Usan calculo fraccional para caracterizar fenómenos de transporte en matrices alimentarias

Ricardo Simpson -

Ricardo Simpson –

Dos estudios pioneros desarrollados hace casi un siglo revolucionaron la industria alimentaria. Se trata de los avances introducidos primero, por el químico norteamericano Willard Dell Bigelow y, luego, por el científico en alimentos (Food Scientist) Dr. Olin Ball quienes usaron la modelación matemática para el cálculo de procesos térmicos. Ambos estudios son íconos emblemáticos para quienes se dedican a la formulación y procesado de alimentos. Hasta la fecha ninguna aplicación matemática ha superado los alcances de ambas investigaciones. Desde ese entonces nos hemos nutrido y, también, disfrutado alimentándonos con conservas en las que está garantizada su inocuidad.

Según señala Ricardo Simpson, Ph.D. en ciencias de los alimentos de la Universidad Estatal de Oregón, EE.UU y académico de la Universidad Técnica Federico Santa María y asociado CREAS, la literatura científica sobre el uso de las matemáticas para determinar o caracterizar variables en los procesos de alimentos es sólida y vasta; sin embargo, todavía algunos fenómenos propios del material biológico y matrices alimentarias no son explicados con exactitud. “Para las matrices alimentarias normalmente se utiliza la teoría clásica de la difusión pero es ampliamente sabido que su aplicación es altamente cuestionable”, señala a modo de ejemplo.

Actualmente, el Dr. Simpson lidera una investigación, inédita en el país y en el mundo de los alimentos,  ésta se fundamenta en el uso del cálculo fraccional para establecer -con precisión- los diferentes parámetros involucrados en las matrices alimentarias, especialmente, en los fenómenos de transferencia de materia y calor. “Nuestra hipótesis es que el proceso de difusión en la matriz alimentaria conocido como no-Fick (anómalo) puede ser caracterizado usando fórmulas de cálculo fraccional. Predecir este fenómeno en forma matemática evitaría a la industria un sinnúmero de ensayos realizados en laboratorios equipados con alta tecnología”, apunta.

Vida útil de los alimentos

Uno de los procesos utilizados para preservar y extender la vida útil de los alimentos es la deshidratación osmótica. Este fenómeno puede ser modelado por los fundamentos de la transferencia de materia que describen el origen de las fuerzas difusivas que están involucradas y controlan estos procesos. Toda ley física utilizada en los procesos industriales asume o supone ciertas idealidades, esto significa que el sistema en estudios es homogéneo en estructura y tienen propiedades termo-físicas uniformes; lo que supone también un equilibrio termodinámico. Pero los productos de naturaleza biológica, como los alimentos, no están estructurados homogéneamente, lo que hace que su modelación matemática sea difícil. Especialmente, en este caso, en que la deshidratación osmótica es dominada por el fenómeno físico de la difusión que no es adecuadamente representado por la segunda ley de Fick que es sólo válida para sistemas ideales.

En los últimos años, investigadores y científicos vinculados a los alimentos han reconocido la importancia del rol que juegan las microestructura alimentaria durante el proceso de deshidratación; un rol cuyos efectos no están incluidos en el modelo de Fick. Este reconocimiento cuestiona fuertemente la eficiencia del uso de modelos que reducen un fenómeno complejo como es la deshidratación, a sólo un parámetro ignorando la contribución de estructuras y microestructuras.

La difusión basada en el modelo de Fick requiere más parámetros asociados a la estructura de la materia para obtener un ajuste adecuado. Es por esto que el Dr. Simpson considera que el cálculo fraccional es una herramienta poderosa que puede producir una ruptura o discontinuidad en los avances que se han realizado hasta la fecha en los fenómenos de transporte en las matrices alimentarias usando la modelación matemática.

“Si deseamos representar realísticamente este fenómeno, será necesario desarrollar una nueva herramienta matemática que describa en forma precisa lo que ocurre en los sistemas alimentarios”, concluye el responsable del proyecto Fondecyt “El cálculo fraccional como herramienta matemática para mejorar la modelación de los fenómenos de transferencia de materia en el procesamiento de los alimentos”, que se encuentra en el segundo de tres años de ejecución.

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