Drying process intensification by using freezing pretreatments and ultrasound application at high and low temperature

Abstract

[eng] Drying process is commonly used to reduce fruits and vegetables moisture content in order to enlarge their shelf life. However, convective drying can promote product quality parameters losses due to thermal and air exposure. In order to intensify convective drying, both freezing pre-treatment and ultrasound application have been used in this study with the aim of shortening drying time and preserving quality parameters. Consequently, the two general objectives of this work were, on the one hand, to study the drying process intensification at drying temperature above 20 C by using freezing pre-treatments and ultrasound application; and on the other hand, to study also the intensification of the low-temperature drying process (at temperatures between 0 and 20 ) when ultrasound was applied. Contents of the research In Chapter 1, the effects of different freezing pre-treatments (at 20 C, at 80 C and by liquid nitrogen immersion) on the hot-air drying kinetics (at 50 C), microstructure and quality parameters of three vegetal products with different initial microstructure (beetroot, apple and eggplant), were studied. In Chapter 2, the effects of both freezing (at 20 C) prior to drying and the ultrasound assistance during drying (at acoustic power densities of 16.4 and 26.7 kW/m3) on the drying kinetics (at 40 C), microstructure and quality parameters of beetroot were evaluated. Finally, in Chapter 3, the effects of the ultrasound application (at acoustic power density of 20.5 kW/m3) on the low-temperature drying kinetics (at 5, 10 and 15 C), microstructure and quality parameters of kiwifruit and mushroom were evaluated. Conclusion In Chapter 1, freezing pre-treatment promoted higher changes on high porosity products (eggplant and apple) than in low porosity products (beetroot). Thus, higher drying rate enhancement and quality parameters losses were observed in eggplant and apple than in beetroot. With regard to the different freezing pre-treatments studied, freezing by liquid nitrogen immersion seemed to promote minor structure damage, less drying rate enhancement and quality parameters losses probably due to its fast freezing rate and small crystals formation. Meanwhile, freezing pre-treatments at 20 and 80 °C could not be distinguished among themselves in analysed parameters due their slow and similar freezing rates. In Chapter 2, freezing pre-treatment and ultrasound application enhanced beetroot drying but important changes in microstructure, bioactive compounds contents and antioxidant activity were promoted although drying time shortening preserved betalain contents in some cases. In Chapter 3, although the rise of the drying temperature from 5 to 15 ºC promoted higher kiwifruit and mushroom quality parameters losses, the use of ultrasound at 15 ºC allowed to obtain a shorter drying kinetic and better maintained the final bioactive compounds contents and antioxidant activity.

[spa] Introducción El proceso de secado se aplica en frutas y verduras para reducir el contenido en humedad, fundamentalmente con el objetivo de alargar su vida útil. Sin embargo, el secado convectivo provoca pérdidas en la calidad del producto debido a la degradación térmica y la exposición al aire. Para intensificar el proceso de secado convectivo, es este trabajo se han utilizado el pretratamiento por congelación y los ultrasonidos de potencia durante el secado, con el objetivo de reducir el tiempo de secado, y preservar la calidad del producto. Por tanto, los dos objetivos generales de este trabajo fueron, por una parte, el estudio de la intensificación del proceso de secado a temperaturas superiores a 20 C mediante pretratamientos de congelación y aplicación de ultrasonidos durante el secado y, por otra parte, el estudio también de la intensificación del secado a baja temperatura (a temperaturas entre 0 y 20 C) mediante la aplicación de ultrasonidos durante el secado. Contenido de la investigación En el Capítulo 1, se presenta el efecto de diferentes pretratamientos de congelación (a 20 C, a 80 C y por inmersión en nitrógeno líquido) sobre las cinéticas de secado convectivo a 50 C, la microestructura y los parámetros de calidad de tres matrices vegetales con diferente microestructura inicial (remolacha, manzana y berenjena). En el Capítulo 2, se evaluaron los efectos de la congelación (a 20 C) previa al secado y de la asistencia acústica durante el secado (a densidades de potencia acústica de 16.4 y 26.7 kW/m3) sobre las cinéticas de secado (a 40 C), la microestructura y los parámetros de calidad de la remolacha. Finalmente, en el Capítulo 3, se evaluaron los efectos de la aplicación de ultrasonidos (a una densidad de potencia acústica de 20.5 kW/m3) sobre el secado a baja temperatura (a 5, 10 y 15 C), la microestructura y los parámetros de calidad de kiwi y champiñón. Conclusión En el Capítulo 1, el pretratamiento de congelación provocó mayores cambios en productos de alta porosidad (berenjena y manzana) que en productos de baja porosidad (remolacha). Por tanto, se observó un mayor incremento en la velocidad de secado y mayores pérdidas en los parámetros de calidad en berenjena y manzana que en remolacha. En cuanto a los diferentes pretratamientos de congelación estudiados, la congelación por inmersión en nitrógeno líquido provocó menor daño en la estructura, menor incremento de la velocidad de secado y menores pérdidas en los parámetros de calidad probablemente debido a su rápida velocidad de congelación y a la formación de cristales de pequeño tamaño. Asimismo, los pretratamientos a 20 C y a 80 C no pudieron ser diferenciados entre sí en los parámetros analizados debido a sus lentas y similares velocidades de congelación. En el Capítulo 2, el pretratamiento de congelación y la aplicación de ultrasonidos aceleraron el secado de remolacha, pero se produjeron importantes cambios en la microestructura, los contenidos en compuestos bioactivos y la actividad antioxidante, si bien la reducción del tiempo de secado preservó los contenidos en betalainas en algunos casos. En el Capítulo 3, aunque el aumento de la temperatura de secado de 5 a 15 C provocó mayores pérdidas de los parámetros de calidad de kiwi y champiñón, la aplicación de ultrasonidos a 15 C permitió obtener una cinética de secado más corta, y se conservaron mejor los contenidos en compuestos bioactivos y la actividad antioxidante

[cat] El procés d’assecat s’utilitza en fruites i verdures per a reduir el contingut en humitat, fonamentalment per allargar d’aquesta manera la seva vida útil. Però l’assecat convectiu provoca pèrdues en la qualitat del producte a causa de la degradació tèrmica i de l’exposició a l’aire. Per a intensificar el procés d’assecat convectiu, en aquest treball, s’han utilitzat el pretractament de congelació i l’aplicació d’ultrasons de potència durant l’assecat amb l’objectiu de reduir el temps d’assecat i preservar la qualitat del producte. Conseqüentment, els dos objectius generals d’aquest treball foren, d’una banda, l’estudi de la intensificació del procés d’assecat a temperatures superiors a 20  mitjançant pretractaments de congelació i aplicació d’ultrasons durant l’assecat i, per l’altra, l’estudi també de la intensificació de l’assecat a baixa temperatura (a temperatures entre 0 i 20 ) mitjançant l’aplicació d’ultrasons durant l’assecat. Continguts de la investigació En el Capítol 1, es presenten els efectes de diferents pretractaments de congelació (a 20 C, a 80 C i per immersió en nitrogen líquid) en les cinètiques d’assecat convectiu a 50 C, la microestructura i els paràmetres de qualitat de tres matrius vegetals amb diferent microestructura inicial (remolatxa, poma i albergínia). En el Capítol 2, s’avaluaren els efectes de la congelació (a 20 ºC) prèvia a l’assecat i l’assistència per ultrasons durant l’assecat (a densitats de potència acústica de 16.4 i 26.7 kW/m3) en les cinètiques d’assecat (a 40 C), la microestructura i els paràmetres de qualitat de la remolatxa. Finalment, en el Capítol 3, s’avaluaren els efectes de l’aplicació d’ultrasons (a una densitat de potència acústica de 20.5 kW/m3) en l’assecat a baixa temperatura (a 5, 10 i 15 C), la microestructura i els paràmetres de qualitat de kiwi i xampinyó. Conclusió En el Capítol 1, el pretractament de congelació va provocar majors canvis en productes d’alta porositat (albergínia i poma) que en productes de baixa porositat (remolatxa). Per tant, es va observar un major increment en la velocitat d’assecat i majors pèrdues en el paràmetres de qualitat en albergínia i poma que en remolatxa. Quant als diferents pretractaments de congelació estudiats, la congelació per immersió en nitrogen líquid va provocar menor dany en l’estructura, menor increment de la velocitat d’assecat i menors pèrdues en el paràmetres de qualitat probablement degut a la seva ràpida velocitat de congelació i a la formació de cristalls de mida petita. Així mateix, els pretractaments a 20 C i a 80 C no es pogueren distingir entre sí en els paràmetres analitzats a causa de les seves lentes i similars velocitats de congelació. En el Capítol 2, el pretractament de congelació i l’aplicació d’ultrasons acceleraren l’assecat de remolatxa, però es produïren importants canvis en la microestructura, els continguts en composts bioactius i l’activitat antioxidant, tot i que la reducció del temps d’assecat va preservar els continguts en betalaines en alguns casos. En el Capítol 3, tot i que l’augment de la temperatura d’assecat de 5 a 15 C va provocar majors pèrdues en els paràmetres de qualitat de kiwi i xampinyó, l’aplicació d’ultrasons a 15 C va permetre obtenir una cinètica d’assecat més curta i es mantingueren millor els continguts en composts bioactius i l’activitat antioxidant.