CONSERVACION DE ALIMENTOS

OBJETIVO

El objetivo del presente trabajo es diseñar y construir un liofilizado para conservar alimentos por disminución de su actividad acuosa. La liofilización es un procedimiento de secado cuyo principio es la sublimación del hielo de un producto congelado. Origina productos de mayor calidad ya que, al no emplear calor, disminuyan las perdidas nutricionales y sensoriales. Este equipo permite extraer más del 72% de agua, lo cual representa una reducción sustancial en la actividad acuosa y permite la conversación de alimento por más tiempo.

INTRODUCCIÓN
El almacenamiento de las materias primas o incluso de productos finales podría conducir a pérdidas debido a diversos agentes como roedores, insectos, hongos e incluso se originan por la acción de agentes físicos, como ocurre cuando las condiciones de humedad, temperatura, luz, aireación, etc. No son las adecuadas para el almacenamiento.
En le procesado de muchos alimentos se producen, asimismo, perdidas de partes de la estructura de la materia prima, que implican una reducción del valor nutricional.

INDICE

RELACIONES IMPLICADAS EN LA PERDIDA DE LOS DISTINTOS
NUTRIENTES.....................................................................01

MATERIALES Y METODOS..............................................................02

RESULTADOS.....................................................................03

MUESTRAS Y CONDICIONES DE ENSAY.................................04

CONCLUSION......................................................................05

BIBLIOGRAFIA.....................................................................06

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LIOFILIZADOR

1. REACCIONES IMPLICADAS EN LA PÉRDIDA DE LOS DISTINTOS NUTRIENTES

Es un caso típico en vegetales. Estas reacciones están favorecidas por golpes y operaciones como almacenamiento, pelado, cortado y triturado. La reacción que se da con mayor frecuencia en ciertos vegetales es la de pardeamiento, la cual se debe a la oxidación compuestos fenólicos (ácido clorogénico, catequinas, antocianinas, leucoantocianidinas y flavonoides) mediada por una polifenoloxidasa (o-difenil-oxígeno oxirreductasa), Los compuestos fenólicos a través de una serie de reacciones pasan a hidroxiquinonas inestables que se polimerizan. Los polímeros formados experimentan posteriores oxidaciones, no enzimáticas, que conducen finalmente a la formación de compuestos de color pardo, los melanoides. Para controlar o impedir este pardeamiento enzimático se pueden sumergir los vegetales en agua ligeramente acidulada inmediatamente después de ser peladas o cor-tadas, con lo que también se evita el contacto con el oxígeno del aire y la penetración del mismo en los tejidos. Además la. Acidificación aleja el pH del rango efectivo de actividad enzimática.
- Reacción de Maillard
En realidad la denominada reacción de Maillard incluye las primeras etapas del proceso de pardearniento no enzimático, que se producen, fundamentalmente en las operacio¬nes de pasteurización, .concentración, y deshidratación, haciéndose, más evidente durante el .almacenamiento de los productos:
Cuando las proteínas sometidas a tratamientos térmicos están en presencia de hidra¬tos de carbono, especialmente azúcares reductores, se dan una serie de reacciones, conocidas como reacción de Maillard. En la reacción inicial se produce una condensación de los azucares (grupo carbonilo de almidón o cetonas) con aminoácidos (libres o formando parte de péptidos o proteínas) (grupo amino). Se forma así una aldosimina sustituida (o cetosimina) que, mediante la reorganización de Amadori, conduce a cetosimina. Los aminoácidos DÍA-minados como la usina son sustratos proclives a dar la condensación. Esta primera etapa que prosigue cómo se describe más abajo, ocasiona disminución de biodisponibilidad de un aminoácido, esencial, como lo es la lisina.
En la etapa intermedia se forman, a partir cié las cetosiminas, compuestos dicarbonílicos o reductores, que poseen un grupo enodiol análogo al ácido ascórbico y de fuerte poder reductor. En esta etapa intermedia comienza a modificarse el color de los productos, pues algunos de los compuestos formados tienen coloración amarillenta.
Por último a través de reacciones de polimerización se generan polímeros de color pardo más o menos intensos, denominados melanoidinas.
La reacción de Maillard se produce con más intensidad cuando los alimentos se someten a temperaturas elevadas durante tiempos prolongados y por almacenamiento a tem¬peraturas altas. Asimismo las reacciones citadas se favorecen con pH menos ácidos.
Desde el punto de vista nutritivo, se puede señalar un primer efecto negativo que es la reducción de la biodisponibilidad de los compuestos que entran a formar parte de la reacción para dar lugar a compuestos, tanto intermedios corno finales, que no pueden ser digeridos.
No obstante, la reacción de Maillard puede dar lugar a compuestos deseados desde el punto de vista sensorial, esencialmente aroma, gusto y colores.
Los factores que afectan la magnitud de la reacción, son: tipos de azúcares y ami¬noácidos implicados, temperatura, pH y actividad acuosa.
Los alimentos susceptibles de sufrir la reacción de Maillard son los derivados de cereales, frutas desecadas parcialmente, salsas o jugos complejos, leche y derivados lác¬teos, cacao, pescado y carnes.
- Hidratos de carbono
Las reacciones que sufren son de menor intensidad y de menor impacto nutricional. Los hidratos de carbono de la pared celular (celulosa, hemicelulosa, pectinas, etc.), al calentarse sufren transformaciones, que conducen a pérdidas estructurales de los alimen¬tos como la turgencia de los mismos. Las sustancias pécticas se disuelven por efecto del. Agua caliente, lo que provoca una rotura de la matriz intercelular con la separación celular correspondiente.
- Vitaminas y Minerales
En cuanto al contenido de minerales en vegetales y hortalizas, los mismos contie¬nen cantidades sólo significativas de hierro y calcio, destacando la riqueza de las verduras foliáceas como acelgas y espinacas. Sin embargo, la presencia, por un lado, de oxalatos, pueden interferir con la absorción de estos minerales y, por otra parte, el hierro se encuen¬tra en forma "no hemo", como ocurre en todos los vegetales donde se encuentra este mine¬ral, lo que hace que sea pobremente absorbido. El tratamiento térmico que conllevan los diversos sistemas de cocción alimentaria apenas conducen a efecto alguno en las pérdidas minerales. Éstas pueden ocurrir por arrastre y disolución en aguas de lavado. Por el con¬trario, la presencia de vitamina C en verduras y hortalizas facilita la absorción del mismo, contraponiéndose al efecto negativo antes expuesto.
Un aspecto interesante del calcio al margen de su valor nutricional es su importan¬cia tecnológica, ya que con las pectinas forma pectato cálcico que proporciona cuerpo y firmeza al producto destinado a conservas vegetales.
En cuanto a la riqueza vitamínica de verduras y hortalizas, contienen pequeñas can¬tidades de vitaminas Bp B2 y niacina, aunque en bastantes ocasiones, cuando el consumo de esos alimentos en la dieta es importante, también lo es la contribución al aporte vitamí¬nico de este grupo B. Destacan por su riqueza en vitamina B2 las verduras foliáceas.
Su verdadero valor vitamínico radica en la cantidad importante de carotenos, vitamina C y folatos que contienen. Gran parte del contenido vitamínico de los vegetales y hortalizas se suele perder con los tratamientos térmicos de altas temperatura, cuando son preparados para su conservación o ingesta.
El resultado de la liofilización se conoce por una serie de alimentos y algunas medicinas de consumo masivo. Cebollas y ajos, sopas, ciertos cafés importados, productos medicinales (vacunas, antibióticos, uña de gato), etc., se producen por liofilización. Estos productos en el caso de los alimentos, tienen la virtud de recuperar en un alto porcentaje, su sabor y textura originales.
La liofilización como proceso industrial se desarrolló en los años 50 del siglo XX pero se trata de una operación ya empleada por los Incas. El procedimiento ancestral consistía en dejar por la noche que los alimentos se congelasen por la acción del frío de los Andes y gracias a los primeros rayos de sol de la mañana y la baja presión atmosférica de las elevadas tierras andinas se producía la sublimación del agua que se había congelado, este proceso es conocido como, liofilización natural.
Se pueden liofilizar para su conservación: materiales no vivientes, tales como plasma sanguíneo, suero, soluciones de hormonas, productos farmacéuticos biológica¬mente complejos corno vacunas, sueros y antídotos; transplantes quirúrgicos con mucho tejido conectivo: arterias, piel y huesos; microorganismos simples destinados a durar largos períodos sin heladera, como bacterias, virus y levaduras. El proceso no es apto para células de tejidos blandos, que si bien se pueden liofilizar, pierden su viabilidad en el proceso.
La liofilización es ampliamente usada para la conservación de productos alimen¬ticios: detiene el crecimiento de microorganismos (hongos, mohos, etc.), inhibe el dete¬rioro del sabor y color por reacciones químicas, enranciamiento y pérdida de propiedades fisiológicas; y facilita el almacenamiento y la distribución. No sólo deja de ser necesaria una cadena de frío, sino que, a pesar de la gran pérdida de peso, los productos mantienen el volumen y la forma original. El material es fácilmente rehidratable.
La liofilización es un procedimiento de secado cuyo principio es la sublimación del hielo de un producto congelado. El ciclo se desarrolla en dos fases:
Fase de sublimación propiamente dicha, llamada "deshidratación primaria", que elimina alrededor del 90 % del agua.
Fase de desorción o de "desecación secundaria", que elimina el 10 % del agua ligada restante y que permite obtener un producto con una humedad final del 2%, Esta fase es una evaporación al vacío a temperatura de 20 a 60 °C.
Teniendo en cuenta que el punto triple del agua se sitúa a la presión de 610 Pas¬cal, a la temperatura de 0,01°C, la sublimación sólo puede tener lugar a una temperatura inferior a O "C y a una presión inferior a 610 Pascal (4,58 mmHg)

La sublimación es un cambio de estado endotérmico que involucra alrededor de 2.800 KJ por kg de hielo sublimado. Como se trabaja con un liofilizador por lotes, y no en forma continua, es una operación esencialmente cíclica. Puesto que la liofilización es una operación muy costosa, existe el interés de que la cantidad de agua a eliminar de un producto sea mínima y por lo tanto es conveniente efectuar una pre-concentración. La primera fase consiste en el pre-tratamiento del producto. En cualquier caso, la técnica de concentración escogida debe ser suave con el fin de que el producto que se introduzca en el liofilizador sea de calidad satisfactoria. En caso de tratarse de un producto sólido, puede disminuirse el tiempo de secado dividiendo su volumen (cortado, raspado, triturado, etc.) con el fin de aumentar la superficie de transferencia. Antes de la liofilización, los productos tratados deben ser congelados. Actualmente, la congelación se lleva a cabo en el propio liofilizado y no en un congelador externo: por ello se habla de "congelación interna".
Como el mecanismo limitante es la difusión del vapor a través de la masa del pro-ducto, para disminuir los riesgos de fusión del hielo y acelerar el secado, es conveniente hacer vacío en el liofilizador. Se hace vacío desde una de las salidas del refrigerante, el que está conectado a un recipiente cerrado que contiene bórax, para reducir al máximo posible el contacto del vapor de agua con la bomba de vacío.
Como la sublimación es un fenómeno endotérmico, una fuente de calor la provoca. Por lo tanto, como en todo proceso de eliminación de agua por vía térmica, se está produciendo simultáneamente transferencia de calor y transferencia de materia. En la liofili¬zación, las transferencias limitantes siempre son las internas. La transferencia * interna de calor por conducción se escribe:

Q=(λ A(T_S- T_X ))/X

Donde:
λ : Conductividad térmica del producto,
A: superficie de la placa de producto,
X: posición del frente de sublimación,
T: temperatura de la superficie del producto,
Tx: temperatura en el frente de sublimación.
A velocidad de sublimación constante, el caudal de evaporación E es tal que:
E=Q/L_S
Donde LS es el calor latente de sublimación. Por lo tanto,
E=(λ A(T_S- T_X ))/(XL_S )
INVENIO 9 (17) 2006: 147-157 151
Teniendo en cuenta la transferencia interna de masa, se puede considerar entre otros los mecanismos de difusión molecular y difusión de vapor. En este caso
E=(D A(p_x- p_s ))/(R〖T x〗_ )
D: difusividad del agua
R: constante de los gases ideales
p.: presión parcial del agua en la superficie del producto
p.: presión parcial del agua en el frente de congelación.
E=(P A(p_x- p_s ))/X
Siendo P la permeabilidad del producto
P= (D A)/(R T)
P: presión total en la superficie del producto ;
PX: presión total en el frente de congelación

En general la conductividad térmica y la permeabilidad varían en sentido inverso: en un producto compacto del tipo de una pasta, la conductividad térmica es elevada, pero la estructura del producto hará que la difusión del vapor sea difícil. Por lo contrario, en el caso de un producto poroso o granular, la permeabilidad a la difusión de vapor será exce¬lente, pero la conductividad térmica será muy baja.
Si por el contrarío se trata de un producto permeable pero térmicamente aislante, la capa seca ejerce el papel de pantalla térmica de modo que el gradiente de temperatura será elevado, con el consiguiente riesgo de quebradura del producto en superficie. Es importante considerar la influencia del espesor de la capa de producto. Si el factor limitante es la transferencia de calor y si se produce en régimen esta¬cionario, vale:

Q=E L_S= (λ A(T_S-T_X))/X= (λ A △T)/x
Como
E= dE/dt ⟹ dE/dt L_s= (λ A △T )/x
La cantidad de agua sublimada eliminada del producto es:
E=p(w_0- w)Ax
Siendo p la densidad del producto, w0 la humedad inicial y w la humedad final. Si se considera que la densidad del producto seco es la misma que la del producto húmedo, para una capa de producto de grosor infinitesimal dx. Resulta:
dE=p (w_0- w)A dx
Al considerar una capa de producto de grosor "a", y considerar además que la temperatura (T) permanece constante durante la sublimación, se puede decir que:

t= (pL_s (w_0- w))/(λ △T) ∫_0^a▒xdx y t= (p(w_0- w)a^2)/(2λ ΔT)

Si la transferencia de masa es limitante, una demostración análoga permite escribir:

t= (p (w_0- w)a^2)/(2p ΔP) xdx

Por lo tanto, en los dos casos se constata que la duración de la sublimación es aproximadamente proporcional al cuadrado del espesor del producto, de donde se com¬prende el interés por trabajar con capas delgadas o con trozos de pequeños tamaños.
Como se observa en el Gráfico 1, la velocidad de secado en función de la presión pasa por un máximo a una presión comprendida generalmente entre 0.01 y 1 mmHg. Al aumentar la presión disminuye el gradiente de presión entre el frente de sublimación y la superficie del. Producto; por otra parte se aumenta la temperatura de sublimación lo que provoca la disminución del gradiente de temperatura. Por lo tanto, el aumento de presión disminuye simultáneamente la cantidad de transferencia de masa y la cantidad de trans¬ferencia de calor.

La interpretación de la otra parte de la curva podría ser que el vacío muy intenso provoca el des aireado del producto de tal manera que cesan los movimientos de convec¬ción, lo que se traduce en disminución de la conductividad térmica del producto.
El costo total de liofilización es tanto más bajo cuanto menor es el tiempo de pro-ceso.
Se debe también tener presente que la permeabilidad a la difusión de vapor aumenta con la porosidad, lo que se traduce en un aumento de la velocidad de sublimación (por porosidad se entiende tamaño de los poros). Esta es la razón por la cual la lenta veloci¬dad de congelación del producto provoca rápida velocidad de secado ya que los cristales formados son voluminosos y se transforman en poros después de la sublimación. Si el producto de partida es líquido, los cristales formados durante la congelación son tanto más pequeños cuando mayor es el extracto seco inicial. Por lo tanto, la velocidad de liofiliza¬ción disminuye cuando aumenta el extracto seco inicial del producto.
Debido a las ventajas que aporta este método de conservación, el objetivo de este trabajo fue diseñar y construir un equipo de liofilización a escala de laboratorio, con el fin de conservar pequeñas muestras de alimentos sensibles a la temperatura, cepas bacteria¬nas o plasma, disminuyendo su actividad acuosa. Con el mismo se procedió a obtener las curvas de %H-t.

2. MATERIALES Y MÉTODO

Serpentín para condensación
Balón de condensación
Salida al zorrino
Deposito de mercurio
Válvula de compuertas
Vacio
Bomba de vacio

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
Como se muestra en la Figura 1, el equipo consta de una bomba de vacío Siemens-Schuckert: 220 V, 25 A, conectada por una tubería flexible a la parte superior del balón de condensación, el cual está provisto de un serpentín de cobre, donde circula la solución refrigerante de agua-alcohol, impulsada por un zorrino.

La cámara, de vacío se calefacciona con una corriente de vapor variable, según los requerimientos. Los mecanismos de transferencia de calor predominantes son conducción y convección.
El vacío se pierde por apertura progresiva de una válvula de compuertas, conectada al medidor de presión. Ya que el producto liofilizado tiene un elevado poder de absorción, se prefiere romper el vacío con un gas neutro como nitrógeno o dióxido de carbono o con aire seco.
Los sistemas de congelación, refrigeración, calefacción y tratamiento de aire son externos a la cámara de vacío.
En ensayos preliminares se verificó que no había pérdidas en las conexiones, que la presión dentro del sistema era inferior a 5 mmHg y que la eficiencia del condensador era adecuada.
En la Tabla 1 se detallan las condiciones y ensayos realizados con el equipo antes descripto.

4. TABLA 1- MUESTRAS Y CONDICIONES DE ENSAYOS
N" de ensayo Muestra Humedad
inicial % Tiempo (min) Condiciones de ensayo
1 Quinitos en
cuartos 80,70 105 Congelación fuera del balón

2 Tomates Churri
cubeteados 83,70 105 Congelación fuera del balón

3 Zapallitos cueteados 91,45 120 Cámara de vacío aislada con telgopor. Se congeló la muestra y se reinició el ciclo.
150 Se expuso a un vacío de 10 nimHg. Baño a 40 °C.
4 Zapallitos rallados 91,45 200 La muestra se colocó en el balón y luego se congeló.
5 Papas ralladas 82,00 180

180 Se congeló la muestra dentro del balón.
Se detuvo la bomba de vacío durante
2 horas.
Baño a 30 °C.
6 Papas ralladas 82,00 255

135 Se congeló la muestra dentro del balón.
Se detuvo la bomba de vacío durante
2,5 horas.
Baño a 30 °C

En todos los casos las determinaciones de humedad se hicieron por eliminación de agua en estufa a 105 °C, de acuerdo a AOAC 7.007.

5. RESULTADOS
En la Tabla 2 se muestran los porcentajes finales de humedad de los vegetales tra¬tados y el aspecto del producto luego del proceso de liofilización.
TABLA 2 -Reducción de humedad porcentual obtenidos en cada ensayo.
N°de ensayo Reducción de humedad % Aspecto final de la muestra
1 24,67 Cascara brillante, aspecto pre cocido, disminución de volumen
2 32,94 Color naranja rojizo, pérdida de turgencia, reducción de tamaño
3 4,00 Color pardo, mayor elasticidad y resistencia a la acción mecánica
4 38,45 Color pardo, aristas quebradizas
5 72,00 Color pardo, sin pérdida de aristas, fácilmente quebradizas
6 74,50 ídem anterior

Rehidratación: el producto obtenido en el ensayo 4 rué sumergido en agua potable, durante 20 minutos para su hidratación. Alcanzó una humedad final de 96,53 %, superior a la humedad inicial, debido a un mal escurrimiento. Presentó características físicas simi¬lares a las de la muestra sin tratar.
En el Gráfico 2 se muestra la reducción de humedad con respecto al tiempo. El gráfico se realizó según los resultados obtenidos en el ensayo 4.
La eliminación de agua no es lineal con respecto al tiempo.

6. CONCLUSIÓN
Los porcentajes de reducción de humedad fueron inferiores a los esperados en un proceso de liofilización, presumiblemente debido a tiempos insuficientes de tratamiento.
Aun así el equipo propuesto tiene un desempeño apropiado para uso académico.
Se dará continuidad a los ensayos a fin de mejorar la congelación, los mecanismos de transferencia de calor y los tiempos de tratamiento.

BIBLIOGRAFÍA

LEONARDO MAYER es alumno de la carrera de Ingeniería en Tecnología de los Alimentos en UCEL.
STELLA MARIS BERTOLUZZO es docente investigadora y codirectora del Taller de Física.
MARÍA GUADALUPE BERTOLUZZO es docente investigadora y directora del Taller de Física (Área Física - Facultad de Ciencias Bioquímicas y farmacéuticas) Universidad Nacional de Rosario.