Relación de equilibrio entre el contenido de humedad de almendras de la palma aceitera (Elaeis guineensis) producida en Costa Rica y la humedad relativa del aire

Ronald Jiménez, Manuel Zeledón, Ramiro Alizaga

ASD Oil Palm Papers N° 10, 16-26, 1995

RESUMEN

Se desarrollaron isotermas de equilibrio higroscópico para la almendra de palma aceitera procedente de dos zonas en Costa Rica: Coto y Quepos. El estudio comprendió el ámbito de humedades entre 4 y 15% b.h. y dos temperaturas (25 y 32°C). Para las determinaciones de humedad relativa se utilizó el medidor de punto de rocío protímetro, y para el contenido de humedad se utilizó un horno de convección forzada. No se detectaron diferencias significativas en los contenidos de humedad de equilibrio (CHE) obtenidos en las dos regiones estudiadas. Igualmente, no se observaron variaciones importantes por efecto de la temperatura. El análisis de regresión reveló, que el modelo polinomial de tercer grado es el que mejor explica la variación del contenido de humedad de la almendra en función de la humedad relativa de equilibrio. Finalmente se combinaron todos los datos y se calculó una ecuación general de mejor ajuste, lo cual permitió generar una tabla de valores de CHE, que puede aprovecharse como herramienta complementaria para la toma de decisiones en el secamiento y almacenamiento de la almendra de palma aceitera.

INTRODUCCION

El agua (humedad) contenida en los productos agrícolas, ejerce una presión de vapor que varía según el tipo de material y su contenido de humedad. Cuando la presión de vapor del producto es igual a la presión de vapor en el aire circundante, la humedad del material es conocida como contenido de humedad de equlibrio (CHE), y la humedad relativa del aire, como humedad relativa de equilibrio (HRE).

Productos agrícolas distintos, aún cuando sometidos a las mismas condiciones de temperatura y humedad relativa, presentan humedades de equilibrio diferentes.

Los valores de humedad de equilibrio varían según la composición química del producto, el historial de manejo y las técnicas de medición de la HRE y del CHE.

Diferencias en el CHE han sido encontradas entre variedades de una misma especie, entre granos de un mismo lote, según su estado de madurez y el manejo (Brooker et al. 1981).

El secamiento artificial, por ejemplo, puede reducir el CHE de algunos productos, como el maíz, entre 0,5 y 1,0%, como resultado de pequeños cambios químicos que ocurren durante el proceso, especialmente cuando los granos alcanzan temperaturas superiores a 60°C (Tuite y Foster, citados por Foster 1982).

Los productos oleaginosos, entre los que se cuenta la almendra de la palma aceitera, presentan un CHE menor que el encontrado en productos amiláceos (alto contenido de almidón); esto debido a que toda el agua de un grano aceitoso se concentra en su porción hidrófila (Booth 1984).

Existe poca información referente a la HRE de ciertos productos agrícolas, en especial aquellos de las regiones tropicales. Por ejemplo, en la recopilación de Gough y Lippiatt (1977) se cita sólo una referencia (Somade 1955) sobre la almendra de palma aceitera. En este estudio se señala que almendras producidas en Nigeria (no se indica el material genético), alcanzaron una humedad de equilibrio de 5,6% a una H.R. de 68,6% después de un proceso de desorción (secamiento). Otras muestras que sufrieron un proceso de adsorción (humedecimiento) para llegar al equilibrio en el mismo ambiente, alcanzaron un CHE de 4,9%. La temperatura ambiente, que no fue controlada, osciló entre 24,5 y 31°C. Este trabajo establece claramente el fenómeno de histéresis en la almendra de palma y aporta información única y valiosa, pues no se tiene conocimiento de otros trabajos similares.

A pesar de esto, las normas de manejo poscosecha que puedan derivarse de los resultados anteriores, no pueden ser aplicados directamente a las situaciones existentes en las zonas productoras de palma aceitera en Costa Rica. En particular, porque los materiales nigerianos y los locales pueden diferir en composición química; y porque el manejo poscosecha en ambos casos podría ser distinto. Estos factores, y otros más, afectan las relaciones de equilibrio higroscópico y por lo tanto, las conclusiones que puedan derivarse del citado trabajo.

Dada la situación expuesta, el objetivo de este estudio fue desarrollar las curvas de humedad de equilibrio para la almendra de palma aceitera que se produce en Costa Rica y generar información para su utilización.

MATERIALES Y METODOS

Recolección y preparación de las muestras

Se recolectaron muestras de almendra de palma aceitera de tres plantas extractoras en Costa Rica.Una de ellas está situada en el Pacífico sur (Coto), y las otras dos en la costa central pacífica (Quepos: Naranjo y Palo Seco).

Las muestras se obtuvieron de las plantas extractoras, luego de que las almendras pasaron por todas las etapas del proceso usual, exceptuando el secado. Su contenido de humedad inicial era alto, mayor de 20% con base húmeda (b.h.). Las muestras se llevaron al Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS), de la Universidad de Costa Rica, donde se limpiaron de impurezas como fibras de mesocarpo, residuos de endocarpo y fragmentos pequeños de almendras y cualquier otra materia extraña.

Las muestras limpias se dividieron en lotes de 10 kg cada uno, y se secaron con aire forzado a temperaturas entre 60 y 80°C, simulando las condiciones reales de operación del proceso industrial. A intervalos entre 15 y 30 minutos, se sacaron submuestras de 0,4 kg, cada una a humedad diferente, con el propósito de cubrir todo el ámbito de humedades frecuentes en el secamiento y almacenamiento (15% - 4% b.h.). Las primeras submuestras obtenidas del secador alcanzaron temperaturas más bajas que las últimas. Todas las submuestras, una vez enfriadas a temperatura ambiente, se empacaron herméticamente y se almacenaron en una cámara de refrigeración a 10 ± 2 °C, para uniformizar la humedad y evitar el desarrollo de hongos.

Determinación del contenido de humedad

Se emplearon submuestras de 60g de almendra sin triturar, que fueron secadas a 120 °C durante 12 horas en un horno de convección forzada. La determinación de la humedad de cada muestra se hizo por triplicado.

El método referido se emplea rutinariamente en los laboratorios de las plantas extractoras en Costa Rica. En pruebas preliminares se verificó que se obtienen valores de humedad prácticamente iguales si se realiza la determinación con almendras enteras o con almendras trituradas.

Cuantificación de la humedad relativa de equilibrio (HRE)

Para medir la HRE se utilizó un protímetro (medidor del punto de rocío). Este instrumento, además de la temperatura del bulbo seco, mide directamente la temperatura del punto de rocío, ya que su celda sensora detecta por medios óptico-electrónicos, la temperatura del rocío que se deposita en la superficie de un espejo de oro sólido al ser enfriado eléctricamente. El protímetro se calibró previamente, colocando su celda sensora en diferentes microambientes de humedad relativa y temperatura conocida, producidos con soluciones de sales saturadas. Luego de un período de reposo, se registraron las lecturas de la temperatura del punto de rocío y del bulbo seco del medidor. Seguidamente se calcularon las humedades relativas utilizando las ecuaciones sicrométricas (ASAE 1984) y se compararon con los valores obtenidos con las sales saturadas (método de referencia). Se hizo un análisis de regresión y se obtuvo la ecuación de mejor ajuste (o de calibración).

Para determinar la humedad relativa, se colocaron muestras de 125 g de almendra en recipientes de vidrio de 230 ml sellado herméticamente la abertura con un tapón de hule ajustado a presión. Los envases se colocaron en una cámara a temperatura controlada, en donde se dejaron reposar por un lapso no menor de 48 horas. Posteriormente, se retiró el tapón y se colocó el sensor del medidor dentro del recipiente. Una vez alcanzado el equilibrio higroscópico (aproximadamente dos horas después), se hicieron las lecturas definitivas de la temperatura del punto de rocío, la temperatura del bulbo seco y de la humedad relativa. Este procedimiento se realizó por duplicado para cada una de las submuestras.

Todas las pruebas se realizaron a dos temperaturas, 25 y 32 °C, que representan en promedio los extremos a los que la almendra está expuesta durante su almacenamiento bajo techo en las zonas donde se efectuó el estudio.

RESULTADOS Y DISCUSION

Isotermas de humedad de equilibrio

La relación entre el contenido de humedad de un material y la humedad relativa de equilibrio a una temperatura dada, puede representarse gráfificamente como una curva de humedad de equilibrio. Estas curvas se denominan isotermas, debido a que los valores graficados para cada curva corresponden a una temperatura específica (Brooker et al. 1981).

Las isotermas de humedad de equilibrio a 25 y 32°C, obtenidas para las almendras de las diferentes áreas en estudio se presentan en la figura 1, figura 2 y figura 3. Asimismo, en las figura 4 y la figura 5 se muestran las isotermas correspondientes a las ecuaciones generales de mejor ajuste para cada una de las temperaturas y la curva de equilibrio higroscópico correspondiente a la ecuación general de mejor ajuste para todas las áreas analizadas.

Análisis de regresión

Para determinar la ecuación que mejor explicase la relación de equilibrio existente entre las dos variables, CHE y HRE, se examinaron cinco modelos de regresión básicos: cuatro polinomiales (lineal, cuadrático, cúbico y cuártico) y el exponencial. Los parámetros que sirvieron para comparar los modelos analizados fueron el coeficiente de determinación (R²), y el error estándar de la estimación (s.e.), que en este caso representa el error, en porcentaje sobre base húmeda, en que se incurre cuando se utiliza el modelo para estimar el contenido de humedad de equilibrio del producto. Además, se utilizó como criterio de decisión el comportamiento mostrado por las diferencias entre el valor experimental del conte nido de humedad de equilibrio y el valor estimado por el modelo (residuos).

El análisis de regresión reveló en todos los casos, que el modelo polinomial de tercer grado explica mejor la variación del contenido de humedad de la almendra en función de la humedad relativa de equilibrio.

La comparación de los modelos polinomiales de tercer y cuarto orden indicó que, aunque muy similares en distribución (R² y s.e. semejantes), los residuos presentaron un mejor ajuste con el modelo cúbico. Este comportamiento, junto al hecho de que la ecuación cúbica es más simple, llevaron a la conclusión de que el modelo polinimial es el que mejor explica la relación entre la HRE y el CHE para la almendra de la palma aceitera.

Una comparación similar se efectuó entre los modelos exponencial y cúbico para cada temperatura y zona de producción estudiada. De manera general, se comprobó que para el ámbito de Las curvas de mejor ajuste obtenidas con los modelos de tercer orden tienen forma sigmoide, lo cual concuerda con lo establecido en la clasificación de Brunauer, de que las curvas isotermas de humedad para granos pertenecen al tipo II, conocidas como isotermas sigmoides o en forma de S (Henderson y Perry 1976).

El cuadro 1 muestra los coeficientes de las ecuaciones de mejor ajuste, para una humedad relativa en el ámbito de 35% a 95% así como los coeficientes de determinación y los errores estándar de las estimaciones correspondientes para cada una de las zonas productoras y temperaturas analizadas. La ecuación de mejor ajuste se expresa de la siguiente manera:

CHE = a + b*HRE + c*HRE2+ d*HRE3         (1)

donde:

CHE = contenido de humedad de equilibrio, % b.h.
HRE = humedad relativa de equilibrio, %
a,b,c,d     = constantes

La literatura señala que la relación de equilibrio CHE/HRE para la mayoría de los productos agrícolas varía con la temperatura (Brooker et al. 1981), pero en esta investigación no se observó claramente este fenómeno, lo cual se atribuye al estrecho ámbito de temperaturas utilizado (Fig. 4). Con base en este resultado, y en el hecho de que tampoco se encontraron diferencias importantes en los valores del CHE obtenidos para los tres sitios estudiados, se procedió a calcular una ecuación, que de manera general relacionase la humedad relativa del aire con el respectivo contenido de humedad de equilibrio de la almendra de la palma aceitera, bajo las condiciones de temperatura imperantes en las zonas productoras del país. Al igual que en los casos particulares,el modelo de tercer orden fue el que mejor explicó la relación de equilibrio existente (Fig. 5). La ecuación resultante fue:

CHE = -116,823 +5,037*HRE -6,927X10-2 *HRE2 + 3,241X10-4 *HRE3   (2)

El coeficiente de determinación (R²) es de 0,954 y el error en la estimación (s.e.) es de æ 0,55%. La ecuación anterior se empleó para generar el Cuadro 2.

El contenido de humedad de equilibrio y su relación con el secamiento y almacenamiento.

El concepto del contenido de humedad de equilibrio es útil en el secamiento y el almacenamiento de productos agrícolas, ya que se utiliza para prever si un producto ganará o perderá humedad durante el almacenamiento bajo condiciones específicas de temperatura y humedad relativa.

El propósito del secamiento de un producto agrícola, es reducir su humedad hasta un nivel en equilibrio con una cierta humedad relativa comprobada como segura para el almacenamiento. La actividad de hongos es muy reducida a humedades relativas inferiores a 60%, por lo que la almendra con un contenido de humedad de 6,0% (Cuadro 2) puede considerarse seca y lista para el almacenamiento a largo plazo, (de seis meses a un año).

Bajo ciertas restricciones, como la de utilizar el producto dentro de un período relativamente corto después del secado, es factible mantener la almendra a contenidos de humedad ligeramente superiores, pero siempre dentro del ámbito considerado seguro. Al respecto, Foster (1982) indica que los hongos de almacenamiento crecen muy lentamente a humedades relativas por debajo de 70%. Considerando lo anterior, se puede derivar de la figura 5, que en general es riesgoso almacenar las almendras a contenidos de humedad superiores a 7,5%, que es la humedad en equilibrio con aire a una humedad relativa de 70% (Cuadro 2).

Los resultados de este trabajo discrepan de lo informado por Somade (1955), quien en general obtuvo valores de HE más bajos. La mayor diferencia fue de 1,8% y se presentó a una humedad relativa de 75%. Es posible que las diferencias observadas se originen en variaciones en la constitución genética de los materiales (almendras) utilizados en ambos trabajos, así como en el manejo poscosecha a que fueron sometidos. Es importante destacar las técnicas de determinación del contenido de humedad y la humedad relativa, que fueron diferentes en ambos estudios.

Desafortunadamente, las diferencias entre el trabajo de Somade y el presente se dan primordialmente en un ámbito de humedad relativa (60-80% H.R.) sumamente importante, pues normalmente el almacenamiento de almendras en las zonas productoras de Costa Rica se lleva a cabo bajo esas condiciones ambientales.

Si se utilizaran los resultados de Somade para derivar recomendaciones para el manejo poscosecha de la almendra en el país, se incurriría en prácticas de secado que favorecerían la remoción innecesaria de agua, con el consiguiente costo. Estas consideraciones apuntan a la conveniencia de generar información, con base en ensayos con los materiales genéticos en uso y bajo las condiciones locales.

En relación con los posibles efectos de las condiciones de secado de las muestras experimentales en el laboratorio, no se observaron indicios de discontinuidad en los datos generados en este estudio, tal y como se muestra en las figuras 1,2 y 3, por lo que los cambios químicos o físicos que pudieron haber ocurrido durante el secamiento, no tuvieron efectos observables en el comportamiento del equilibrio higroscópico de la almendra.

LITERATURA CITADA

AMERICAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS. 1984. ASAE Standards. 31 ed. St. Joseph, MI., The Society. p.38-40.

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BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. 1981. Drying Cereal Grains. 4 ed. Westport, Conn., The AVI Publishing Co. p. 69-87.

FOSTER, G.H. 1982. Drying cereal grains. In Storage of Cereal Grains and their Products. Ed. by C.M. Christensen. St. Paul, Minn., American Association of Cereal Chemists. p.86.

GOUGH, M.C.; LIPPIATT, G.A. 1977. Moisture humidity equilibria of tropical stored produce. Part II. Oilseeds. Tropical Stored Products Information 34:49-61.

HENDERSON, S.M.; PERRY, R.L. 1976. Agricultural Process Engineering. 3 ed. Wesport, Conn., The AVI Publishing Co.

SOMADE, B. 1955. Moisture equilibrium of palm kernels. Journal of Science, Food and Agriculture 6:425-427.