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Determinación de Permeabilidad Máxima Permitida para el Empaque de Café Industrializado


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Modelo de GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer)


El método anteriormente descrito permite obtener una isoterma de adsorción experimental, la cual tiene tantos puntos como sales sean utilizadas. Sin embargo, existen métodos empíricos y teóricos de isotermas de adsorción, los cuales permiten ajustar la curva obtenida experimentalmente, de tal forma que obtenemos una isoterma de adsorción más idónea para realizar el estudio.

Uno de los métodos más usados y considerado como la mejor ecuación que se ajusta a las isotermas de productos alimenticios, es el modelo de GAB, el cual se aplica en un rango de valores de actividad de agua de 0 a 0.9.


La ecuación de GAB es la siguiente:

donde: Humedad que corresponde a la monocapa de BET



Constante que depende de la temperatura

Factor de corrección

Ref. 7

Como podemos observar es una ecuación que tiene 3 constantes (Xm, C y K ) y dos variables ( X y aw ), por lo tanto para poder resolverla, se necesitan mínimo 5 puntos en el gráfico, es decir, elaborar una isoterma experimental con 5 sales como mínimo.

Para el ajuste de la curva utilizamos el programa estadístico Origin 6.0 Professional, en donde una vez definida la ecuación de GAB, realiza una regresión no lineal por medio de iteraciones sucesivas.

De esta forma el programa encuentra los valores de las tres constantes y así, podemos predecir la relación entre la actividad de agua del producto a cualquier contenido de humedad, lo cual es un paso muy importante para determinar posteriormente la vida útil de los tres tipos de café en estudio.
2.2 Definición de la Humedad Crítica

La definición de la humedad crítica es uno de los pasos más importantes en la determinación de la barrera de vapor de agua requerida por el alimento. Consiste en conocer el contenido de humedad en el cual el producto se vuelve no apto para el consumo humano desde cualquier punto de vista, ya sea microbiológico o sensorial. Sin embargo, es necesario tomar en cuenta otros factores que influyen en gran medida en la selección del empaque, tales como: propiedades mecánicas (resistencia, tensión), costo, permeabilidad a otros vapores, etc. Por lo tanto, es necesario llegar a un compromiso entre todos estos factores para que el empaque seleccionado sea el ideal, tanto desde el punto de vista técnico como económico.


El análisis de la humedad crítica debe ser realizado a cada producto por separado, ya que todos los productos se deterioran a humedades distintas, incluso en productos del mismo género. Este es el caso del café soluble (liofilizado y atomizado), en donde el principal problema es la aglomeración del café debido a la ganancia de humedad, lo cual ocurre a bajas actividades de agua en donde el producto es seguro microbiológicamente, por lo tanto, el mayor problema del café soluble es sensorial. Sin embargo la velocidad de deterioro de estos dos tipos de café es distinta, lo cual será analizado posteriormente en el capítulo 3.
El experimento consiste en colocar muestras de café liofilizado y atomizado en un recipiente con agua en la base, de esta forma se consigue un ambiente de 100 % de humedad relativa. Las muestras de cada tipo de café son introducidas en el recipiente en distintos intervalos de tiempo previamente establecidos, pudiéndose obtener muestras con distintos contenidos de humedad; las cuales son sometidas al juicio de 25 jueces no calificados, los cuales determinarán el grado de aceptación de las distintas muestras por medio de una escala hedónica.
Finalmente se determina el contenido de humedad crítica del café liofilizado y atomizado por medio de un análisis de varianza con niveles de significancia de 5% y 1%, pudiéndose conocer el contenido de humedad máximo aceptable para el consumidor.

Las fórmulas utilizadas en el análisis de varianza son las siguientes:



(2.1)

(2.2)


(2.3)


(2.4)


(2.5)

(2.6)


(2.7)


(2.8)
Después de realizar todos estos cálculos previos, se obtiene la varianza dividiendo la suma de los cuadrados entre los grados de libertad correspondientes.



(2.9)


(2.10)

(2.11)

Finalmente se obtiene el valor de F calculadas:



(2.12)

(2.13)
y se comparan con F de tablas presentadas estandarizadas, realizándose el siguiente razonamiento: si F calculada es menor que F de tablas, entonces no hay efecto significativo de la fuente de variación de los resultados, en cambio, si es mayor o igual, sí hay diferencia significativa.
En el caso del café para pasar el análisis es distinto, ya que este producto presenta una alta estabilidad a la aglomeración; por lo tanto el mayor problema debido a la ganancia de humedad que puede presentar este producto es el crecimiento de mohos cuando las condiciones de temperatura y humedad del producto sean propicias durante el almacenamiento en percha. Por lo tanto, la humedad crítica del café para pasar es la máxima humedad alcanzada por el producto sin que se produzca crecimiento de mohos. Para esto realizamos siembras en agar PDA (Potato Dextrosa Agar) del producto a distintas humedades en donde teóricamente pueden crecer mohos y levaduras y las incubamos a 32 ºC por 5 días.

2.3 Cálculo del Coeficiente Global de Transferencia de Masa en Distintos Tipos de Café

El coeficiente global de transferencia de masa es una medida de la facilidad o dificultad para la transferencia de masa, ya sea adsorción o desorción. Todos los productos transfieren agua en forma distinta, dependiendo principalmente de la estructura final producida por el método de industrialización empleado.

El coeficiente global de transferencia de masa en el café puede servir como un indicativo de la rapidez con que se van llenando los capilares del producto hasta alcanzar la humedad crítica y deteriorarse, aunque también es importante considerar el valor de la monocapa de BET por su relevancia en la estabilidad de los productos. Ref 8

El experimento es sencillo, consiste en colocar una cantidad determinada de café en un desecador con agua, produciéndose un ambiente de 100% de humedad relativa, y registrar la ganancia de humedad. El coeficiente global de transferencia de masa se determina calculando la pendiente de la ganancia de humedad versus la raíz cuadrada del tiempo.



2.4 Predicción de Empaque en condiciones de Quito y Guayaquil

Como se ha dicho anteriormente, el empaque debe ser seleccionado en función de las condiciones ambientales en que el producto será almacenado. Es por esto que el presente estudio presenta el requerimiento de barrera a la transmisión de vapor de agua en las condiciones de Quito y Guayaquil, porque estas dos ciudades presentan distintas humedades relativas de equilibrio.


Los productos estudiados son secos, por lo cual el ambiente externo tiene gran relevancia en el tiempo de vida de los mismos, por lo tanto, el tiempo de vida del café liofilizado, atomizado y de pasar estará en función de la mayor o menor humedad relativa del ambiente externo.

Para el desarrollo de este experimento es necesario utilizar un desecador con una sal saturada en su interior, produciéndose una humedad constante en su espacio de cabeza y manteniéndose una temperatura constante. Para simular las condiciones de Guayaquil se mantuvo constante la temperatura en 32 ºC y se utilizó Cloruro de Potasio la cual provee una humedad de 83% aproximadamente, valor que está por encima de la humedad ambiental promedio, sin embargo se la utilizó con el fin de analizar el comportamiento del plástico en condiciones extremas. En el caso de Quito, la sal utilizada fue Cloruro de Sodio que proporciona una humedad del 75% y la temperatura de 14 ºC.

En el interior del desecador se colocaron bolsas de 5.5 cm x 5.5 cm de polietileno de alta densidad y tres tipos de laminados que tienen buenas características de barrera al vapor de agua, con el producto en estudio en su interior y por duplicado, como muestra la figura 2.3.



FIG. 2.3 SISTEMA UTILIZADO PARA PREDICCIÓN DE EMPAQUE

La cantidad de producto colocada en el interior está en función de la densidad de los mismos y de la relación . De esta forma se establece un volumen constante de producto pero una cantidad variable del mismo que esta en función de su densidad.

Una vez armado el sistema, se realizan tomas de peso periódicamente, registrándose la ganancia de humedad del producto con el pasar del tiempo, obteniéndose una línea recta y una vez alcanzada la humedad crítica previamente establecida en el experimento anterior, se determina el tiempo de vida útil de los tres tipos de café, con polietileno de alta densidad, laminado 1 (BOPP-Aluminio-Polietileno), laminado 2 (Poliéster-Polipropileno-Polietileno) y laminado 3 (PP-CPP)

Se decidió realizar este experimento con bolsas plásticas selladas porque se conoce que el sello tiene vital importancia en la permeabilidad del plástico, y de esta forma se asegura que sea un experimento real porque considera el efecto del sellado en la adsorción de humedad del producto.

Este experimento nos permite conocer si el empaque utilizado es el adecuado para el producto, se pueden hacer comparaciones con otros tipos de plásticos que presenten un tiempo de vida similar, pudiéndose tener algunas opciones para el empaque del producto y finalmente con un análisis de costos, resistencia mecánica, durabilidad y tiempo de vida útil, poder hacer la selección del empaque que mejor cubra las necesidades del producto y de los consumidores.

La fórmula (2.14) permite calcular la permeabilidad a la transmisión de vapor de agua requerida (k/x) para que el producto se mantenga en óptimas condiciones.



(2.14)


donde: contenido de humedad no completado

contenido de humedad en la isoterma que está en equilibrio con la temperatura y humedad externa.

contenido de humedad inicial en base seca

contenido de humedad a un determinado tiempo

permeabilidad máx del alimento en gH2O/día m2 mmHg

Area del empaque (m2)

Peso de sólidos secos (g)

Presión de vapor de agua a la temperatura T (mmHg)

Pendiente de la isoterma.

Ref. 5


2.5 Diseño de Empaque
Seleccionar el tipo de plástico más conveniente para los cafés liofilizado, atomizado y de pasar es muy importante, sin embargo es también necesario analizar el efecto que tiene el área de empaque con diversas cantidades de producto.
Para realizar este experimento, empacamos los tres tipos de café con tres relaciones de volumen de producto versus volumen de empaque de 25%, 50% y 75%. Utilizamos el mismo sistema descrito en el experimento anterior, es decir, 85 % de humedad relativa a 32 ºC, y el plástico utilizado fue polietileno de baja densidad.
Posteriormente se toma periódicamente los pesos de las bolsas plásticas y se determina la ganancia de peso por la transmisión de vapor de agua a través de la película, obteniéndose un gráfico de tiempo de vida útil versus cantidad de producto empacado, siendo el contenido de humedad crítica el factor limitante para determinar el tiempo de vida útil de distintos pesos de producto. De esta forma se puede analizar el efecto que tiene la humedad en distintas cantidades de producto y la rapidez con que alcanza la humedad crítica hasta convertirse en no apto para el consumo.


CAPÍTULO 3

3.1 Análisis de la Monocapa de BET de los tres Tipos de Café y su relación con la estabilidad en percha

Las isotermas de adsorción elaboradas experimentalmente por el método isopiéstico y ajustadas por medio del modelo matemático de GAB se muestran en las figuras 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 y 3.6:


Isotermas de Adsorción de Café Liofilizado, Atomizado y de Pasar a 32 ºC



Fig 3.1 Isoterma de Adsorción Café Liofilizado a 32 ºC

Monocapa:

7.515 g/100g




Fig. 3.2 Isoterma de Adsorción Café Atomizado a 32 ºC

Monocapa:

5.706 g/100g





Fig. 3.3 Isoterma de Adsorción Café de Pasar a 32 ºC

Monocapa:

4.413 g/100g


Isotermas de Adsorción de Café Liofilizado, Atomizado y de Pasar a 14 ºC



Fig. 3.4 Isoterma de Adsorción de Café Liofilizado a 14ºC


Monocapa:

8.31 g/100g



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