Numerical solution of coupled mass and energy balances during osmotic microwave dehydration

The mass and energy transfer during osmotic microwave drying (OD-MWD) process was studied theoretically by modeling and numerical simulation. With the aim to describe the transport phenomena that occurs during the combined dehydration process, the mass and energy microscopic balances were solved. An osmotic-diffusional model was used for osmotic dehydration (OD). On the other hand, the microwave drying (MWD) was modeled solving the mass and heat balances, using properties as function of temperature, moisture and soluble solids content. The obtained balances form highly coupled non-linear differential equations that were solved applying numerical methods. For osmotic dehydration, the mass balances formed coupled ordinary differential equations that were solved using the Fourth-order Runge Kutta method. In the case of microwave drying, the balances constituted partial differential equations, which were solved through Crank-Nicolson implicit finite differences method. The numerical methods were coded in Matlab 7.2 (Mathworks, Natick, MA). The developed mathematical model allows predict the temperature and moisture evolution through the combined dehydration process.Facultad de Ingenierí

Empleo de colorantes naturales en la formulación y elaboración de masas

La elaboración de los productos procedentes de fuentes naturales y fabricados por tecnologías no contaminantes es demandada en el mercado. El uso de colorantes naturales o aditivos en general, es una alternativa más saludable a los sintéticos, tradicionalmente utilizados para controlar el deterioro de los alimentos. Pigmentos de repollo colorado (Brassica oleracea L. var. Capitata) y remolacha (Beta vulgaris L. var. Esculenta), constituyen una alternativa a los colorantes artificiales y sus extraordinarias actividades antioxidantes han aumentado el interés de estos compuestos. Ellos podrían incorporarse a los productos de panadería. En este trabajo, varias masas fueron formuladas a partir de diferentes tipos de harinas, proporcionando diferente valor nutricional. El objetivo de este trabajo fue elaborar diferentes masas crudas y horneadas formuladas con la adición de sustancias naturales con actividad específica como antioxidantes. Además, en este trabajo, estas masas se caracterizaron con el fin de obtener información útil para fines industriales.Nowadays, the elaboration of products coming from natural sources and manufactured by no contaminating technologies is demanded. The use of natural colorants or additives in general, is a healthier alternative to synthetics ones, traditionally used to control the food deterioration. Pigments from red cabbage (Brassica oleracea L. var. capitata) and beet (Beta vulgaris L. var. esculenta), constitute an alternative to artificial colorants and their extraordinary antioxidant activities increased the interest on these compounds. They could be incorporated to bakery products. In this work, several doughs were formulated from different kinds of flours, providing different nutritional value. The aim of this work was to elaborate different formulated raw and baked dough with the addition of natural substances with specific activity as antioxidants. Besides, in this work, these doughs were characterized in order to get useful information for industrial purpose.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de AlimentosComisión de Investigaciones Científicas de la provincia de Buenos Aire

Digital image analysis for shrinkage evaluation in strawberries subjected to emerging processing technologies

En las frutas, particularmente en fresas, el aspecto es un atributo de suma importancia. La apariencia que puede definirse por el color, la forma, el tamaño y la textura visual, no sólo determina el grado de maduración o la presencia o ausencia de impurezas si no también da indicios de la aplicación de procesos tecnológicos o condiciones de almacenamiento prolongado. En la mayor parte de los casos, un encogimiento excesivo de las frutas afecta negativamente la preferencia y aceptación de dichos productos por los consumidores. En el caso de las frutas deshidratadas, las modificaciones morfométricas (forma y tamaño) ocasionadas por el proceso son tema de gran incumbencia para la industria. Las técnicas tradicionales de monitoreo de parámetros físicos y físico-químicos de calidad suelen requerir períodos de análisis prolongados, son costosas, laboriosas, invasivas e impracticables durante el monitoreo en-línea a nivel industrial. Por tanto, el presente trabajo trató sobre la evaluación y correlación de características morfométricas: área (A), mediante técnicas de análisis digital de imágenes, y espesor (L) medido con un calibre, en rodajas de fresas (1 cm de espesor inicial) sometidas a tratamientos combinados que incluyen aplicación de recubrimientos comestibles (alginato-lactato), deshidratación osmótica (sacarosa, 60ºBx, 40ºC, 4h) y secado asistido con microondas (1,2 W/g). Con respecto al espesor se obtuvieron reducciones del orden del 60% (retención 40%) para muestras frescas (FR+MW) y frescas recubiertas (FR_R+MW) y de 37% (retención 63%) para muestras pretratadas con DO (DO+MW y DO_R+MW). El procesamiento de imágenes del área de la sección transversal de las rodajas, sometidas a secado con MW, arrojó reducciones de 56% para las muestras FR+MW y FR_R+MW y de hasta el 18% para las muestras previamente deshidratadas osmóticamente. Al correlacionar los porcentajes de retención L y A se obtuvieron excelentes coeficientes para las muestras FR+MW y FR_R+MW (R²: 97 y 98%).In fruits, strawberries in particular, appearance is an attribute of great importance. Appearance, which can be defined by color, shape, size and visual texture, not only determines the degree of maturation or the presence or absence of impurities, but also indicates the application of technological processes or prolonged storage conditions. In most cases, an excessive shrinkage of fruits negatively affects the preference and acceptance of these products by consumers. Particularly, in the case of dehydrated fruits, the geometric modifications (shape and size) caused by the process are a matter of great concern to the industry. Traditional techniques for monitoring physical and physico-chemical parameters of quality usually are time consuming, costly, laborious, invasive and impracticable during in-line monitoring at the industry. Computer vision techniques and digital image analysis are an attractive and economical alternative to evaluate the appearance changes of foodstuffs during processing. Therefore, the present work aims the evaluation and correlation of morphological characteristics area (A), by digital image analysis techniques, and thickness (L) measured by caliber in strawberries subjected to combined treatments that include application of edible coatings (alginate-lactate), osmotic dehydration (sucrose, 60ºBx, 40ºC, 4h) and microwave assisted drying (1,2 W/g). Related to thickness, reductions of 60% (retention 40%) were obtained for fresh (FR+MW) and fresh coated (FR_R+MW) samples. OD pre-treated samples (DO+MW and DO_R+MW) reached values of 37% (retention 63%). The digital processing of images showed cross sectional area reductions up to 56% for FR+MW and FR_R+MW samples, being significatively higher (up to 18%) for samples previously osmo-dehydrated (DO+MW and DO_R+MW). By correlating the L and A percentage retention, during MW-drying, excellent correlations were attained for FR+MW and FR_R+MW samples (R²: 97 and 98%).Facultad de IngenieríaFacultad de Ciencias ExactasCentro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento

Procesos de deshidratación con tecnologías emergentes: tratamiento combinado de deshidratación osmótica y secado con microondas de frutillas

El secado con aire caliente y/o vacío, son los elegidos por la industria de alimentos deshidratados debido a su reducido costo y facilidad operativa. Sin embargo, en las últimas etapas del proceso de secado tradicional se observa una lenta difusión de agua que repercute en la calidad del producto final debido al empleo de elevadas temperaturas. Por ello, se han implementado dos estrategias para reducir los tiempos de secado y preservar la calidad nutricional y sensorial del producto fresco: la aplicación de pre-tratamientos al proceso de deshidratación y el uso de tecnologías emergentes durante el proceso. Entre los pretratamientos, la deshidratación osmótica (DO) permite obtener productos de humedad intermedia que, tras un secado posterior, presentan una estabilidad mejorada. A su vez, las tecnologías emergentes han reducido las limitaciones de las técnicas convencionales. La aplicación de microondas (MW) al secado fue recientemente descrita como una tecnología emergente prometedora para acelerar el tiempo de proceso preservando las propiedades organolépticas y nutritivas del producto fresco. Más aún, el tratamiento combinado de MW y otros métodos de secado, como la DO, dan lugar a mejores características en los productos deshidratados comparado con las obtenidas mediante los tratamientos por separado. Por tanto, el objetivo de este trabajo fue el estudio de la influencia de un pre-tratamiento de DO (sacarosa, 60 ºBrix, 40 ºC, 4 h) en la cinética de secado de rodajas de frutilla (1 cm) durante un secado con microondas (100 min, 1,2 W/g). Un parámetro relevante en el proceso de deshidratación es el coeficiente de difusión (De). En este trabajo, se estimaron los valores de De a partir de los datos experimentales de la cinética de pérdida de humedad, utilizando la solución analítica de la ecuación de Fick’s (n: 100). Además, se consideró la reducción del espesor (L, m) en el modelo de transporte de materia para obtener una determinación más acertada de los valores de difusividad efectiva. Los valores de De obtenidos, tanto para muestras frescas (FR, 2,28*10-9 m2/s y 1,10*10-9 m2/s) como pre-tratadas (2,59*10-9 m2/s y 1,32*10-9 m2/s), se encontraron en el rango de los previamente descritos en bibliografía para productos similares. Cuando se consideró la variación de L en el cálculo de De se produjo una mejora en el ajuste del modelo. Finalmente, el pre-tratamiento dio lugar a un significativo incremento en los valores de De durante el secado con MW comparado con los obtenidos para las muestras FR.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento

Análisis digital de imágenes para evaluar el encogimiento de fresas sometidas a tecnologías emergentes de procesamiento

In fruits, strawberries in particular, appearance is an attribute of great importance. Appearance, which can be defined by color, shape, size and visual texture, not only determines the degree of maturation or the presence or absence of impurities, but also indicates the application of technological processes or prolonged storage conditions. In most cases, an excessive shrinkage of fruits negatively affects the preference and acceptance of these products by consumers. Particularly, in the case of dehydrated fruits, the geometric modifications (shape and size) caused by the process are a matter of great concern to the industry. Traditional techniques for monitoring physical and physico-chemical parameters of quality usually are time consuming, costly, laborious, invasive and impracticable during in-line monitoring at the industry. Computer vision techniques and digital image analysis are an attractive and economical alternative to evaluate the appearance changes of foodstuffs during processing. Therefore, the present work aims the evaluation and correlation of morphological characteristics area (A), by digital image analysis techniques, and thickness (L) measured by caliber in strawberries subjected to combined treatments that include application of edible coatings (alginate-lactate), osmotic dehydration (sucrose, 60 ºB, 40 ºC, 4h) and microwave assisted drying (1,2 W/g). Related to thickness, reductions of 60% (retention 40%) were obtained for fresh (FR+MW) and fresh coated (FR_R+MW) samples. OD pre-treated samples (DO+MW and DO_R+MW) reached values of 37% (retention 63%). The digital processing of images showed cross sectional area reductions up to 56% for FR+MW and FR_R+MW samples, being significatively higher (up to 18%) for samples previously osmo-dehydrated (DO+MW and DO_R+MW). By correlating the L and A percentage retention, during MW-drying, excellent correlations were attained for FR+MW and FR_R+MW samples (R2: 97 and 98%).En las frutas, particularmente en fresas, el aspecto es un atributo de suma importancia. La apariencia, que puede definirse por el color, la forma, el tamaño y la textura visual, no sólo determina el grado de maduración o la presencia o ausencia de impurezas si no también da indicios de la aplicación de procesos tecnológicos o condiciones de almacenamiento prolongado. En la mayor parte de los casos, un encogimiento excesivo de las frutas afecta negativamente la preferencia y aceptación de dichos productos por los consumidores. En el caso de las frutas deshidratadas, las modificaciones morfométricas (forma y tamaño) ocasionadas por el proceso son tema de gran incumbencia para la industria. Las técnicas tradicionales de monitoreo de parámetros físicos y físico-químicos de calidad suelen requerir períodos de análisis prolongados, son costosas, laboriosas, invasivas e impracticables durante el monitoreo en-línea a nivel industrial. Por tanto, el presente trabajo trata sobre la evaluación y correlación de características morfométricas: área (A),  mediante técnicas de análisis digital de imágenes, y espesor (L) medido con un calibre, en rodajas de fresas (1 cm de espesor inicial) sometidas a tratamientos combinados que incluyen aplicación de recubrimientos comestibles (alginato-lactato), deshidratación osmótica (sacarosa, 60 ºBx, 40 ºC, 4h) y secado asistido con microondas (1,2 W/g). Con respecto al espesor se obtuvieron reducciones del orden del 60% (retención 40%) para muestras frescas (FR+MW) y frescas recubiertas (FR_R+MW) y de 37% (retención 63%) para muestras pre-tratadas con DO (DO+MW y DO_R+MW). El procesamiento de imágenes del área de la sección transversal de las rodajas, sometidas a secado con MW, arrojó reducciones de 56% para las muestras FR+MW y FR_R+MW y de hasta el 18% para las muestras previamente deshidratadas osmóticamente. Al correlacionar los porcentajes de retención L y A se obtuvieron excelentes coeficientes para las muestras FR+MW y FR_R+MW (R2: 97 y 98%)

Mathematical Modeling and Simulation of Microwave Thawing of Large Solid Foods Under Different Operating Conditions

Microwaves require shorter times to increase foodstuffs temperature when compared to conventional heating methods. However, there are some problems associated to temperature distribution within the products, owing to the preferential absorption of electromagnetic energy by liquid water, caused by differences between its dielectric properties and those of ice (“runaway”). To analyze the behavior of food microwave thawing, a mathematical three-dimensional (3D) model was developed by solving the unsteady-state heat and mass transfer differential equations; this model can be applied to large systems for which Lambert’s law is valid. Thermal, mass transport, and electromagnetic properties varying with temperature were used. The numerical solution was developed using an implicit Crank–Nicolson finite difference method using the classical formulation for one-dimensional (1D) systems and the alternating direction method in two and three dimensions. The model was validated using experimental data from the literature for 1D and two-dimensional conditions and with experiments performed in our laboratory for 3D heat transfer using frozen meat. It was applied to predict temperature and water concentration profiles under different thawing conditions in meat products and to simulate the effect of a fat layer located at the surface of the meat piece on temperature profiles. For different product sizes in rectangular geometry, numerical simulations demonstrated that microwave thawing times were significantly lower in comparison to conventional thawing methods. To prevent overheating during thawing, the combination of continuous microwave power with simultaneous application of air convection and the application of microwave power cycles, using refrigerated air convection with controlled surface temperature, were analyzed.Facultad de IngenieríaCentro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento

Study of microwave drying of vegetables by numerical modeling : Influence of dielectric properties and operating conditions

In the present work mass and energy transfer during microwave dehydration of vegetables were studied. Microwaves interact with the polar molecules of food enabling its heating and dehydration. This interaction is affected by the change of the food properties due to temperature increase and water content reduction. In certain products, the dependence of dielectric properties with temperature is affected by a change in the food structure as a consequence of the chemical change of certain components and the water loss. Lambert´s law, that considers an exponential decay of incident microwave power, was applied to model these interactions. Additionally, two consecutive stages must be considered: initial heating followed by intensive evaporation at constant temperature. The model was successfully validated for data published in literature related to slabs of microwave dehydrated potatoes and carrots, considering different processing times, power densities, pressure and sample size.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento

Study of microwave drying of vegetables by numerical modeling : Influence of dielectric properties and operating conditions

In the present work mass and energy transfer during microwave dehydration of vegetables were studied. Microwaves interact with the polar molecules of food enabling its heating and dehydration. This interaction is affected by the change of the food properties due to temperature increase and water content reduction. In certain products, the dependence of dielectric properties with temperature is affected by a change in the food structure as a consequence of the chemical change of certain components and the water loss. Lambert´s law, that considers an exponential decay of incident microwave power, was applied to model these interactions. Additionally, two consecutive stages must be considered: initial heating followed by intensive evaporation at constant temperature. The model was successfully validated for data published in literature related to slabs of microwave dehydrated potatoes and carrots, considering different processing times, power densities, pressure and sample size.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento

Empleo de colorantes naturales en la formulación y elaboración de masas

La elaboración de los productos procedentes de fuentes naturales y fabricados por tecnologías no contaminantes es demandada en el mercado. El uso de colorantes naturales o aditivos en general, es una alternativa más saludable a los sintéticos, tradicionalmente utilizados para controlar el deterioro de los alimentos. Pigmentos de repollo colorado (Brassica oleracea L. var. Capitata) y remolacha (Beta vulgaris L. var. Esculenta), constituyen una alternativa a los colorantes artificiales y sus extraordinarias actividades antioxidantes han aumentado el interés de estos compuestos. Ellos podrían incorporarse a los productos de panadería. En este trabajo, varias masas fueron formuladas a partir de diferentes tipos de harinas, proporcionando diferente valor nutricional. El objetivo de este trabajo fue elaborar diferentes masas crudas y horneadas formuladas con la adición de sustancias naturales con actividad específica como antioxidantes. Además, en este trabajo, estas masas se caracterizaron con el fin de obtener información útil para fines industriales.Nowadays, the elaboration of products coming from natural sources and manufactured by no contaminating technologies is demanded. The use of natural colorants or additives in general, is a healthier alternative to synthetics ones, traditionally used to control the food deterioration. Pigments from red cabbage (Brassica oleracea L. var. capitata) and beet (Beta vulgaris L. var. esculenta), constitute an alternative to artificial colorants and their extraordinary antioxidant activities increased the interest on these compounds. They could be incorporated to bakery products. In this work, several doughs were formulated from different kinds of flours, providing different nutritional value. The aim of this work was to elaborate different formulated raw and baked dough with the addition of natural substances with specific activity as antioxidants. Besides, in this work, these doughs were characterized in order to get useful information for industrial purpose.Facultad de Ciencias Exacta

Empleo de recubrimientos comestibles como preservantes de la calidad de zanahorias mínimamente procesadas

La zanahoria mínimamente procesada es una de las hortalizas más buscadas por el consumidor actual a pesar de su corta vida útil de estante. El empleo de recubrimientos comestibles basados en polisacáridos resulta una técnica saludable y eficaz para la preservación de productos frutihortícolas. En el presente trabajo se estudiaron tres formulaciones de recubrimientos a base de los siguientes hidrocoloides: carboximetilcelulosa (CMC), almidón de mandioca (AM) y alginato de sodio gelificado con cloruro de calcio (AL) con el objetivo de retardar el deterioro sobre rodajas de zanahoria mínimamente procesadas. A las soluciones se les adicionó glicerol, aceite de girasol y tween, como emulsionante. La eficiencia de estos recubrimientos fue evaluada respecto de los siguientes indicadores: actividad de la enzima Peroxidasa, -POD- (Espectrofotometría UV), polifenoles totales, -PFT- (Espectrofotometría UV), color (sistema de visión computacional), aspecto visual y velocidad de respiración (Cromatografía Gaseosa) de las muestras recubiertas y sin recubrir (SR), almacenadas a 4°C durante 30 días. Los resultados indicaron que, tanto CMC como AM lograron disminuir el porcentaje de la actividad POD inicial en las muestras. Esta tendencia no fue observada en AL. Durante el almacenamiento, se evidenció, al décimo día, un aumento de la actividad para todas las muestras. Sin embargo, AM logró mantener constantes los valores de actividad enzimática hasta el día 30 y por debajo de los obtenidos para SR. Por el contrario, los porcentajes observados en CMC fueron similares a su control, mientras que AL mostró un aumento significativo de la actividad durante todo el período de almacenamiento, resultando superior a la de SR. El análisis de color indicó un incremento de la tonalidad inicial de las rodajas cuando se aplicó el recubrimiento de CMC, manteniendo a su vez el color durante todo el almacenamiento, en comparación con las muestras SR, que mostraron aspecto pálido y blanquecino. Por su parte, el color en las muestras recubiertas con AM fue similar al de SR durante todo el estudio. En el caso de AL, los parámetros de color se mantuvieron hasta el décimo día. Esto último pudo vincularse a una pérdida de integridad del film sobre la superficie de las rodajas, lo cual también pudo observarse visualmente. En cuanto a los PFT, todas las muestras recubiertas arrojaron valores similares a los de las muestras SR durante el almacenamiento, aunque se visualizaron valores más elevados en las de AL a partir del día 20. Los resultados de velocidad de respiración indicaron un efectivo comportamiento inicial para todos los recubrimientos, con tasas de emisión de CO2 más bajas que las obtenidas para las muestras SR. Durante el almacenamiento, sólo las muestras AM mantuvieron constantes los valores hasta el día 30, en concordancia con la menor actividad enzimática observada. Sin embargo, esta formulación no logró mantener el color del producto, resultando efectivo en este caso CMC, o bien AL, pero en este último caso, con un máximo de diez días de almacenamiento.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimento