DESHIDRATACIÓN DE ALIMENTOS

El secado de alimentos es una operación unitaria fundamental que consiste en la eliminación de la mayor parte del agua presente en un alimento mediante la aplicación de calor controlado y la circulación de aire (u otro medio de secado). El objetivo principal es reducir la actividad de agua (aw) del alimento a un nivel lo suficientemente bajo como para inhibir o retardar significativamente el crecimiento de microorganismos, la actividad enzimática y las reacciones químicas que causan su deterioro, prolongando así su vida útil y facilitando su almacenamiento y transporte.

El secado como Operación Unitaria:

Dentro de la ingeniería de alimentos, el secado se clasifica como una operación de transferencia de masa, específicamente la transferencia de agua desde el interior del alimento hacia la superficie y luego hacia el medio de secado. Para que esta transferencia ocurra, se requiere una fuente de energía (calor) para proporcionar el calor latente de vaporización del agua y un gradiente de concentración de humedad entre el alimento y el medio de secado, facilitado por el movimiento del aire (u otro gas) para remover el vapor de agua liberado.

El proceso de secado implica varias etapas complejas que ocurren simultáneamente y cuya velocidad está influenciada por diversos factores:

Transferencia de calor al alimento: La energía se transfiere desde el medio de secado (aire caliente, superficie caliente, radiación, etc.) hacia la superficie del alimento y luego hacia su interior.

Evaporación de la humedad superficial: El calor suministrado proporciona la energía necesaria para que el agua en la superficie del alimento se evapore y pase a la fase gaseosa.

Transferencia de masa de humedad desde el interior del alimento hacia la superficie: El agua presente en el interior del alimento se mueve hacia la superficie por mecanismos como difusión líquida, flujo capilar o flujo osmótico.

Transferencia de masa de vapor de agua desde la superficie del alimento hacia el medio de secado: El vapor de agua evaporado se desplaza desde la superficie del alimento hacia la corriente del medio de secado, siendo arrastrado por el flujo de aire (o gas).

La velocidad de secado varía a lo largo del proceso. Inicialmente, la velocidad suele ser constante (período de velocidad constante) y controlada por la velocidad de transferencia de calor a la superficie y la evaporación. A medida que la superficie se seca y la humedad debe migrar desde el interior, la velocidad de secado disminuye progresivamente (período de velocidad decreciente) y se vuelve controlada por la velocidad de transferencia de masa dentro del alimento.

Ventajas del Secado de Alimentos:

• Prolongación de la Vida Útil: La reducción de la aw inhibe el crecimiento microbiano y la actividad enzimática, extendiendo significativamente el tiempo durante el cual el alimento es seguro y mantiene su calidad.

• Reducción del Peso y Volumen: La eliminación de agua disminuye considerablemente el peso y el volumen del alimento, lo que facilita y reduce los costos de transporte y almacenamiento.

• Conservación de Nutrientes: Si el proceso de secado se realiza correctamente (temperaturas y tiempos controlados), se pueden minimizar las pérdidas de nutrientes sensibles al calor.

• Conveniencia: Los alimentos secos son a menudo más fáciles de almacenar, transportar y manipular. Algunos pueden consumirse directamente o requieren una rehidratación sencilla.

• Desarrollo de Sabores y Texturas Únicas: El proceso de secado puede concentrar sabores y azúcares, y en algunos casos, desarrollar texturas particulares (ej. frutas deshidratadas masticables, hierbas secas crujientes).

• Reducción del Desperdicio Alimentario: Al prolongar la vida útil, el secado contribuye a disminuir las pérdidas de alimentos durante la post-cosecha, el almacenamiento y la distribución.

Desventajas del Secado de Alimentos:

• Pérdida de Nutrientes: El calor y la exposición al aire durante el secado pueden causar la degradación de algunas vitaminas (especialmente vitamina C y algunas vitaminas del grupo B), compuestos volátiles aromáticos y pigmentos.

• Alteraciones Sensoriales: El secado puede provocar cambios indeseables en el color (pardeamiento), el sabor (pérdida de sabor fresco, desarrollo de sabores a "quemado" si la temperatura es demasiado alta) y la textura (endurecimiento, encogimiento excesivo, pérdida de rehidratabilidad si el proceso no se controla adecuadamente).

• Costo Energético: El proceso de secado requiere una cantidad significativa de energía para generar el calor y mover el aire, lo que puede ser costoso.

• Tiempo de Procesamiento: El secado puede ser un proceso relativamente largo, dependiendo del tipo de alimento, el método de secado y la reducción de aw deseada.

• Pérdida de Rehidratabilidad: Si el proceso de secado es demasiado rápido o a temperaturas demasiado altas, puede ocurrir un endurecimiento superficial que dificulta la rehidratación adecuada del alimento.

• Riesgo de Contaminación: Si no se mantienen buenas prácticas de higiene durante el proceso de secado y almacenamiento, el alimento seco aún puede contaminarse.

• Desarrollo de Reacciones Indeseables: Un control inadecuado de la temperatura y la aw durante el secado puede favorecer reacciones como el pardeamiento no enzimático.

Aunque puede haber ligeras variaciones en la terminología o el número de etapas según el autor o el material específico que se esté secando, conceptualmente el proceso de secado (especialmente el secado por convección con aire caliente, que es muy común) se puede entender en tres fases principales basadas en cómo se elimina la humedad y cómo varía la velocidad de secado:

1. Período de Calentamiento Inicial (o Etapa Preliminar/de Inducción) A-B:

   • Descripción: Cuando un producto húmedo se introduce en el ambiente de secado (por ejemplo, un horno con aire caliente), inicialmente el producto está más frío que el medio de secado. Durante esta fase, el calor se transfiere desde el aire caliente al producto, elevando su temperatura. La evaporación de agua es mínima al principio y aumenta a medida que la superficie del producto se calienta hasta alcanzar la temperatura de bulbo húmedo del aire de secado.

   • Velocidad de Secado: La velocidad de secado es baja al inicio y va aumentando.

   • Características: El producto absorbe calor sensible, y su temperatura superficial se incrementa.

2. Período de Velocidad Constante (o Fase de Velocidad Constante) B-C:

   • Descripción: Una vez que la superficie del producto alcanza una temperatura estable (generalmente la temperatura de bulbo húmedo del aire), y mientras la superficie permanezca completamente saturada de agua, la velocidad de secado se mantiene constante. En esta fase, el agua que se evapora de la superficie es reemplazada por agua que migra desde el interior del producto hacia la superficie a la misma velocidad. La evaporación ocurre como si fuera de una superficie de agua libre.

   • Velocidad de Secado: Es la máxima y se mantiene constante durante este período.

   • Características: La temperatura de la superficie del producto se mantiene relativamente constante. La velocidad de secado está controlada principalmente por la velocidad de transferencia de calor desde el aire al producto y por la velocidad de transferencia de masa del vapor de agua desde la superficie del producto al aire. Es decir  la velocidad de secado está limitada principalmente por la rapidez con que el aire circundante puede absorber y arrastrar el vapor de agua de la superficie del material (es decir, está controlada por factores externos como la temperatura, humedad y velocidad del aire). Esta etapa concluye cuando se alcanza la humedad crítica.

En resumen, la humedad crítica es el contenido de humedad promedio en un sólido en el punto en que la superficie ya no puede permanecer completamente saturada de agua durante el proceso de secado, marcando el fin del período de secado a velocidad constante y el inicio del período a velocidad decreciente, donde la resistencia interna al movimiento de la humedad se vuelve el factor dominante. 

3. Período de Velocidad Decreciente (o Fases de Velocidad Decreciente) :

   • Descripción: Esta fase comienza cuando el producto ya no puede suministrar agua a la superficie a la misma velocidad a la que se evapora. La superficie comienza a secarse y la humedad crítica se alcanza. 

   • Después de la humedad crítica: La velocidad de secado está limitada cada vez más por la rapidez con que la humedad puede moverse desde el interior del sólido hasta la zona de evaporación (es decir, está controlada por factores internos del material, como su estructura, porosidad, capilaridad y el mecanismo de difusión de la humedad).A partir de este punto, la velocidad de secado disminuye progresivamente. Este período a menudo se subdivide en una o dos sub-fases:

     • Primer período de velocidad decreciente : La superficie se seca parcialmente, formando "manchas secas". La zona de evaporación comienza a retirarse hacia el interior del producto. La velocidad de secado está controlada tanto por la difusión de la humedad desde el interior como por las condiciones externas.

     • Segundo período de velocidad decreciente: La superficie está completamente seca y la evaporación ocurre completamente en el interior del producto. La humedad debe difundirse a través del material ya seco para alcanzar la superficie antes de evaporarse. Este proceso es mucho más lento. En materiales higroscópicos (que retienen agua fuertemente ligada), puede haber incluso un tercer período de velocidad decreciente.

   • Velocidad de Secado: Disminuye continuamente.

   • Características: La temperatura del producto comienza a aumentar, acercándose a la temperatura de bulbo seco del aire de secado. La transferencia de humedad desde el interior del producto se convierte en el factor limitante principal.

Pre tratamientos

Los pretratamientos en el contexto de los métodos de reducción de la Aw en alimentos son operaciones o procesos que se aplican a la materia prima antes de la etapa principal de reducción de la actividad de agua (secado, concentración, adición de solutos, etc.).

¿Por qué son necesarios los pretratamientos?

Los pretratamientos son cruciales por varias razones, todas ellas orientadas a optimizar el proceso principal de reducción de Aw, mejorar la calidad y seguridad del producto final, y reducir costos:

1. Mejorar la Eficiencia del Proceso Principal:

   • Reducción de la carga inicial: Algunos pretratamientos pueden reducir la cantidad de agua inicial en el alimento, lo que disminuye el tiempo y la energía requeridos en la etapa principal de secado o concentración. Por ejemplo, el drenado de frutas o vegetales antes del secado.

   • Aumento de la permeabilidad: Ciertos pretratamientos pueden alterar la estructura del alimento, facilitando la salida del agua durante el secado. Por ejemplo, el escaldado.

   • Mejora de la transferencia de calor y masa: Los pretratamientos pueden hacer que el alimento sea más uniforme, lo que mejora la transferencia de calor durante el secado o la evaporación y la transferencia de masa del agua hacia el ambiente circundante.

2. Mejorar la Calidad del Producto Final:

   • Prevención de reacciones de pardeamiento: El escaldado inactiva enzimas como la polifenol oxidasa, que causan el pardeamiento enzimático en frutas y vegetales durante el secado, manteniendo así su color y apariencia. La estabilización química con antioxidantes, persigue el mismo fin, y es una opción para alimentos que por sus características no se pudean escaldar.

   • Retención de nutrientes: Algunos pretratamientos pueden ayudar a fijar ciertos nutrientes, minimizando su pérdida durante el proceso principal de reducción de Aw. Por ejemplo, el escaldado puede inactivar enzimas que degradan vitaminas.

   • Mejora de la textura: Ciertos pretratamientos pueden ablandar la textura de algunos alimentos, facilitando la eliminación del agua y mejorando la textura del producto seco o concentrado. Por ejemplo, el tratamiento con soluciones salinas.

   • Uniformidad del producto: El corte o rebanado uniforme asegura que todas las partes del alimento se sequen o concentren a una velocidad similar, evitando zonas sobresecadas o insuficientemente procesadas.

3. Mejorar la Seguridad Alimentaria:

   • Reducción de la carga microbiana inicial: El lavado y el escaldado pueden reducir la cantidad de microorganismos presentes en la superficie del alimento antes de la etapa principal de conservación.

4. Reducir Costos:

   • Menor tiempo de procesamiento: Al reducir la carga inicial de agua o facilitar su eliminación, se puede disminuir el tiempo requerido para el secado o la concentración, lo que se traduce en un menor consumo de energía y una mayor productividad.

   • Mejor rendimiento: Al prevenir la degradación de la calidad (pardeamiento, pérdida de nutrientes), se reduce el desperdicio y se mejora el rendimiento del proceso.

Ejemplos de Pretratamientos Comunes:

• Lavado: Eliminación de suciedad, residuos y algunos microorganismos de la superficie.

• Pelado y Cortado/Rebanado: Aumenta la superficie de contacto para la eliminación del agua y asegura un secado/concentración uniforme.

• Escaldado: Inactivación de enzimas, fijación del color, ablandamiento de la textura, reducción de la carga microbiana superficial.

• SulfItación (Tratamiento con Dióxido de Azufre o Sulfitos): Prevención del pardeamiento enzimático y no enzimático, inhibición del crecimiento microbiano (especialmente en frutas).

  1. Prevención del Pardeamiento Enzimático: Este es uno de los usos más efectivos y conocidos de los sulfitos. El pardeamiento enzimático ocurre en muchas frutas y verduras cuando se cortan o dañan, debido a la acción de enzimas como la polifenol oxidasa (PPO) sobre compuestos fenólicos en presencia de oxígeno.

     • Mecanismo: Los sulfitos inhiben la actividad de la PPO y también pueden reaccionar con las quinonas (productos coloreados intermedios de la reacción enzimática), reduciéndolas de nuevo a compuestos incoloros o formando aductos incoloros con ellas. Esto previene eficazmente la formación de pigmentos marrones.

  2. Prevención del Pardeamiento No Enzimático: Los sulfitos también son eficaces para inhibir o retardar el pardeamiento no enzimático, como la reacción de Maillard (entre azúcares reductores y aminoácidos) y la caramelización.

     • Mecanismo: Actúan reaccionando con los grupos carbonilo de los azúcares o con intermedios de la reacción de Maillard, bloqueando así la formación de los pigmentos oscuros (melanoidinas). Esto es importante en productos como frutas deshidratadas, algunos jugos y vinos.

  3. Prevención del crecimiento microbiano: Los sulfitos (dióxido de azufre y sus sales) inhiben eficazmente el desarrollo de una amplia gama de microorganismos, incluyendo bacterias, levaduras y mohos.

     • Mecanismo (considerando condiciones del alimento como pH o aw)

       1. El principal agente antimicrobiano es el dióxido de azufre molecular (SO₂) no disociado. Esta molécula penetra la membrana celular de los microorganismos e interfiere con sus procesos vitales, como la actividad enzimática esencial y la integridad estructural de las proteínas, impidiendo así su crecimiento y reproducción.

       2. pH: La efectividad de los sulfitos es altamente dependiente del pH del medio. A pH más bajos (ácidos), una mayor proporción del sulfito total existe en la forma activa de SO₂ molecular, lo que potencia significativamente su acción antimicrobiana. A medida que el pH aumenta (hacia la neutralidad o alcalinidad), la concentración de SO₂ molecular disminuye y, con ello, su eficacia.

       3. Actividad de Agua: es un factor crítico que afecta el crecimiento microbiano en general bajas aw inhiben a los microorganismos), el mecanismo de los sulfitos requiere la presencia de agua para que el SO₂ pueda disolverse y ejercer su acción. En alimentos con muy baja aw, la necesidad de sulfitos para control microbiano puede ser menor  ya que la propia baja  es un obstáculo, aunque aún pueden ser útiles para otras funciones como la prevención del pardeamiento. La eficacia de los sulfitos se manifiesta en la fase acuosa del alimento. En el contexto de secado puede ser importante para inhibir a los micrroganismos en el almacenamiento o las primeras etapas del secado.

• Tratamiento con Ácido Ascórbico (Vitamina C)y ácido cítrico: Prevención del pardeamiento enzimático en frutas.

• Tratamiento con Sal o Azúcar (previo a la deshidratación): Puede influir en la velocidad de secado y la textura del producto final.

• Marinado: En el caso de carnes, puede influir en la textura y la velocidad de secado.

• Perforación o punzado: En frutas con piel dura, facilita la salida del agua durante el secado.