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Ingeniería agrícola y biosistemas
versión On-line ISSN 2007-4026versión impresa ISSN 2007-3925
Ing. agric. biosist. vol.12 no.2 Chapingo jul./dic. 2020 Epub 13-Jun-2022
https://doi.org/10.5154/r.inagbi.2019.12.075
Artículo científico
Influencia del proceso de secado por microondas sobre la microestructura y las propiedades termodinámicas de cladodios de nopal
1Universidad de la Costa, Ingeniería en Agroindustrias. Carretera al Libramiento Paraje de Las Pulgas, Pinotepa Nacional, Oaxaca, C. P. 71606, MÉXICO.
2Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco km 38.5, Texcoco, Estado de México, C. P. 56230, MÉXICO.
3CICATA-Legaria, Instituto Politécnico Nacional. Legaria núm. 694, Ciudad de México, C. P. 11500, MÉXICO.
Introducción:
El secado del nopal proporciona una alternativa para su conservación, almacenamiento, manipulación y consumo.
Objetivo:
Evaluar los efectos del secado por microondas sobre las características microestructurales del nopal y sus propiedades termodinámicas en la interfaz alimento-agua.
Metodología:
Los cladodios de nopal se secaron en microondas a 75 y 158 kW·kg-1. La microestructura de las muestras se evaluó mediante microscopía electrónica de barrido. Las isotermas de adsorción se determinaron a 10, 20, 30 y 40 °C. El calor isostérico neto (qst) se calculó con la ecuación de Clausius-Clapeyron y el modelo de Peleg.
Resultados:
En las muestras deshidratadas a 75 kW·kg-1 hubo mayor preservación de estructuras internas y externas. Al aplicar 158 kW·kg-1 se observaron mayores daños en la microestructura del material. Las curvas de isotermas de adsorción del tipo III se obtuvieron conforme a la clasificación de Brunauer. El qst del nopal deshidratado fue de 7.51 kJ·mol-1, para un contenido de humedad de 0.05 kgH2O·kg-1.
Limitaciones del estudio:
Los resultados obtenidos son válidos únicamente para secado por microondas aplicando potencias de 75 y 158 kW·kg-1.
Originalidad:
Se propone el secado de nopal por microondas como un método alternativo que reduce el tiempo de secado y permite la conservación de las propiedades estructurales del material.
Conclusiones:
La potencia aplicada en el secado de nopal por microondas tuvo un impacto directo sobre la microestructura de las muestras. El uso de 75 kW·kg-1 fue la mejor condición de secado para conservar las estructuras de los cladodios.
Palabras clave nopal deshidratado; características microestructurales; microscopía; isotermas de adsorción; calor isostérico neto
Introduction:
The drying of nopal offers an alternative for their preservation, storage, handling and consumption.
Objective:
The effects of microwave drying on the microstructural characteristics of nopal and their thermodynamic properties at the food-water interface were evaluated.
Methodology:
Nopal cladodes were microwave-dried by applying powers of 75 and 158 kW·kg-1. Microstructure of the samples was evaluated by Scanning Electron Microscope. Adsorption isotherms were determined at temperatures of 10, 20, 30 and 40 °C. Net isosteric heat (qst) was calculated using the Clausius-Clapeyron equation and the Peleg model.
Results:
Samples dehydrated at 75 kW·kg-1 showed greater preservation of their internal and external structure. When applying a higher power (158 kW·kg-1), greater damage was observed in the microstructure of the material. Type III adsorption isotherm curves were obtained according to the Brunauer classification. The qst of the dehydrated nopal was 7.51 kJ·mol-1 for a moisture content of 0.05 kgH2O·kg-1.
Limitations of the study:
The results obtained are valid only for microwave drying by applying powers of 75 and 158 kW·kg-1.
Originality:
This work proposes the microwave drying of nopal as an alternative method that reduces drying time and allows the preservation of the material’s structural properties.
Conclusions:
The power applied in the microwave drying of nopal had a direct impact on the microstructure of the samples. The use of a power of 75 kW·kg-1 was the best drying condition to preserve the structures constituting the cladodes.
Keywords dehydrated nopal; microstructural characteristics; microscopy; adsorption isotherms; net isosteric heat
Introducción
El nopal es una planta xerófila perteneciente al género Opuntia con adaptaciones fisiológicas y morfológicas que le permiten vivir y crecer en condiciones de déficit hídrico (Marín-Bustamante et al., 2018). Sus tallos aplanados realizan el proceso fotosintético y se conocen técnicamente como cladodios. La planta tiene mecanismos que le permiten la retención de agua y una baja pérdida por evaporación y transpiración (Guevara-Figueroa et al., 2010).
Los cladodios son vegetales ricos en fibra dietética, carbohidratos, proteínas, aminoácidos, vitaminas, y minerales como potasio, magnesio y calcio (Contreras-Padilla et al., 2016; Shedbalkar, Adki, Jadhav, & Bapat, 2010). En la literatura, se han atribuido numerosas propiedades medicinales a los cladodios, incluso como tratamiento para diabetes, gastritis e hipocolesterolemia (Avila-Nava et al., 2014). Además, se ha informado su utilidad en el tratamiento de quemaduras, heridas, edemas e indigestión (Park & Chun, 2001). Otros autores han reportado que presenta propiedades antioxidantes, antiulcerogénicas (Galati et al., 2003), antivirales, antiinflamatorias y curativas (Aruwa, Amoo, & Kudanga, 2018).
El secado de los cladodios de nopal proporciona una alternativa para su conservación, almacenamiento, manipulación y consumo, así como ingrediente en una amplia gama de productos alimenticios (López, de Ita, & Vaca, 2009). Sin embargo, esta operación se ve obstaculizada por la cutícula (García-Saucedo, Valdez-Morales, Valverde, Cruz-Hernández, & Paredes-López, 2005). Se ha demostrado que el secado por microondas proporciona uniformidad en la aplicación de la energía, alta conductividad térmica, reducción del tiempo de secado, ahorro de energía, y ventajas como el aprovechamiento del espacio, facilidad de limpieza, control preciso del proceso e inicio rápido (Chahbani et al., 2018; Chandrasekaran, Ramanathan, & Basak, 2013; Chizoba-Ekezie, Sun, Han, & Cheng, 2017; Dadali, Demirhan, & Özbek, 2008; Guo, Sun, Cheng, & Han, 2017; Pereira, Marsaioli, & Ahrné, 2007; Pu, Li, Hui, & Raghavan, 2016; Therdthai & Zhou, 2009; Vongpradubchai & Rattanadecho, 2009; Wang et al., 2019). No obstante, el secado por microondas puede causar calentamiento excesivo, lo cual puede originar daños físicos en el producto como carbonización, pérdida de color y distribución desigual de la temperatura (Vadivambal & Jayas, 2007), lo que ocasiona efectos negativos en la estructura, el color, la porosidad y la elasticidad del producto (Fernandes, Rodrigues, Law, & Mujumdar, 2011), y un posible cambio en la composición química.
Las isotermas de adsorción permiten optimizar el proceso de secado, el diseño del deshidratador, el control microbiológico, la evaluación de la estabilidad de almacenamiento y la predicción de la vida útil del producto al determinar el cambio de humedad durante su vida de anaquel y la selección del material de envasado (Amiri-Chayjan & Esna-Ashari, 2010; Ciro, Osorio, & Cortés, 2008; Vega-Gálvez, Lara-Aravena, & Lemus-Mondaca, 2006). El calor isostérico neto (qst) es una medida de las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y la superficie del sustrato alimenticio (Al-Muhtaseb, Al-Harahsheh, Hararah, & Magee, 2010). El qst proporciona una idea de la microestructura asociada al alimento y la interpretación física de la interfaz alimento-agua (McMinn & Magee, 2003; Moraes, Rosa, & Pinto, 2008; Toğrul & Arslan, 2006). En la literatura, el qst se ha determinado para una gran diversidad de alimentos, encontrando valores entre 10 y 75 kJ·mol-1, que varían según el método de secado, la zona de contacto de los materiales, y los fenómenos resultantes de transferencia de masa y calor (Chenlo, Moreira, Prieto, & Torres, 2011; Miranda et al., 2012; Rohitha-Prasantha & Amunogoda, 2013; Singh, Mishra, & Saha, 2011; Yogendrarajah, Samapundo, Devlieghere, de Saeger, & de Meulenaer, 2015).
Aunque el nopal es un alimento ampliamente aceptado en México, su consumo es principalmente en fresco, por lo que hay muy poca información científica sobre los procesos para prolongar su vida de anaquel. Medina-Torres, Gallegos-Infante, González-Laredo, y Rocha-Guzmán (2008) evaluaron el efecto del secado convectivo y el osmótico sobre las propiedades mecánicas del nopal, y observaron que las muestras de nopal secadas con el primer método conservaron sus propiedades mecánicas de una mejor manera. Sin embargo, algunos estudios señalan que el secado por convección puede causar alteración en la calidad de los alimentos deshidratados (Chahbani et al., 2018; Giri & Prasad, 2007). Considerando lo anterior, el objetivo de esta investigación fue elucidar el efecto del secado por microondas bajo dos potencias específicas (75 y 158 kW·kg-1) sobre las características microestructurales del nopal deshidratado. Además, se utilizaron las isotermas de adsorción a diferentes temperaturas (10, 20, 30 y 40 °C) y el calor isostérico neto (qst) como herramientas para explicar la interacción del agua con la matriz de los cladodios de nopal.
Materiales y métodos
Materia prima
Los cladodios de nopal utilizados fueron de la variedad Atlixco, los cuales se adquirieron en Otumba, Estado de México. Se seleccionaron piezas homogéneas de entre 120 y 130 g, grosor de 5 a 7 mm, madurez intermedia y sin daños mecánicos. Los cladodios que integraban la muestra se lavaron y se limpiaron (se retiraron las espinas y se recortaron las puntas), obteniéndose finalmente piezas de 12.5 cm de largo y 64.2 ± 0.38 g de peso.
Secado por microondas
Se deshidrataron intermitentemente muestras con humedad de 92.91 ± 0.19 % en un horno de microondas (Ms 1446SQP, marca LG, con dimensiones internas de 0.37 x 0.36 x 0.23 m, voltaje de 120 V y frecuencia de 2 450 MHz) aplicando potencias de 75 o 158 kW·kg-1, hasta reducir la humedad a 7.72 ± 0.515 %. Una vez secas, las muestras se almacenaron en bolsas de plástico a temperatura ambiente hasta la realización de los análisis. La temperatura de la superficie de los cladodios se midió con un termómetro infrarrojo (Fluke 561, Fluke®, EUA). Cada condición de secado se realizó por triplicado.
Análisis de microestructuras y microanálisis
El estudio de la microestructura y el análisis elemental se realizaron con un microscopio electrónico de barrido (JSM-6390 LV, JEOL, Japón) equipado con un detector de dispersión de energía de rayos X (EDS) y un módulo de enfriamiento Peltier. Las muestras de nopal seco se montaron con cinta de carbono de doble cara en portamuestras de latón y se recubrieron con oro mediante pulverización catódica bajo condiciones de vacío (Desk IV, Denton Vacuum). El análisis elemental de las muestras secas se obtuvo mediante EDS. En el caso de las muestras frescas, éstas se colocaron en un portamuestras enfriado y su temperatura disminuyó gradualmente hasta alcanzar los -25 °C. El equipo se operó con un voltaje de aceleración de 20 kV, y se obtuvieron imágenes a diferentes aumentos.
Cinética de secado
La cinética de secado se obtuvo a las dos potencias específicas (75 y 158 kW·kg-1). Se monitoreó la pérdida de peso en los cladodios mientras se deshidrataban; para ello, se extrajo la muestra cada 10 s y se determinó el peso y la temperatura para, posteriormente, obtener el contenido de humedad por diferencia de peso.
Isotermas de adsorción
Los materiales deshidratados a una potencia de 75 kW·kg-1 se utilizaron para trazar las isotermas de adsorción, dado que esa fue la mejor condición de secado para conservar las estructuras de los cladodios. Las isotermas de adsorción se obtuvieron a cuatro temperaturas (10, 20, 30 y 40 °C) en un rango de actividad de agua (a w ) de 0.461 a 0.988, para lo cual se utilizó un método gravimétrico basado en la a w generada por soluciones salinas saturadas (carbonato de potasio, nitrato de magnesio, nitrito de sodio, cloruro de sodio, sulfato de amonio, cromato de potasio, nitrato de potasio y sulfato de potasio) (Lee & Lee, 2008). Se colocó una cantidad conocida de muestra seca (2 g) en las diferentes soluciones proporcionadas en recipientes cerrados herméticamente durante 14 días. Posteriormente, se retiraron y se determinó el contenido a w y de humedad de equilibrio (x e ). La a w se obtuvo con un medidor de actividad de agua Aqualab CX-2 (Decagon Devices, EUA) calibrado previo a su uso con agua desionizada, y se ajustó conforme a la temperatura de trabajo. La x e se obtuvo en función de las diferencias de peso de acuerdo con el método oficial de la Association of Official Analytical Chemists 934.06 (AOAC, 1990), siguiendo la metodología reportada por McMinn y Magee (2003). Las ecuaciones utilizadas para modelar las isotermas se presentan en el Cuadro 1.
Cuadro 1 Ecuaciones utilizadas para la modelación isotérmica.
| Modelo | Ecuación matemática1 | Referencia |
|---|---|---|
| Peleg |
|
(Sopade, Xun, Halley, & Hardin, 2007) |
| GAB |
|
(Singh et al., 2011) |
| Halsey |
|
(Lopes-Filho, Romanelli, Barboza, Gabas, & Telis-Romero, 2002) |
| Oswin |
|
(Shivhare, Arora, Ahmed, & Raghavan, 2004) |
| BET |
|
(Chenlo et al., 2011) |
| Iglesias y Chirife |
|
(Lee & Lee, 2008) |
| Kuhn |
|
(Ayranci & Duman, 2005) |
| Smith |
|
(Miranda et al., 2012) |
1A, B, C, CB, c, d, k y no son constantes de los modelos.
Calor isostérico de adsorción
Las isotermas de sorción obtenidas a diferentes temperaturas permiten calcular el qst de la sorción (Simal, Femenia, Castell-Palou, & Rosselló, 2007). Este parámetro se puede determinar a partir de la ecuación de Clausius-Clayperon (Chenlo et al., 2011; Moreira, Chenlo, Prieto, & Torres, 2012; Singh et al., 2011):
Análisis estadístico
La regresión no-lineal de los modelos aplicados a los valores experimentales se llevó a cabo con el programa Sigma Plot 10, el cual utiliza el algoritmo de Marquardt-Levenberg para encontrar los parámetros que minimizan la diferencia de la suma de cuadrados entre los valores observados y los predichos de la variable dependiente. La calidad del ajuste de los modelos propuestos se evaluó mediante el coeficiente de determinación (R 2 ) y el error estándar (EE), para ello se utilizó el modelo de regresión no-lineal con una probabilidad experimental de 95 % (P ≤ 0.05).
Resultados y discusión
Cambios microestructurales debido a la aplicación de microondas
Cutícula
La Figura 1 muestra las cutículas de nopal fresco y deshidratado (a potencias de 75 y 158 kW·kg-1). El nopal fresco (Figura 1a) posee una capa cerosa que protege la epidermis, con estomas ligeramente hundidos formados por dos células oclusivas y el ostium donde se realiza el intercambio gaseoso del proceso fotosintético. Esta morfología es similar a la reportada en el análisis de 10 materiales del género Opuntia (Silva, Acevedo, & Silva, 2001). Al aplicar una baja potencia durante el secado (75 kW·kg-1), la superficie cuticular presentó pliegues, y el contorno de los estomas emergió de la superficie y formó erupciones, lo cual permitió ver la apertura del ostium (Figura 1b). La Figura 1c muestra que al aplicar una mayor cantidad de energía (158 kW·kg-1), la superficie cuticular presenta erupciones menos pronunciadas, por lo que tiende a ser una superficie más plana. En los cladodios de nopal deshidratado se observaron gránulos blancos, los cuales se pudieron haber formado por la transferencia de vapor y el arrastre de oxalato de calcio a la superficie.
Figura 1 Microestructura de la cutícula: a) nopal fresco, b) nopal secado a 75 kW·kg-1 y c) nopal secado a 158 kW·kg-1.
El microanálisis elemental para determinar la composición de los gránulos blancos formados en la cutícula mostró altas concentraciones de calcio y potasio (Cuadro 2). La presencia de estos elementos puede deberse a la migración, hacia la superficie cuticular, de oxalatos de calcio, polisacáridos del mucílago, y ácidos orgánicos presentes en las vacuolas del parénquima y el clorénquima. A una potencia mayor, hubo una menor concentración superficial de minerales formadores de sal como el calcio, potasio, cloro, magnesio y fósforo. Este fenómeno pudo deberse a su concentración en el parénquima y no en la cutícula.
Tejidos internos
La Figura 2 muestra las capas internas de los cladodios frescos y deshidratados. En el nopal fresco se distinguieron cuatro capas: cutícula, epidermis, clorénquima y parénquima (Figura 2a). El clorénquima está compuesto por células cilíndricas alargadas en multicapas, con pequeños espacios intercelulares, lo que concuerda con lo observado por Silva et al. (2001). Andersen, Lucchini, Moriconi, y Fernández (2006) estudiaron la anatomía de las hojas de Lippia turbinata (poleo) y consideraron a las multicapas de las células de la empalizada como un rasgo xeromórfico. Dichas células son responsables del proceso de fotosíntesis, por lo que son ricas en clorofila, lo que les da una tonalidad verde.
Figura 2 Microestructura interna: a) corte longitudinal de nopal fresco, b) corte longitudinal de nopal secado a 75 kW·kg-1, c) corte transversal de nopal secado a 75 kW·kg-1 y d) corte transversal de nopal secado a 158 kW·kg-1.
En el secado de los cladodios de nopal con la potencia de 75 kW·kg-1, se formaron áreas permeables al agua al abrirse las membranas celulares del clorénquima y el parénquima (Figuras 2 y 2c). En el clorénquima se observaron orificios circulares en los conductos del xilema, y en el parénquima se distinguieron huecos en los sitios donde se encontraban las vacuolas. Al aumentar la potencia de secado a 158 kW·kg-1, la evaporación del agua ocurrió más rápidamente (conforme a la cinética de secado), lo que provocó la ruptura de las membranas celulares; esto indica que al aplicar una mayor cantidad de energía los tejidos sufren un mayor daño (Figura 2d). Therdthai y Zhou (2009) determinaron que al aumentar la potencia de trabajo se generan poros más grandes debido a la rápida y masiva vaporización del agua.
Parénquima
El parénquima del nopal fresco y deshidratado (con 75 y 158 kW·kg-1) se presenta en la Figura 3. El parénquima es el tejido de la porción interna o central de los cladodios frescos. El análisis microestructural mostró que las células que lo componen tienen geometría isodiamétrica esponjosa (Figura 3a), cuya función es acumular mucílago y agua. Silva et al. (2001) mencionan que cuanto más cerca están las células del centro del parénquima, más se pierde su estructura y más se adelgazan sus paredes. Las células son blancas debido al reducido número de cloroplastos y a la presencia de grandes vacuolas que ocupan el 95 % del volumen celular. Las vacuolas celulares tienen drusas circulares formadas por cristales de oxalato de calcio, tal como lo señalan Soares-da Silva et al. (2010) y Silva et al. (2001).
Figura 3 Microestructura del parénquima: a) nopal fresco, b) nopal secado a 75 kW·kg-1 y c) nopal secado a 158 kW·kg-1.
El parénquima del material deshidratado con la potencia baja mostró vacíos, membranas celulares abiertas y porosas (generadas al eliminar el agua almacenada en las vacuolas), y conservación de la geometría celular (Figura 3b). La Figura 3c muestra el parénquima del nopal deshidratado con la potencia mayor, en donde se puede observar que las células estaban comprimidas e impermeables. Cuando se presentó vaporización rápida, algunos compuestos como los oxalatos no se movilizaron, lo cual llevó a su concentración in situ, y provocó que las membranas celulares se comprimieran, sin mostrar cavidades o huecos.
La potencia aplicada en el secado de nopal por microondas tuvo un impacto directo en la microestructura de las muestras. Al utilizar la potencia más baja (75 kW·kg-1) se logró una mayor conservación y diferenciación de las estructuras que constituyen los cladodios (epidermis, clorénquima y parénquima), mientras que al incrementar la potencia a 158 kW·kg-1 se produjeron mayores daños estructurales debido a la ruptura de las membranas. Esto se puede atribuir a la rápida y violenta vaporización del agua durante los fenómenos de transporte del fluido durante el secado. En la cinética de secado de las dos potencias específicas se observó que la temperatura aumentaba con la potencia, y que el tiempo de secado se reducía, lo que indica una mayor velocidad en la pérdida de humedad. Los cladodios de nopal deshidratado con la potencia específica inferior tuvieron zonas permeables al agua y una superficie amplia de contacto, lo que resultó en una interacción buena en la interfaz alimento-agua.
Cinética de secado
La cinética de secado del nopal varió de acuerdo con la potencia aplicada (Figura 4a). Con 75 kW·kg-1, el material alcanzó un contenido de humedad constante a los 310 s y temperaturas máximas de 98 °C; así, el tratamiento térmico fue de 23 250 kJ·kg-1. Al aplicar 158 kW·kg-1, la temperatura aumentó rápidamente, alcanzando temperaturas máximas de 107 °C, y el material mostró un contenido de humedad constante a los 260 s, con lo que se aplicaron 41 080 kJ·kg-1, lo cual indica una mayor velocidad en la pérdida de humedad al aumentar la potencia.
Isotermas de adsorción a potencias específicas bajas
Las isotermas de adsorción se realizaron en un rango de a w de 0.461 a 0.988, ya que la a w del producto deshidratado fue de 0.478 ± 0.003 (Figura 4b). Las isotermas se obtuvieron con la típica forma sigmoidal de las curvas de Brunauer tipo III. Este tipo de curvas indican interacciones débiles entre el adsorbato y el adsorbente (Brunauer, Deming, Deming, & Teller, 1940), manteniendo cantidades bajas de agua con a w baja y cantidades grandes de agua con niveles altos de humedad relativa (Samaniego-Esguerra, Boag, & Robertson, 1991).
La curva sigmoidea del tipo III se ha obtenido en varios alimentos, como el chocolate en polvo (Medeiros, Bartolomeu-Ayrosa, de Moraes-Pitombo, & da Silva-Lannes, 2006), el polvo de guanábana deshidratado (Ceballos, Giraldo, & Orrego, 2009), la pulpa de naranjilla en polvo (Gabas, Telis-Romero, Giraldo-Gómez, & Telis, 2009), la pulpa de mango (Rangel-Marrón et al., 2011) y el ñame (Montes et al., 2009). Las características que comparten estos productos son su amplia superficie de exposición cuando se encuentran en forma de polvo, sus materiales porosos o membranosos y, en algunos casos, su alto contenido de azúcar.
En las isotermas de adsorción a diferentes temperaturas se observó que el contenido de humedad disminuye cuando la temperatura aumenta en los diferentes niveles de a w . Shivhare et al. (2004) explicaron que la energía cinética asociada con las moléculas de agua presentes en los alimentos aumenta con el incremento de la temperatura; esto, a su vez, conlleva a la disminución de las fuerzas de atracción y, por lo tanto, al escape de las moléculas de agua, lo cual se traduce en una disminución del grado de adsorción con el aumento de la temperatura a una a w específica.
El modelo con el mejor ajuste, con base en el coeficiente de determinación, fue el de Peleg; las ecuaciones obtenidas fueron:
Los valores del coeficiente de correlación (R 2 ) y el error estándar (EE) de las regresiones no-lineales aplicadas a los valores experimentales de las isotermas de adsorción se muestran en el Cuadro 3.
Cuadro 3 Bondad de ajuste de los diferentes modelos de isotermas de adsorción.
| Modelo | R 2 | Error estándar | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 °C | 20 °C | 30 °C | 40 °C | 10 °C | 20 °C | 30 °C | 40 °C | ||
| Peleg | 0.9917 | 0.9962 | 0.9965 | 0.9955 | 0.0905 | 0.0417 | 0.0328 | 0.0358 | |
| GAB | 0.9898 | 0.9984 | 0.9980 | 0.9950 | 0.0984 | 0.0262 | 0.0245 | 0.0369 | |
| Halsey | 0.9905 | 0.9978 | 0.9950 | 0.9945 | 0.0927 | 0.0307 | 0.0376 | 0.0380 | |
| Oswin | 0.9899 | 0.9970 | 0.9931 | 0.9941 | 0.0959 | 0.0358 | 0.0440 | 0.0394 | |
| BET | 0.9882 | 0.9954 | 0.9936 | 0.9948 | 0.1036 | 0.0439 | 0.0423 | 0.0368 | |
| Iglesias & Chirife | 0.9868 | 0.9945 | 0.9940 | 0.9944 | 0.1097 | 0.0481 | 0.0411 | 0.0384 | |
| Kuhn | 0.9865 | 0.9943 | 0.9939 | 0.9944 | 0.1076 | 0.0490 | 0.0415 | 0.0382 | |
| Smith | 0.8693 | 0.8769 | 0.8987 | 0.9220 | 0.3445 | 0.2277 | 0.1689 | 0.1428 | |
Calor isostérico neto del nopal deshidratado a potencia específica baja
La curva de qst se calculó con las ecuaciones proporcionadas por el modelo de Peleg en un rango de contenido de humedad de 0.05 a 1.00 kgH2O·kg-1. Dicha curva permite estimar la energía adicional a la entalpía de vaporización a una temperatura específica para lograr la separación o unión del agua en la interfaz alimentaria.
En la Figura 4c se puede observar que con altos contenidos de humedad el qst es bajo, por lo que la demanda de energía en esta etapa se debe principalmente a la vaporización de agua (entalpía de vaporización). En la monocapa, donde el agua es adsorbida por quimisorción y tiene una unión fuerte con la superficie del alimento, el qst se eleva y la energía adicional es precisamente para romper la unión.
El qst del material seco fue de 7.51 kJ·mol-1 a un contenido de humedad de 0.05 kgH2O·kg-1. Este valor es relativamente bajo en comparación con el obtenido en otros materiales, lo cual puede deberse al método de secado, tal como lo indican Lee y Lee (2008). Estos autores compararon el qst obtenido en secado por congelación, al vacío y por aire caliente de un hongo (Innotus obliquus). El tamaño de las partículas también puede ser la causa de un valor de qst bajo. Moreira et al. (2012) y Singh et al. (2011) observaron que el qst disminuye a medida que aumenta la superficie de contacto, ya que se obtienen valores más bajos en los granos molidos que en los enteros. El nopal deshidratado tiene una extensa área de exposición, lo que puede generar un comportamiento similar.
Los valores de qst obtenidos para los diferentes contenidos de humedad se modelaron utilizando ecuaciones exponenciales decrecientes con diferentes parámetros. Las Ecuaciones 14 a 16 permiten calcular el valor del qst en función del contenido de humedad. El modelo exponencial de cuatro parámetros fue el que presentó el mejor ajuste (R 2 de 99.9). Las ecuaciones obtenidas fueron las siguientes:
Conclusiones
La potencia aplicada en el secado de nopal por microondas tuvo un impacto directo en la microestructura de las muestras. Al utilizar una potencia de 75 kW·kg-1, se logró una mayor conservación y diferenciación de las estructuras que constituyen los cladodios (epidermis, clorénquima y parénquima), mientras que aumentar la potencia (158 kW·kg-1) generó mayores daños estructurales debido a la ruptura de membranas. El valor del calor isostérico neto fue bajo, probablemente debido a la extensa área de contacto del material y a la alta conductividad del calor generado por las microondas al interior de la muestra. Se puede concluir que el secado de nopal por microondas es un método alternativo que reduce el tiempo de secado y permite conservar las propiedades estructurales del material cuando se utiliza una potencia de 75 kW·kg-1 durante un tiempo de 310 s.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por la Universidad Autónoma Chapingo (Proyecto 135403002), y expresan su gratitud al Grupo de Investigación de Bioprocesos por la discusión del manuscrito.
REFERENCIAS
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Recibido: 16 de Diciembre de 2019; Aprobado: 21 de Abril de 2020
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