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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

TEMA

: Calentamiento Microondas

CURSO

:

PROFESORA

de

alimentos

Fisicoquímica de Alimentos :

Gabriela Chire

LA MOLINA-PERÚ

por

2013 I. INTRODUCCIÓN Las ondas microondas dependen de su ventaja principal que es la velocidad de operación, siendo esta la que gobierne la penetración de las mismas al interior del alimento y no solo en la superficie; dando como resultado un calentamiento más rápido. Las microondas son radiadas desde una fuente y pueden ser absorbidas, transmitidas y reflejadas (giese, 1992). Son generadas por un magnetrón, que es un equipo que convierte la energía eléctrica a baja frecuencia en un campo electromagnético con centros de carga + y – que cambian de dirección billones de veces por segundo (I.F.T., 1989). Los métodos convencionales de calentamiento transmiten energía térmica desde la superficie del producto hacia su centro 10 a 20 veces más despacio. Cuando las microondas son absorbidas por un alimento, el calentamiento se da por rotación dipólica y por conducción iónica, mecanismos que pueden ocurrir simultáneamente (Fish, D. 1992). El lento desarrollo en la utilización de la energía microondas para procesos industriales se relaciona con los factores históricamente desfavorables como el equipamiento y los costos de energía, y una falta de información básica sobre las propiedades eléctricas de los alimentos y sus relaciones con las características de calentamiento de los alimentos (Quiroz). El objetivo de este laboratorio es entender el proceso descrito y demostrar que la velocidad de calentamiento depende en gran medida de su calor específico y de sus propiedades dieléctricas. II. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1 Materiales 1.25 2 2 20 2 2 3 4 1 2 3

Litro de Aceite Litros de Agua Vasos de precipitación pirex de 1 litro Vasos de precipitación pirex de 100ml Termómetro Balanza de precisión Baguetas Pipetas x 1ml Microondas Bolsas de pop corn para microondas sabor ¨natural¨ Manzanas de grado de madurez y tamaño similar

3.2. Metodología A. Experiencia Cuantitativa Para masas de 50 g. a. Pese 50 gramos de agua en cada uno de los 8 vasos de pirex, previamente numerados b. Coloque en el microondas el vaso 1 y caliente por 5 segundos, el vaso 2 por 10 s, el 3 por 15 s, el 4 por 20 s, el 5 por 25 s, el 6 por 30 s, el 7 por 35 s y el 8 por 40 s. c. Retire cada vaso del microondas, e inmediatamente mida la temperatura en el centro geométrico del mismo. d. Anote los datos en el Cuadro 1. e. Realice la misma experiencia pero utilizando como fluido aceite. f. Anote los resultados en el Cuadro 1. Para masas de 500g. a. Pese 500 gramos de agua en un vaso de pirex. b. Coloque el vaso en el microondas y caliéntelo por 20 segundos. c. Retire el vaso del microondas, e inmediatamente mida la temperatura en el centro geométrico del mismo. d. Anote los datos en el Cuadro 2. e. Rápidamente coloque el mismo vaso en el microondas y caliente 20 segundos adicionales. f. Anote los datos en el Cuadro 2. g. Vuelva a colocar rápidamente el vaso en el microondas y caliente por 20s más. Registre los datos en el Cuadro 2. h. Continúe con el mismo procedimiento hasta llegar a calentar la masa de agua durante 140 s. i. Realice la misma experiencia con 500 gramos de aceite y anote los resultados en el Cuadro 2.

B. Experiencia Cualitativa 1. Pop Corn a. Coloque correctamente en el centro del plato giratorio, una bolsa de pop corn para microondas sabor natural y caliéntelo por 3.45 min. b. Retire la bolsa, ábrala y analice como ocurrió el calentamiento. c. Coloque correctamente en el centro del plato giratorio, una bolsa de pop corn para microondas sabor ‘natural’ y caliéntelo por 45 s. d. Retire la bolsa ábrala y analice como ocurrió el calentamiento. Complete el Cuadro 3. 2. Manzana a. Coloque correctamente en el centro del plato giratorio, una manzana y caliéntela por 30 s. b. Coloque correctamente en el centro del plato giratorio, una manzana y caliéntela por 45 s. c. Coloque correctamente en el centro del plato giratorio, una manzana y caliéntela por 60 s. d. Corte las 3 manzanas por la mitad y déjelas expuestas al medio ambiente hasta que se enfríen. e. Analice el calentamiento de las manzanas y los efectos que causo en su estructura. Complete el Cuadro 4. III. RESULTADOS Cuadro 1: Incremento de la temperatura durante el calentamiento por microondas de 50g de agua y 50 g de aceite Tiempo (seg.) Temperatura Calor para el Temperatu Calor para el (ºC) aceite calentamiento de ra (ºC) calentamiento de 50 g aceite agua 50 g agua (KJ/kgºC) (KJ/kgºC) 0 22 21 5 26 0.346 29 1.672 10 29.3 0.28545 37 1.672 15 37 0.66605 48 2.299 20 43.9 0.59685 55 1.463 25 48.5 0.3979 65 2.09 30 59 0.90825 74 1.881 35 69 0.865 79 1.045 40 70.7 0.14705 84 1.045 Fuente propia

Figura 1: Incremento de la temperatura durante el calentamiento por microondas de 50g de agua y 50g de aceite 90 80 70 60 50

Tº Aceite

Temperatura (ºC) 40

Linear (Tº Aceite)

30

Tº Agua

20

Linear (Tº Agua)

10 0 0 10 20 30 40 50 Tiempo (s)

Calor especifico del aceite: 1.73Kj/Kg°C (Fuente: Lewis 1993) Calor especifico del agua: 4.18Kj/Kg°C (Fuente: Lewis 1993) Cuadro 2: Incremento de la temperatura durante el calentamiento por microondas de 500g de agua y 500g de aceite Tiempo (seg.) Temperatura Calor para el Temperatura Calor para el (ºC) aceite calentamient (ºC) agua calentamient o de 500 g de o de 500 g aceite agua 0 25 24 20 32 6.055 28 8.36 40 42 8.65 33.5 11.495 60 49 6.055 39 11.495 80 58 7.785 43 8.36 100 66 6.92 48 10.45 120 71 4.325 52 8.36 140 81 8.65 57 10.45 Fuente propia

Figura 2: Incremento de la temperatura durante el calentamiento por microondas de 500g de agua y 500g de aceite 90 80 70 60 50

Tº Aceite

Temperatura (ºC) 40

Linear (Tº Aceite)

30

Tº Agua

20

Linear (Tº Agua)

10 0 0

50

100

150

Tiempo (s)

Calor especifico del aceite: 1.73Kj/Kg°C (Fuente: Lewis 1993) Calor especifico del agua: 4.18Kj/Kg°C (Fuente: Lewis 1993) Cuadro 3. Descripción del efecto del tiempo en el calentamiento en el Pop corn Observaciones Pop corn 45s de Pop corn 2.30 min de Pop corn 3.45 min calentamiento calentamiento de calentamiento No se cocinó Se quemó Se cocinó, se mantuvo el completamente la aroma no se quemó nada, parte central y la que esta al lado del y sobró maíz sin reventar. metal. Cuadro 4: Descripción del efecto del tiempo en el calentamiento en las manzanas Manzana 30 s de calentamiento

45 s de calentamiento

Observaciones Se cosió la parte central de la manzana conservando su cantidad de agua y después de unos minutos se comenzó a oxidarse todo menos la parte que se cosió Se cosió la parte central de la

60 s de calentamiento

manzana pero con un mayor radio que la anterior, la parte cosida conservaba la cantidad de agua que al principio, y después de algunos minutos más que el anterior se oxido todos menos la parte cosida. Se cosió casi toda la manzana pero al igual que las anteriores conservando su cantidad de agua que había al principio, después de algunos minutos más que los anteriores se comenzó a oxidar pero algunas partes del borde pero no era homogéneo.

75 s de calentamiento IV. DISCUSIONES

-

Según Orrero (2003), las ondas ingresan al alimento y este se calienta de adentro hacia afuera. Las manzanas al presentar un gran porcentaje de agua en su composición se van a ver favorecidas por la presencia de grupos polares. La moléculas rotan generando calor de fuera hacia adentro, para luego concentrarse el calor en el centro; posteriormente el calor se transmitirá desde el centro hacia afuera. Por eso, es que en los 3 casos se empieza a cocer la manzana desde el centro (cuadro 4) y a medida que aumenta el tiempo de exposición va a aumentar la parte cocida. Finalmente, podemos observar que la manzana con mayor tiempo de exposición presenta el mayor grado de cocción. Asimismo, se observo esto en el cocido del pop corn al dejarlo más de lo necesario, por lo cual se observo una parte del pop corn poco quemada casi en el centro en una parte cercana a la lámina metálica.

-

Lewis (1993) menciona que el mecanismo por el que la energía se produce depende en gran medida de la presencia de moléculas polares, junto con algún grado de calentamiento por resistencia eléctrica, produciendo un aumento de temperatura. Entonces en el laboratorio obtuvimos una mayor temperatura final del agua que en el aceite (cuadro y figura 1) debido a que el agua es un solvente polar, al tener mayor cantidad de dipolos estos van a tratar de alinearse con el campo de rápida oscilación generado por el microondas, generando una energía por fricción, lo cual aumentara su temperatura.

-

En la segunda experiencia, el calentamiento del agua será mas lento que el calentamiento del aceite, esto debido a lo que mencionaremos a continuación:



Mucha masa indica, en el agua, mayor cantidad de moléculas polares, esto significa a la vez que va a requerir mayor cantidad de energía incidente para lograr la rotación polar, por tanto que aumente la temperatura por fricción.



En el aceite la constante dieléctrica es mucho menor que en el agua por lo que la energía va a incidir y se va a calentar más rápido porque en el agua, al ser mayor la constante, tardaría mas en calentarse, debido a que necesita más energía al ser la masa elevada.

V. CONCLUSIONES





Se puede resaltar que el calentamiento conforme aumenta el tiempo es mayor para el agua que para el aceite, esto se debe a que la constante dieléctrica es muy elevada comparada con la del aceite, al igual que el factor de perdida, lo cual hace que la temperatura sea mayor a un mayor tiempo de exposición. El mecanismo de calentamiento por microondas depende de la presencia de moléculas polares, calor especifico, masa y propiedades dieléctricas.

VI. CUESTIONARIO 1. Es cierto que en los alimentos el calentamiento por microondas ocurre de adentro hacia afuera? Explique qué sucedió en el caso del calentamiento del pop corn. Si es cierto, pero al principio ocurre un calentamiento de afuera hacia adentro. El fundamento del calentamiento por microondas es que debido a que al incidir sobre un cuerpo la radiación de tipo microondas, se ve afectada la rotación de las moléculas de la sustancia que lo forma, mientras que su estructura molecular se mantiene inalterable. La energía microondas consiste en un campo eléctrico y un campo magnético, aunque solamente el campo eléctrico transfiere energía en forma de calor a la sustancia con la que dicha radiación entra en contacto. Los dos mecanismos de transferencia de energía de la radiación microondas para conseguir el calentamiento de la muestra son la rotación dipolar la molécula intenta orientarse en la dirección del campo, consiguiendo de esta forma una transferencia de energía) y la

conducción iónica (aquí las especies iónicas libres o iones libres presentes en la disolución intentan orientarse al campo eléctrico generado por la radiación microondas). Para el caso específico del Pop Corn, el envase tiene un sistema y diseño particular. Dentro del envase existe una lámina en la parte inferior, la cual hace que las ondas emitidas por el microondas reboten y se retengan. Cuando el maíz va reventando conforme el microondas emita sus ondas, va subiendo a la parte superior de la bolsa o empaque ya que ahí existe vapor de agua, mientras que en la parte inferior, se van depositando los maíces sin reventar y debido que la bolsa posee la lámina que absorbe las ondas, ésta le proporciona el calor suficiente para que revienten los maíces; es por eso que al momento de proceder a calentar el pop corn el centro de quemo debido a que el dispositivo metálico estuvo expuesto a mayor cantidad de calor.

Funcionamiento del microondas

2. ¿Por qué las propiedades dieléctricas del aceite de cocción son muy bajas? Las grasas y los aceites absorben mal las microondas y un producto tiene un factor de perdida tanto más bajo cuanto más rico en grasas es. Los aceites y las grasa son sustancias de naturaleza apolar. En un material aislante no polar, no existe desequilibrio permanente de carga dentro de la molécula; puesto que la molécula no puede ser distorsionada por la aplicación de un campo eléctrico. Los materiales no polares están exentos de variación de la temperatura o de la frecuencia, y cualquier variación de la constante dieléctrica o del factor de potencia, se produce gradualmente 3. Mencione el valor de constante dieléctrica en 10 alimentos. Alimento Carne de res asada Carne de res cruda Carne de cerdo asada Carne de cerdo cruda Papas Espinacas hervidas Aceite colza Agua sal Aceite de oliva

K (A/cm) 28 5 6.8 23 4.5 13.0 2.2 80.5 75.5 3 Fuente : URI HABER-SCHAIM 1992

4. ¿Por qué en la primera experiencia se calentó el agua más rápido que el aceite? Y ¿ en la segunda ocurrió lo contrario? El horno emite una potencia incidente Q i constante (aquí Qi =300W). el producto absorbe cierta potencia Q. cuando se expone una pequeña cantidad de producto, nos hallamos en el caso en que Qes menor a Q i : la potencia absorbida es limitante, el horno distribuye mas energía de la que el producto es capaz de absorber. En estas condiciones q , es decir la velocidad de calentamiento , depende las propiedades dieléctricas del alimento. Si por el contrario se expone una cantidad suficiente de producto nos hallamos en el caso en que la potencia del horno es limitante con Q= Q i , el alimento en este caso sería capaz de absorber una potencia mayor que la suministrada por el horno. Cuando la práctica totalidad de la energía suministrada es absorbida, se puede escribir: Q= Qi t= mCp(T –T0 ) m: masa del producto expuesto Cp : calor especifico delproducto T0 : temperatura inicial del producto T: temperatura del producto en el tiempo t.

De donde T= T0 +

Qi mCp

t

La velocidad de calentamiento en este caso : Dt/dt= Qi /mCp Por lo tanto las propiedades dieléctricas ya no intervienen a potencias incidentes y a masa expuestas iguales solo interviene el calor especifico del producto.dado que el calor especifico del aceite es dos veces m,enor que el del agua, se comprende que la velocidad de calentamiento del Porque a menores volúmenes como es el caso de los vasos de 50 ml los resultados dependen de las propiedades dieléctricas de las muestras como es el factor de perdida mientras que en los volúmenes más grandes de 500 ml dependen de su calor específico siendo el del agua (4.18 kJ/kg-K) mayor que el del aceite (aproximadamente la mitad). VII. BIBLIOGRAFÍA  LEWIS, M. J. 1993. Propiedades físicas de los alimentos y de los sistemas de procesado. Editorial Acribia S.A. Zaragoza. España.  

URI HABER-SCHAIM 1992. I P S Curso de Introducción a Las Ciencias Fisicas: Guia Del Profe. Editorial reverte. España ORREGO C. 2003. Procesamiento de alimentos. Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. Pág. 121-124. Primera Edición. Colombia.