Study of transport phenomena during frying using glass micromodels.
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Date
2011
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Abstract
Las nuevas tendencias en nutrición y la creciente demanda por alimentos más sanos han sido las fuerzas motrices para el desarrollo de productos fritos con un menor contenido final de aceite. A pesar de los esfuerzos realizados por comprender a cabalidad el fenómeno de absorción de aceite durante la fritura, debido a que múltiples cambios ocurren durante este rápido y complejo proceso, la descripción completa de éste sigue siendo poco clara. Hasta el momento, el fenómeno de absorción de aceite en alimentos fritos, ha sido estudiado de diferentes maneras, utilizando diferentes técnicas de microscopia, métodos químicos, y se han realizado importantes esfuerzos por modelarlo. Debido a su complejidad, la mayoría del trabajo ha sido realizado desde un enfoque macroscópico, ya que los flujos claves son afectados por muchos factores que interactúan de numerosas maneras, en niveles diferentes. Esta tesis busca abordar el fenómeno de transporte ocurrido durante la fritura desde una perspectiva microscópica con el fin de lograr un mejor entendimiento de los mecanismos envueltos en el proceso. En consecuencia, la hipótesis fundamental de esta tesis fue que es posible estudiar y ganar un mejor entendimiento de la evaporación de los fenómenos de evaporación de agua y absorción de aceite, los cuales ocurren durante la inmersión en aceite desde un punto de vista microscópico mediante el uso de micromodelos. Por lo tanto, el objetivo principal de esta investigación fue obtener evidencia visual de los mecanismos responsables de la evaporación de agua y absorción de aceite durante la inmersión en aceite usando micromodelos de vidrio, para imitar una matriz alimentaria porosa, con el fin de establecer los mecanismos de flujo y secuencia durante el proceso, identificando cuando y como ocurren los movimientos de los fluidos.
Los micromodelos son redes estrechas y transparentes de poros que simulan la complejidad de un medio natural poroso. Los micromodelos de vidrio han sido utilizados para estudiar flujo en medios porosos en muchas áreas de la ciencia y tecnología, como por ejemplo en la industria del petróleo, donde su aplicación ha contribuido a la comprensión de los fenómenos de flujo y en la optimización de los procesos de extracción. En el procesamiento de alimentos han sido usados para entender fenómenos claves en secado, impregnación a vacío y secado en frío. El primer paso consideró la implementación de la técnica fotolitográfica para la fabricación de los micromodelos de una manera reproducible. Además, se diseñaron 2 tipos de sistemas para simular el proceso de fritura, y se usaron varios tipos de cámaras para capturar imágenes estáticas y videos, los cuales fueron posteriormente procesados; con el fin de obtener información cuantitativa del fenómeno. El primer estudio estuvo centrado en visualizar las distintas etapas durante el periodo de inmersión y enfriamiento, con el objetivo de entender los principales mecanismos involucrados. Dentro de los principales resultados de este estudio, cabe destacar que fue posible obtener evidencia visual de los periodos de inmersión y enfriamiento, previamente descritos en la literatura.
Específicamente, fue posible observar el movimiento (o evolución) del frente de evaporación y la dinámica del burbujeo. Respecto al fenómeno de absorción de aceite, fue posible concluir que solamente una pequeña fracción de aceite penetraba dentro del micromodelo de vidrio durante el periodo de inmersión. Durante el enfriamiento, la succión comenzó solo algunos segundos después de ser retirado el micromodelo del baño de aceite y se detuvo abruptamente cuando la continuidad de la capa de aceite superficial en el lado abierto del micromodelo se perdió. Esto permitió la entrada de aire, el cual penetró rápidamente en los capilares que aún se encontraban vacíos hasta que la presión interna alcanzó la externa. Los frentes de evaporación tienden en gran medida a tomar las formas de los perfiles de temperatura, como se refleja en la termografía infrarroja. En general, g afectó severamente el contenido de aceite. Específicamente, cuando g=0, una absorción mínima de aceite fue observada. Posteriormente, se estudió el efecto de la gravedad en la cinética de pérdida de humedad y absorción de aceite, con el objetivo de desacoplar la gravedad de los otros factores. Los microdelos fueron ubicados dentro del baño de aceite, usando diferentes orientaciones con respecto de la gravedad (g>0; g=0; g <0) con el fin de entender su efecto en la penetración capilar. Se observó que cuando g<0 la velocidad de secado de la matriz disminuyó y afectó el frente de evaporación, el cual fue menos estable como se indica por su mayor dimensión fractal (1.818±0.032). Finalmente, el efecto de diferentes matrices alimentarias sobre los fenómenos de transporte fue analizado.
Para lo cual, se diseñaron tres micromodelos diferentes, basados en los patrones porosos de manzanas, papas y zanahorias. Los micromodelos que imitaban la estructura de una manzana mostraron las mayores velocidades de secado, y alcanzaron un mayor contenido de aceite final. Los micromodelos de zanahoria mostraron menores velocidades de secado, con un frente de evaporación menos estable, como se indica en su mayor dimensión fractal (1.826 ± 0.015). La menor porosidad de los micromodelos de zanahoria redujo significativamente la succión de aceite durante el periodo de enfriamiento, con un 34, 8 % del volumen total disponible ocupado por aceite. Por otro lado, el volumen ocupado por el aceite en los micromodelos de papa y manzana fue 37,0% y 41,5%, respectivamente. En general, el trabajo presentado en este documento permite obtener evidencia visual directa de los mecanismos implicados en la evaporación del agua y la absorción de aceite, con el fin de establecer los mecanismos de flujo más importantes y su secuencia durante el proceso, identificando cuándo y cómo los movimientos de los fluidos dentro de la matriz se producen. La inmersión de un micromodelo de vidrio en aceite, tiene ciertamente algunas diferencias respecto de la inmersión de un material alimentario. Por ejemplo, los micromodelos de vidrio no son higroscópicos, poseen una estructura fija y son 100% saturados con agua. Por otro lado, los materiales alimentarios están compuestos por variados componentes y la estructura porosa se desarrolla durante su procesamiento.
En alimentos amiláceos por ejemplo, una de las principales categorías de alimentos; la gelatinización del almidón afecta la formación de la estructura del medio poroso la cual se desarrolla durante la fritura, donde los poros pueden además expandirse o colapsar durante el proceso. Sin embargo, el uso de micromodelos permite la observación directa del fenómeno de transporte, lo cual no ha sido posible alcanzar en los sistemas alimenticios. Esta evidencia podrá establecer las bases para conocimientos futiros en estos fenómenos y contribuir a la mejora de modelos predictivos, diseños de procesos y tecnologías de procesamiento para desarrollar productos fritos con menores contenidos de aceite. Junto a ello, el trabajo y técnicas desarrolladas en esta tesis ilustran como los micromodelos podrían ser usados para visualizar y proveer de valiosa información que permita entender fenómenos de transporte determinantes del procesamiento en otros campos.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2011