Tesis Maltodextrina Tunas

7/22/2019 Tesis Maltodextrina Tunas

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UNIVERSIDAD POLITCNICA DE

CARTAGENA

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE

INGENIERA INDUSTRIAL

PROYECTOFINDECARRERAOBTENCIN DE MICROENCAPSULADOS

FUNCIONALES DE ZUMO DE Opuntia strictaMEDIANTE SECADO POR ATOMIZACIN

Autor: Miguel Lozano Berna,

Titulacin: Ingenieria Tcnica Industrial, especialidad en Qumica Industrial

Marzo 2009


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TTULO

OBTENCIN DE MICROENCAPSULADOS FUNCIONALES DE ZUMO DEOpuntia strictaMEDIANTE SECADO POR ATOMIZACIN

INDICE1. Introduccin

1.1. Microencapsulacin1.1.1. Que es y para que microencapsular1.1.2. Caracterizacin de las microcpsulas1.1.3. Procesos para preparar microcpsulas

1.2. Microencapsulacin mediante secado por atomizacin1.2.1. La operacin de secado por atomizacin

1.2.2. Principales variables del proceso de secado por atomizacin.1.3. Microencapsulacin de zumos mediante secado por atomizacin

1.3.1. Los zumos y su microencapsulacin1.3.2. Microencapsulacin del zumo de Opuntia

- El valor de los higos chumbos- Opuntia strictacomo fuente de colorante y nutracuticos- Microencapsulacin de zumos de O. stricta- Fructo-oligosacridos e inulinas como ingredientes funcionales

2. Objetivos3. Materiales y Mtodos4. Resultados y Discusin

4.1. Secado por atomizacin de zumo de O. strictacon boquilla de dos vas: usode fructo_oligosacaridos e inulina frente a las maltodextrinas

- Medidas de la temperatura de transicin vtrea de fructooligosacaridos,inulinas y maltodextrinas

- Secado por atomizacin con fructooligosacaridos, inulinas ymaltodextrinas: optimizacin de la relacin encapsulante/zumo de O.

stricta

- Optimizacin del secado por atomizacin del zumo de Opuntia strictaconel fructooligosacrido Beneo P95

4.2. Secado por atomizacin de zumo de O. stricta con boquilla de tres vas:Estudios preliminares con el fructooligosacrido Beneo P95 y zumo deOpuntia stricta

5. Conclusiones6. Bibliografa


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1. Introduccin

1.1. Microencapsulacin1.1.1. Que es y para que microencapsular

La microencapsulacin es el proceso por el cual partculas individuales o gotas de unmaterial activo (core) se rodean por una cubierta (shell) para producir capsulas en elrango de micras a milmetros, conocidas como microcpsulas. Cuando las partculas

poseen un tamao inferior a 1 m, el producto resultante del proceso de encapsulacinrecibe la denominacin de nanocpsulas (Vila Jato, 1997).

La microcpsula ms simple posee una estructura que est compuesta por dos elementos,el material activo y una delgada pared que envuelve al primero (Figura 1).

Figura 1. Estructura general de una microcpsula

Si consideramos un mismo volumen de material, el rea superficial que se consigue con

nanocpsulas esfricas en comparacin con microcpsulas esfricas es mucho mayor.As, por ejemplo, con esferas de 100 m se consiguen reas de 60 cm2/ml, mientras quecon esferas de 1 m de dimetro se consiguen reas de 6.000 cm2/ml, es decir, 100 vecesmayores (Figura 2). Si consideramos la estructura de una microcpsula simple, yqueremos utilizar un mismo volumen de material activo y de material de cubierta larelacin de dimetros (interno vs externo) debe ser de 0.794. Esto significa que unamicrocpsula de 100 m tendr un espesor de 10.3 m, mientras que una microcpsulade 1 m la tendr de 0.1 m. As, la proteccin del material activo ser mas efectivo enlas partculas mas grandes.

1 m10 m

100 m

Figura 2. Imgenes de microcpsulas de diferentes dimetros conun mismo volumen de material activo y de material de cubierta

Material activo

Material activo (core)

Cubierta (shell)


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Existen diferentes tipos de microcapsulas ms complejas, que segn su estructura laspodemos clasificar como: microcpsulas de sistema reservorio o capsular ymicrocpsulas en sistema matricial:

Sistema reservorio o capsular: el material activo se encuentra incluido en unaespecie de reservorio, que puede ser de naturaleza lquida o slida, el cual se hayaenvuelto por una fina pelcula del material de recubrimiento. En la figura 3 puedeobservarse el caso de una partcula con el interior lleno (figura 3a), o bien con elinterior parcialmente vaco creando una microcpsula hueca (figura 3b).

Sistema matricial: el material activo se encuentra altamente disperso en la matrizpolimrica. Podemos tener una estructura en forma de espuma en donde el materialactivo se encuentre repartido en toda la microcpsula y la cubierta o bien permaneceintacta (figura 3c) o bien en una estructura abierta en forma de red (figura 3e).Tambin podemos encontrar microcpsulas en las que el material activo estdisperso en la matriz que sirve como cubierta, tanto como esfera llena (figura 2d)

como en la periferia (figura 2f). Un ejemplo de microcpsulas tipo 2d sera el uso denanopartculas como material activo.

La forma de las microcpsulas podr ser esfrica o bien presentar una formairregular (figura 3g).

Figura 3. Morfologa de los diferentes tipos de microcpsulas (Vehring, 2008)

Dependiendo de las caractersticas fisicoqumicas del material activo, de la composicinde la pared, y de la tcnica usada del microencapsulacin, se podrn obtener los diversos

tipos de partculas explicados anteriormente.

El propsito general de la microencapsulacin es producir partculas que controlan eltransporte de masa, siendo la pared de la microcpsula la encargada de controlar ladifusin del componente activo de la microcpsula (Vilstrup 2004).

La aplicacin de la microencapsulacin alcanza campos muy variados:

- En la agricultura se utiliza al formular algunos insecticidas, fungicidas y en losfertilizantes de cesin lenta.

- En la industria alimentaria las microcpsulas se emplean para mantener la calidad desustancias grasas, aceites, colorantes, saborizantes y aromatizantes. Estas liberan elmaterial que contienen durante la preparacin de las comidas o tras la ingestin.


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En el caso de microencapsulado de componentes alimenticios la funcin delencapsulado ofrece muy diferentes posibilidades:

Proteger los componentes alimenticios como harinas, vitaminas, o sales deloxgeno, el agua y la luz.

Mejorar el manejo de lquidos para convertirlos en polvos libres para que sepuedan incorporar en otras comidas. Aislar durante el almacenaje ciertos componentes especficos de alimentos de

otros componentes reactivos.

- En cosmtica y perfumera, es tambin frecuente su uso. Microcpsulas con sustanciasolorosas liberan el perfume al frotar suavemente tras su aplicacin.

- En farmacia reducen el efecto directo irritante causado por algunos medicamentos enla mucosa gstrica. Consiguen una liberacin sostenida o controlada del principioactivo a partir de la forma farmacutica, y tambin que la liberacin se produzca amodo de pulsos o a un determinado pH.

1.1.2. Caracterizacin de las microcapsulas

Las microcapsulas deben ser caracterizadas y controladas de acuerdo con unosensayos que aseguren su calidad y homogeneidad, as como su comportamiento en laliberacin del material activo.

Ensayos caractersticos que se suelen realizar a las microcapsulas son:

a) Caractersticas morfolgicas, tamao de partcula, estructura interna, densidad.b) Rendimiento de produccin.c) Eficacia de la encapsulacin y contenido en material activo.d) Estudio de liberacin del material activo.e) Estado fsico e interacciones polmero-material activo.

Veamos uno por uno los mtodos de caracterizacin.

a)Caractersticas morfolgicas, tamao de partcula, estructura interna, densidadPara analizar las caractersticas morfolgicas de las microcapsulas, se recurrenormalmente a tcnicas de microscopa ptica y microscopa electrnica de barrido(SEM) que tambin permiten detectar la posible agregacin de las partculas, as comodeterminar el tamao de las mismas. La observacin por microscopa electrnica de

barrido de los cortes transversales de las micropartculas permite caracterizar la estructurainterna de las mismas.

La distribucin de tamaos de las microcapsulas se determinan empleando tcnicasmicroscpicas, de tamizacin, sedimentacin, tcnicas de difraccin de rayos lser o conun aparato conocido como Coulter Counter, que utiliza el principio de coulter tambinllamado mtodo ESZ (Electronical Sensing Zone Method ).


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Para medir la densidad real se puede utilizar un picnmetro de helio, y para medir ladensidad aparente se puede utilizar la compactacin.

b)Rendimiento de produccinEl rendimiento de produccin refleja el porcentaje de microcpsulas obtenidas conrespecto a la cantidad total de material (material activo + polmero) empleado. Se trata deun control muy importante desde el punto de vista econmico, teniendo en cuenta elelevado costo de la mayora de los polmeros y materiales activos utilizados. Es, por lotanto, conveniente recuperar en forma de microcpsulas la mayor cantidad posible delmaterial de partida.

c)Eficacia de encapsulacin y contenido en material activoPara cuantificar la cantidad de material activo encapsulado en las microcapsulas, habrque disolver previamente el polmero formador de cubierta en un disolvente adecuado oextraer el material activo utilizando un disolvente en el cual el compuesto activo essoluble y el polmero insoluble.El contenido en material activo (m.a.) o capacidad de encapsulacin hace referencia a lacantidad de material activo encapsulado en la microcpsulas. Se calcula de la siguientemanera:

Contenido m.a. (%) = Cantidad de material activo encapsulado x 100Peso final de microcapsulas

El rendimiento o eficacia de encapsulacin (EE) se calcula a partir de la relacin entre elmaterial activo encapsulado y el terico o en disposicin de ser encapsulado, a partir de laexpresin:

EE (%) = Cantidad de material activo encapsulado x 100Cantidad terica de material activo

Interesa que tanto el contenido en material activo como la eficacia de encapsulacin seanlo ms elevados posibles. Es decir, es importante incorporar la mayor cantidad posible dematerial activo por peso de microcpsulas al objeto de que el peso final de la formulacin

no sea excesivo; adems, interesa desde un punto de vista econmico que todo oprcticamente todo el material activo utilizado en el proceso sea encapsulado.

d)Estudio de liberacin del material activo.Al igual que en otros productos de liberacin controlada, el estudio de liberacin in vitrodel material activo a partir de las microcpsulas es muy importante. La liberacin delmaterial activo est gobernada por una serie de factores que son dependientes del

polmero, del material activo y de la propia microcpsula. Entre los primeros se puedecitar el tipo de polmero (insoluble, solubilidad pH dependiente), su peso molecular yestado cristalino. Entre los parmetros relacionados con el principio activo, se destaca la

solubilidad del mismo y su peso molecular. Por ltimo, factores dependientes de la propia


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microcpsula son, por ejemplo, el tipo de estructura interna (reservorio o matricial) y elcontenido terico de material activo con respecto al polmero.

Para realizar el estudio de liberacin se puede utilizar el procedimiento especificado porla USP (Farmacopea Norteamericana), as como mtodos de flujo, agitacin de viales,

membranas de dilisis, etc. Las microcapsulas son incubadas en el medio, aadiendo unagente tensoactivo de ser necesario (principios activos de tipo proteico o peptdico), y sedetermina su liberacin con el tiempo.

e)Estudio de las interacciones polmero-principio activoLa mayora de los procedimientos de microencapsulacin implican un mezclado ntimoentre el polmero y el principio activo, por lo que pueden tener lugar diversasinteracciones fisicoqumicas que pueden influir en la eficacia teraputica, cuando se hablade una forma farmacutica. En consecuencia, es conveniente caracterizar el estado fsicodel polmero y principio activo por separado y del material activo en la microcpsula

(material activo disuelto o dispersado en el polmero) y poner de manifiesto la posibleexistencia de interacciones medicamento excipiente. Para ello se recurre a tcnicasespectroscpicas del tipo de difraccin de rayos X, infrarrojos (IR) y resonanciamagntica nuclear (RMN), as como a tcnicas de anlisis trmico diferencial (ADT) ocalorimetra diferencial de barrido (DSC).

Adems de estos estudios, estar tambin indicado realizar controles de disolventesorgnicos residuales (tcnicas de cromatografa de gases) si las microcpsulas han sido

preparadas por procesos que impliquen la utilizacin de disolventes. Por otra parte, habrque garantizar la esterilidad y ausencia de pirgenos en productos para administracin

parenteral y realizar ensayos de resistencia mecnica en aquellas microcpsulas que sevayan a someter a continuacin a una compresin, etc. Si las micropartculas sonformuladas en suspensiones, un objetivo crucial ser minimizar la difusin del principioactivo al medio suspensor y mantener las propiedades originales de las micropartculasdurante el almacenamiento, por lo que estar indicado realizar estudios de estabilidad(Vila, 1997).

1.1.3. Procesos para preparar microcpsulas.

Como visin general de la microencapsulacin, decir que existen algunos tipos de

procesos que estn basados exclusivamente en fenmenos fsicos, otros usan reaccionesqumicas de polimerizacin para producir la pared de la cpsula, y otros combinan losmtodos fsicos y qumicos. Como existen muchos tipos de microencapsulacin se van aclasificar de acuerdo con la bibliografa consultada en dos grupos (Vilstrup, 2004):

- Procesos de microencapsulacin de Tipo A, basados en procesos qumicos: Entrelos procesos de microencapsulacin de tipo A se encuentra: coacervacincompleja, polmero-polmero incompatible, y proceso de inyeccin sumergido

- Procesos de microencapsulacin de Tipo B, basado en procesos fsicos.Secadopor atomizacin (spray drying), enfriamiento tras atomizacin (spray chilling),

recubrimiento en lecho fluidizado, disco giratorio con orificios mltiples.


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Veamos uno a uno cada proceso de microencapsulacin.

Tipo A. Microencapsulacin por mtodos qumicos

Coacervacin compleja (Hellman, 2000)La coacervacin compleja es el proceso de separacin de fases que tiene lugar deforma espontnea cuando en un medio acuoso se mezclan dos o ms coloides que

presentan carga opuesta (policatin y polianin), como consecuencia de laatraccin electrosttica que sufren. En los procedimientos de microencapsulacin

por coacervacin compleja se utilizan generalmente combinaciones de unaprotena y un polisacrido, en concreto gelatina y goma arbiga (goma acacia)respectivamente. Es uno de los procesos ms estudiados. La gelatina es una

protena anfotrica (presenta carga positiva a valores de pH inferiores a su puntoisoelctrico pI-, y carga negativa a valores de pH superiores) que deriva delcolgeno y resulta muy adecuada para la coacervacin debido a que su especial

configuracin facilita la oclusin de una considerable cantidad de agua. La gomaarbiga presenta carga negativa en todo el rango de pH. En consecuencia, a pHinferiores a su pI, la gelatina est cargada positivamente e interacciona con lasmolculas de goma arbiga, con lo que se produce una neutralizacin de cargas yuna desolvatacin de la mezcla polimrica, que se separa en una fase lquida ocoacervado complejo.

En el proceso de microencapsulacin por coacervacin el aspecto ms importanteque hay que tener en cuenta es el control del pH, ya que determina la ionizacinde ambos coloides, as como la proporcin relativa en que se mezclan stos y laconcentracin polimrica total.

En el caso de la gelatina y la goma arbiga se preparan dos disoluciones acuosas auna concentracin menor del 3% en peso de cada una. A una de ellas se adicionael producto que va a formar el material activo y sobre sta se adiciona la otradisolucin (Figura 4). La temperatura debe ser mayor que el punto de gelificacinde la gelatina (mayor de 35C). El pH se ajusta a 3.8-4.3 y se mantiene unaagitacin continua en todo el proceso. El sistema se enfra a 5C, la capsulacoacervada gelifica y se endurece aadiendo glutaraldehido. Finalmente lasmicrocpsulas se lavan, se secan y recogen.

Figura 4. Formacin de microcpsulas por coacervacin compleja


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Polmero- polmero incompatibleSe basa en inducir la separacin de fases aadiendo un polmero incompatiblecon el polmero formador de cubierta. Es incompatible el polmero que presentauna mayor solubilidad en el disolvente que el propio polmero de recubrimiento,

no teniendo, en cambio, afinidad por el material que se va a encapsular. Por lotanto, a medida que se aade el polmero incompatible, se produce ladesolvatacin del de recubrimiento, que se separa y deposita alrededor de las

partculas suspendidas en el medio.

Procesos de inyeccin sumergida (Submerged nozzle processes )Varios procesos del Tipo A (microencapsulacin por mtodos qumicos) utilizanla fuerza centrfuga o boquillas de dos-fluidos sumergidas para formar lasmicrocpsulas. En un proceso, una copa perforada con una serie de los agujeroscontiendo la fase acuosa, se sumerge en un bao del aceite. La fase del agua de

esta emulsin es una disolucin concentrada de un polmero soluble en agua. Lagelatina es un ejemplo especfico. Se rota la copa, que est sumergida en elaceite, de tal modo que en la fase del aceite se forma una corriente de gotitas deuna emulsin aceite/agua. Controlando la temperatura del bao del aceite, la faseexterna de las gotitas de la emulsin se secan y gelifican para crear capsulas deaceite-cargados del gel que pueden ser aisladas y ser secados. Cuando estnaisladas las cpsulas consisten en un nmero de gotitas pequeas del materialactivo dispersadas a travs de una matriz del material de la pared. Este procesofue desarrollado en 1942 para producir las cpsulas que mejoraron la estabilidadde oxidacin de vitaminas y de aceites de los pescados (Vilstrup, 2004). La figura5 muestra el caso de formacin de microcpsulas con una boquilla de dos fluidossumergida.

Figura 5. Esquema del sistema de boquilla de dos fluidos sumergida


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Tipo B: Microencapsulacin por mtodos fsicos

Secado por atomizacin.Consiste, en lneas generales, en atomizar el material que se encuentra en estado

lquido, ya sea como disolucin o como dispersin, en forma de finas gotas sobreuna corriente de gas calentado. Cuando las pequeas gotas del lquido se ponen encontacto con el gas a mayor temperatura, se produce una rpida evaporacin deldisolvente, formndose una fina pelcula del material de recubrimiento que seencuentra disuelto en l (Hellman, 2000)

Un equipo de secado por atomizacin se compone, esencialmente, de un sistemade alimentacin del lquido, un dispositivo de atomizacin, que por lo generalconsiste en una boquilla de atomizacin, una cmara de secado y un sistemacolector del producto seco.

Para efectuar la microencapsulacin, el material de recubrimiento se disuelve enun disolvente apropiado y en esta disolucin se dispersa la sustancia, slida olquida, que va a servir como material activo. La dispersin, en estado lquido,

preparada en estas condiciones, se suele introducir en la cmara de secado conaire en contracorriente. El aire caliente proporciona el calor de evaporacinrequerido para la separacin del disolvente, producindose en esta forma lamicroencapsulacin.

Las partculas slidas se microencapsulan sometiendo a secado por atomizacinuna suspensin de ellas en una disolucin del agente de recubrimiento. Cuando eldisolvente se evapora, el material de recubrimiento envuelve las partculas.

Los lquidos oleosos pueden microencapsularse emulsificndolos primero uno deellos en una disolucin acuosa del agente de recubrimiento y sometindolos,

posteriormente, al proceso de secado por atomizacin. En este caso, al producirsela evaporacin del agua, las gotitas de aceite son microencapsuladas por elmaterial formador de la pelcula. Con este procedimiento, pueden prepararse losdenominados aceites slidos, que contienen, generalmente, sustanciasaromatizantes que se utilizan en preparados farmacuticos, o perfumes que seemplean en la industria cosmtica.

El producto que se obtiene por este procedimiento est constituido pormicrocpsulas de forma aproximadamente esfrica y de un tamao que vara entre5 y 600 micras y que, casi siempre, presenta una cubierta porosa. Por esta razn,cuando se procesan materiales por este mtodo es necesario emplear una baja

proporcin del ingrediente que va a constituir el material ya que, para aseguraruna adecuada proteccin, es necesario que la cubierta ocupe un porcentajeimportante de la microcpsula total. En el caso de la microencapsulacin deaceites voltiles, se recomienda que el material no represente ms del 20% deltotal de la microcpsula.


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Enfriamiento tras atomizacin (Spray chilling)Este mtodo es muy similar al de secado por atomizacin. El material se dispersaen un medio lquido y se somete posteriormente a atomizacin. La diferenciareside en que, en este procedimiento, se usa la sustancia de recubrimiento fundida

y tras ser sometida a atomizacin se produce un enfriamiento que provoca susolidificacin producindose, de esta manera, la microencapsulacin de lasustancia que se encuentra dispersa (Hellman, 2000).

El enfriamiento tras atomizacin se ha utilizado para microencapsular algunasvitaminas hidrosolubles, sales de hierro y otros medicamentos con el objeto deenmascarar el mal sabor de estas sustancias, para producir microcpsulas devitamina A y otras sustancias oleosas lquidas transformndolas en slidos enforma de polvos. Tambin se ha descrito el empleo de esta tcnica para recubrir

partculas de cido ctrico, bicarbonato de sodio y otras sustancias de intersfarmacutico con el propsito de modificar algunas caractersticas en relacin con

la sensibilidad a la humedad, la velocidad de disolucin o la compatibilidad conotros componentes de una formulacin. La microencapsulacin por este

procedimiento se realiza, en general, suspendiendo el material o ingredienteactivo en el material de recubrimiento fundido. El lquido caliente se atomizadentro de una cmara fra empleando un equipo de secado por atomizacin, que seopera inyectando aire fro. La velocidad y temperatura de la corriente de aire seajustan convenientemente con el fin de obtener un congelamiento rpido dellquido atomizado en pequeas gotas. El material se recolecta en el fondo delaparato en forma de polvo y consiste en partculas ms o menos esfricas, cadauna de las cuales contiene el ingrediente activo suspendido en una matriz delagente de recubrimiento. Como material de recubrimiento se suelen utilizarsustancias que son slidas a la temperatura ambiente y que funden sindescomponerse. Entre otras, pueden citarse ceras, cidos grasos, polmeros,azcares, etc.

La solubilidad, hidrofobicidad, permeabilidad y otras propiedades del materialutilizado como agente de recubrimiento, tienen influencia preponderante en lascaractersticas del producto final. De la misma manera, tienen gran importanciaalgunas variables del proceso, tales como la velocidad de alimentacin delatomizador, viscosidad del lquido que se atomiza y velocidad del disco que

produce la atomizacin.

Becker y colaboradores han efectuado amplios estudios del procedimiento deenfriamiento tras atomizacin para producir microgrnulos de accin sostenida,como asimismo de los diferentes factores que influyen en la cesin del materialactivo desde el interior de las microcpsulas (Hellman, 2000).

Recubrimiento en lecho fluido (Hellman, 2000)En este procedimiento la microencapsulacin se produce al suspender las

pequeas partculas que forman el material activo en un lecho de aire, u otro gas,al mismo tiempo que se dispersa sobre ellas, en forma de fina lluvia, una

disolucin del material de recubrimiento. La pelcula se forma por evaporacindel disolvente el cual a su vez, es separado por el aire o el gas que abandona el


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sistema. Este procedimiento - lo desarroll inicialmente Wrster. El aparato enque se lleva a cabo, se denomina cmara de Wrster y consiste en una columnavertical, estrecha en la parte inferior y ms ancha en la superior. Lamicroencapsulacin se realiza introduciendo una corriente de aire desde el fondo;la velocidad del aire en la parte ms estrecha de la columna es considerable, de tal

manera, que las partculas que van entrando en esta zona, son de inmediatolevantadas hacia la parte superior. En la parte ms ancha de la columna, lavelocidad del aire disminuye notablemente haciendo que el aire no sea capaz desostener las partculas en suspensin, provocando la cada de stas hacia la zonacentral o regin de trabajo (Figura 6). La velocidad de la corriente de aire en lazona de trabajo puede ser regulada mediante toberas colocadas a una cierta altura.

Figura 6. Cmara de Wster

La cmara donde se desarrolla el proceso puede construirse de metal, aceroinoxidable, vidrio o plstico. En su parte inferior, se encuentra una malla o tamizinclinado, que recibe la alimentacin del material a recubrir en la parte superiorencontrndose el dispositivo de salida en la parte inferior de este plano inclinado.Por debajo de la malla se encuentra un sistema que inyecta aire a una determinada

presin. Tambin en la parte inferior, se encuentran algunos dispositivos decalefaccin, que permiten dar al aire la temperatura deseada. El material derecubrimiento se inyecta en forma de fina atomizacin en el interior de la cmaray en una posicin inmediatamente debajo de la regin de trabajo de la columna.Sin embargo, su ubicacin puede ser variada de acuerdo a las necesidades detrabajo. Para efectuar el recubrimiento, se introducen las partculas en la parte altade la malla que se encuentra dentro de la columna; all las toma inmediatamente lacorriente de aire que viene desde el fondo y las levanta hasta la zona de trabajo,

donde adquieren un movimiento de turbulencia particularmente apropiado paraefectuar el recubrimiento. Se inyecta a continuacin la disolucin del materialformador de pelcula finamente atomizado, el cual se va depositando sobre las

partculas y construyendo sobre ellas la cubierta. Cuando las partculas alcanzanun cierto grado de recubrimiento, sobrepasan el peso que soporta la columna deaire y caen sobre la malla, deslizndose en el plano inclinado hacia la zona desalida, de donde pueden retirarse.

El grosor de las cubiertas de los microgrnulos y las caractersticas del productofinal dependen en forma importante del tamao de las partculas de partida, de laconcentracin de la disolucin de recubrimiento, de la naturaleza del disolvente

utilizado para disolver el material que forma la pelcula, de la velocidad de


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atomizacin y de la velocidad y temperatura del aire que se aplica durante elproceso.

La microencapsulacin por recubrimiento en lecho fluido se aplica ampliamentecomo tecnologa farmacutica para producir microgrnulos de accin sostenida,

para mejorar las caractersticas de flujo de las partculas y para el recubrimientode numerosas sustancias en tecnologa de alimentos y otras industriasrelacionadas.

Disco giratorio con orificios mltiplesEste procedimiento aprovecha la fuerza centrfuga para proyectar el materialactivo contra la pelcula del material que formar la cubierta de la microcpsula.Al chocar las partculas del material activo contra la pelcula, sta las envuelve

produciendo la microencapsulacin.

Este procedimiento de microencapsulacin se lleva a cabo en un aparato queconsiste, esencialmente, en un disco giratorio que tiene dispuestos orificios en su

parte externa. La figura 7, representa un esquema del aparato utilizado en lamicroencapsulacin por este procedimiento. El material activo se introduce en elsistema, como lo indica la figura 7, mediante tolvas de alimentacin por medio deun dispositivo que lo conduce hasta el centro del disco. Al girar ste, la fuerzacentrfuga proyecta el material activo a la periferia, impulsndolo hacia losorificios que estn dispuestos en la parte externa del cilindro. Por su parte, elmaterial de recubrimiento se introduce por dispositivos que lo hacen circular en la

periferia del cilindro justo en la salida de los orificios que ste posee. Al chocar

las partculas con la pelcula de recubrimiento se produce un englobamiento delmaterial activo y cuando las fuerzas centrfugas de la masa del material activo ydel material de recubrimiento sobrepasan la fuerza de cohesin de la pelcula, seforman pequeas cpsulas que se proyectan hacia fuera (Vilstrup 2004).

Figura 7. Sistema de microencapsulacin por discos giratorios


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1.2. Microencapsulacin mediante secado por atomizacin

1.2.1. La operacin de secado por atomizacin

En la industria la obtencin de productos en polvo a partir de materiales lquidos se

lleva a cabo por medio de un proceso de secado por atomizacin (Figura 8). Elproceso de secado por atomizacin es capaz de transformar una disolucin, unaemulsin, una suspensin o una dispersin lquida en un producto totalmente seco yestable. Inicialmente, a) el lquido se introduce en el equipo por medio de una

bomba y se atomiza, b) a continuacin se elimina el disolvente por medio de unacorriente de aire caliente, y c) como paso final los equipos utilizados en la industria

presentan compartimentos de deposicin de estas partculas para que al final seanrecogidos en un vaso o recipiente cerrado. Los bajos tiempos de residencia que seemplean y el efecto refrigerador debido a la evaporacin, posibilita trabajareficazmente con productos sensibles a la temperatura. Las ventajas frente a laliofilizacin son un rendimiento mayor, unos tiempos de procesamientos ms cortos

y su menor coste.

Figura 8. Sistema de secado por atomizacin tpico

El secado por atomizacin presenta tanto ventajas como inconvenientes(Mujumdar, 1995):

Las principales ventajas del secado por atomizacin son:

1. Control de los parmetros de calidad del producto as como especificacionesconcretas.

2. Los alimentos sensibles al calor, los productos biolgicos, y los productosfarmacuticos se pueden secar a presin atmosfrica y a bajas temperaturas. Aveces, se emplea la atmsfera inerte.

3. El secado por atomizacin permite la produccin de grandes cantidades en laoperacin continua y con un equipo relativamente simple.


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4. El producto entra en contacto con las superficies del equipo en condicionesanhidras, simplificando as los problemas de la corrosin y de seleccin demateriales costoso en la construccin del equipo.

5. Produce partculas relativamente uniformes, esfricas y con casi la misma

proporcin de compuestos que en la alimentacin lquida.

6. Puesto que la temperatura de funcionamiento del gas puede extenderse de 150 a600 C, la eficacia es comparable a la de otros tipos de secadores directos.

Lasdesventajas del secado por atomizacin son:

1. Falla si se requiere un producto a granel de alta densidad.

2. En general no es flexible. Una unidad diseada para la atomizacin fina puedeno poder producir un producto grueso, y viceversa

3. Para una capacidad dada, se necesita generalmente una evaporacin mayor quecon otros tipos de secadores.

4. Hay una alta inversin inicial comparada a otros tipos de secadores continuos.

Veamos en detalle las tres etapas del proceso de secado por atomizacin indicadasanteriormente: a) Atomizacin, b) Mezcla del aerosol-aire y evaporacin de la humedaddel producto, c) Separacin del producto seco del aire de salida, as como los equiposutilizados en cada una de ellas:

a)AtomizacinLa atomizacin es la operacin ms importante del proceso de secado, pudiendoemplearse diversas formas de energa para dispersar un lquido en partculas finas. El tipode atomizador determina no slo la energa requerida para formar el aerosol sino tambinel tamao y la distribucin de tamao de las gotas y de su trayectoria y velocidad, ascomo el tamao de partcula final. La prediccin acertada del tamao de la gotita permitecontrolar las caractersticas del polvo segn lo deseado. El tamao de la gota establece lasuperficie del traspaso trmico disponible y as la tarifa de secado.

La seleccin del tipo de atomizador depende de la naturaleza y de la cantidad dealimentacin y de las caractersticas deseadas del producto secado. Cuanto ms alta es laenerga para la dispersin, ms pequeas son las gotitas generadas (Mujumdar, 1995).

La industria alimentaria utiliza normalmente tres tipos de atomizadores para el secado:ruedas giratorias, boquillas a presin de un fluido, e boquillas a presin de dos fluidos. Enla tabla siguiente se comparan los rangos de tamaos de gota que se pueden obtener concada uno de estos atomizadores.


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Tabla 1. Rango de tamaos de gota obtenidos en el atomizado

Tipo de atomizacin Tamao de gota

Ruedas giratorias 1 - 600 m

Boquillas a presin de un fluido 10 - 800 m

Boquillas a presin de dos fluidos 5 - 300 m

Los ms usados a nivel industrial son los atomizadores de rueda giratoria y losatomizadores de boquilla a presin de un lquido. El diseo del cilindro de secado(compartimento de secado) est influenciado por el tipo de atomizador utilizado.

Las caractersticas de los atomizadores se explican a continuacin.

Ruedas giratoriasEl dimetro del orificio de atomizacin y las revoluciones de la rueda influyen en eltamao de la partcula resultante (Figura 9). El tamao de partcula puede ser variadocambiando la velocidad del atomizador con respecto a la velocidad perifrica de larueda. Una rueda con un dimetro grande que funciona a una velocidad fija producir

partculas pequeas, mientras que una rueda de dimetro pequeo que funcione a lamisma velocidad fija producir partculas ms grandes.

La rueda tiene pocas aberturas para que la alimentacin lquida salga de la rueda. Estoda lugar a una mayor cantidad de alimentacin que es forzada fuera de cada agujero,as se crea una partcula ms grande (aproximadamente 30-50 micras).

El sistema utiliza un compartimiento de secado con una relacin longitud/dimetrobaja, que permite que las partculas se sequen en una direccin horizontal antes degolpear las paredes.

Boquillas a presin de un fluidoLa boquilla a presin de un fluido crea el aerosol como consecuencia de presionesque oscilan de 5 a 7 MPa (50-70 bar) y que ejerce el lquido al pasar a travs delorificio del boquilla. El lquido entra por la base de la boquilla tangencial y deja el

orificio en forma de un cono hueco con un ngulo que vara de 40 a 140 (Figura 9).El dimetro del orificio es generalmente pequeo, de 0.4 a 4 milmetros, y lacapacidad generalmente de la boquilla no excede 100 litros/h. Cuando el caudal deentrada es elevado, se pueden utilizar varias boquillas en el compartimiento desecado. El compartimento de secado suele tener una relacin longitud/dimetro alta.

Con este tipo de boquilla es posible producir las gotitas dentro de una gama estrechade dimetros, y las partculas secadas son generalmente esferas huecas. Las boquillasde presin de un fluido no son convenientes para suspensiones altamenteconcentradas y materiales abrasivos debido a su tendencia a obstruir y a erosionar elorificio de la boquilla. El consumo de energa de un boquilla de presin es muy bajo

en comparacin con el del atomizador de rueda (Mujumdar, 1995).


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Boquillas a presin de dos fluidosEl sistema de dos fluidos utiliza una boquilla que trabaja con aire comprimido o vapor

para atomizar el lquido. En este caso la alimentacin se mezcla con el aire fuera delcuerpo de la boquilla. El ngulo del aerosol se extiende de 20 a 60 y depende del

diseo de la boquilla. Aproximadamente son necesarios 0.5 m3

del aire comprimidopara atomizar 1 kilogramo de lquido. La capacidad de una sola boquilla no excedegeneralmente los 1000 kg/h de alimentacin. Los aerosoles de alimentaciones pocoviscosas se caracterizan por tamaos de gotita de medio a bajo y un alto grado dehomogeneidad. Con alimentaciones altamente viscosas, se producen tamaos msgrandes de la gotita pero la homogeneidad no es tan alta. Estas boquillas producengotitas pequeas o grandes segn el cociente del aire-liquido. El alto coste del airecomprimido (rango de presiones, 1.5-8 bares) llega a ser importante para la economade estas boquillas, que tienen el consumo de energa ms alto de los tres tipos deatomizadores (Mujumdar, 1995).

Figura 9. Por orden: imgenes deatomizador de rueda giratoria,

boquilla a presin de unfluido yboquilla a presin de dos fluidos

Boquilla atomizacin de tres fluidosEn este caso la alimentacin proviene de dos fluidos independientes que se mezclancon el aire fuera del cuerpo de la boquilla. La boquilla de tres fluidos consiste en una

boquilla que trabaja con aire comprimido por la va exterior, y por las otras dos elencapsulante y el material activo de manera separada. En la figura 9 se puede observaen detalle la disposicin de las vas en la boquilla.

A. Lquido interiorB. Lquido exteriorC. Aire

Figura 10. Detalle del extremo exterior de la boquilla de tres fluidos.

BA C


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b) Mezcla del aerosol-aire y evaporacin de la humedad del producto

Los equipos utilizados en la industria para el secado presentan un compartimento al quellega el lquido atomizado por el pulverizador. Este compartimento que tiene

normalmente forma de cilindro es el encargado de llevar a cabo:

- El secado del producto eliminando el disolvente

-El paso de la corriente de aire y partculas finas al siguiente compartimento para laseparacin de las partculas secas.

La forma del cilindro de secado depende del tipo de atomizador empleado porque elngulo del aerosol determina la trayectoria de las gotitas y por lo tanto el dimetro y laaltura del compartimiento de secado (Snow, 2003).

Un factor importante en el diseo de un secador por atomizacin es la manera en la que elatomizado se pone en contacto con el aire de secado, pues influye en el comportamientode las gotas durante el secado y por tanto en las propiedades del producto seco. La mezclaes un aspecto importante y define el mtodo de secado por atomizacin. Podemosdistinguir tres posibilidades en el secado por atomizacin (figura 11):

- Flujo co-corriente: El material se atomiza en la misma direccin con la que el flujo deaire caliente pasa por el aparato. Las gotas entran en contacto con el aire calientecuando tienen el mayor contenido en humedad. El producto se trata con cuidado debidoa la rpida vaporizacin.

- Flujo contracorriente: El material se atomiza en direccin opuesta al flujo de airecaliente. En este caso el aire caliente va hacia arriba y el producto cae aumentandomucho su temperatura y eliminando la humedad residual. Este mtodo solo es vlido

para compuestos termoestables.

- Flujo combinado: Se combinan las ventajas de ambos mtodos de atomizacin. Elproducto se atomiza hacia arriba y solo permanece en la zona de aire caliente por untiempo corto para eliminar la humedad residual. Entonces la gravedad lleva al productoa la zona ms fra.

Figura 11: Tipos de flujo. Por orden: flujo co-corriente, contracorriente y combinado


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c) Separacin del producto seco del aire de la salida

En esta fase se produce el paso de las partculas y el aire que las acompaa a travs de uncompartimento con una forma caracterstica denominado cicln o Ventura (figura 12).

Dentro del cicln la fuerza centrfuga se emplea para mover las partculas hacia la pared ypara separarlas del aire alrededor del eje. El aire y las partculas avanzan formando unespiral hacia abajo del venturi. De acuerdo con las fuerzas de inercia, las partculas seseparan del aire al chocar con la pared del cicln. Estos ciclones tienen un vaso derecogida en su parte inferior que recibe las partculas. Por la parte superior del cicln saleel flujo de aire limpio que ya no contiene partculas de producto (o contiene pocas)siguiendo un sentido ascendente. Pueden utilizarse equipos de secado con uno o variosciclones (Snow, 2003). Otros sistemas de separacin son precipitadores electrostticos yfiltros textiles (bolsas).

Dos caractersticas se utilizan para definir el funcionamiento del cicln. Son el dimetro

crtico de la partcula (tamao de partcula que se separa totalmente de la corriente delaire) y el dimetro de la partcula para el cual se alcanza 50 % de eficiencia. Laseparacin de partculas se realiza en el rango de 5 a 100 micras.

Figura 12. Esquema de un cicln utilizado para la separacin de partculas

1.2.2. Principales variables del proceso de secado por atomizacin

- Caudal del lquido de entrada. El caudal de entrada del lquido a atomizar alequipo de atomizacin se regula por medio de una bomba peristltica, en el casode una boquilla de dos fluidos. Este caudal afecta a la atomizacin.

- Caudal de aire de atomizacin. Este aire es suministrado por un compresor, yel caudal se regula atendiendo a la lectura de un rotmetro que nos indicar elcaudal de aire utilizado para el atomizado. Este caudal de aire lo utiliza una

boquilla de dos flujos y afecta a la atomizacin.

- Temperatura y humedad del aire de entrada al cilindro de atomizacin(Tinlet). Esta temperatura se puede controlar mediante la resistencia elctrica del

equipo.


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- Caudal de aire de secado. El caudal de aire de secado indica el aire que entraen el cilindro de pulverizacin para realizar el secado. El caudal real depende dela prdida de presin del conjunto del sistema.

Las condiciones utilizadas para el secado por atomizacin: caudal del lquido de

entrada, temperatura y humedad del aire de entrada, caudal de aires de secado y laaspiracin, van a influenciar sin lugar a dudas las caractersticas del producto enpolvo obtenido:

- Humedad final del producto

- Rendimiento de produccin

- Temperatura de salida

- Tamao de partcula

La optimizacin de estos parmetros se hace generalmente por un proceso de "ensayo y

error", si bien es posible predecir la influencia de cada una estas variables de maneraindividual. La influencia de cada una de estas variables en el secado por atomizacin sepresentan en la Tabla 2 (Mster, 2002).

Tabla 2. Influencia de las variables del secado por atomizacin

Parmetro/Dependencia

Caudal alto del airede secado

Humedad del airede entrada alta

Temperatura deentrada elevada

Humedad final delproducto

Mayor humedad

pues baja la presinparcial del aguaevaporada ()

Mayor humedad delproducto pues hayuna presin parcialms alta del aire de

secado ()

Menor humedad por

menor humedadrelativa del aire de

entrada ()

Rendimiento deproduccin

Mayor rendimientoen la separacin en

el cicln ()

Menor rendimientopues ms humedadpuede conducir al

pegado del producto()

Mayor rendimientopues se evita la

eventualpegajosidad ()

Temperatura desalida

Mayor temperaturapues hay menosprdidas de calor

basadas en la entradatotal de energa ()

Mayor temperaturapues hay msenerga almacenada

en humedad ()

Mayor temperaturade salida pues hayuna proporcindirecta ()

Tamao partcula No afecta No afecta No afecta


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Tabla 2 (continuacin). Influencia de las variables del secado por atomizacin

Parmetro/Dependencia

Caudal de aire deatomizacin alto

Caudal del lquidode entrada alto

Alta concentracinde solutos a

atomizar

Humedad final delproducto

No afecta

Mayor humedadpues ms aguaconduce a una

presin parcial msalta ()

Menor humedadpues habr menosagua para evaporar,

menor presinparcial ()

Rendimiento deproduccin

No afectaDepende de laaplicacin ()

Mayor rendimientopues partculas msgrandes conducen a

una mejorseparacin ()

Temperatura desalida

Ms cantidad deaire fresco que

tiene que calentarse()

Menor temperaturapues se evaporams cantidad de

agua ()

Mayor temperaturapues es menor lacantidad de aguaevaporada ()

Tamao partcula

Disminuye eltamao pues

aumenta la energapara la dispersin

del fluido ()

Mayores partculaspues hay mayor

cantidad de fluido a

dispersar ()

Mayor tamao delas partculas

secadas pues hay

mas producto ()

1.3. Microencapsulacin de zumos mediante secado por atomizacin.

1.3.1. Los zumos y su microencapsulacin.

El secado por atomizacin de los zumos de fruta es una operacin de proceso en un solopaso que transforma los zumos en un producto en polvo. La formulacin en polvo facilita

el transporte al reducir el peso, y tambin preserva el producto de la degradacinbacteriana al disminuir drsticamente la actividad de agua.

Los zumos presentan por naturaleza un elevado contenido de azcares como glucosa yfructosa y cidos orgnicos como cido ctrico, mlico y tartrico, lo que les confiere unacaracterstica diferencial a la hora de conseguir que un zumo por eliminacin de sucontenido en agua se transforme en una presentacin en polvo. Estos compuestos tienentemperaturas de transicin vtrea bajas y ya sea con los secadores por atomizacinutilizados en la industria alimentaria para transformar disoluciones, emulsiones odispersiones de un producto (estado lquido) en productos en polvo, o bien por el uso deliofilizadores, nos encontramos con los problemas de pegajosidad (stickiness) y deelevada higroscopicidad con los productos obtenidos. El trmino stickiness hacereferencia a los fenmenos de cohesin partcula-partcula y de adhesin partcula-pared


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que presentan los polvos obtenidos, que dificulta su presentacin en estado de polvo ymancha las paredes de los cilindros de pulverizacin. Al quedar en la pared delcompartimiento de secado como un jarabe da lugar a bajas producciones del producto y a

problemas operacionales. La cohesin es una propiedad interna del polvo y una medidade las fuerzas que mantienen unidas las partculas, mientras que la adhesin es una

propiedad interfacial y una medida de las fuerzas que mantienen las partculas unidas aotro material. La mayor causa de la pegajosidad en polvos amorfos de zumos es la accinplastificante del agua en la superficie, que da lugar a la adhesin y cohesin.

Este fenmeno depende no slo de las propiedades de los materiales sino tambin de lascondiciones aplicadas en el secado. La evaporacin rpida en el secado por atomizacin

produce partculas en estado amorfo que presentan una temperatura de transicin vtrea(Tg). Tg es una medida de un fenmeno de transicin de fase, donde un material pseudo -lquido pegajoso (gomoso) se transforma en un material pseudo-slido en estado vtreo.La transicin ocurre a lo largo de un rango de temperaturas entre la temperatura detransicin vtrea inicial (Tg onset) y la final (Tg endset). Este intervalo vara entre 10 y 30 C.

Imaginemos un material pseudo-lquido (pegajoso) que se est moviendo hacia el estadopseudo-slido vtreo (no pegajoso). Cuando la temperatura en la superficie de una gotaatomizada (Td) es mucho mayor que la Tg, esta gota presenta una fuerza cohesiva baja(fluidez alta) comparada con la fuerza adhesiva en la interfase gota-equipo. Cuando latemperatura est cercana a la Tg final la fuerza cohesiva del material aumentarsustancialmente debido a la menor fluidez. Cuando la temperatura del material cae pordebajo de la temperatura vtrea inicial se completa la transicin y se obtiene un materialvtreo. Puesto que la transicin vtrea ocurre en un rango de temperatura, es necesaria unaescala de tiempo para completar el proceso. Resulta razonable establecer una temperaturade compensacin que ofrezca una escala de tiempo suficientemente larga que permita latransicin. Un valor de 10 C de compensacin de temperatura permite un tiemposuficiente para conseguir un estado seguro de no adhesin.

El alto contenido de azcares de bajo peso molecular y cidos orgnicos disminuye latemperatura de transicin vtrea (Tg) por debajo de la temperatura del producto (Tp),incluso a la temperatura de salida del secado. Esto conlleva a la existencia de un estado

pseudo-lquido de material amorfo, que es responsable de la cohesin interpartculas y dela adhesin de las partculas a las paredes del cilindro de atomizacin. Cuanto mayor seaesta diferencia de temperatura (T = Tp - Tg) mayor ser el grado de pegajosidad.

Figura 13. Esquema de la transicin vtrea.

Una solucin a este problema de pegajosidad es el uso de cilindros de pulverizacin de

doble pared o el uso de aire seco para enfriar. Otra solucin al problema es la utilizacinde productos ayudantes de secado. Estos ayudantes de secado son productos envolventes


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Incremento en la

movilidad molecular

Slidos amorfos en estado

parecido a la goma (porencima de Tg)

Pegajososo, material gomoso, flexibleCristalizacinIncrementa la difusin de gasIncrementa la reactividad qumicaIncrementa la actividad enzimtica

Liberacin de aromas encapsulados ylpidos

o encapsuladores que mezclados con la muestra lquida evitan la pegajosidad yaglomeracin del producto obtenido.

La estructura amorfa o semi-cristalina del producto seco debe mantenerse durante elalmacenaje para evitar la prdida de calidad del producto. Cualquier cambio en su

transicin vtrea afecta a las cualidades fsico-sensoriales del producto, el cual tambin sedeteriora por aumento en reacciones bioqumicas. Los ejemplos de algunos de loscambios indeseables que ocurren en los productos en polvo se presentan en la figura 14.

Figura 14. Esquema de las propiedades que se afectan con la Tg

Los encapsulantes comunes utilizados en la industria incluyen los carbohidratos, lasgomas y los esteres de celulosa. Las ayudantes de secado ms ampliamente utilizadas

para obtener polvos del zumo de fruta son productos de almidn parcialmentehidrolizados. Estos polmeros de la D-glucosa tienen un sabor neutro, color blanco,carecen de olor, son fcilmente digeridos y son bien tolerados. Se clasifican generalmentesegn su grado de hidrlisis, expresado como equivalentes de dextrosa (DE). Lasmaltodextrinas tienen un DE de menos de 20, segn la agencia alimentaria de los EstadosUnidos (sustancias directas del alimento afirmadas como GRAS; Prrafo 184.14444 de21 CFR), mientras que los polmeros de glcidos con DE mayores de 20 se considerancomo jarabes de glucosa (endulzantes y jarabes de glucosa; Prrafo 168.121 de 21 CFR).

Para el secado por atomizacin de zumos se han utilizado maltodextrinas y jarabes deglucosa. Sealar como ejemplos el secado por atomizacin de zumo de sandia conmaltodextrinas 9 DE (Quek et al., 2007), de zumo de pia con maltodextrina 10 DE(Abadio et al., 2004), de zumo de mango con maltodextrina 20 DE (Cano-Chauca et al.,

2005), o de zumo de acerola con jarabe de glucosa 25 DE (Righetto and Netto, 2005).Aun cuando se ha investigado mucho sobre el proceso de secado por atomizacin,todava sigue siendo un proceso con algunas incertidumbres y dificultades. Una razn esla alta influencia en el comportamiento de secado de las caractersticas de los materiales yotro es la compleja dinmica de fluidos en el secador por atomizacin.

Obtener zumos en polvo es muy atractivo desde el punto de vista industrial, es un sectorcon gran proyeccin, encontrndose muchas aplicaciones tanto en el sector de laalimentacin como en el de productos nutracuticos y de cosmtica. Entre las industriasque comercializan zumos en polvo podemos destacar a DIANA NATURAL (Antrain,

Francia). Esta empresa esta especializada en obtener frutas y vegetales en polvo para suuso en golosinas, yogures, bebidas funcionales, bebidas instantneas, as como en


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medicina natural y nutraceuticos (quimioprevencin), El Grupo Empresarial Agraz(Badajoz, Espaa), cuenta entre sus productos ms destacados el tomate en polvo.

En la figura 15 se muestran fotografas de algunos de los productos ofrecidos por estasempresas.

Figura 15. Algunos productos de microencapsulacin comerciales

1.3.2. Microencapsulacin del zumo de frutos de Opuntia(higos chumbos)

- El valor de los higos chumbos

Originaria de Amrica, la chumbera fue llevada por los espaoles a Europa y desde alldistribuida hacia otros pases del mundo. Los principales productores mundiales sonMjico, Italia, Espaa, el norte de frica, Chile y Brasil, pas donde se la cultiva slo

para forraje, ya que sus palas o pencas son ricas en agua y contienen adems salesminerales (calcio, fsforo, hierro) y vitaminas (sobre todo la vitamina C).

El higo chumbo es una baya carnosa de forma de huevo, y su tamao y color puede variarsegn la especie, aunque siempre es verde y va cambiando de color cuando madura. Loshigos chumbos presentan espinas finas y frgiles de 2 a 3 mm de longitud. Soncomestibles, agradables al paladar y de sabor dulce. Su pulpa es gelatinosa, conteniendo

numerosas semillas.El higo chumbo posee un valor nutritivo superior al de otras frutas en varios de suscomponentes. Aporta unas 65 caloras por cada 100 g. de fruta, 3 g de protenas, 0,20 gde grasas, 15,50 g de carbohidratos, 30 mg de calcio, 28 mg de fsforo y vitaminas(caroteno, niacina, tiamina, riboflavina y cido ascrbico). Los extractos de frutos de higochumbo tienen una alta concentracin de cido ascrbico, ms alta incluso que decarotenoides. El cido ascrbico total contenido est en un rango desde 10 a 11 mg/g de

peso fresco en higo chumbo de piel prpura y de 23 a 79 mg/g de peso fresco en frutos depiel roja, con lo que se considera ms alta que la media de vitamina C contenida en frutoscomunes, tales como albaricoques, uvas o manzanas.


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Adems de consumirse fresco como cualquier pieza de fruta, se utiliza para la fabricacinde mermeladas y jaleas, nctar, alcoholes, vinos y colorantes, as como para fabricar unagran variedad de productos cosmticos.

Adems de su consumo como fruta, las culturas prehispnicas dieron una gran

importancia al uso medicinal de las chumberas, as beban el jugo de la fruta paraeliminar las fiebres, o para reducir el exceso de bilis. Las pencas asadas se usaban comocataplasma para aliviar dolores, curar inflamaciones o calmar un dolor de muelas. La

pulpa del higo chumbo se utilizaba para cortar las diarreas

En el mundo, como puede verse en la Figura16, el genero Opuntiacuenta con un grannmero de especies (puntos de color amarillo) y que dan lugar a una elevada variedad defrutos, tal y como se muestra en la imagen.

Figura 16. Distribucin del genero Opuntiapor el mundo

Esta gran diversidad de frutos, algunos muy poco estudiados, hace que su investigacinsea interesante y de gran actualidad.

- O. strictacomo fuente de colorante y nutracuticos

El rojo remolacha o betanina es un colorante alimentario calificado como aditivo E-162,que se extrae de la remolacha roja. Recientes investigaciones realizadas con variasespecies del gnero Opuntia, nos revelan que algunas especies se presentan como unaalternativa a la produccin del colorante betanina. En concreto Opuntia stricta es unaeficaz fuente de pigmentos de betacianina. O. strictacontiene altos niveles de betanina(800 mg kg-1), como cinco veces ms altos que los encontrados en los frutos rojos deOpuntia ficus-indica e incluso mayor que los mostrados por variedades de remolacha rojacomercial utilizadas por su color prpura. El extracto de O. stricta contiene betanina eisobetanina como betacianinas mayoritarias, los mismos pigmentos que existen en laremolacha roja (Castellar et al., 2003).


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La importancia de los pigmentos rojos de higo chumbo como componente funcionalradica no solo en su capacidad como fuente de colorante para uso alimentario sino que las

betaninas poseen capacidad antioxidante, lo que incrementa su importancia por latendencia del consumo de alimentos saludables (Obn et al., 2003).

En la actualidad uno de los colorantes ms utilizados en la industria alimentaria paradotar a los alimentos de color rojo se extrae de la remolacha roja. Sin embargo, elcolorante de remolacha roja presenta una serie de desventajas con respecto a otroscolorantes naturales alimentarios. Su mal olor, debido a la presencia de geosmina y el 3sec-butilo-2-metoxipirazina, es un factor a tener en cuenta, as como su elevadocontenido en nitratos. Este hecho puede requerir un tratamiento adicional para eliminareste mal aroma.

Una alternativa a la utilizacin de esta remolacha roja sera el colorante obtenido defrutos de Opuntia. Si comparamos la remolacha roja con Opuntia, esta ltima ofrececonsiderables ventajas tecnolgicas y sensoriales como fuente de betaninas. Los higos

chumbos poseen un gran aroma y sabor a fruta fresca y poseen mejores propiedadesnutricionales que la remolacha roja. Adems los higos chumbos no muestran toxicidad,sus pigmentos no provocan ninguna reaccin alrgica y este colorante puede ser utilizadosin necesidad de someterse a la certificacin como colorante alimentario, debido a que

posee la misma composicin qumica que el colorante rojo de remolacha. As, elcolorante rojo obtenido de Opuntia tambin podra catalogarse como E-162 (Castellar etal., 2006).

A continuacin se presentan fotos de la planta y frutos de Opuntia stricta, figuras 17 y18 donde se aprecia un fruto bastante coloreado, indicando su alto contenido en

pigmentos. Los frutos de Opuntia stricta son pequeos con una medida de 2,5 cm 6 cmde media, poseen una delgada piel y tienen un numero de semillas muy bajo si loscomparas con las especies O. undulata y O. ficus-indica (Castellar et al., 2003).

Figura 17. Fotografa de una planta de Opuntia stricta


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Figura 18. Fotografa de frutos de Opuntia stricta

Con respecto a los componentes de inters nutricional (ver Tabla 3) es de destacar que elperfil de estos frutos es similar al de otros de origen tropical. Sealar que el pH esligeramente inferior al de otras especies del mismo gnero. Los azcares totales estn en lazona baja del intervalo mostrado por estos frutos, que oscila entre 11.5 y 17 brix. Lacomposicin de azucares individuales revela la presencia mayoritaria de glucosa y fructosa encantidades relativamente altas (Obn et al., 2003).

Tabla 3: Caractersticas qumicas de frutos de Opuntia stricta

Parmetro analizado Valor

pH 3.8Slidos solubles (Brix) 11.5Glucosa (g/100 g peso fresco) 5.5Fructosa (g/100 g peso fresco) 3.8Pigmentos (mg/100 g peso fresco) 80.1Fibra (%) 3.9Ca (mg/100 g peso fresco) 34.8K (mg/100 g peso fresco) 76.1

A partir de los frutos de O. strictase ha obtenido un extracto acuoso concentrado quepresenta una elevada fuerza de color (3.9, OD 535nm, 1% v/v), una elevadaconcentracin de betanina (4.7 g/l), una baja viscosidad (59 cP) y una elevada estabilidadal almacenamiento (t1/2=236 das, a 4C). Estas caractersticas hacen que este extractoconcentrado sea similar a otros extractos lquidos comerciales estudiados de remolacharoja, zanahoria roja o de hollejo de uva roja (Castellar et al, 2006).

Los parmetros de color CIELAB del extracto de Opuntia stricta son L*=69.8, a*=59.7 yb*=-23.5. Estos valores indican que Opuntia strictapresenta un color vivo purpura-rojizoque le hacen distinguirse de los colores ofrecidos por otros colorantes comerciales comoremolacha roja, rojo cochinilla, enocianina, hibisco, lombarda o baya de sauco (Castellar

et al., 2006).


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- Microencapsulacin de zumos de frutos de O. stricta.

Como se ha explicado anteriormente el zumo de frutas de Opuntia strictaes una fuentepotencial de betanina que se puede utilizar como colorante natural alimentario. En

trabajos previos realizados en el Departamento de Ingeniera Qumica y Ambiental se haobtenido un colorante en polvo de los zumos de fruta de O. strictamediante un secadorpor atomizacin a escala laboratorio trabajando en flujo co-corriente y con una boquillade dos fluidos. Se utiliz jarabe de glucosa DE 29, como ayudante de secado. Lascondiciones ptimas para el secado por atomizacin fueron las siguientes: contenido delzumo (el 20% v/v; Brix 1.2), contenido de ayudante de secado (peso/volumen del 10%),el caudal de entrada de lquido (0.72 l/h), caudal de corriente del aire de atomizacin(0.47 m3/h) y temperatura de secado a la entrada de 160 C.

Los resultados de este estudio revelan que el color se conserva durante el proceso desecado (> 98%) y el rendimiento de secado es del 58%. El colorante en polvo tiene una

alta fuerza de color (4.0, O.D. 535 nm 1% p/v), siendo este valor de fuerza del colorestable cuando se almacenaba a temperatura ambiente durante un mes.

Este colorante fue aplicado con xito en dos tipos de alimentos modelo: un yogur y unrefresco. Los alimentos presentaron una tonalidad rojo-prpura viva muy atractiva paralos consumidores que se mantena invariable despus de un mes refrigerado (Obn et al.,2009).

- Fructo-oligosacridos e inulinas como ingredientes funcionales

Los fructooligosacridos (FOS), la inulina y otros carbohidratos relacionados como losgalacto-oligosacridos, han recibido una atencin considerable debido a las propiedades

prebiticas asociadas a su consumo. Estos carbohidratos prebiticos se definen comoingredientes no digestibles de los alimentos que benefician la salud del consumidorestimulando el crecimiento y/o la actividad del cierto nmero de bacterias de la floraintestinal. Entre las bacterias intestinales residentes que son estimuladas por prebiticosestn varios lactobacilos y bifidobacterias. As, los prebiticos, solamente o combinadoscon las bacterias probiticas bajo la forma de simbitico, recientemente se ha reconocidoque tienen la capacidad de mejorar la salud gastrointestinal de los seres humanos.

Se ha descrito el uso de fibras naturales de ctricos como ayudantes de secado para

obtener colorantes bioactivos de flores de Hibisco(Chiou y Langrish, 2007). Siguiendocon esta lnea abierta de obtener colorantes bioactivos, en el presente trabajo se proponeel uso del fructooligosacridos e inulinas como agentes encapsulantes. La combinacinde estos prebioticos, con el zumo de fruta crea un producto nutracutico muy interesante

para el desarrollo de nuevos alimentos funcionales. As, la sustitucin de lasmaltodextrinas como ayudantes del secado o la combinacin de stas confructooligosacridos e inulinas permitir obtener colorantes en polvo prebiticos que

permitan un desarrollo importante para el sector alimentario.


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2. ObjetivosEl objetivo principal de este trabajo es producir un colorante alimentario funcional

rojo-prpura en polvo a partir del zumo de frutos de Opuntia stricta. As, partiendo delzumo de un fruto rico en un colorante rojo-prpura como es la betanina, se busca obtener

un producto en polvo con prebitico que pueda ser empleado como nutracutico.

Este producto que presenta una coloracin rojo-prpura viva puede aplicarse no solocomo nutracutico sino tambin como colorante en la elaboracin de yogures, helados,golosinas, postres de gelatina, etc., dando tonalidades que se asemejan al color de lasfrutas del bosque.

Para conseguir el colorante en polvo se van a utilizar fructooligosacridos, inulinas,maltodextrina y jarabe de glucosa anhidro como agentes ayudantes de secado y un equipode secado por atomizacin a escala laboratorio Mini Spray Dryer B-290 (Bchi, Suiza)equipado con una boquillas de atomizacin de dos vas y con una de tres vas.

Para conseguir este objetivo global se van a ir abordando los siguientes objetivosparciales:

1) Encontrar las condiciones adecuadas de secado por atomizacin de zumo de frutos deOpuntia stricta utilizando el Mini Spray Dryer B-290 con boquilla de dos vas,comparando el uso, como ayudantes de secado, de fructooligosacaridos e inulinasfrente a las maltodextrinas.

2) Determinar las temperaturas de transicin vtrea de fructooligosacaridos, inulinas ymaltodextrinas, para intentar correlacionar estos valores con el comportamiento de losayudantes de secado en el secado por atomizacin.

3) Optimizar la relacin encapsulante/zumo de Opuntia stricta para conseguir unmicroencapsulado en polvo con elevados rendimientos en producto y alta intensidadde color. En el secado por atomizacin la temperatura del aire de entrada a 160 C, elcaudal de aspiracin (90% del mximo), el caudal de aire de atomizacin (4 cm) y elcaudal de alimentacin (40% del mximo) se mantendrn constantes.

4) Optimizar el secado por atomizacin del zumo de frutos de Opuntia stricta con elfructooligosacrido Beneo P95. Se utilizar la mejor relacin encapsulante/zumo y se

estudiar el efecto del caudal de aire de atomizacin (3-5 cm), del caudal dealimentacin (30-50% del mximo) y de la temperatura (160-200 C).

5) Realizar un estudio preliminar que optimice el secado por atomizacin de zumo deOpuntia strictacon el fructooligosacrido Beneo P95, utilizando el Mini Spray DryerB-290 con boquilla de tres vas.


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3. Materiales y Mtodos

Mtodos de trabajo y materiales utilizados en cada uno de ellos

3.1. Productos qumicos

Entre los productos qumicos usados para la microencapsulacin estn: fructo-oligosacaridos, inulinas y maltodextrinas.

Fructoligosacaridos-Inulinas:

- Beneo P95 (Oligofructose >93% (2-8 dp; dp: grado de polimerizacin) (FFn +GFn), Glucose+fructose+sucrose < 7%); (Beneo-Orafti, Barcelona, Espaa). Seobtiene por hidrlisis de inulina de achicoria.

- Actilight (Oligofructose > 95% (3-5 dp, GF2 37%, GF3 53% y GF4 10%),Glucose+fructose+sucrose 5%) (Bejhin-Meiji Industries, Japn). Se obtiene por

biosntesis a partir de sacarosa.- Beneo HSI (Oligofructose 60% (2-10 dp), Inulin > 26% (> 10 dp),

Glucose+fructose+sucrose < 14%) (Beneo-Orafti, Barcelona, Espaa)

- Beneo Synergy (Oligofructose xx%, Inulin xx%, Glucose+fructose+sucrose < 6-10%) (Beneo-Orafti, Barcelona, Espaa)

- Beneo ST (STandard inulin) (Inulin 92%, (> 10 dp; 10-60), Glucose+fructose < 4;sucrose < 8%) (Beneo-Orafti, Barcelona, Espaa)

- Beneo HP (High Performance inulin). (Inulin 100%, (> 23 dp),Glucose+fructose+sucrose < 0.5%) (Beneo-Orafti, Barcelona, Espaa)

Maltodextrina: Glucidex 6DE (Roquette Laisa, Valencia, Espaa).

Jarabe de glucosa anhidro: Glucidex 29DE (Roquette Laisa, Valencia, Espaa).

3.2. Material vegetal: frutos de Opuntia stricta

La recoleccin de los frutos de Opuntia stricta se llev a cabo en Murcia a finales defebrero cuando su grado de maduracin era avanzado. Una vez en el laboratorio selavan cuidadosamente eliminado los gloqudios, y se introducen en bolsas hermticasen un arcn congelador a una temperatura de 20 C, donde se guardan hasta su uso.

3.3. Preparacin de zumo de frutos de Opuntia stricta

Los frutos de Opuntia stricta se sacan del congelador, se los deja unos 30 minutosaproximadamente para que se descongelen y acto seguido se homogenezan con unhomogeneizador ultraturrax modelo Ika Labortechnik T25 basic (Ika, Alemania) auna velocidad de unas 3000 a 4000 rpm.

Para obtener el zumo se hace necesaria la centrifugacin de las muestras. En esteproceso se eliminan los restos vegetales insolubles, semillas y parte de muclagos. Lacentrifugacin se realiza en una centrfuga refrigerada modelo Z 383 K (Hermle,Alemania) a razn de 15000 rpm durante quince minutos. El zumo, una vezdecantado, se guarda en botes de plstico estriles de 100 ml de capacidad.

Este zumo envasado se guarda en un congelador a 20C hasta su utilizacin.


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3.4. Operacin de secado por atomizacin

El equipo a escala laboratorio utilizado en este trabajo, para llevar a cabo el secadopor atomizacin del zumo de Opuntia stricta, se puede observar en la Figura 19 y enel diagrama de la Figura 20, con los diferentes componentes de este equipo de secado

por atomizacin (Bchi mini Spry Dryer B-290, Suiza)

Figura 19. Mini Spray Dryer B-290

Figura 20. Esquema del Mini Spray Dryer Buchi-290

Componentes:

1. Boca de aspiracin

2. Calefaccin elctrica

3. Entrada de la corriente estabilizada en la cmara de secado y boquilla deatomizacin

4. Cmara de secado o cilindro de pulverizacin (altura: 50 cm, dimetro: 15 cm)


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5. Cicln para separar el producto de la corriente de aire

6. Recipiente de recogida para el polvo seco

7. Filtro de salida

8. Aspirador para generar la corriente de aire

El Mini Spray Dryer B-290 funciona segn el principio de flujo paralelo, es decir, elproducto pulverizado y el aire seco se desplazan en el mismo sentido. El rendimientode evaporacin del equipo est sobre 1 l/h de agua. El tiempo medio de residenciaest entre 1-1.5 s. Los rangos de partcula que se obtienen estn entre 1 y 25 m.

Operacin atendiendo al esquema anterior:

1. Se produce la entrada de aire por la boca de aspiracin.

2. La resistencia elctrica es la encargada de llevar a cabo el calentamiento del airede entrada.

3. Se produce la entrada del aire caliente de forma estable en el cilindro deatomizacin a la temperatura que hemos marcado.

4. El cilindro de pulverizacin es el recipiente o cavidad encargada de recibir elproducto atomizado procedente de la tobera o boquilla. Presenta en su parte bajaun pequeo recogedor de agua que recibe el lquido que no se atomiza (en malascondiciones de atomizacin). El cilindro de pulverizacin sirve de enlace entre laentrada de producto atomizado y aire, y el cicln.

5. El cicln separa el producto, ya en polvo, del aire.

6. En el recipiente de recogida se recoge el producto final slido y el polvo.

7. El filtro de salida evita que el aire expulsado a la atmsfera contenga polvo,haciendo pasar la corriente de aire de salida por un filtro.

8. El aspirador genera la corriente de aire necesaria para el secado.

Uno de los aspectos fundamentales del secado por atomizacin, es la atomizacin. ElMini Spray Dryer B-290 utiliza para la atomizacin una boquilla a presin de dosfluidos.

Las instrucciones de puesta en marcha del secador por atomizacin son:

- Encender el interruptor general del equipo

- Introducir la goma de silicona de la bomba peristltica hasta el fondo de un vaso deprecipitados con agua destilada. Comprobar que la goma est aprisionada por el

rotor.


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31

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50

Posicion bomba (%)

Caudal(ml/min

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 20 40 60 80 100

Posicion bomba (r.p.m.)

Caudal(ml/min

- Poner en marcha la aspiracin al valor seleccionado.

- Seleccionar la temperatura del aire de entrada y poner en marcha la calefaccin.

- Esperar que se alcance la temperatura seleccionada.

- Encender el compresor que suministra el caudal de aire de atomizacin yseleccionar en el equipo con el rotmetro el caudal elegido.

- Ajustar el caudal de la bomba peristltica de alimentacin al valor preestablecido, yponerla a continuacin en marcha. El equipo utiliza como escala de medida elporcentaje de funcionamiento mximo de bomba. Los valores de caudalcorrespondientes al agua utilizando un tubo de silicona (Di= 2 mm) se presentan enla Figura 21.

Tambin se presenta el calibrado con agua de la bomba auxiliar (Heidolph PD-

5001) que se utiliza con la boquilla de tres fluidos.

Figura 21. Grafica de calibracin de las bombas peristlticas.(a) Equipo secado por atomizacin, (b) Bomba auxiliar

Cuando el agua llegue a la tobera se iniciar la atomizacin.

- Observar la temperatura de salida y esperar a que se alcance un valor estable.

- Alcanzado el estado estacionario, cambiar la goma de silicona de la bombaperistltica del vaso con agua al vaso de precipitados que contiene la muestra asecar. Comprobar previamente que su temperatura sea la ambiente (20 C).

- El proceso de atomizacin y secado se inicia, y el polvo comienza a aparecer en elrecipiente de recogida.

- Una vez que ha pasado toda la muestra a atomizar se cambia la goma de siliconade la bomba peristltica al vaso de precipitados con agua destilada. Se esperanunos minutos hasta que se limpia la goma de silicona y la tobera de atomizacin, yse detiene la bomba de alimentacin. Se apaga el compresor.

- Se desconecta la calefaccin que calienta el aire de entrada, y se espera a que latemperatura del aire de salida sea de unos 30 C.


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- Se apaga la aspiracin y se procede a abrir el recipiente de recogida de polvo. Conla ayuda de un pincel se recoge todo el polvo que se encuentra adherido en elinterior del cicln as como el situado en la tapa metlica de la parte inferior delcicln.

- El producto en polvo obtenido se recoge en placas petri, convenientementeetiquetadas, se pesa y se almacenan las placas en un desecador con gel de sliceanhidra a temperatura ambiente.

En cada ensayo se anotan las observaciones correspondientes, indicando si ha habidoalgn tipo de condensacin de agua o el grado de suciedad del cilindro deatomizacin.

Finalizado el experimento se desmonta el cilindro de atomizacin, el cicln y elrecipiente de recogida de polvo seco, limpindose todo cuidadosamente, y quedandolisto para el siguiente experimento.

- La atomizacin tambin puede realizarse con una boquilla de tres fluidos. Laseccin del tubo de entrada del fluido interior es de 0.7 mm de dimetro interno, eldimetro del tubo del fluido exterior es de 2 mm de dimetro, mientras que la salidadel aire de atomizacin tiene un dimetro de 2.8 mm. Para realizar esta operacin seutiliza una segunda bomba peristltica (PD-5001 Heidolph, Alemania) para hacercircular el fluido por el tubo interior, dejando la bomba del equipo para el fluidoexterior de la boquilla.

3.5. Mtodos de medida

Se llevan a cabo las siguientes mediciones:

a) Medidas de slidos solubles totales en zumos (Brix)

La medida de slidos solubles totales de los zumos se realiza con un refractmetro demano. Se coloca una pequea cantidad de muestra lquida en el campo delrefractmetro y se lee sobre una escala de 0 a 32 brix. Se calibra con agua el cero dela escala del aparato antes de cada medida.

b) Anlisis espectrofotomtrico del zumo de Opuntia stricta

Previo a realizar un espectro en el espectrofotmetro (Modelo 8453, Agilent,Alemania) se hacer la lnea base con agua. Los barridos de absorbancia de lasmuestras se realizan en el rango de longitudes de onda visible entre 380 y 780 nm.

c) Medidas de peso del producto en polvo

Las muestras en polvo obtenidas tras el secado por atomizacin se almacenaron enplacas Petri dentro de un desecador con gel de slice anhidro. Para determinar su pesose utiliz una balanza electrnica Sartorius Bp 121S que aprecia dcimas de

miligramo.


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d) Medida de intensidad del color del zumo (color strength)

La intensidad del color del zumo (11 brix) se define como la absorbancia que presenta

una disolucin al 1% (v/v). Para realizar la medida se utiliza el valor de la longitud deonda mxima de absorcin de las betaninas (535 nm).

e) Medida de intensidad del color del producto en polvo (color strength)

La intensidad del color del polvo obtenido se define como la absorbancia que presentauna disolucin al 1%.(p/v). Para realizar la medida se utiliza el valor de la longitud deonda mxima de absorcin de las betaninas (535 nm).

En general, se prepara una disolucin (0.1%) pesando 100 mg del producto en polvo yse llevan a 100 ml con agua destilada con la ayuda de un matraz aforado. La

disolucin se agita manualmente, y se determina su absorbancia a 535 nm por mediode un espectrofotmetro (Agilent, Alemania). Se utilizan cubetas de vidrio ptico de 3ml para realizar las medidas. El cero de absorbancia se hace con agua destilada. Losvalores de absorbancia medidos siempre fueron inferiores a 0.9 unidades deabsorbancia, y hasta estos valores se puede asumir linealidad entre la concentracin yla absorbancia.

El clculo de la intensidad del color del producto en polvo se realiza multiplicando pordiez el valor de absorbancia determinado con la disolucin 0.1%.

f) Anlisis del producto en polvo por microscopia electrnica de barrido (SEM)

Se realiz un estudio por microscopia electrnica de barrido de los productos en polvocon un equipo Hitachi modelo S-3500N.

Las muestras de polvo obtenidas en los diversos experimentos se fijan a una cintaadhesiva de doble cara colocada en un porta muestras. Se aplica una pequea punta deesptula de muestra, que se fija a la cinta por medio de una pequea presin. Para elcorrecto estudio de las muestras, stas tuvieron que ser metalizadas durante 120segundos. El metalizado sirve para que los pequeos granos de polvo se encuentren

ms estables y no se muevan cuando la precisa lente del microscopio se encuentrecerca de ellos para visualizarlos. La lente se coloc a 7 mm de distancia. Tambinpermite aumentar la conductividad de las muestras y obtener imgenes con buenaresolucin

Todas las imgenes se tomaron buscando un campo representativo de la muestra queestuviera lo ms plano posible, operando a 5 kV y empleando una magnificacin de1000 aumentos.

g) Medidas de calorimetria diferencial de barrido (DSC)

El DSC es una tcnica termoanaltica en la que se determina la diferencia de calorentre una muestra y una referencia en funcin de la temperatura. La muestra y la


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referencia son mantenidas aproximadamente a la misma temperatura a lo largo de unexperimento. Generalmente, el programa de temperatura para un anlisis DSC esdiseado de tal modo que la temperatura de la muestra aumenta linealmente enfuncin del tiempo. La muestra de referencia debera tener una capacidad calorfica

bien definida en el intervalo de temperaturas en que vaya a tener lugar el barrido. El

principio bsico subyacente a esta tcnica es que, cuando la muestra experimenta unatransformacin fsica tal como una transicin de fase, se necesitar que fluya ms (omenos) calor a la muestra que a la referencia para mantener ambas a la mismatemperatura. El que fluya ms o menos calor a la muestra depende de si el proceso esexotrmico o endotrmico.

En el caso de nuestras muestras el programa consiste en un barrido previo de 0 a168C, denominado borrado de historia trmica, se mantiene a 168C durante 10minutos asegurndonos la prdida total de agua, una vez trascurrido este tiempovuelve a bajar la temperatura hasta -20C, producindose la transicin vtrea, se vuelvea calentar hasta 168C volvindose a producir la transicin, observndose en las

graficas como la inflexin se produce en el mismo punto.

El equipo utilizado en la experimentacin es un DCS 822e Mettler Toledo (Barcelona,Espaa).


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Resultados y Discusin

4.1. Secado por atomizacin de zumo de O. strictacon boquilla de dos vas: usode fructooligosacaridos e inulina frente a las maltodextrinas

Medidas de la temperatura de transicin vtrea de fructooligosacaridos,inulinas y maltodextrinas (Tg)El estudio de las propiedades fsico-qumicas de los fructooligosacaridos, inulinas y

maltrodextrinas es muy importante para la eleccin del encapsulante cuyo

comportamiento sea ptimo. Entre los parmetros utilizados para evaluar el mejor

ayudante de secado podemos destacar la temperatura de transicin vtrea (Tg) ya que

del valor de este parmetro depende en parte la eficacia del secado por atomizacin.

Como se ha explicado anteriormente la razn del uso de los ayudantes de secado es

evitar el fenmeno de stickiness y para ello es conveniente determinar cul de los

productos tienen la mayor de las temperaturas de transicin vtrea. Una mayor

temperatura de transicin vtrea significar un mejor comportamiento en el secado.

Para obtener esta temperatura se ha realizado un anlisis por calorimetra diferencial

de barrido (DSC) que permite comparar los diferentes productos encapsulantes o

ayudantes del secado utilizados en este trabajo. La tcnica empleada ya ha sido

explicada en el apartado anterior de materiales y mtodos.

Los resultados obtenidos correspondientes al anlisis por DSC del fructo-

oligosacarido, Beneo P95 (BP95) se muestran en la figura 22. Esta figura presenta el

mtodo completo para este fructooligosacarido. En el primer tramo de 25 a 168C

ocurren una serie de transiciones exotrmicas que se solapan con la prdida de agua

que tiene lugar en ese intervalo. Para asegurar la eliminacin de todo el agua se

mantiene la temperatura a 168C durante 10 minutos. A continuacin se enfra hasta

los -20C para realizar el conocido como borrado del historial trmico del material.

En este intervalo destaca una transicin, la cual corresponde con Tg. El mtodo vuelve

a calentar de nuevo el producto de -20 hasta 168C, quedando clara la transicin

vtrea.

BP95, 12.05.2008 17:59:16BP95, 21.7640 mg

mW

10

min

C50 100 150 168 150 100 50 0 0 50 100 150

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

exo

STAReSW 9.10DEMO Version

Figura 22. Anlisis DSC del fructooligosacrido Beneo P95


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En la bibliografa no se han encontrado anlisis por DSC de fructooligosacridos pero si

de la inulina. En la Figura 23 se presenta el estudio de DSC de la inulina (Ronkart et al.,

2007). En la primera zona entre 25 y 125C se observa la prdida de peso correspondiente

a la prdida del agua, la siguiente zona se corresponde con la transicin vtrea y

superando los 150C comienza la zona correspondiente a la fusin, teniendo lugar ladegradacin del material al superarse los 200C. Las dos primeras zonas siguen un

comportamiento anlogo al de el fructooligosacrido BP 95, si bien en el nuestro caso no

se ha observado ningn cambio exotrmico que pudiera ser identificado como fusin a las

temperaturas mas altas estudiadas, por lo que se puede asumir que el anlisis de DSC es

correcto.

Figura 23. Anlisis por DSC de la inulina (Ronkart et al., 2007)

En la Figura 24 se ampla la zona final de la grafica correspondiente a la DSC del BP95

(Figura 22). Se determin utilizando el software del microcalormetro el punto sobre la

pendiente en la que se produce la transicin vtrea, en el caso del BP95, vemos como el

comienzo de la transicin vtrea est en 38.1C y el punto medio correspondiente a la

Tg es 48.8C.

Glass TransitionOnset 38,13 CMidpoint 48,77 CMidpoint ASTM,IEC 49,14 CDelta cp ASTM,IEC 0,512 Jg -1K^-1

Method: 25-168(10')-( -20)-168 10 C/min N2 50dt 1,00 s 25,0-168,0C 10,00C/mi n, N2 50,0 ml/min 168,0C 10,0 min N2 50,0 ml/min

168,0--20,0C -10,00C/mi n N2 50,0 ml/m in -20,0-168,0C 10,00C/min N2 50,0 ml/m inSynchronization enabled

BP95, 12.05.2008 17:59:16BP95, 21,7640 mg

mW

2

min

C-20 -0 20 40 60 80 100 120 140 160

44 46 48 50 52 54 56 58 60

exo jmoc BP95 22.05.2008 13:30:38

STAReSW 9.10DEMO Version

Figura 24. Grafica ampliada de la zona de transicin vtrea del BP95


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En la Tabla 4 se resumen los resultados del anlisis por DSC de cada uno de los

fructoligosacridos, inulinas y maltodextrinas estudiadas. El mtodo de anlisis es

idntico al realizado con el BP95. En el Anexo I podemos encontrar las grficas

correspondientes a cada uno de los citados materiales.

Tabla 4. Valores de temperatura de transicin vtrea (Tg) y de capacidad calorfica(Cp) de los encapsulantes estudiados

Encapsulante Tg inicio (C) Tg media (C) Cp (J/g K)

Fructooligosacridos

Beneo P 95 (95%) 38.1 48.8 0.512

Actilight (96%) 92.7 96.3 0.535

Fructooligosacaridos/inulina

Beneo HSI (60%/26%) 81.3 87.8 0.536

Beneo Synergy (50%/42%) 82.2 90.4 0.519Inulina

Beneo ST (92%) 116.1 123.6 0.377

Beneo HP (100%) 119.7 125.2 0.136

Maltodextrina

Glucidex 6D n.d. n.d. n.d.

Glucidex 29D 142.0 146.1 0.285

Los valores de temperatura de transicin vtrea encontrados en la bibliografa se

presentan en la Tabla 5.

Tabla 5. Datos bibliogrficos de los valores de temperatura de

transicin vtrea (Tg) de azcares, inulinas y maltodextrinas

Carbohidrato Tg (C) Referencia

Azcares

Glucosa 31 Bhandari et al., 1997

Fructosa 5 Bhandari et al., 1997

Sacarosa 62 Bhandari et al., 1997

InulinasRaftiline HP (>25 d.p.) 120 Zimeri y Kokini, 2002

Fibruline XL (23 d.p.) 148-153 Ronkart et al., 2007

Maltodextrinas

DE 4-7 188 Roos y Karel, 1991

DE 9-12 160 Roos y Karel, 1991

DE 20-23 141 Roos y Karel, 1991

DE 23-27 121 Roos y Karel, 1991

DE 34-38 100 Roos y Karel, 1991


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Los valores de Tg determinados para las inulinas, Beneo ST y Beneo HP, as como para

la maltodextrina Glucidex 29D, guardan relacin con los datos de la bibliografa. Se

puede justificar que las temperaturas de transicin ms altas determinadas corresponden a

los polisacridos de cadena ms larga, es decir a los productos comerciales con mayor

contenido en inulina, mientras que los valores menores de Tg son para los

fructooligosacridos que tienen un bajo grado de polimerizacin. Tambin se puedeobservar que la inulina presenta valores de Tg menores a los de cualquier maltodextrina.

Este hecho se explica por el mayor valor de Tg de la glucosa (31 C) en comparacin con

la fructosa (5 C), que se extrapola a sus correspondientes polmeros.

Otra propiedad importante en un ayudante de secado es su higroscopicidad. As, para

estudiar la higroscopicidad de los ayudantes de secado que se emplean en esta

investigacin, se plante un experimento en el cual se mantuvo 1 g de cada material en

una placa Petri de 4 cm de dimetro en unas condiciones de humedad ambiente entre 40 y

50% y de temperatura de 16 a 20 C. Se realiz una observacin visual de la evolucin

temporal de los fructoligosacaridos, inulinas y maltodextrinas. El ensayo dur un mes,

realizando fotografas aquellos das en los que se not un cambio apreciable. Inicialmentetodas las muestras eran polvos blancos, con partculas de una granulometra similar que

se movan libremente con el movimiento de una esptula (Figura 25).

Figura 25. Foto de los encapsulantes al inicio del experimento:

(a) Actiligth, (b) BP 95, (c) Beneo HSI, (d) Beneo Synergy,

(e) Beneo HP, (f) Beneo ST, (g) Glucidex 6D, (h) Glucidex 12D,

(i) Glucidex 19D, (j) Glucidex 21D, (k) Glucidex 29D

Al cabo de tres das las muestras de los fructooligosacridos Beneo P95 y Actilight

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Tesis Maltodextrina Tunas