La deshidratación osmótica (DO) o dehidroimpregnación (DIS) es una de las técnicas más antiguas en conservación de alimentos. Sin embargo, ha tomado auge en los últimos años, como pretratamiento. La razón está relacionada con la modificación que produce en la composición química de las frutas y hortalizas, sumada a la simultánea pérdida de agua y ganancia de sólidos. Se usa principalmente como pre-tratamiento de muestras que luego son sometidas a congelación o a deshidratación térmica, como alternativa para disminuir la actividad de agua y la actividad enzimática de la fruta.

El fenómeno de DO, implica la remoción de agua del alimento y el ingreso de sólidos, los que tienen lugar durante la inmersión del alimento en una solución hipertónica. Las transferencias de agua y soluto observadas durante el proceso, se deben a las diferencias de potencial químico dentro y fuera del material, usualmente expresadas en términos de los correspondientes coeficientes de actividad.

En materiales celulares, como la mayoría de los alimentos, la transferencia de agua tiene lugar en la vecindad de la célula a través de la pared celular, considerada como membrana semipermeable. Está gobernada por el equilibrio entre la presión osmótica ejercida por el soluto de la muestra sobre la membrana vegetativa natural y la de la solución osmótica por el otro lado. La transferencia de masa provoca en los alimentos sometidos a DO, cambios en las propiedades estructurales y de transporte lo cual afecta la subsiguiente transferencia de masa.

Durante el proceso de DO se observan tres tipos básicos de transferencia de masa simultáneos a través de la membrana semipermeable:

1)      salida de agua del producto hacia la solución hipertónica;

2)      ingreso de soluto desde la solución hacia el sólido: a través de esto es posible ingresar al alimento una cantidad deseada de algún componente. Por ej. un agente conservante, otros solutos de interés nutricional o capaces de mejorar las cualidades organolépticas del producto;

3)      salida de algunos solutos del propio producto (azúcares, ácidos orgánicos, sales minerales, vitaminas). Esta transferencia ocurre generalmente en cantidades despreciables frente a las otras dos.

Figura 1: Esquema simplificado de flujos másicos durante DO

La DO proporciona las siguientes ventajas:

• confiere a la fruta mayor calidad, por mejorar su textura;
• mejora la retención de vitaminas;
• intensifica el flavor y la estabilidad del color;
• disminuye el pardeamiento enzimático;
• disminuye el contenido ácido.

La cantidad y la velocidad de remoción de agua y de ingreso de sólidos así como los cambios en la composición química de un alimento sometido a DO dependen de diversas variables y parámetros de proceso: tipo de soluto usado, concentración de la solución de impregnante, tiempo de inmersión, temperatura, agitación, relación alimento/jarabe, área especifica del alimento, presión del sistema y el equipo usado para el proceso.

Tipo de soluto o agente osmótico: la sustancia usada debe conferir un flavor agradable así como no ser tóxica. Los mejores agentes (que cumplen estas condiciones) son los azúcares, en lo que concierne a frutas. La sacarosa es uno de los solutos más usados debido a su efectividad, conveniencia y su flavor.

El uso de diferentes tipos de solutos puede influir sobre la cinética de pérdida de agua y de ganancia de sólidos. Se sabe que la velocidad de penetración de azúcar es directamente proporcional a la concentración de la solución e inversamente proporcional al tamaño de molécula de soluto. La velocidad de cambio en el contenido de agua y de sólidos solubles puede usarse para el modelado matemático del proceso.

Pueden lograrse efectos diferentes en el producto final según el tipo de impregnante que se utilice. Se puede afectar tanto la proporción de pérdida de agua al comienzo del proceso, como el contenido de agua de equilibrio y el tiempo necesario para alcanzar dicho equilibrio.

Efecto de la temperatura: la velocidad de DO está marcadamente afectada por la temperatura. Si se aumenta la temperatura, se aumenta la velocidad de deshidratación osmótica. Por supuesto existe un límite alrededor de 49-50ºC, temperatura por encima de la cual se favorece el pardeamiento enzimático y el deterioro del flavor.

La ósmosis, por debajo de esta temperatura, es lo suficientemente rápida como para hacer eficiente el proceso. Por ejemplo: puede lograrse una reducción de peso del 50% en 3 horas de proceso a 49ºC, sin embargo es mejor realizar el proceso a temperatura ambiente durante toda la noche.

Efecto concentración: se puede favorecer la transferencia de masa usando concentraciones altas de impregnante con lo que se aumenta la pérdida de agua. La selección de un impregnante depende de varios factores: capacidad de disminución de a_w, costo y las características organolépticas que infiere al producto final. Un jarabe concentrado inhibe a la polifenoloxidasa, causante del pardeamiento. También inhibe la fermentación por hongos y levaduras.

Muchos autores estudiaron el efecto de la concentración de impregnante: Palou y colaboradores (1993) encontraron igual ganancia de sólidos al trabajar con soluciones del 60% y 70%, sin embargo otros autores reportaron una mayor ganancia de sólidos al aumentar la concentración de jarabe. También se ha reportado que al usar altas concentraciones de soluto se reduce la ganancia de sólidos debido a la capa superficial de soluto que se forma en la periferia del alimento (“candying effect”), la que actuaría generando una resistencia a la transferencia de sólidos. En la mayoría de los casos es indeseable un ingreso extremo de soluto debido a su impacto negativo sobre la calidad nutricional del producto, que muchas veces no puede ser rotulado como “natural”.

En todos los casos, debido al ingreso de sólidos, se forma una capa concentrada en sólidos sobre la superficie de la fruta, disminuyendo la fuerza impulsora del flujo de agua. Al mismo tiempo las altas concentraciones de jarabe favorecen la pérdida de agua.

Un modelo de tres pasos puede usarse para describir el proceso de difusión de azúcares:

1) transferencia de masa del seno de la solución a la superficie del alimento;

2) difusión interna;

3) adsorción en los sitios internos.

La velocidad de penetración de azúcares es directamente proporcional a la concentración de la solución e inversamente proporcional al tamaño molecular del soluto. La ganancia de sólidos bloquea la capa superficial del alimento introduciéndose de esta forma una resistencia adicional al flujo de masa y disminuyendo la velocidad de la deshidratación complementaria posterior (por vacío, convección o congelación). Por otro lado, se sabe que los azúcares previenen las pérdidas de compuestos volátiles del flavor, favoreciendo la retención de ese flavor.

Efecto agitación: En general los autores coinciden en que la DO es más rápida cuando la fruta se agita en el jarabe. Existen tres formas básicas de realizar la DO.

I) sistema estático;

II) sistema agitado mecánicamente: la agitación es difícil de aplicar ya que debe ser lo suficientemente lenta como para no ocasionar daños físicos a la fruta;

III) circulación del jarabe mediante utilización de bombas: se logran grandes ventajas y además es un método simple y efectivo que permite la reconcentración del jarabe y la continuidad del proceso.

La preconcentración por DO es una forma efectiva de reducir la energía requerida para la estabilización del producto. Se ha encontrado que la DO con soluciones concentradas requiere 2 a 3 veces menos energía, comparado con el secado por convección.

Generalmente la velocidad de la DO aumenta al principio del proceso como resultado de las diferencias de presión osmótica y la pequeña resistencia a la transferencia de masa en esta etapa del proceso.

Durante la DO se producen, principalmente por diferencia de potencial químico, tres flujos de materia: salida de agua desde el alimento hacia el seno de la solución, ingreso de sólidos desde la solución hacia el alimento y salida de compuestos hidrosolubles como ácidos, vitaminas y otros. Este último flujo suele considerarse despreciable dada su magnitud, en comparación con los otros dos. La salida de agua ocasiona en el alimento una pérdida de agua representada en la bibliografía científica por sus siglas en inglés: WL (water loss); la migración de sólidos hacia el alimento produce un aumento o ganancia de sólidos, representada por las siglas SG (solid gain). La velocidad de pérdida de agua es siempre mayor a la velocidad de ganancia de sólidos, por lo que el efecto neto es una disminución de peso o pérdida de peso WR (weight reduction) de la matriz. La ecuación de balance puede expresarse mediante la siguiente suma algebraica:

                Variación peso = variación contenido agua + variación contenido de sólidos         (1)

o lo que es lo mismo:

WR = WL+SG      (2)

La relación WL/SG es indicativa de la eficiencia del proceso en términos de una gran remoción de agua con mínimo ingreso de sólidos y depende del soluto usado, la concentración de la solución, la temperatura y la duración del proceso.

Las velocidades de WL y SG alcanzan su mayor valor al principio del proceso y disminuyen luego rápidamente. La WL y la SG pueden determinarse por el método gravimétrico únicamente si se asume que, bajo las condiciones usadas, los solutos presentes inicialmente en la fruta no difunden contra el gradiente de concentración de sólidos hacia la solución osmótica concentrada.

Desventajas de la DO: Algunos ácidos de las frutas se eliminan junto con el agua. Para algunos productos esto puede ser una desventaja y puede solucionarse agregando ácidos a la solución hipertónica.

La concentración superficial de azúcares que se produce durante la DO produce una fina capa concentrada que puede ser indeseable, por ejemplo si se va a someter a una deshidratación térmica posterior. En ese caso, puede reducirse este efecto si al terminar el proceso de DO, se lava rápidamente la superficie de la fruta.

Si la fruta se osmodeshidrata hasta niveles muy bajos de humedad, se observa una tendencia a la rancidez luego de varias semanas de almacenamiento, a temperatura ambiente. Esto es causado probablemente por la mayor retención de compuestos lipídicos del flavor en frutas osmotizadas. Se hace necesario por lo tanto, agregar antioxidantes lipídicos a los productos secos envasados, ya que la rancidez es más acentuada en productos de muy bajos contenidos de agua que en otros de mayores contenidos de humedad.

Modelado matemático

La principal dificultad para modelar un proceso DIS recae en la existencia de dos transferencias de masa, simultáneas y opuestas: agua y soluto. Más aún, la transferencia de masa ocurre muy lejos del equilibrio y va acompañada de encogimiento y deformación. El conocimiento de este fenómeno complejo es aún limitado.

A través de los años se han propuesto diversos modelos para explicar el fenómeno DIS. A principios de los ’90 Raoult-Wack (1991) presenta una revisión bibliográfica en la que propone los siguientes modelos:

1) Modelo basado en difusión fickiana: en este modelo la transferencia de masa se describe mediante la 2° ley de Fick. Las transferencias simultáneas de agua y soluto son consideradas como transferencias individuales y separadas. Se encuentran soluciones a la ecuación diferencial, para diferentes geometrías y condiciones límites (Crank, 1975), pudiéndose utilizar para el cálculo, la relación entre los sólidos solubles y los sólidos totales (Hawks & Flink, 1978), la molalidad del soluto en el agua (Magee et al., 1983), la relación entre la pérdida de agua en el tiempo t y la pérdida de agua en el infinito o equilibrio (WL_t/WL_¥) (Conway et al., 1983) o la relación entre el contenido de sólidos y el contenido de agua (Rahman & Lamb, 1990). También son muy usados en la ecuación de Fick algunos parámetros con ciertas limitantes, como se detalla a continuación:

• pérdida de agua/ 100 g de muestra inicial: desprecia el efecto del ingreso de sólidos y no tiene en cuenta diferencias en el contenido inicial de agua de las distintas muestras. Tampoco tiene en cuenta que el ingreso de sólidos altera la fuerza impulsora del flujo de agua.
• humedad retenida, o sea el cambio en el contenido inicial de agua de las muestras: tiene en cuenta la fracción inicial de agua, la cual ha sido perdida. Sin embargo no tiene en cuenta los cambios en el contenido de sólidos por ingreso de soluto.
• ganancia de sólidos o cambio en el % total de sólidos: no separa el ingreso de sólidos de la pérdida de agua, pero mide un parámetro importante que es el aumento del contenido de sólidos.

Se puede calcular el coeficiente de difusión para remoción de agua y ganancia de sólidos en términos del contenido de humedad y del contenido de sólidos solubles, respectivamente, usando la solución de la 2º ley de Fick truncada en el primer término de la serie, que para placa infinita resulta:

donde

w: relación de humedad, medida de la fuerza impulsora

X: contenido de agua o de sólidos solubles

X_e: valor de equilibrio determinado gráficamente

X_o: contenido inicial de agua o de sólidos solubles

t: tiempo [s]

D_eff: coeficiente de difusión [m²/s]

L: mitad del espesor [m]

La 2º ley de Fick puede aplicarse si la concentración de la solución permanece constante y la resistencia de la superficie es despreciable comparada con la resistencia a la difusión interna.

Los datos de transferencia de masa pueden analizarse de acuerdo a las técnicas estándares usadas para la obtención del coeficiente de difusión asumiendo difusión en estado fickiano. El coeficiente D_eff puede determinarse graficando ln w vs t y midiendo la pendiente de la recta resultante. En este análisis se asume que la concentración de la solución permanece constante ya que hay un gran volumen de solución respecto a la cantidad de fruta. El coeficiente de difusión determinado de esta manera es un coeficiente global que no permite disociar la contribución de cada flujo (agua o soluto) o más precisamente que no tiene en cuenta las interacciones entre ellos.

2) Modelo Empírico

Peleg propuso en 1988 un modelo simple, no derivado de leyes físicas, sino empírico.

M_t: contenido de agua o de sólidos solubles al tiempo t

M_o: contenido inicial de agua o de sólidos solubles

t: tiempo

k₁ y k₂, constantes

La utilización del signo menos en la ecuación corresponde a la cinética de eliminación de agua y el signo + a la cinética en términos de sólidos solubles.

Esta ecuación normalmente es adecuada para modelar los datos del segmento curvo, lejos de la región en la que la remoción de agua (y el ingreso de sólidos) se hace muy pequeña.

También se han desarrollado modelos mecanísticos (Marcotte et al., 1991; Kaymak-Ertekin & Sultanoglu, 2000) y modelos de termodinámica irreversible (Biswal & Bozorgmehr, 1992) que involucran la estructura celular de la fruta, pero estos requieren una gran cantidad de propiedades que no están disponibles en la literatura (Spiazzi & Mascheroni, 1997; Kaymak-Ertekin & Sultanoglu, 2000).

Para modelar procesos de deshidratación osmótica al vacío (VOD) o con pulsos de vacío (PVOD) se usan principalmente el modelo del Mecanismo Hidrodinámico (FIDM) y el modelo desarrollado por Rastogi y Raghvarao (1996).

En el año 2005 Ochoa Martinez y Ayala Aponte, presentaron un informe más detallado de los modelos aplicados para representar los procesos de DO. En su trabajo afirman que, cuando se quiere utilizar un modelo fenomenológico para procesos a presión atmosférica se emplea el modelo de Crank, que consiste en una solución de la ley de Fick en estado estacionario y que representa el mecanismo difusional (Crank, 1975).

El modelo de Crank (1975) consiste en un grupo de soluciones de la ley de difusión de Fick para diferentes geometrías, condiciones límite y condiciones iniciales desarrolladas por Crank. Este modelo ha sido empleado por muchos autores ya que es el modelo fenomenológico más conocido para representar el mecanismo difusional.

Con el modelo de Crank, se estiman la difusividad efectiva (Deff) del agua y del soluto, simulando los experimentos con condiciones límites y resolviendo las ecuaciones analítica o numéricamente, pero las suposiciones que se hacen no siempre son fáciles de lograr lo que implica grandes limitaciones. Las limitaciones del modelo de difusión de Fick para propósitos prácticos son: (1) se asume un cuerpo semi­infinito por lo tanto la transferencia de masa es unidireccional, (2) se asume que el agente osmótico es un medio semi-infinito, por lo tanto se requiere una relación disolución/alimento muy grande, (3) aunque tiene en cuenta la forma y las dimensiones, sólo hay soluciones analíticas para láminas planas, cilindros, cubos y esferas, entonces se requieren técnicas numéricas para materiales irregulares, (4) el punto de equilibrio tiene que determinarse experimentalmente, (5) se asume que sólo se presenta el mecanismo de difusión para la extracción de agua, (6) no hay efecto de los sólidos ganados ni de los solutos perdidos sobre la pérdida de agua, (7) se desprecia el encogimiento debido a la transferencia de masa y (8) se desprecia la resistencia externa a la transferencia de masa, pero esto no se puede lograr a baja temperatura ni a alta concentración de soluto.

La difusividad efectiva explica al mismo tiempo la variación de las propiedades físicas del tejido y la influencia de las características de la disolución y de las variables de proceso, por lo tanto, observando simplemente la magnitud de Deff  no se entiende explícitamente el impacto de los diferentes parámetros sobre el proceso de DO.

Dada la complejidad de los sistemas, no se conocen relaciones matemáticas que permitan predecir de manera óptima las variables de proceso para las variables usualmente consideradas. En general los indicadores son los cambios en las propiedades organolépticas y los valores de pérdida de agua y ganancia de sólidos que se determinan experimentalmente.

REFERENCIAS

Biswal, R.N.; Bozorgmehr, K. (1992). Mass transfer in mixed solute osmotic dehydration of apple rings. Trans. ASAE. 35(1), 257-262.

Conway, J., Castaigne, F., Picard, G., Vovan, X. (1983). Mass transfer considerations in the osmotic dehydration of apples. Journal of the Canadian Institute of Food Science and Technology 16 (1); 25 – 29.

Crank, J. (1975). The Mathematics of Diffusion, 2^nd Ed. Oxford University Press. London.

Hawkes, J., Flink, J. M. (1978). Osmo-concentration of fruit slices prior to freeze dehydration” Journal of Food Processing and Preservation 2; 265 – 284.

Kaymak-Ertekin, F., Sultanoğlu, M. (2000). Modelling of mass transfer during osmotic dehydration of apples. Journal of Food Engineering 46(4); 243-250.

Magee, T.R.A., Hassaballah, A.A., Murphy, W.R. (1983). Internal mass transfer during osmotic dehydration of apple slices in sugar solutions. Journal of Food Science Technology 7(2); 147 – 155.

Marcotte, M., Toupin, C., Le Maguer, M. (1991). Mass transfer in cellular tissues. Part I: The mathematical model. Journal of Food Engeneering 13; 199-220.

Palou, E., López.Malo, A., Argaiz, A., Welti, J. (1993). Osmotic dehydration of papaya. Effect of syrup concentration Revista Española de Ciencia y Tecnología de Alimentos 33(6); 621 – 630.

Peleg, M. (1988). An empirical-model for the description of moisture sorption curves. Journal of Food Science 53; 1216–1219.

Rahman, M.S., Lamb, J. (1990). Osmotic dehydration of pineapple. Journal of Food Science and Technology 7(3); 150-152.

Raoult-Wack, A. L., Lenart, A., Guilbert, S. (1991). Recent advances in dewatering through immersion in concentrated solutions (Osmotic dehydration) in Drying of solids Mujumdar A. S. and Emergex Corp. Ed. International Science Publisher and Oxford and IBH Publishing Co. PVT: LTD.

Spiazzi, E., Mascheroni, R. (1997). Mass transfer rnodel for osrnotic dehydration of fruits and vegetables. I. Development of the simulation model. Journal of Food Engineering 34; 387-410.