Estudio sobre la tecnología de secado de Color Natural

Pigment is a general term for dyes, pigments and all substances that can absorb light waves in the range of 400–700 nm [1]. Pigments can be divided into synthetic pigments and Colores naturales. Since W illian invented the first synthetic pigment, aniline violet, in 1856 [2], synthetic pigments have been used in large quantities. They have the advantages of being bright in color, strong in coloring power, highly stable, odorless and tasteless, easily soluble, easy to mix, and low in cost, and are therefore also used as food coloring. Food coloring is an edible substance that colors food to improve its hue and color, and it is a major category of food additives [3].

Sin embargo, los pigmentos sintéticos son en su mayoría sustancias a base de alquitrán que no tienen ningún valor nutricional y son perjudiciales para el cuerpo humano. Algunos pigmentos sintéticos plantean un riesgo de cáncer si se consumen en exceso, por lo que la seguridad de los pigmentos sintéticos es seriamente cuestionable. Los colores naturales, por otro lado, se extraen principalmente de plantas, animales y microorganismos. En comparación con los pigmentos sintéticos, los colores naturales son más seguros y tienen actividad fisiológica. También tienen ciertos efectos nutricionales y funciones farmacológicas, por lo que el desarrollo de colores naturales es particularmente importante [4].

Sin embargo, debido a su alta sensibilidad a la luz, el calor y el pH, así como su susceptibilidad a la oxid, la reducción y la acción microbiana, el Color Natural es fácilmente afectado por las condiciones externas durante el procesamiento y la circulación, lo que conduce a la oxidy descomposición. Además, la presencia de componentes coexistentes hace que algunos colores naturales desarrollen olores y olores peculiares [5], lo que afecta seriamente el valor de color por unidad de producto y la vida útil del color Natural.

As an important part of the processing of natural colors, the development and application of drying technology is an important way to solve these problems. For example, Du Minhua et al. [6] used vacuum freezing technology to process strawberry puree, which greatly reduced the loss rate of strawberry pigments and VC and better preserving the nutrients and color of the food. Jin Feng et al. [7] used spray drying technology to microencapsulate corn pigments, and Valduga et al. [8] extracted anthocyanins from grape pomace and microencapsulated the extract to obtain a powdered Natural Color, effectively solving problems with the processing, preservation and reproduction of its nutrients and natural flavor. Although a variety of drying techniques have been used in the processing of Natural Color, there has been relatively little research on the application of low-temperature vacuum drying in this area. However, the drying characteristics of low temperature and vacuum are very conducive to ensuring the quality and yield of pigment processing, which makes the research on low-temperature vacuum drying of Natural Color of great practical significance.

1 extracción y procesamiento de Color Natural

El Color Natural se utiliza principalmente para colorear o cambiar el Color de los alimentos para estimular y aumentar las personas#39;s apetito. Además, el Color Natural tiene ciertas funciones farmacológicas y nutricionales, como la turmeric's efecto anticancerígeno, azafrán amarillo#39;s efecto antihiperten, paprika red's efecto antioxidante, red yeast rice's hipolipidemic effect, and TEA chlorophyll's efecto regulador de lípidos en la sangre [9], por lo que es ampliamente utilizado en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. Además, la clorofila también se puede utilizar en grasas, jabones y aceites y ceras, etc. [10].

La calidad del Color Natural se refleja principalmente en el valor de Color por unidad de producto, la vida útil del producto y los ingredientes efectivos. El proceso de procesamiento incluye principalmente trituración, extracción, separación y purificación, concentración y secado. Debido a la inestabilidad del Color Natural, cada proceso en el procesamiento afectará a su calidad del producto. Cómo utilizar la alta tecnología para mejorar la tecnología convencional o desarrollar nuevas tecnologías se ha convertido en una importante dirección de la investigación. Cao Yanping [11] cree que el Color Natural actualmente puede ser estudiado desde las perspectivas de la tecnología de extracción, la tecnología de separación y purificación, y la identificación de la estructura del pigmento y la investigación de rendimiento.

En el estudio de la tecnología de extracción, además del método tradicional de disolvente, los investigadores también han estudiado y desarrollado una serie de métodos de alta tecnología como la extracción ultrasónica, la extracción por microondas, la extracción supercrítica, la extracción multietapa o continua, la extracción de alta presión y la extracción asistida por enzimas. Por ejemplo, Beatriz et al. [12] usaron CO2 supercrítico para extraer licopeno de la piel y las semillas de los tomates; Katherin et al. [13] estudiaron el efecto de las condiciones de extracción en la extracción de licopende sandía usando fluidos supercríticos; Chun et al. [14] también estudiaron el efecto de los parámetros de extracción de fluido supercrítico en el rendimiento y las propiedades antioxidantes del licopeno; Maier et al. [15] estudiaron el método enzimpara extraer polifenoles del orujo de uva, etc.

En el estudio de la separación y purificación: además del gel de sílice y alúmina que se utilizaron en los primeros días, el carbón activo es el adsormás utilizado y barato, y su efecto de separación es también relativamente bueno. Además, la investigación reciente sobre tecnologías emergentes como resinas y geles cromato, así como cromatode contracorriente de alta velocidad, ultrafiltración y tecnología de membrana de nanofiltración, también se han aplicado con éxito a la separación, purificación y concentración de pigmentos.

Los productos de color Natural están disponibles principalmente en polvo y líquido. Incluso si la calidad es alta después de la separación, problemas tales como la oxidy la descomposición todavía existen durante la circulación, especialmente para importanteIngredientes de color naturalLos que son más difíciles de existir y almacenar de forma estable durante mucho tiempo. Además, la mayoría de los pigmentos están en forma líquida o en pasta, lo que no es propicio para el almacenamiento y el transporte. En la producción real, es difícil cuantificar los productos en estado solución cuando se utilizan, y el valor unitario de color es bajo, y la vida útil es corta, generalmente de 12 a 18 meses. Por lo general, la unidad de valor de color del producto de polvos es alta y la vida útil es larga, por lo que el secado es una forma importante para resolver este problema. Sin embargo, diferentes métodos de secado también afectarán directamente la calidad del producto. Muchos investigadores nacionales y extranjeros han llevado a cabo también un gran número de experimentos sobre el post-procesamiento de pigmentos utilizando diferentes técnicas de secado. Los métodos de secado incluyen el secado por pulverización, secado al vacío, secado por microondas, etc.

2 aplicación y comparación de los métodos de secado en el procesamiento posterior de Color Natural

2.1 aplicación de métodos de secado en el procesamiento posterior de pigmentos

Diferentes métodos de secado afectan directamente el rendimiento, la forma, la calidad y el consumo de energía durante la producción de Color Natural. En el tratamiento posterior de los pigmentos se han aplicado diferentes métodos de secado, pero el grado de impacto sobre la calidad del producto varía.

2.1.1 secado por pulverización y microencapsulación

El secado por pulveries un método de secado en el que un solo proceso atomiza soluciones, emulsiones, suspensiones y lodos y evapora el disolvente poniéndose en contacto con aire caliente para obtener un polvo, una bola granular, hueca o un producto seco aglomer[16]. Sin embargo, el uso de altas temperaturas y aire en el secado por pulveriafecta en gran medida la calidad de los materiales sensibles al calor, como el Color Natural durante el procesamiento. El proceso de utilizar la tecnología de secado por pulveripara encerrar sustancias sólidas y líquidas en una cápsula pequeña, semipermeable o cerrada se denomina microencapsulación. Esta tecnología puede evitar que los ingredientes activos de la preparación se oxiden, hidrolizen y volatilizen.

Jin Feng et al. [7] estudiaron el proceso de preparación de microcápsulas de pigmento de maíz y obtuvieron la composición óptima del material de pared de las microcápsulas de pigmento: almidón microporde maltodextrina con una relación de masa de 1:1, 10% de pigmento y 40% de sólidos totales. El proceso óptimo para el secado por pulveries: temperatura del aire de entrada 140°C, temperatura del aire de salida 80°C. Zhong Yaoguang et al. [17] utilizaron el secado por pulverización para estudiar la microencapsulación de los pigmentos NFH. Los resultados mostraron que el material de pared era maltosa (55%), h → -CD (25% p/p) C y goma arábiga (20%); El caudal de alimentación para el secado por pulverización fue de 50 mL/min; La temperatura del aire de entrada era de 200°C y la temperatura del aire de salida era de 80°C. Seda et al. [18] antocianinas microencapsuladas extraídas de rábano negro, y encontraron que la temperatura óptima del aire de entrada era de 160°C. Se evaluó la calidad del producto en términos de contenido de pigmentos y propiedades antioxidantes.

Aunque la microencapsulación mediante secado por pulveripuede resolver eficazmente problemas como el procesamiento, conservación y reproducción de nutrientes y componentes de sabor natural, y se utiliza en la industria de aditivos alimentarios, incluyendo especias, colores naturales, condimentos, etc., la aplicación de pigmentos microencapsulados es limitada debido al efecto del material de revestimiento sobre el color al mezclar colores.

2.1.2 secado por microondas

Microondas, como una onda electromagnética, se refiere a una onda electromagnética de ultra alta frecuencia con una frecuencia de 0,3-300 GHz, o una longitud de onda de 1-1000 mm [19]. Puede generar un campo electromagnético de alta frecuencia. Las moléculas polares en el material dieléctrico cambian continuamente su orientación Polar con la frecuencia del campo electromagnético en el campo electromagnético, haciendo que las moléculas vibren hacia adelante y hacia atrás y generar calor por fricción para lograr el propósito de secado. Se utiliza principalmente para secar extractos después de la extracción y concentración del material. Es una tecnología de ahorro de energía y reducción del consumo que se caracteriza por una rápida velocidad de secado, alta eficiencia y bajo coste. Esta tecnología se puede utilizar para el secado y esterili, extracción y concentración, puffing y deshidrata baja temperatura.

Liu Chunquan et al. [20] studied the dehydration test of microwave drying purple sweet potato chips, obtained the dehydration law of microwave drying purple sweet potato chips, established a microwave drying model for purple sweet potato chips, and also investigated the effect of microwave drying on purple sweet potato pigment. The results showed that the product pigment content was higher when the microwave power was 700W, the slice thickness was 6mm, and the pre-drying time was 20-50s. The three factors that affect the pigment content of the product: radiation power, slice thickness and pre-drying time were studied. Meng Xianghe et al. [21] studied the effect of microwave on the color of processed fruit products, discussed the changes in color and pigment composition after processing, and showed through liquid chromatography that microwave treatment does not change the structure or quality of carotene, but causes a loss of total carotene degradation. It was also found that microwave heating of kiwifruit causes a significant decrease in chlorophyll a and b.

Esto muestra que debido a que el secado por microondas generalmente utiliza una temperatura de secado de 80-100°C, también hay un fenómeno donde el color del producto seco es significativamente menor que el de la materia prima.

2.1.3 secado al vacío 

El secado por vacío es la deshidraty secado de materiales con un alto contenido de humedad a baja temperatura y bajo vacío, incluyendo el secado por congelación por vacío y el secado por vacío a baja temperatura. Tiene las siguientes características: (1) se lleva a cabo a bajas temperaturas y es adecuado para sustancias sensibles al calor. Por ejemplo, las proteínas, los microorganismos y similares no se desnaturalizarán ni perderán su actividad biológica; Al mismo tiempo, las bajas temperaturas reducirán la pérdida de algunos componentes volátiles en el material, por lo que es adecuado para el secado de algunos productos químicos, productos farmacéuticos y alimentos. 2) el secado se realiza al vacío, con muy poco oxígeno, por lo que se protegen algunas sustancias térmicamente sensibles que se oxidan fácilmente y temen las altas temperaturas.

Du Minhua et al. [6] used a linear weighted combination method to optimize the vacuum freeze-drying process of kudzu fruit pulp, and obtained the optimal process parameters: Material: The maximum surface temperature during analysis is 48℃, the initial drying chamber pressure during sublimation is 26Pa, the thickness of the charge is 7mm, the loss rate of VC and strawberry pigment is 6% and 38%, and the freeze-drying time is 18h. Ma Wenping et al. [22] initially studied the vacuum freeze-drying technology of wolfberry pigment. Because wolfberry pigment is a heat-sensitive material, it was found in the drying test of fresh wolfberry that the quality of the product will be affected when the temperature exceeds 50℃. Therefore, the separated fresh fruit pigment of medlar was used to make crude powder of medlar pigment by freeze drying. The sensory indicators such as product color, tissue morphology, odor and impurities, as well as the physical and chemical indicators such as − -caroteno content, were all very satisfactory.

El secado al vacío a baja temperatura tiene condiciones de secado similares a las del secado por congelación y también se utiliza ampliamente en muchos campos. Por ejemplo, se utiliza en la industria alimentaria para la producción de litchi seco, longan seco [23], ginseng [24], dádátiles rojos high-VC [25], etc.; En la producción agrícola, se utiliza en la producción de arroz [26], maíz [27] y otros granos, mientras que hay pocos resultados de investigación sobre su uso directo en el secado de pigmentos.

2.2 comparación de varios métodos de secado en el procesamiento del Color Natural

Aunque ha habido muchos estudios sobre el uso de la tecnología de secado para procesar colores naturales, todavía vale la pena estudiar qué método de secado es más adecuado para el procesamiento posterior de pigmentos. Lu Yinghua et al. [28] utilizaron tres métodos diferentes de secado por congelación, secado por pulverización y secado con aire caliente para seguir procesando el pigmento de morera, y compararon la calidad del polvo seco. A partir de la comparación de indicadores sensori, físicos y químicos e higiénicos, los resultados mostraron que el secado por congelación al vacío puede mantener mejor el color y los componentes bioactivos del pigmento de morera.

Table 1 compares the different drying methods for Natural Color. It can be seen that: (1) the inlet air temperature for spray drying is between 120 and 200°C, and the processing is exposed to air, so it is easily oxidized. Although the drying time is very short, it will still affect the yield and quality of the pigment. Seda et al. [19] believe that high inlet and outlet air temperatures will affect the yield of anthocyanins. In addition, after the pigment product is spray-dried and microencapsulated, when it is mixed with other food additives at a later stage, it will affect the color value to a certain extent. (2) The temperature of microwave drying is not as high as that of spray drying (generally 60-100°C), but there are still problems with the thermal stability and oxidation of pigments [21]. This method is suitable for some pigments that are resistant to heat and oxidation, but it is not universal. (3) Vacuum freeze drying has a very low temperature and is carried out under a vacuum, so it is suitable for further processing of the pigment. However, its biggest problem is that it consumes a lot of energy and takes a long time to work. 4) The conditions for low-temperature vacuum drying are low temperature (20-60°C), vacuum, and less freezing than freeze-drying, so the energy consumption is lower and the drying time is shorter.

La comparación y el análisis anteriores muestran que el secado al vacío a baja temperatura es un método más adecuado y eficaz para el secado Natural del Color y es digno de más investigación.

3 secado al vacío de pigmentos a baja temperatura

3.1 mecanismo de secado al vacío de pigmentos a baja temperatura

Durante el secado al vacío a baja temperatura, la temperatura de cambio de fase del agua bajo baja presión es menor que bajo presión normal [29], por lo que la relación de humedad es más probable que se vaporice que bajo presión normal. Como se muestra en la figura 1, después de que el material se calienta, la humedad interna se vaporiza rápidamente, y hay una gran diferencia de presión entre el interior del material y la superficie. El gradiente de presión está en la misma dirección que la transferencia de humedad, y bajo la acción del gradiente de presión, la humedad se mueve rápidamente a la superficie, permitiendo que el vapor de agua entre en la fase gaseen el ambiente circundante y sea bombepor la bomba de vacío. A partir del mecanismo de secado al vacío a baja temperatura, se puede observar que para el secado al vacío, el gradiente de presión está en la misma dirección que la transferencia de humedad. No es fácil que la superficie del material se endurezca y agriete, y en comparación con la liofilización al vacío, tiene las características de una tasa de secado rápida, un tiempo de secado corto y un bajo coste operativo del equipo [30].

3.2 modelo de estudio del secado al vacío de pigmentos a baja temperatura

3.2.1 simulación del modelo matemático en tecnología de secado

Como uno de los focos de investigación de la tecnología de secado, la simulación y el análisis de modelos matemáticos tiene las siguientes ventajas sobre la investigación experimental:

1) Bajo costo; 2) rápido; 3) resultados e información detallados y completos; 4) puede simular condiciones ideales; 5) también puede simular condiciones reales. Por lo tanto, la aplicación de métodos matemáticos en el secado ha atraído la atención de muchos estudiosos. Xu Ying et al. [31] estudiaron el liofisecado de las almejamarillas y establecieron un modelo de transferencia de calor y masa para las almejamarillas; John et al. [32] estudiaron el modelo de secado de semillas de uva, etc. Sin embargo, la falta de datos experimentales o la dificultad de medir los parámetros del proceso de secado afecta directamente a la precisión de los modelos matemáticos. Huang Lixin et al. [33] resumieron los principales modelos matemáticos y métodos de análisis utilizados en el campo del secado, y señalaron que con el desarrollo de la tecnología informática y el desarrollo y aplicación de software comercial a gran escala, la precisión de los resultados de la simulación del proceso de secado se ha mejorado significativamente. Por lo tanto, el trabajo de investigación sobre la simulación de modelos matemáticos en la tecnología de secado se desarrollará aún mejor sobre la base original.

3.2.2 modelo de simulación de secado de capa fina

El secado al vacío a baja temperatura por lo general implica colocar la solución de pigmento para ser secado en una capa delgada sobre una placa calentada, y luego colocar toda la placa bajo alto vacío para completar el secado de toda la solución. Por lo tanto, el secado con disco de vacío a baja temperatura es también un tipo de secado de capa delgada [34]. En la actualidad, el proceso de simulación matemática de secado de capa delgada generalmente incluye los siguientes pasos: 1) seleccionar varios modelos matemáticos de uso común; 2) obtener datos de los experimentos; 3) utilizar los datos obtenidos del experimento para determinar, a través de métodos matemáticos de ingeniería, un modelo que mejor se ajuste a los resultados experimentales; 4) verificar la ecuación del modelo.

Con respecto al modelo de secado por capas finas, Sharma et al. [35] dieron un modelo empírico semi-teórico más completo y se enumeran en la tabla 2. El modelo N ew ton, también conocido como el modelo L ewis, es un modelo de movimiento de humedad basado en N ew ton's ley de refrigeración; El modelo de la edad P añade un exponente al tiempo basado en el modelo de N ew ton, que es un modelo puramente empírico. Tales como el modelo de arroz a baja temperatura de Li Dong et al. [36] y el modelo de quitina de secado por infrarrojo de Ou Chunyan et al. [37]; Henderson y pabes también conocido como el modelo de difusión única, que se basa en Fick' segunda ley.

Muchos investigadores en el país y el extranjero también han hecho mucho trabajo usando estos modelos de secado de capa fina, como Zeng Libin et al. [38]'s secado por aire caliente Silver carp model, Goyal et al. [39]'s modelo matemático para el secado en capa delgada de ciruelas, y Debabandya et al. [40]'s modelo trigo. Sin embargo, estos modelos se basan generalmente en suposiciones que difieren mucho de la realidad, lo que resulta en deficiencias del modelo. Algunos modelos también ignoran el efecto del contenido de humedad inicial sobre la tasa de secado, y no son adecuados para las características de secado de materiales con alto contenido de humedad que requieren largos tiempos de precalentamiento [41].

Wang Zhiwen et al. [42] estudiaron un modelo teórico unidimensional para el secado al vacío, introdujeron la teoría del secado al vacío para materiales en forma de hoja y esféricamente simétricos, derivaron las ecuaciones diferencidel problema de transferencia de calor y masa, y utilizaron el análisis teórico para obtener las características de contenido de humedad variable en el tiempo del material y estimar el final del secado. Sin embargo, algunos errores se generarán debido a las suposiciones en el modelo teórico, como el establecimiento de la difusividad térmica como una constante.

La mayoría de estos modelos son modelos empíricos semi-teóricos que no pueden reflejar con precisión el proceso de migración de humedad interna de los materiales, ni describen específicamente el cambio del coeficiente de difusión de humedad interna de los materiales con el tiempo de secado. Por lo tanto, el modelo teórico de capa delgada necesita ser estudiado más a fondo.

4 perspectivas

Today, with the rapid development of the food industry, the prospects for the development of natural colors are very broad. However, how to overcome problems such as the oxidation and decomposition of pigments is still an important research and application topic in the processing and refining of natural colors. The role of drying technology in the deep processing of natural colors is beyond doubt, but how to further change its limitations is also the direction of future research.

Los resultados del análisis muestran que algunos métodos que se han utilizado en el procesamiento de pigmentos, como el secado por pulverización, secado por microondas y secado por congelación al vacío, todavía tienen deficiencias. Al mismo tiempo, se demuestra que el secado al vacío a baja temperatura es muy adecuado para secar el Color Natural. Dado que ha habido poca investigación en esta área en el país y en el extranjero, vale la pena profundizar en la investigación y la exploración.

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