La liofilización es el proceso de deshidratación por congelación y sublimación; el contenido líquido natural de los sistemas biológicos se congela y se elimina en forma de vapor, bajo condiciones cuidadosamente controladas de presión y temperatura, para dejar una estructura que revierta el estado previo por adición de agua. Si se aplica a sustancias lábiles como alimentos, permite la conservación a la temperatura ambiente durante largos periodos, adecuadamente protegidos del agua, luz y oxígeno.
Los productos liofilizados mantienen la forma y el color, a diferencia de los alimentos deshidratados convencionalmente.
Además, el proceso de liofilización permite una retención alta del valor nutricional, el sabor y el aroma respecto a los procesos convencionales de deshidratación. (Rodríguez,1986)
El principal atributo de la liofilización es que se logra extraer más del 95% del agua del alimento, lo que significa un enorme punto a favor respecto al costo del transporte trasladando cantidades considerables sin necesidad de utilizar frío (logrando una mayor estabilidad microbiológica).
Al culminar el proceso de liofilización, el alimento se transforma en una estructura rígida que conserva la forma y el volumen, pero con peso reducido, preservando sus características nutritivas y organolépticas.
Al hidratarse se recuperarán la textura, el aroma y el sabor original. (Parzanese, 2011)
ETAPAS DEL PROCESO DE LIOFILIZACIÓN.
La liofilización involucra cuatro etapas principales:
1. PREPARACIÓN
2. CONGELACIÓN
3. DESECACIÓN PRIMARIA
4. DESECACIÓN SECUNDARIA
Antes de comenzar el proceso, es fundamental el acondicionamiento de la materia prima, ya que los productos liofilizados no pueden ser manipulados una vez completado el proceso.
Lo que suele hacerse con alimentos como guisantes o arándanos es agujerear la piel con el objetivo de aumentar su permeabilidad. Los líquidos, por otro lado, se concentran previamente con el fin de bajar el contenido de agua, lo que acelera el proceso de liofilización.
a)Congelación
La temperatura y tiempo de congelación de productos alimentarios es función de los solutos en solución que contienen. La temperatura de congelación para el agua pura permanece constante en el punto de congelación hasta que el agua se ha congelado. Para los alimentos, la temperatura de congelación es más baja que para el agua pura, ya que los solutos del agua no congelada se van concentrando y la temperatura de congelación va disminuyendo continuamente hasta que la solución queda congelada.
Al final de la congelación la masa entera del producto se ha convertido en rígida, formando un eutéctico, que consiste en cristales de hielo y componentes del alimento. Se requiere llegar al estado eutéctico para asegurar la eliminación de agua sólo por sublimación, y no por combinación de sublimación y evaporación. (Cánovas, 2005)
Respecto de la velocidad de congelación se debe tener en cuenta lo siguiente:
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b) Desecación primaria (deshidratación primaria)
La desecación primaria corresponde a la sublimación de toda el agua congelada del alimento, cuya velocidad es proporcional a la diferencia entre las presiones parciales de vapor de agua de hielo que se encuentran a nivel del frente de sublimación y sobre el condensador.
Esta diferencia de presión depende directamente de la diferencia de temperatura entre el producto todavía congelado y el condensador del liofilizador. Como las diferencias de presión de vapor que se manejan son muy bajas, se explica que la velocidad de liofilización siempre sea pequeña.
Esto es la razón por la que se trabaja frecuentemente bajo vacío a una presión absoluta comprendida entre 13 y 267 Pa (lo ideal sería que la presión absoluta fuese próxima a un tercio de la presión parcial de vapor de agua a nivel del frente de sublimación). La sublimación tiene lugar desde la superficie del hielo, de manera que, al proseguir, el límite del hielo se va retirando hacia el centro del alimento, es decir que el alimento se deshidrata desde la superficie hacia adentro. Finalmente el último resto de hielo se sublima y la humedad del alimento queda reducida a menos de 5%. (Potter, 1973)
c) Desecación secundaria (deshidratación secundaria)
La etapa secundaria de secado comienza cuando se ha agotado el hielo en el producto, y la humedad proviene del agua parcialmente ligada al material que se está secando. En este momento la velocidad de calentamiento debe disminuir para mantener la temperatura del producto por debajo de los 30-50°C, lo que evita el colapso del material. Si la parte sólida del material está demasiado caliente, la estructura se colapsa, lo que se traduce en una disminución de la velocidad de sublimación de hielo en el producto
En esta etapa, la pérdida de agua se produce por deshidratación evaporativa (desorción) del agua no congelada, el contenido de agua se reduce hasta el 2% (sobre peso húmedo). La deserción se consigue manteniendo el liofilizador a baja presión y elevando la temperatura hasta un valor próximo al del ambiente.
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA
Los fenómenos de transferencia de calor y materia de la capa congelada a la capa seca durante la liofilización son simultáneos. El calor puede transmitirse al frente de sublimación por dos diferentes métodos:
Los fenómenos de transferencia de calor y materia de la capa congelada a la capa seca durante la liofilización son simultáneos. El calor puede transmitirse al frente de sublimación por dos diferentes métodos:
- La transferencia calórica a través de la capa de alimento congelado: la velocidad de transferencia de calor depende del grosor de la capa de hielo, por lo que a medida que la deshidratación progresa, el grosor de la capa de hielo disminuye, en consecuencia la velocidad de transferencia de calor aumenta. La temperatura en la superficie del alimento se controla cuidadosamente para evitar su descongelación.
- La transferencia de calor a través de la capa de alimento liofilizado: la velocidad de transferencia de calor al frente de sublimación depende del grosor y área del alimento, de la conductividad térmica de la capa liofilizada y de la diferencia entre las temperaturas del alimento y del frente de hielo. Si la presión se mantiene constante en el liofilizador, la temperatura en el frente de hielo también se mantiene constante.
EQUIPOS DE LIOFILIZACIÓN
Cualquier equipo para liofilizar consta fundamentalmente de cinco elementos indispensables:
1) El sistema de congelación: de éste depende la obtención de un producto con características adecuadas para poder procesarse posteriormente. Para productos de origen vegetal, la congelación se hace por inmersión en fluidos fríos (túneles de aire frío) o en bandas metálicas frías.
2) El sistema de vacío: cuya función es evacuar la cámara de secado de los vapores producidos sin permitir que el alimento se descongele.
3) El sistema de condensación: los tres métodos más comunes para eliminar el vapor de agua son: condensadores de contacto directo e indirecto, agentes deshidratantes y bombas de vacío. Los condensadores de contacto indirecto ofrecen un arreglo óptimo para eliminar el agua a escala industrial, son serpentines refrigerantes dotados de un sistema automático de descongelación con el objeto de mantenerlos libres de hielo, para que su capacidad de condensación se mantenga. La superficie de condensación puede estar colocada dentro de la cámara de secado o en una cámara separada. El vapor de agua condensa y forma una capa de hielo sobre la superficie enfriada y es eliminada en forma intermitente por lo que el condensador previene el retorno de vapor de agua hacia el producto.
4) El sistema de calefacción: es en dónde se suministra el calor latente de sublimación, puede ser por resistencias eléctricas, calentamientos por circulación de un líquido caliente o calor radiante. Las placas calefactoras en las que es colocado el material congelado pueden ser huecas y en ellas se admite vapor al calentarlas.
5) Sistema de medición y control: los instrumentos de medición deben de estar distribuidos de modo que se controla principalmente la temperatura en las placas de calentamiento, el producto, en el condensador y la presión en la cámara de secado, en la cámara de condensación y en el sistema de vacío (Ozuna, 2001 ).
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Fuente: http://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/tecnologia/Ficha_03_Liofilizados.pdf
Entre los principales tipos de liofilizadores están los siguientes:
a) Liofilizadores por contacto: El alimento va colocado en bandejas compartimentadas que descansan sobre placas calefactoras. En estas instalaciones la liofilización es más lenta, ya que el calor se transmite por conducción tan sólo por una cara del alimento, donde el contacto entre el alimento a congelar y la superficie calefactora es desigual, lo que reduce la velocidad de transferencia de calor.
Por otra parte, se produce también una caída de presión en la masa de alimento, que provoca diferencias entre la velocidad de liofilización de la capa superior e inferior. La velocidad a la que se mueve el vapor (3 m/s aproximadamente) provoca que las partículas de menor tamaño resultan arrastradas. En compensación, la capacidad de liofilización de este tipo de instalaciones es más elevada.
b) Liofilizadores acelerados: En estas instalaciones, entre el alimento y las capas calefactoras, existe una malla metálica. Eso hace que la transferencia de calor sea más rápida que a través de placas continuas y que el vapor se elimine de la superficie del alimento con mayor facilidad, lo que reduce el tiempo de liofilización.
c) Liofilizadores de radiación: En estas instalaciones, el alimento distribuido en bandejas en capas de poco grosor se calienta por radiación. Este sistema de calentamiento es más uniforme que por conducción, ya que las irregularidades de la superficie del alimento influyen aquí menos sobre la velocidad de transferencia de calor.
Además no se produce una caída de presión en la masa del alimento, por lo que las condiciones de liofilización se mantienen constantes. Como la velocidad de vapor es de 1 m/s aproximadamente, no existe riesgo de arrastre de las partículas de menor tamaño. Por otra parte, no es preciso que exista un contacto íntimo entre el alimento y la superficie calefactora, por lo que pueden utilizarse bandejas planas, que son más baratas y de más fácil limpieza.
d) Liofilizadores de calentamiento dieléctrico y por microondas: Los calentadores dieléctricos y por microondas tienen una aplicación potencial en la liofilización pero hasta el momento no han sido utilizadas para este propósito en instalaciones industriales.
La liofilización por microondas es un proceso difícil de controlar ya que el factor de pérdida de agua es más elevado que el del hielo y si en algún punto del alimento el hielo llegara a fundirse se provocaría una reacción de sobrecalentamiento en cadena.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La principal ventaja de la técnica de liofilización es la calidad superior del producto final. Sin embargo, visto el costo del proceso, la liofilización queda generalmente reservada para productos con un alto valor agregado, semejantes a los productos farmacéuticos o alimentos para bebés y ciertas especies. Una de las causas de este elevado costo es la longevidad del producto procesado.
En efecto, la baja presión del proceso y la débil conductividad de los productos liofilizados (debido a la textura porosa) afectan de manera significativa y negativa la transferencia de calor y de masa y por consecuencia la duración de la operación de deshidratación. Se presenta un cuadro que muestran algunas características del proceso.
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APLICACIONES
Los alimentos pueden ser liofilizados en diferentes formatos: cubos, deshilachado, tiras, picado, granulado o polvo, y luego pueden ser utilizados como ingredientes industriales en la fabricación de snacks, sopas instantáneas, salsas, caldos en polvo, caldos en cubos, cup noodles, puré instantáneo, mezclas para risotto, condimentos para «Lamen», entre otros.
Tabla 1. Ejemplos de productos alimenticios que se tratan mediante liofilización
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BIBLIOGRAFÍA
- Barbosa-Cánovas, 2005. Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. España. Ediciones Mundi Prensa.
- Potter, N. 1973. La ciencia de los alimentos. México. Edutex S.A.
- Ozuna, M, L. 2001. La liofilización como método de conservación de alimentos. Tesis de licenciatura en química de alimentos. UNAM. México.
- Tecnologías para la Industria Alimentaria Liofilización de alimentos (14 abril de 2021) Obtenido de: http://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/tecnologia/Ficha_03_Liofilizados.pdf
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