Estudio de la aplicación de ultrasonidos de alta intensidad en sistemas sólido-líquido y sólido-gas. Influencia en la cinética de transporte de materia y en la estructura de los productos.

Content Provider	Semantic Scholar
Author	López, César Ozuna
Copyright Year	2014
Abstract	En los ultimos anos, la aplicacion de Ultrasonidos de Alta Intensidad (US) en procesos alimentarios ha despertado un gran interes debido a su capacidad para intensificar los fenomenos 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. Ademas, la aplicacion 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 interaccion entre la energia acustica 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 interaccion ultrasonidos-estructura del producto en varios sistemas solido-liquido y solido-gas. Respecto a las aplicaciones en sistemas solido-liquido, se estudio 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 aplicacion de US en las cineticas de transporte de agua y NaCl, asi como en la microestructura y en las propiedades fisicas del producto final. Ademas, en el salado de carne (5±1 oC), se estudio el efecto de la concentracion de NaCl en la salmuera (50, 100, 150, 200, 240 y 280 kg NaCl/m3). En este sentido, se observo que la concentracion de la salmuera afecto a la direccion del transporte de agua. Asi, a concentraciones inferiores a 200 kg NaCl/m3, las muestras se rehidrataron, mientras que a concentraciones mayores, la muestras sufrieron una deshidratacion. En el caso del desalado de bacalao (4±1 oC), se evaluo la aplicacion de dos potencias acusticas diferentes. En ambos procesos, se analizo el transporte de materia mediante modelos difusivos. El analisis microestructural se realizo a traves de diferentes tecnicas: SEM, Cryo-SEM y microscopia optica. Ademas, se evaluaron ciertos parametros fisicos del producto final, tales como la dureza y el hinchamiento de las muestras. Los modelos difusivos describieron de manera adecuada las cineticas 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 aplicacion de US intensifico significativamente (p<0.05) el transporte de materia, incrementando ambas difusividades efectivas (agua y NaCl). Ademas, en el caso del desalado de bacalao, se observo que al aumentar la potencia acustica aplicada al medio, la intensificacion del transporte de materia fue mas acusada. La ganancia de sal en el salado de carne provoco cambios en la textura, asi, altos contenidos de NaCl conllevaron muestras mas duras. La mayor dureza de la carne salada con US, comparada con la salada de manera convencional, pudo deberse a su contenido mas alto de sal. Por otro lado, en el bacalao, el desalado produjo el hinchamiento y el ablandamiento de las muestras. Dichos efectos fueron mas evidentes al aplicar US. Mediante el analisis microestructural se observo que, la carne salada con la aplicacion de US presento una distribucion mas homogenea de NaCl, mientras que en el bacalao desalado, los US produjeron un incremento de la anchura de las fibras musculares. En sistemas solido-gas, se estudio la aplicacion de US sin contacto directo tanto en el secado por aire caliente como en el secado a baja temperatura. En primer lugar, se estudio la aplicacion de US en el secado a baja temperatura de bacalao salado. En este estudio se cuantifico la influencia de los US en las cineticas de secado y en algunas propiedades fisicas del producto final. Asi, 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 aplicacion de US. En las muestras deshidratadas se analizo la capacidad de rehidratacion (4 °C), el color, la textura y la microestructura. Con el fin de cuantificar la influencia de la aplicacion de US y la temperatura durante el secado, las cineticas de secado y de rehidratacion se modelizaron mediante modelos difusivos y empiricos. En todas las temperaturas estudiadas, la aplicacion de US durante el secado de bacalao incremento la velocidad del proceso, alcanzando reducciones de tiempo de hasta un 50%. Por otro lado, el modelo difusivo describio adecuadamente las cineticas de secado proporcionando porcentajes de varianza superiores al 99%. La aplicacion de US incremento significativamente (p<0.05) la difusividad efectiva hasta un 110%. Respecto a las propiedades fisicas, las muestras secadas con US fueron mas blandas y presentaron una mayor capacidad de rehidratacion que las muestras secadas de manera convencional. Este hecho se relaciono con los cambios microestructurales observados, tales como, mayores espacios entre las miofibrillas y una mayor migracion de la sal a la superficie de las muestras. Finalmente, la aplicacion de US produjo cambios significativos (p<0.05) de color en el producto deshidratado. En el caso de la aplicacion de US en el secado por aire caliente, se evaluo la respuesta de diferentes vegetales ante la energia acustica. Asi, se estudio la aplicacion 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 acustica (0, 6, 12, 19, 25 y 31 kW/m3). La aplicacion 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 cineticas de secado fueron modelizadas mediante modelos difusivos con diferente nivel de complejidad. Para las condiciones experimentales estudiadas, la resistencia externa resulto ser significativa. Asi, su consideracion en el modelo difusivo incremento 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 resulto un fenomeno significativo, como en el caso de la berenjena, la difusividad efectiva identificada fue sobreestimada. Es por ello que, el modelo difusivo que considera ambos fenomenos (resistencia externa y encogimiento) se utilizo para describir con mayor precision las cineticas de secado de berenjena, alcanzandose porcentajes de varianza explicada superiores al 99% y errores relativos medios inferiores al 1.2%. La potencia ultrasonica influyo significativamente (p<0.05) en los parametros cineticos. Asi, se observaron relaciones lineales significativas entre la difusividad efectiva y el coeficiente de transferencia de materia con la potencia ultrasonica aplicada. Por otro lado, la magnitud del incremento de los parametros cineticos con el aumento de la potencia acustica aplicada se vio muy influenciado por el producto secado. Con el objetivo de mejorar la comprension de como 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 limon. Las cineticas de secado fueron analizadas mediante un modelo difusivo en el cual se considero la difusividad efectiva como un parametro global del transporte de materia. Ademas, en todos los productos se determino experimentalmente la porosidad y diversos parametros texturales, como por ejemplo la dureza, la microestructura y las propiedades acusticas. La Pendiente de la relacion lineal entre la Difusividad efectiva y la Potencia Ultrasonica aplicada (PDPU) calculada para cada producto se utilizo como una estimacion de la efectividad de los US, de manera que mientras mayor fue dicha pendiente, la efectividad de los US se incremento. Se observo la existencia de una correlacion lineal (r?0.95) entre PDPU y la porosidad y dureza del producto. Asi, en productos que presentaron una mayor porosidad y una menor dureza, la PDPU fue mayor. Ademas, se observo que las relaciones PDPU vs. impedancia y PDPU vs. coeficiente de transmision de la energia acustica mostraron un patron muy similar. Este hecho pone de manifiesto que la aplicacion de US en el proceso de secado depende en gran medida de la fraccion de energia ultrasonica que penetra en el solido. Por un lado, los productos mas blandos y con una estructura mas porosa mostraron una mejor transmision de la energia acustica y fueron mas sensibles a los efectos mecanicos producidos por los US. Por otro lado, los materiales mas duros y con una estructura mas compacta fueron menos afectados por la energia acustica, debido a la gran diferencia de impedancias entre el producto y el aire, lo cual puede inducir grandes perdidas de energia 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-liquido y en solido-gas. En primer lugar, se ha demostrado el potencial de los US para intensificar las cineticas de transporte de materia en ambos sistemas. Ademas, en ambos casos, los efectos mecanicos atribuidos a la aplicacion de US provocaron cambios en la estructura del producto, asi como tambien en las propiedades fisicas del material tratado que deben de tenerse en cuenta en vistas a preservar la calidad de los productos. Ademas, en los sistemas solido-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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DOI	10.4995/Thesis/10251/34779
Alternate Webpage(s)	https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/34779/resumen.pdf?sequence=2
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Language	English
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