Contribución al estudio de la aplicación de ultrasonidos de alta intensidad en procesos de secado a baja temperatura

Abstract

[EN] Dehydration is one of the most commonly used operations in the food industry, and although its aim is to extend the shelf life of foods by reducing their water activity, it could also involve quality degradation. Vacuum freeze-drying may be considered one of the best drying methods for the purposes of preserving the organoleptic and nutritional properties of the fresh product, but its high processing cost limits its use to high value-added products. Convective drying at low temperatures could be considered an alternative means of obtaining high quality products at lower cost. However, the low drying rates at low temperatures (T<20ºC) and atmospheric pressure makes its industrial application difficult. In this sense, high intensity ultrasound (US) has been used to intensify mass transfer phenomena in food processing. It could be of great interest to apply US in low temperature drying because the ultrasonic effects are mainly mechanical (non-thermal). In this context, the main aim of this thesis was to determine the feasibility of US application in low temperature drying, addressing the effect on both the drying kinetics and the quality of the obtained products. For this purpose, apple, eggplant and cod samples were dried at different temperatures (-10, -5, 0, 5 and 10ºC), air velocities (1, 2, 4 and 6 m/s) and applying different ultrasonic powers (0, 25, 50 and 75 W). Diffusion models were used to describe the drying kinetics and to quantify the influence of the process variables. Moreover, different quality parameters (rehydration capacity, texture, antioxidant capacity...) of the dried products were determined. The application of US significantly (p<0.05) shortened the drying time under every drying condition and with each product tested, reducing the drying time by up to 80, 87 and 60% in apple, eggplant and cod samples, respectively. Thus, the greater the ultrasonic power applied, the shorter the drying time. The drying temperature and air velocity influenced the US efficiency and the best performance was achieved at the lowest drying temperatures and air velocities. In general terms, the diffusion model adequately fitted the drying kinetics of the three products tested. Although, in the case of US assisted drying, a better fit of the experimental data was obtained when the external resistance to water transfer was considered. The URIF (Uniformly Retreating Ice Front) model successfully fitted the atmospheric freeze drying kinetics. This model was validated under different experimental conditions. As regards the effect of the process variables on the quality parameters, in overall terms, it was observed that neither the US application nor the air velocity greatly influenced the quality of the obtained products. However, the temperature affected some quality parameters, such as rehydration capacity and color, especially at temperatures below the samples' freezing point. Finally, as a technology employed for the purposes of obtaining porous food matrices to be used further in the development of functional foods, US-assisted low temperature drying could be considered of great potential. Thus, from dried apple samples impregnated with olive leaf extract, it was observed that US application during drying did not significantly (p<0.05) influence the infusion capacity but did increase the antioxidant capacity of the final product. Therefore, high intensity ultrasound could be considered an interesting technology with which to speed-up the low temperature drying processes without greatly affecting the quality of the dried product.

[ES] La deshidratación, una de las operaciones más utilizadas en la industria agroalimentaria, mejora la estabilidad de los alimentos al reducir su actividad de agua, aunque puede afectar a su calidad. Entre las diferentes técnicas de secado existentes, destaca la liofilización a vacío por ser una de las que mejor conservan las propiedades organolépticas y nutricionales de los productos. Sin embargo, esta operación resulta muy cara y sólo se utiliza en productos de alto valor añadido. El secado convectivo a baja temperatura (T<20ºC) representa una alternativa para obtener productos de alta calidad a menor coste aunque su baja velocidad de proceso dificulta su implementación a nivel industrial. En este sentido, los ultrasonidos de alta intensidad (US) se han aplicado para intensificar operaciones de transferencia de materia en diferentes procesos agroalimentarios. Sus efectos son principalmente mecánicos (no térmicos), por lo que su uso en el secado a baja temperatura resulta altamente interesante. En este contexto, el objetivo general de la presente tesis doctoral fue determinar la viabilidad de la aplicación de US en procesos de secado a baja temperatura, abordando tanto su efecto en la cinética como en la calidad de los productos obtenidos. Para ello, se deshidrataron muestras de manzana, berenjena y bacalao a diferentes temperaturas (-10, -5, 0, 5 y 10ºC) y velocidades de aire (1, 2, 4 y 6 m/s) y aplicando diferentes niveles de potencia acústica (0, 25, 50 y 75 W). Se utilizaron modelos difusivos para describir las cinéticas de secado y cuantificar la influencia de las variables de proceso. Además, se determinaron diferentes parámetros de calidad (capacidad de rehidratación, textura, capacidad antioxidante,¿) de los productos deshidratados. La aplicación de US permitió reducir significativamente (p<0.05) el tiempo de secado en todas las condiciones experimentales y productos analizados, obteniendo reducciones de tiempo de secado de hasta el 80, 87 y 60% en manzana, berenjena y bacalao, respectivamente. La reducción del tiempo de secado fue mayor cuanto mayor fue la potencia acústica aplicada. La temperatura y la velocidad del aire de secado influyeron en la efectividad de la aplicación de US, siendo mayor el efecto de los US a las temperaturas y velocidades más bajas. En general, la teoría difusional describió adecuadamente la cinética de secado de los tres productos estudiados. En las experiencias con aplicación de US se obtuvo un mejor ajuste a los datos experimentales cuando se consideró la resistencia externa en el modelo. Asimismo, en condiciones de liofilización a presión atmosférica, el modelo URIF (Uniformly Retreating Ice Front) se ajustó adecuadamente a los datos experimentales. Además, este modelo se validó en diferentes condiciones experimentales. Respecto al efecto de las variables de proceso en los parámetros de calidad, en general, se observó que ni la aplicación de US ni la velocidad de aire influyeron de manera importante en la calidad de los productos obtenidos. En cambio, la temperatura afectó de manera relevante a parámetros como la capacidad de rehidratación y el color, especialmente a temperaturas por debajo del punto de congelación de las muestras. Por otro lado, el secado a baja temperatura asistido con US tiene un alto potencial para la obtención de matrices porosas alimentarias para su posterior utilización en el desarrollo de alimentos funcionales. Así, en muestras de manzana deshidratada e impregnada con extracto de hoja de olivo, se observó que la aplicación de US durante el secado no afectó significativamente (p<0.05) a la capacidad de impregnación, pero sí incrementó la capacidad antioxidante del producto obtenido. Por lo tanto, los ultrasonidos de alta intensidad se pueden considerar como una tecnología interesante para acelerar los procesos de secado a baja temperatura sin afectar en gran medida a la calidad del producto obtenido.

[CA] La deshidratació, una de les operacions més utilitzades en la indústria agroalimentària, millora l'estabilitat dels aliments en reduir la seua activitat d'aigua, encara que pot afectar-ne la qualitat. Entre les diferents tècniques d'assecatge que hi ha, destaca la liofilització al buit per ser una de les que millor conserven les propietats organolèptiques i nutricionals dels productes, però resulta molt cara i només s'utilitza en productes d'alt valor afegit. L'assecatge convectiu a baixa temperatura (T<20ºC) representa una alternativa per a obtenir productes d'alta qualitat a menor cost. No obstant això, la baixa velocitat d'assecatge dificulta la seua implementació a nivell industrial. En aquest sentit, els ultrasons d'alta intensitat (US) s'han aplicat per a intensificar operacions de transferència de matèria en diferents processos agroalimentaris. El seu ús en l'assecatge a baixa temperatura resulta altament interessant pel fet que els seus efectes són principalment mecànics (no tèrmics). En aquest context, l'objectiu general de la present tesi doctoral va ser determinar la viabilitat de l'aplicació d'US en processos d'assecatge a baixa temperatura, abordant tant l'efecte en la cinètica del procés com en la qualitat dels productes obtinguts. Amb aquesta finalitat, es van deshidratar mostres de poma, albergínia i bacallà a diferents temperatures (-10, -5, 0, 5 i 10ºC) i velocitats d'aire (1, 2, 4 i 6 m/s) i aplicant diferents nivells de potència acústica (0, 25, 50 i 75 W). Es van utilitzar models difusius per a descriure les cinètiques de l'assecatge i quantificar la influència de les variables del procés. A més, es van determinar diferents paràmetres de qualitat (capacitat de rehidratació, textura, capacitat antioxidant...) dels productes deshidratats. L'aplicació d'US va permetre reduir significativament (p<0.05) el temps d'assecatge en totes les condicions experimentals i tots els productes analitzats; es van obtenir reduccions de temps de fins al 80%, 87% i 60% en pomes, albergínies i bacallà, respectivament. La reducció del temps d'assecatge va ser més alta com més alta va ser la potència acústica aplicada. La temperatura i la velocitat de l'aire de l'assecatge van influir en l'efectivitat de l'aplicació d'US, sent major l'efecte dels US a les temperatures i velocitats més baixes. En general, la teoria difusional va descriure adequadament la cinètica de l'assecatge dels tres productes estudiats. En les experiències amb aplicació d'US es va obtenir un millor ajust a les dades experimentals quan es va considerar la resistència externa en el model. Així mateix, en condicions de liofilització a pressió atmosfèrica, el model URIF (Uniformly Retreating Ice Front) es va ajustar correctament a les dades experimentals. A més, aquest model es va validar en diferents condicions experimentals. Respecte a l'efecte de les variables del procés en els paràmetres de qualitat, en general, es va observar que ni l'aplicació d'US ni la velocitat de l'aire van influir de manera important en la qualitat dels productes obtinguts. En canvi, la temperatura va afectar de manera rellevant a paràmetres com la capacitat de rehidratació i el color, especialment a temperatures per davall del punt de congelació de les mostres. D'altra banda, l'assecatge a baixa temperatura assistit amb US presenta un alt potencial per a obtenir matrius poroses alimentàries per a la posterior utilització en el desenvolupament d'aliments funcionals. Així, en mostres de poma deshidratada i impregnada amb extracte de fulles d'olivera, es va observar que l'aplicació d'US durant l'assecatge no va afectar significativament (p<0.05) la capacitat d'impregnació, però sí que va incrementar la capacitat antioxidant del producte obtingut. Per tant, els ultrasons d'alta intensitat es poden considerar com una tecnologia interessant per a accelerar els processos d'assecatge a baixa temperatura sense afectar de manera re