CAMBIOS EN LAS PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DE CREMOGENADOS DE MANGO EN UN PROCESO DE CONGELACIÓN

CHANGES IN THE THERMOPHYSICAL PROPERTIES IN PUREE

OF MANGO UNDER FREEZING PROCESS

1Salamanca, G. G.; Osorio, T. M.; Rodriguez, A. N. ; 2Abril, R. J.

1Grupo de Investigaciones Mellitopalinológicas y Propiedades Fisicoquímicas de Alimentos

Email: salamancagrosso@gmail.com

Facultad de Ciencias-Departamento de Química - Universidad del Tolima. Barrio Santa Elena parta Alta. A.A. 546. PBX+57(8) 264 42 19. Fax +57(8) 264 48 69

Ibagué. Tolima. Colombia.

2Departamento de Tecnología de Alimentos E.T.S.A Campus de Arrosadia s/n 31006.Universidad Pública de Navarra

Email: jabril@unavarra.es Pamplona. Navarra. España.

RESUMEN

Las propiedades térmicas de alimentos son necesarias en cálculos de transferencia de calor involucrados en el diseño del almacén y equipos de refrigeración, en la evaluación de procesos de calentamiento, refrigeración, congelamiento o secado y se relacionan con el calor específico, la conductividad y difusividad térmica. En este trabajo se evalúa el comportamiento de las propiedades termofísicas de cremogenado de Mango (Mangifera indica Var hilacha) asociadas a un sistema de congelación a partir de relaciones y modelos descritos en la literatura.

Palabras clave: Propiedades fisicoquímicas. Tecnología de alimentos. Congelados. Frutas tropicales.

ABSTRACT

Thermal properties of food are needed for heat transfer calculations involved in the design of warehouse and refrigeration equipment, the evaluation process heating, refrigeration, freezing or drying and are related to the specific heat, thermal conductivity and diffusivity . This paper evaluates thebehavior of the thermophysical properties of purees of mango (Mangifera indica var lint) associated with a freezing system from relationships andmodels described in the literature.

Keywords: Mango. Physicochemical properties. Food technology. Freezing. Tropical fruits.

INTRODUCCIÓN Los cremogenados de fruta son productos generados de la transformación de las frutas frescas, susceptibles de fermentación pero no fermentadas y que se obtienen por molturación, tamizado o ultrahomogenización de la parte comestible, sin eliminar la fracción acuosa que constituye el zumo, (BOE, 2003). Este producto es la base para la elaboración de helados, jugos nectares y mermeladas (Reyes, et al, 2007). La generación de estas matrices puede ser considerada como un desarrollo tecnológico importante, ya que se logra el en procesado el mantenimiento de las características nutricionales y sensoriales iniciales de las frutas de origen, reduciendo costos y volumen

de almacenamiento, (Salamanca, et al, 2008), contribuyendo así a la disminución de pérdidas en postcosecha. El estudio de las propiedades fisicoquímicas de los alimentos permite establecer las condiciones inicales de materias primas que se usan en la preparación y desarrollo de nuevos productos (Reyes, et al, 2007). Los factores a controlar, son aquellos que inducen deterioro y la velocidad con la que se generan; (Salamanca, et. al 2008), niveles de agua libre, pH, acidez, presencia de antioxidantes, son parámetros de referencia que se consideran en las caracterizaciones de frutas, cremogenados y zumos (Salamanca, et al. 2010).

El empleo de modelos matemáticos para simular los tratamiento térmicos de alimentos envasados es una práctica generalizada gracias al uso de ordenadores cuya potencia permite realizar los cálculos necesarios, (Chen, 1985). Las operaciones de congelación, sin lugar a dudas corresponden a un método de conservación a largo plazo de productos alimentarios (Heldman, 2003; Heldman y Lund, 2007). Esta operación implica la cristalización de la mayor cantidad de agua de constitución al mantener el producto a una temperatura inferior a -18°C. En ingeniería del frio, el interés reside en el conocimiento del tiempo de congelación como requerimiento para el diseño de equipos de manera eficiente, con bajos requerimientos de energía, rentabilidad y seguridad, que permita mantener y conservar las propiedades y la calidad productos. El conocimiento preciso de las propiedades térmicas y reológicas de los alimentos es de importancia fundamental para establecer el diseño de equipos y nuevas alternativas de proceso (Morison y Hartel, 2007; Becker,1999). La dependencia del contenido de humedad libre de los alimentos en un proceso de congelación es importante a la hora de diseñar sistemas de congelación y por ende en la estabilidad del producto. La estimación de la fracción libre de agua presupone que se forman cristales de hielo y los solutos se concentran en la fracción de agua no congelada. La magntud de la conductividad termica de muchos alimentos esta en función de del contenido de humedad, pero tambien de la propia estructura del material contenido. Los modelos propuestos para la prediccon de ésta propiedad se fundamentan en la fraccion de agua del producto, dejando de lado la estructura, Kopelman (Heldman, 2007). Diversos métodos de evaluación de las propiedades térmicas han sido propuestos para evaluar el comportamiento de los alimentos, también se han realizados trabajos sobre modelización en procesos de congelación y secado. En este trabajo se presentan las propiedades fisicoquímicas de cremogenado de mango y los cambios estimados a partir de modelos reportados en la literatura. MATERIALES Y METODOS Materia prima: En este trabajo se usaron frutos de Mango (Mangifera indica Lin. Var. Hilacha. Magdalena river en estad optimo de madurez. Cosechados en la vereda Dindalito, en Espinal Tolima, Colombia. Las operaciones básicas para la obtención del cremogenado de fruta se

completa con el deshuesado, trituración, y tamizado de en malla 0.5 mm. El producto es enfriado hasta 25 ºC y se somete a la cadena de frio para su conservación. El producto final se se empacó al vacio en bolsas de 19x15 cm usando un sistema de vacio VAC 559 (Oster Food Saver Vacum™) y se dispusieron en congelación hasta la realización de las pruebas de caracterizacion, (AOAC, 2000). Propiedades térmicas y valor energético: Los parametros asociados a las propiedades termofisicas se determinarion haciendo uso de la unidad KD-2 ProTM (Decagon Devices, Inc. 2365 NE Hopkins Ct. Pullman, WA 99163 USA), dispuesto con los sensores KS-1; TR-1 para la capacidad calorífica (Cp en JKg-11ºK-1), Conductividad (k: Watts/m-1ºK-1), difusividad (∝: m2s-1).

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Q es el calor intantaneo aplicao al sistma a traves de la sonda (J m-1), t el tiempo (s), k la conductividad del material y D la difusividad (m2s-1). Si se aplican pulsos de calor

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Donde Ei es una integral exponencial en el tiempo to y t1. El cambio termico en este tiempo se estima de la relacion Ec-4. ∆! = !

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Las propiedades térmicas se determinan a partir de ésta ultima expresión. La disposición de los otros sensores permite valorar las otras propiedades térmicas de los cremogenados. Curvas de congelación: Estas se realizaron en un túnel, operado con aire frio (Unidad ITA 100 SYE-V, Universidad Pública de Navarra; h 50 Wm-2K-1). En un sistema es de operación continua que alcanza una temperatura de aire frio de (– 25 a -6)±1°C. Cremogenados de Mango (Mangifera indica Var. Hilacha) se dispusieron convenientemente en tubos de cobre de 15 cm y diámetro interno de 78 cm2. En cada caso se adapto una termocupla Pt 100 acoplada a la unidad AMR 2509-9VS para verificar los perfiles térmicos del producto y temperatura del aire durante el proceso de congelación; de las relación Temperatura- Tiempo se estimo el tiempo y temperatura de congelación. En la congelación se verifican cambios el calor sensible y latente, Heldman (2007).

Las evaluaciones derivadas del cambio en las propiedades se realizaron siguiendo las directrices de Heldman (2007), Sahin y Gulum (2009), haciendo uso de bases de datos y propiedades térmicas de matrices asociadas a las frutas, así mismo considerando las bases de datos de Choi & Okos (1986). Cuando fue necesario se implementaron procedimientos de iteraciones haciendo uso de la hoja de calculo Excel TM. Los perfiles generados se evaluaron en el software Origin 8.0TM La evolución de la fracción de agua no congelada (X) en el cremogenado se estimó haciendo uso de relación de Bartlett. Aquí To y T representan la temperatura de fusión del agua y T congelación del material. L es el calor latente de fusión del agua (6.003 J mol-1). R (8.314 J mol-1 ºK-1).

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La reducción térmica del cremogenado propicia cambios en la densidad del material Al conocer la fracción de agua no congelada (mu), y la fracción másica de los componentes se verifican los cambios en el parámetro, (Choi & Okos, 1986.)

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La capacidad calórica de un alimento puede ser estimada en virtud de sus componentes mayoritarios, La relación de Heldman (2001). La ecuación relacionada ha sido:

!" = !!"!!" msi es la fracción de los componentes de la matriz y Cp la capacidad calorífica de los componentes individuales. La capacidad calorífica, puede ser utilizado en la predicción de la entalpía del producto y el calor específico aparente. Las consideraciones de entalpia igualmente varían en el proceso de congelado. La entalpía es cero - 40 ºC, que es la temperatura de referencia para los refrigerantes (Heldman, 2007). Por lo tanto la entalpía de un producto se puede predecir, en base a una temperatura de referencia. Para el caso se ha considerado la relación:

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En esta expresión en la que se ha incluido el calor sensible de la fracción solida, como función de la temperatura (T); el calor sensible del agua no congelada cuando la temperatura está por encima de la temperatura de congelación inicial (Tf) del producto, así como el calor sensible del agua no congelada en el producto congelado representado en el tercer término. La fracción de agua no congelada (mu) y el calor específico del agua sin congelar (cpu) varían significativamente con la temperatura. El cuarto término es la contribución de la energía de cambio de fase a la entalpía y proporciona la influencia de la fracción no congelada (mu), que cambia con la temperatura. Sastry (1984), Kerr et al. (1993), Pham (1996), and Fikiin and Fikiin (1999). Las variaciones en la conductividad térmica (k) se derivaron de la expresión de Kopelman. Aquí Mv es la fracción de volumen de la fase discontinua no acuosa. L es calor latente del agua.

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN El Mango hilacha presenta una actividad de agua de 0.972, una fracción de agua es de 0.774 con 0.226 en solidos; los solidos solubles dependiendo del estado de madurez de la fruta oscilan entre 12 y 17%. En este trabajo se han identificados muestras con 16.8 ± 0.10 ºBrix. La acidez de 78.6 mek/Kg, con pH de 3.98 ± 0.12, aporta ademas carotenos y fenoles totales (1123 ±4.30 mg/Kg, acido gálico), con 0.4 de proteina, 0.5 de cenizas, 0.2% grasa. Los niveles de riboflavina de 0.11 mg por 100 g y 159 µg de retinol. La densidad inicial del producto es de 1060 kgm-3 su capacidad calorifica Cp (JºK-1kg-1), con una conductividad de 0.547 (wm-1ºK-1) y una difusividad media de 1.37x10-7 (m2s-1). En la operación de congelación, la fracción de agua libre se va enfriando y subenfriando hasta alcanzar la cristalizando, desde -3 ºC, que para el caso es el inicio de la formación de cristales, la nucleación final se presenta a -7º C para una fracción (Yi, 0.632), que coincide con la reducción de agua no congelada (Yw, 0.188), Figura 1. En las condiciones de trabajo se observo una temperatura de congelación a -15.2ºC a 17.5 minutos.

El efecto del enfriamiento sobre la densidad del material en evaluación cambia desde 1060 a 995.7 kg m-3 cuando la temperatura alcanza (-7.) ºC, la reducción de la densidad es relativamente baja entre 15 y 2 ºC, pero cambia de manera importante por debajo (-5) ºC. (Figura 2).

Figura 1. Evolución de la fracción de agua congelada en el cremogenado de mango hilacha. El cambio de ésta propiedad entre 5 y (-30) ºC es inferior al 10% (Figura 2). En relación al calor especifico esta propiedad se relaciona con el calor ganado por unidad de peso necesario para establecer un incremento de temperatura sin que tenga lugar un cambio de estado (Figura 3). La reducción de la capacidad calorífica se da desde 3717 a 2351 (J kg-1 ºK-1), desde 0 ºC hasta -7ºC. El proceso de congelación en función de los componentes y el entorno microambiental es complejo debido a las interacciones entre los componentes del cremogenado (azucares, vitaminas, minerales), y el agua libre o la fracción de hielo formado, efectos que hacen disminuir el punto de congelación. El calor latente en este tipo de matrices juega un singular comportamiento. La presencia de solutos deprime el punto de congelación y aumenta la concentración de soluto en la parte no congelada del producto tratado (Figura 4). La relación entre fracción congelada del producto y temperatura seria análoga, excepto que la fracción congelada aumenta a medida que la temperatura disminuye. Los cambios de entalpia se ralentizan desde 134884 a 50349 (J kg-1).

Figura 2 Cambios en la densidad del cremogenado de mango hilacha durante la operación.

Figura 3. Reducción de la capacidad calorífica del cremogenado de mango en el túnel de congelación.

Figura 4 Reducción de la entalpia en el proceso de congelación en túnel de enfriamiento. La propiedad térmica incorporada en las ecuaciones de transferencia de calor es la difusividad térmica (α m s-2)

En alimentos congelados, esta propiedad se relaciona con la conductividad (k) y la capacidad calorífica (Cp) a una temperatura determinada como condición de entorno y sobre un producto con una densidad definida (ρ).

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Los valores estimados para la difusividad del producto a 25ºC son del orden de 1.387x10-7 (m2s-

1), que se reducen a -2º C hasta 2.82x10-7 m2s-1, a partir de evaluaciones de segunda derivada de los valores de difusividad respecto de la temperatura del medio se deduce que los cambios drásticos del parámetro se presentan entre -2 y -4 ºC cuando se alcanza el calor latente de congelación y se gana calor sensible (Figura 5).

Figura 5. Cambios en la difusividad del cremogenado de mango durante la congelación. CONCLUSIONES las propiedades térmicas del cremogenado de Mango como ocurre en otros alimentos son dependientes de las condiciones de entrono. La evolución y comportamiento durante la operación de congelado propician la perdida de calor sensible de la fracción de agua no congelada hasta alcanzar el calor latente de congelación del producto, el comportamiento del sistema de congelación puede ser evaluado a partir las soluciones analíticas planteadas y generar modelos explicativos de la evolución de los parámetros. REFERENCIAS . AOAC. 2000. Official Methods of Analysis, 17th edition. Association of official Anallytical Chemists, Washington, D.C.

Becker, B.B. and Fricke, B.A. 1999. Food thermophysical property models. Int. Comm. Heat & Mass Trans. 26: 627–636. Chen, C.S. 1985 Thermodynamic analysis of the freezing and thawing of foods: Enthalpy and apparent specific heat. J. Food Sci. 50: 1158–1162. Choi, Y. and Okos, M.R. 1986. Thermal properties of liquid foods: review. Physical and Chemical Properties of Food. Martin R. Okos (Ed.), ASAE, St. Joseph, MI. pp. 35–77. Fikiin, K.A and Fikiin, A.G. 1999. Predictive equations for thermophysical properties and enthalpy during cooling and freezing of food materials. J. Food Engr. 40: 1–6. Kerr, W.L., Ju, J., and Reid, D.S. 1993. Enthalpy of frozen foods determined by differential compensated calorimetry. J. Food Sci. 58: 675–679. Lind, I. 1991. The measurement and prediction of thermal properties of food during freezing and thawing — a review with particular reference to meat and dough. J. food Engr. 13: 285–319 Morison, R.; Hartel, R.W. 2007.Evaporation and Freeze Concentration. Handnbook of food engineering 2nd Ed. CRC. Press. Taylos and Francis. Heldman and Lund Editors Pham, Q.T. 1996. Prediction of calorimetric properties and freezing time of foods from composition data. J. Food Engr. 30: 95–107. Reyes, M. L. Salamanca, G. G.; Osorio, T. M.; Rocha, P. D.; Rocha, P. F.; Rodríguez, B. O. 2007. Diseño y optimización de un cremogenado lácteos a través de diseño experimental para mezclas ternarias. Alimentos Ciencia E Ingeniería (V16):Pp.100-103. Ross, H.; 2007. Phase Transitions and Transformations in Food Systems. In Handnbook of food engineering 2nd Ed. CRC. Press. Taylos and Francis. Heldman and Lund Editors. Salamanca, G. G.; Osorio, T. M., Abril, J.; Casp, V. A. 2010. Propiedades reologicas estabilidad térmica y estado microbiológico de cremogenados de Mora (Rubus glaucus Benth). Memorias. XXIX Congreso Latinoamericano de Quimica. XVI Congreso colombiano de Química. VI Congreso colombiano de cromatografia. Sastry, S.K. 1984. Freezing time prediction: an enthalpy-based approach. J. Food Sci. 49: 1121–1127. Sahin, S.; Gulum, S. 2009. Propiedades Fisicoquimicas de los Alimentos. Editorial Acribia. España.