
se rehidrataron, mientras que a concentraciones mayores, la muestras sufrieron una deshidratación. En el caso del desalado de bacalao (4±1 ºC), se evaluó la aplicación de
dos potencias acústicas diferentes. En ambos procesos, se analizó el transporte de
materia mediante modelos difusivos. El análisis microestructural se realizó a través de
diferentes técnicas: SEM, Cryo-SEM y microscopia óptica. Además, se evaluaron
ciertos parámetros físicos del producto final, tales como la dureza y el hinchamiento
de las muestras.
Los modelos difusivos describieron de manera adecuada las cinéticas de transporte de
agua y NaCl, tanto en salado como desalado, proporcionando una tendencia similar
entre los datos experimentales y los calculados. En todos los casos estudiados, la
aplicación de US intensificó significativamente (p<0.05) el transporte de materia,
incrementando ambas difusividades efectivas (agua y NaCl). Además, en el caso del
desalado de bacalao, se observó que al aumentar la potencia acústica aplicada al medio,
la intensificación del transporte de materia fue más acusada.
La ganancia de sal en el salado de carne provocó cambios en la textura, así, altos
contenidos de NaCl conllevaron muestras más duras. La mayor dureza de la carne
salada con US, comparada con la salada de manera convencional, pudo deberse a su
contenido más alto de sal. Por otro lado, en el bacalao, el desalado produjo el
hinchamiento y el ablandamiento de las muestras. Dichos efectos fueron más
evidentes al aplicar US. Mediante el análisis microestructural se observó que, la carne
salada con la aplicación de US presentó una distribución más homogénea de NaCl,
mientras que en el bacalao desalado, los US produjeron un incremento de la anchura
de las fibras musculares.
En sistemas sólido-gas, se estudió la aplicación de US sin contacto directo tanto en el
secado por aire caliente como en el secado a baja temperatura. En primer lugar, se
estudió la aplicación de US en el secado a baja temperatura de bacalao salado. En este
estudio se cuantificó la influencia de los US en las cinéticas de secado y en algunas
propiedades físicas del producto final. Así, se realizaron experiencias de secado
(2 ± 0.1 m/s) de bacalao salado a diferentes temperaturas (-10, 0, 10 y 20 °C) con
(20.5 kW/m3
) y sin la aplicación de US. En las muestras deshidratadas se analizó la
capacidad de rehidratación (4 °C), el color, la textura y la microestructura. Con el fin
de cuantificar la influencia de la aplicación de US y la temperatura durante el secado,
las cinéticas de secado y de rehidratación se modelizaron mediante modelos difusivos
y empíricos.En todas las temperaturas estudiadas, la aplicación de US durante el secado de bacalao
incrementó la velocidad del proceso, alcanzando reducciones de tiempo de hasta un
50%. Por otro lado, el modelo difusivo describió adecuadamente las cinéticas de
secado proporcionando porcentajes de varianza superiores al 99%. La aplicación de
US incrementó significativamente (p<0.05) la difusividad efectiva hasta un 110%.
Respecto a las propiedades físicas, las muestras secadas con US fueron más blandas y
presentaron una mayor capacidad de rehidratación que las muestras secadas de manera
convencional. Este hecho se relacionó con los cambios microestructurales observados,
tales como, mayores espacios entre las miofibrillas y una mayor migración de la sal a la
superficie de las muestras. Finalmente, la aplicación de US produjo cambios
significativos (p<0.05) de color en el producto deshidratado.
En el caso de la aplicación de US en el secado por aire caliente, se evaluó la respuesta
de diferentes vegetales ante la energía acústica. Así, se estudió la aplicación de US en el
secado por aire caliente (40 ºC y 1 m/s) de berenjena, patata, manzana y yuca
aplicando diferentes niveles de potencia acústica (0, 6, 12, 19, 25 y 31 kW/m3
). La
aplicación de US redujo el tiempo de secado en todos los productos analizados. Sin
embargo, las reducciones dependieron del producto tratado, oscilando entre un 27%,
en el caso de la yuca, y un 68%, para la berenjena.
Con la finalidad de estudiar la influencia de los US tanto en la resistencia interna como
en la resistencia externa al transporte de materia, las cinéticas de secado fueron
modelizadas mediante modelos difusivos con diferente nivel de complejidad. Para las
condiciones experimentales estudiadas, la resistencia externa resultó ser significativa.
Así, su consideración en el modelo difusivo incrementó el porcentaje de varianza
explicada de un 84%, valor obtenido por el modelo que no considera la resistencia
externa, a un 98%. Sin embargo, cuando el encogimiento de la muestra resultó un
fenómeno significativo, como en el caso de la berenjena, la difusividad efectiva
identificada fue sobreestimada. Es por ello que, el modelo difusivo que considera
ambos fenómenos (resistencia externa y encogimiento) se utilizó para describir con
mayor precisión las cinéticas de secado de berenjena, alcanzándose porcentajes de
varianza explicada superiores al 99% y errores relativos medios inferiores al 1.2%.
La potencia ultrasónica influyó significativamente (p<0.05) en los parámetros
cinéticos. Así, se observaron relaciones lineales significativas entre la difusividad
efectiva y el coeficiente de transferencia de materia con la potencia ultrasónica En todas las temperaturas estudiadas, la aplicación de US durante el secado de bacalao
incrementó la velocidad del proceso, alcanzando reducciones de tiempo de hasta un
50%. Por otro lado, el modelo difusivo describió adecuadamente las cinéticas de
secado proporcionando porcentajes de varianza superiores al 99%. La aplicación de
US incrementó significativamente (p<0.05) la difusividad efectiva hasta un 110%.
Respecto a las propiedades físicas, las muestras secadas con US fueron más blandas y
presentaron una mayor capacidad de rehidratación que las muestras secadas de manera
convencional. Este hecho se relacionó con los cambios microestructurales observados,
tales como, mayores espacios entre las miofibrillas y una mayor migración de la sal a la
superficie de las muestras. Finalmente, la aplicación de US produjo cambios
significativos (p<0.05) de color en el producto deshidratado.
En el caso de la aplicación de US en el secado por aire caliente, se evaluó la respuesta
de diferentes vegetales ante la energía acústica. Así, se estudió la aplicación de US en el
secado por aire caliente (40 ºC y 1 m/s) de berenjena, patata, manzana y yuca
aplicando diferentes niveles de potencia acústica (0, 6, 12, 19, 25 y 31 kW/m3
). La
aplicación de US redujo el tiempo de secado en todos los productos analizados. Sin
embargo, las reducciones dependieron del producto tratado, oscilando entre un 27%,
en el caso de la yuca, y un 68%, para la berenjena.
Con la finalidad de estudiar la influencia de los US tanto en la resistencia interna como
en la resistencia externa al transporte de materia, las cinéticas de secado fueron
modelizadas mediante modelos difusivos con diferente nivel de complejidad. Para las
condiciones experimentales estudiadas, la resistencia externa resultó ser significativa.
Así, su consideración en el modelo difusivo incrementó el porcentaje de varianza
explicada de un 84%, valor obtenido por el modelo que no considera la resistencia
externa, a un 98%. Sin embargo, cuando el encogimiento de la muestra resultó un
fenómeno significativo, como en el caso de la berenjena, la difusividad efectiva
identificada fue sobreestimada. Es por ello que, el modelo difusivo que considera
ambos fenómenos (resistencia externa y encogimiento) se utilizó para describir con
mayor precisión las cinéticas de secado de berenjena, alcanzándose porcentajes de
varianza explicada superiores al 99% y errores relativos medios inferiores al 1.2%.
La potencia ultrasónica influyó significativamente (p<0.05) en los parámetros
cinéticos. Así, se observaron relaciones lineales significativas entre la difusividad
efectiva y el coeficiente de transferencia de materia con la potencia ultrasónica aplicada. Por otro lado, la magnitud del incremento de los parámetros cinéticos con el
aumento de la potencia acústica aplicada se vio muy influenciado por el producto
secado.
Con el objetivo de mejorar la comprensión de cómo la estructura interna del material
influye en la efectividad de los US durante el secado, los resultados experimentales de
este trabajo para berenjena, patata, yuca y manzana fueron completados con otros ya
publicados en trabajos previos sobre zanahoria, piel de naranja y piel de limón. Las
cinéticas de secado fueron analizadas mediante un modelo difusivo en el cual se
consideró la difusividad efectiva como un parámetro global del transporte de materia.
Además, en todos los productos se determinó experimentalmente la porosidad y
diversos parámetros texturales, como por ejemplo la dureza, la microestructura y las
propiedades acústicas.
La Pendiente de la relación lineal entre la Difusividad efectiva y la Potencia
Ultrasónica aplicada (PDPU) calculada para cada producto se utilizó como una
estimación de la efectividad de los US, de manera que mientras mayor fue dicha
pendiente, la efectividad de los US se incrementó. Se observó la existencia de una
correlación lineal (r¿0.95) entre PDPU y la porosidad y dureza del producto. Así, en
productos que presentaron una mayor porosidad y una menor dureza, la PDPU fue
mayor. Además, se observó que las relaciones PDPU vs. impedancia y PDPU vs.
coeficiente de transmisión de la energía acústica mostraron un patrón muy similar.
Este hecho pone de manifiesto que la aplicación de US en el proceso de secado
depende en gran medida de la fracción de energía ultrasónica que penetra en el sólido.
Por un lado, los productos más blandos y con una estructura más porosa mostraron
una mejor transmisión de la energía acústica y fueron más sensibles a los efectos
mecánicos producidos por los US. Por otro lado, los materiales más duros y con una
estructura más compacta fueron menos afectados por la energía acústica, debido a la
gran diferencia de impedancias entre el producto y el aire, lo cual puede inducir
grandes pérdidas de energía en la interfase.
aplicada. Por otro lado, la magnitud del incremento de los parámetros cinéticos con el
aumento de la potencia acústica aplicada se vio muy influenciado por el producto
secado.
Con el objetivo de mejorar la comprensión de cómo la estructura interna del material
influye en la efectividad de los US durante el secado, los resultados experimentales de
este trabajo para berenjena, patata, yuca y manzana fueron completados con otros ya
publicados en trabajos previos sobre zanahoria, piel de naranja y piel de limón. Las
cinéticas de secado fueron analizadas mediante un modelo difusivo en el cual se
consideró la difusividad efectiva como un parámetro global del transporte de materia.
Además, en todos los productos se determinó experimentalmente la porosidad y
diversos parámetros texturales, como por ejemplo la dureza, la microestructura y las
propiedades acústicas.
La Pendiente de la relación lineal entre la Difusividad efectiva y la Potencia
Ultrasónica aplicada (PDPU) calculada para cada producto se utilizó como una
estimación de la efectividad de los US, de manera que mientras mayor fue dicha
pendiente, la efectividad de los US se incrementó. Se observó la existencia de una
correlación lineal (r¿0.95) entre PDPU y la porosidad y dureza del producto. Así, en
productos que presentaron una mayor porosidad y una menor dureza, la PDPU fue
mayor. Además, se observó que las relaciones PDPU vs. impedancia y PDPU vs.
coeficiente de transmisión de la energía acústica mostraron un patrón muy similar.
Este hecho pone de manifiesto que la aplicación de US en el proceso de secado
depende en gran medida de la fracción de energía ultrasónica que penetra en el sólido.
Por un lado, los productos más blandos y con una estructura más porosa mostraron
una mejor transmisión de la energía acústica y fueron más sensibles a los efectos
mecánicos producidos por los US. Por otro lado, los materiales más duros y con una
estructura más compacta fueron menos afectados por la energía acústica, debido a la
gran diferencia de impedancias entre el producto y el aire, lo cual puede inducir
grandes pérdidas de energía en la interfase.
aplicada. Por otro lado, la magnitud del incremento de los parámetros cinéticos con el
aumento de la potencia acústica aplicada se vio muy influenciado por el producto
secado.
Con el objetivo de mejorar la comprensión de cómo la estructura interna del material
influye en la efectividad de los US durante el secado, los resultados experimentales de
este trabajo para berenjena, patata, yuca y manzana fueron completados con otros ya
publicados en trabajos previos sobre zanahoria, piel de naranja y piel de limón. Las
cinéticas de secado fueron analizadas mediante un modelo difusivo en el cual se
consideró la difusividad efectiva como un parámetro global del transporte de materia.
Además, en todos los productos se determinó experimentalmente la porosidad y
diversos parámetros texturales, como por ejemplo la dureza, la microestructura y las
propiedades acústicas.
La Pendiente de la relación lineal entre la Difusividad efectiva y la Potencia
Ultrasónica aplicada (PDPU) calculada para cada producto se utilizó como una
estimación de la efectividad de los US, de manera que mientras mayor fue dicha
pendiente, la efectividad de los US se incrementó. Se observó la existencia de una
correlación lineal (r¿0.95) entre PDPU y la porosidad y dureza del producto. Así, en
productos que presentaron una mayor porosidad y una menor dureza, la PDPU fue
mayor. Además, se observó que las relaciones PDPU vs. impedancia y PDPU vs.
coeficiente de transmisión de la energía acústica mostraron un patrón muy similar.
Este hecho pone de manifiesto que la aplicación de US en el proceso de secado
depende en gran medida de la fracción de energía ultrasónica que penetra en el sólido.
Por un lado, los productos más blandos y con una estructura más porosa mostraron
una mejor transmisión de la energía acústica y fueron más sensibles a los efectos
mecánicos producidos por los US. Por otro lado, los materiales más duros y con una
estructura más compacta fueron menos afectados por la energía acústica, debido a la
gran diferencia de impedancias entre el producto y el aire, lo cual puede inducir
grandes pérdidas de energía en la interfase.
En resumen, a partir de los resultados obtenidos en este trabajo, se han encontrado
diversos factores que son comunes en las aplicaciones de los US en sistemas solido-líquido y en sólido-gas. En primer lugar, se ha demostrado el potencial de los US para
intensificar las cinéticas de transporte de materia en ambos sistemas. Además, en
ambos casos, los efectos mecánicos atribuidos a la aplicación de US provocaron cambios en la estructura del producto, así como también en las propiedades físicas del
material tratado que deben de tenerse en cuenta en vistas a preservar la calidad de los
productos. Además, en los sistemas sólido-gas, se ha observado la influencia de la
estructura del producto en la efectividad de los US durante el secado. Esto se ha
atribuido a la diferencia de impedancias entre el aire y el producto
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