Cinética de obtención de humedad en productos de molinería. Obtención acelerada de datos y caracterización matemática

Abstract

En el presente trabajo de tesis doctoral se analiza la cinética de adsorción de humedad de tres materias primas derivadas del trigo de uso frecuente en la industria panadera: harina integral, harina blanca, y salvado (en su modalidad hoja). Se persigue ampliar y actualizar el conocimiento científico existente de estos procesos en este tipo de muestras, que es escaso. Para ello se ha optado por un método isopiéstico-gravimétrico, el cual emplea como unidad funcional cápsulas herméticas de polipropileno (sorbostatos) que permiten que en su interior se produzcan los intercambios de humedad entre las muestras y las sustancias donadoras o aceptoras de moléculas de agua (sorbatos), que en este caso son soluciones salinas saturadas de actividad de agua (aw) conocida. Los sorbostatos se someten a condiciones de temperatura controlada hasta que se equilibra el flujo de moléculas de agua entre las muestras y los sorbatos, momento en el se dice que se ha alcanzado el equilibrio isopiéstico. Si se parte de muestras deshidratadas, el flujo de moléculas de agua se dirigirá desde los sorbatos hacia las muestras, y nos encontraremos en dinámicas de adsorción. Si por el contrario partimos de muestras con su contenido máximo de humedad, las muestras cederán agua a los sorbatos, en cuyo caso nos encontraremos con dinámicas de desorción. Las modificaciones que se producen en el contenido de humedad de las muestras se registran mediante una balanza analítica de precisión. Finamente se obtienen datos de contenido en humedad de las muestras para una serie de aw conocidas. Los resultados se representan en un sistema de coordenadas cartesianas colocando en abscisas la aw y en ordenadas el contenido de humedad (m). A estas representaciones se les llama isotermas de sorción de humedad (ISH). Para obtener información válida y aplicable de forma continua en todo el rango posible (teóricamente, 0 < aw < 1) se hace necesario obtener una función matemática que se ajuste correctamente a los datos experimentales. Debido entre otros factores a la enorme complejidad fisicoquímica que poseen los alimentos, cada uno tiene su propio patrón de sorción, y por tanto su ISH propia y característica. Se ensayaron diez modelos matemáticos para obtener las ISH características de cada una de las tres muestras, y con la finalidad de evaluar el efecto de la temperatura sobre los procesos de sorción se repitieron las experiencias a tres temperaturas habituales en el almacenamiento de los granos de trigo en nuestras latitudes (10 ºC, 20ºC y 30 ºC). Se inició el trabajo experimental determinando la humedad y la actividad de agua propias de las muestras experimentales, constatándose que se encuentran dentro del grupo de alimentos de baja humedad (aw < 0,60)...

This doctoral thesis analyzes the moisture adsorption kinetics of three raw materials derived from wheat that are often used in the baking industry: wheat flour, white flour and bran flakes. It seeks to expand on and update the existing scientific knowledge of these processes in samples of this type, which is scarce. To this end, we have chosen a isopiestic-gravimetric method using hermetically sealed, polypropylene capsules as a functional unit (weighing bottles). The capsules permit the exchange between samples of moisture and donor substances or acceptor water molecules (sorbates), which in this case are saturated salt solutions with a known water activity (aw). The weighing bottles are maintained under controlled temperature conditions until the flow of water molecules between the samples and the sorbates reaches equilibrium; the point at which the isopiestic balance is achieved. When dehydrated samples are used, the water molecules flow from the sorbates to the samples, at which point dynamic adsorption occurs. In contrast, if samples with a maximum moisture content are used, they will yield water to the sorbates, in which case dynamic desorption occurs. Changes in the moisture content of the samples are then recorded using a precision analytical balance and data on the moisture content of the samples are obtained for a series of known aw. The results are plotted on a Cartesian coordinate system by marking the aw on the abscissas and the moisture content (m) on the ordinates. These graphical representations are known as moisture sorption isotherms (MSI). To obtain valid and applicable information in a continuous manner over the possible range (theoretically, 0 < aw < 1), it is necessary to obtain a mathematical function that fits the experimental data well. Due to the enormous physicochemical complexity of foods, each has its own unique sorption pattern, and thus its own characteristic MSI. Ten mathematical models were tested to obtain the MSI characteristics of each of the three samples. To assess the effect of temperature on the sorption processes, three experiments were repeated at three temperatures commonly used in our latitudes for storing wheat grains (10ºC, 20ºC and 30ºC). At the beginning of the experiments, the moisture and water activity of the samples were determined, confirming that they were all low-moisture foods (aw < 0.60). The Oswin, Smith, BET, GAB and Caurie models showed very good fits, particularly the last three. Valuable information was gathered by determining the parameters that characterize each model: monolayer value (mo), energy constant (C,BET model), the Guggenheim constant and the correction factor (G and k, GAB model). The Caurie model provided other parameters such as the number of unimolecular adsorption centers on the surface of the food (n), the weight of the water molecules bound to the adsorption centers (C1/n), and the adsorption limits (amo, anmo and amo 2 ) of each of the three stages in which the isotherm is divided. Not surprisingly, the Caurie model represents adsorption as a unimolecular phenomenon, whereas the other models represent adsorption as an infinite succession of superimposed layers of water molecules...