Secado artificial del <i>Plantago major</i>(llantén) y<i>Justicia pectoralis</i>var. ‘Pectoralis’ (tilo)

INTRODUCCIÓN

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El llantén (Plantago major L.) de la familia Plantaginaceae y el tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis) de la Acanthaceae, son especies medicinales reconocidas en el Cuadro Básico de Salud de Cuba por sus amplias aplicaciones en el tratamiento de diferentes dolencias. Uno de los métodos más empleado para la conservación de estas especies es el secado (Thamkaew et al., 2021THAMKAEW, G., SJÖHOLM, I. and GÓMEZ, F. 2021. A review of drying methods for improving the quality of dried herbs. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 61 (11): 1763-178.). Este es un proceso que ocurre cuando es removido el vapor de agua desde la superficie del material hacia el espacio circundante.

Existen dos formas para deshidratar las plantas medicinales: natural o artificial. El método más antiguo es el secado al sol, muy utilizado en regiones de clima cálido y seco, pero muy prolongado por su dependencia de las condiciones climatológicas (Hernández et al., 2018aHERNÁNDEZ, Y. O., SOCORRO, A., CALDERÓN, S., et al. 2018a. Caracterización de la cinética del secado solar en hojas de tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis). Revista Cubana de Física, 35 (2): 102-107). En cambio, el empleo de parámetros termodinámicos constantes en el proceso artificial propicia que la remoción del agua sea más rápida.

Por otro lado, la deshidratación resulta más o menos sencilla según el órgano de la planta a secar. Las hojas, por ejemplo, son generalmente fáciles de tratar, no así los tallos y ramas, pero en cualquiera de estos casos, el agua es el líquido evaporado y el aire es el agente secante que se emplea comúnmente.

A su vez, si en la elaboración de un fitoproducto la materia prima a utilizar procede de plantas secas, el secado constituye un punto crítico en el procesamiento. De no lograrse el contenido de humedad que garantice la calidad durante el almacenamiento y el procesamiento, no es posible corregir esta variable en etapas posteriores y por tanto se afecta la calidad del producto final (Pantoja et al., 2016PANTOJA, D., OSORIO, O., MEJÍA, D. F., et al. 2016. Procesamiento de Arvejas (Pisum sativum L.). Parte 1: Modelado de la Cinética de Secado por Capa Delgada de Arveja, Variedades Obonuco Andina y Sureña. Revista de Información Tecnológica, 27 (1): 69-80.).

El objetivo de esta investigación fue caracterizar la dinámica de salida del agua durante el proceso de secado artificial de las hojas de llantén y tilo.

MATERIALES Y MÉTODOS

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Los experimentos se realizaron en el Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de Humboldt” (INIFAT), ubicado en Santiago de las Vegas, La Habana, Cuba. En una primera etapa se establecieron parcelas experimentales que contaban con surcos de 8 x 6 m y canteros de 7 x 1 m para la siembra del tilo y el llantén, respectivamente. El flujo de trabajo se estableció como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Flujo postcosecha empleado en esta investigación

El manejo postcosecha utilizado se describe a continuación:

Cosecha: El órgano a cosechar fueron las hojas y se realizó según las instrucciones descrita en el manual de cultivo (Fuentes et al., 2000FUENTES, V., LEMES, C., RODRÍGUEZ, C., et al. 2000. Manual de cultivo y conservación de plantas medicinales. 2^nd ed. Centenario, S. A., Cuba, 197 p. ).
Pesado: todas las hojas cosechadas fueron pesadas en una balanza técnica digital (Radwag, Polonia) con una sensibilidad de 0,01 g.
Selección, lavado, desinfección y escurrido: Se eliminaron las hojas con daños y se beneficiaron con agua potable y una solución de hipoclorito de sodio al 2% durante 3 min cada una.
Pesado: todas las hojas cosechadas fueron pesadas en una balanza técnica digital (Radwag, Polonia) con una sensibilidad de 0,01 g y posteriormente se determinó la humedad mediante el método gravimétrico (AOAC,1990A. O. A. C. 1990. Official Method of Analysis. Association of official analytical chemists, No. 934.06, Arlington, VA. ).
Secado: se empleó la tecnología artificial.

En la deshidratación se utilizó una estufa (Memmert, Alemania), con flujo de aire axial a 40 °C y una humedad relativa promedio de 50 %. Las hojas se depositaron en pesafiltros de metal con una capacidad máxima de 10 g distribuidos, de forma uniforme en el interior de la cámara de secado (Figura 2).

Figura 2. Secado artificial de las hojas de tilo

En el llenado de los recipientes se tuvo en cuenta que la cantidad de material facilitara el intercambio de masa y energía al interior de la cámara de secado. La masa vegetal para cada especie fue de 257 g. En el caso del llantén se distribuyeron 7,1 ± 1,8 g por cada frasco de pesada, mientras que para el tilo fueron distribuidos 8,8 ± 7,4 g de material vegetal.

En cada proceso se tomaron entre seis y diez muestras en distintos momentos para evaluar la pérdida de humedad (MR), a través del método gravimétrico. El tiempo de secado se midió con un cronómetro y se estableció a partir de la colocación de las muestras en la cámara de secado y la finalización del proceso, definido cuando las muestras llegaron al peso constante durante dos pesadas consecutivas.

Pesado: todas las hojas cosechadas fueron pesadas en una balanza técnica digital (Radwag, Polonia) con una sensibilidad de 0,01 g.
Envasado y Sellado: se realizó inmediatamente al concluir el proceso de secado y se garantizó que el sellado fuese hermético. Los envases utilizados fueron bolsas de permeabilidad selectiva y frascos de vidrio.
Almacenamiento: se almacenó en condiciones de temperatura y humedad relativa ambiental, a la sombra y separada de otras plantas con las que pudieran intercambiar olores.

Cinética de secado de las hojas de llantén y tilo

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La caracterización cinética del secado se realizó a partir de las determinaciones de la constante de secado (k) y el coeficiente de difusión (D) de cada planta.

Constante de secado

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La constante de secado de cada proceso fue obtenida del modelo matemático que mejor ajustó los valores de MR en el tiempo. Para ello se emplearon las ecuaciones de la tabla 1 y la selección del modelo estuvo en función del mayor coeficiente de correlación lineal (R²) y menor porcentaje de error medio relativo (% E).

Tabla 1. Modelos matemáticos utilizados para la caracterización cinética de secado ()

Ecuación	Modelo matemático	Ecuación
$M R = e^{- k t}$	Lewis	1
$M R = e^{- k t^{n}_{^{}}}$	Page	2
$M R = e^{(- k * t)}^{n}$	Page modificado	3
$M R = a e^{- k t}$	Henderson y Pabis	4
$M R = a e^{- k t} + (1 - a) e^{- k B t}$	Aproximación a la difusión	5

Dónde:

MR: contenido de humedad en g de agua g de masa seca ^-1

t: es el tiempo de secado (h)

k: es la constante de secado

a, b, B y n: son coeficientes de ajuste

Coeﬁciente de difusión

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En la determinación de D se empleó la segunda ley de Fick (Ecuación 6 $\frac{\partial W}{\partial t} = D_{e f f} (\frac{\partial^{2} W}{\partial z^{2}})$ ).

\frac{\partial W}{\partial t} = D_{e f f} (\frac{\partial^{2} W}{\partial z^{2}})

(6)

Al integrar la ecuación 6 $\frac{\partial W}{\partial t} = D_{e f f} (\frac{\partial^{2} W}{\partial z^{2}})$ se establecieron las siguientes condiciones de fronteras:

El movimiento difusional del agua se efectúa de manera plana.
Inicialmente (t = 0) el contenido de humedad es uniforme.
La geometría de la hoja es constante durante el secado.

Se obtiene analíticamente D:

M R = \frac{8}{π^{2}} \sum_{n = 0}^{\infty} \frac{1}{{(2 n + 1)}^{2}} \exp [\frac{- D_{e f f} t}{z^{2}} \frac{{(2 n + 1)}^{2} π^{2}}{4}]

(7)

A partir de la linealización de la ecuación 7 $M R = \frac{8}{π^{2}} \sum_{n = 0}^{\infty} \frac{1}{{(2 n + 1)}^{2}} \exp [\frac{- D_{e f f} t}{z^{2}} \frac{{(2 n + 1)}^{2} π^{2}}{4}]$ para tiempos largos, se obtiene la relación entre la pérdida de peso y D (Ecuación 8 $L n (M R) = L n (\frac{8}{π}) - [\frac{D_{e f f} π^{2}}{4 z^{2}}] * t$ ):

L n (M R) = L n (\frac{8}{π}) - [\frac{D_{e f f} π^{2}}{4 z^{2}}] * t

(8)

A su vez, se obtuvo la relación entre k y D (Ecuación 9 $D_{e f f} = \frac{k δ^{2}}{π}$ ):

D_{e f f} = \frac{k δ^{2}}{π}

(9)

Donde:

D: coeficiente de difusión (m² s ^-1)

δ: espesor de la hoja (m)

Л: constante

t: tiempo de secado (s)

Las dimensiones de las hojas (largo, ancho y espesor) se determinaron a partir de 50 muestras colectadas y medidas con el empleo de un micrómetro. El espesor se determinó a partir de 50 hojas colectadas y medidas con el empleo de un pie de rey.

Todos los resultados fueron procesados con el empleo del paquete estadístico de STATGRAPHICS Plus, versión 5,0 para Windows 2000STATGRAPHICS Plus. 2000. Versión 5.0 para Windows. Versión estándar. .

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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Las curvas de secado ajustadas se muestran en las figuras 3 y 4. El modelo seleccionado como el de mejor ajuste para ambas plantas fue el de Henderson y Pabis con un R² de 0,76 y un % E de 25,9 para el tilo, mientras que para el llantén los estadígrafos fueron R²=0,99 y % E=46,4.

La variación del contenido de humedad en la curva de Henderson y Pabis durante la primera etapa del secado para ambas especies se comportó de forma lineal. La disminución brusca de la pendiente en ese periodo corroboró la extracción del agua que se encuentra menos ligada al sistema biológico, es decir, el agua libre (Hernández et al., 2018aHERNÁNDEZ, Y. O., SOCORRO, A., CALDERÓN, S., et al. 2018a. Caracterización de la cinética del secado solar en hojas de tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis). Revista Cubana de Física, 35 (2): 102-107; Guiné et al., 2019GUINÉ, R. P., FONTES, L. y REIS, M. J. 2019. Drying kinetics and mass transfer properties in the drying of thistle flower. Brazilian Journal of Food Technology, 22: 1-13.).

Figura 3. Curvas de secado ajustadas a los diferentes modelos para las hojas de tilo

Se observó que el llantén a las 24 h presentó un punto de inflexión, en ese momento las hojas habían perdido el 57,4 % del peso inicial. Sin embargo, en el tilo el cambio en la pendiente se encontró a las 21 h, cuando ya se había extraído el 41,7 % del peso.

Hernández et al. (2018aHERNÁNDEZ, Y. O., SOCORRO, A., CALDERÓN, S., et al. 2018a. Caracterización de la cinética del secado solar en hojas de tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis). Revista Cubana de Física, 35 (2): 102-107,bHERNÁNDEZ, Y. O., VEGA, M., SOCORRO, A., et al. 2018b. Cinética del secado solar del orégano (Plecthrantus amboinicus (Lour.) Spreng). Agrotecnia de Cuba, 42 (2): 72-85. ) demuestran que en el punto de inflexión ha sido evaporada casi toda la capa de agua libre de la superficie de las hojas, por lo que el tiempo de culminación del proceso de secado depende de la transferencia de masa en cada especie en función del contenido de humedad.

Figura 4. Curvas de secado ajustadas a los diferentes modelos para las hojas de llantén

La pérdida de humedad decrece lentamente luego del punto de inflexión en cada proceso, lo que indicó el comienzo de fenómenos difusionales y la extracción del agua ligada a la estructura de los tejidos. Estos resultados concuerdan con lo obtenido para las hojas de orégano (Plecthrantus amboinicus (Lour.) Spreng) (Hernández et al., 2018bHERNÁNDEZ, Y. O., VEGA, M., SOCORRO, A., et al. 2018b. Cinética del secado solar del orégano (Plecthrantus amboinicus (Lour.) Spreng). Agrotecnia de Cuba, 42 (2): 72-85. ). Posteriormente al punto de inflexión, se observaron diferencias significativas en los tiempos de proceso (Tabla 2).

Tabla 2. Coeficientes de cada una de las curvas obtenidas en esta investigación

Plantas	H (%bh)	a (g g ms^-1)	k (h^-1)	Tiempo (h)
Tilo	77,3	2,7508 a	0,09 a	45 a
Llantén	88,8	7,5187 b	0,12 a	77 b

Letras diferentes difieren significativamente con p≤ 0,05
Leyenda: H (%bh): contenido de humedad; a: constante del modelo (g g ms^-1); k: constante de secado (h^-1) y t: tiempo de secado (h)

Rodríguez et al. (2005)RODRÍGUEZ, C. A., CARBALLO, C., HECHEVARRÍA, I., et al. 2005. Ahorro de energía en el secado de plantas medicinales. Revista Cubana de Plantas Medicinales, 10 (1): 1-10. plantean que el secado de hojas carnosas de orégano francés en estufa a 40 ºC demora unos 6 días, mientras que en similares condiciones las ramas de diferentes especies de menta (Mentha sp. L.) tarda entre 2 y 3 días.

Esto se debe a que el tiempo de secado está influenciado por numerosos factores entre los que se encuentran la planta y sus características desde el punto de vista de su consistencia (Choque et al., 2021CHOQUE, D., RAMOS, B. S., SOLANO, A. M., et al. 2021. Drying and color in punamuña leaves (Satureja boliviana). DYNA, 88 (216): 31-37. ). Es por ello que el pequeño espesor de las hojas de tilo y llantén permitió alcanzar rápidamente el calor de vaporización, lo cual facilitó el movimiento del agua hacia la superficie y por tanto un menor tiempo de proceso. No obstante, se constataron diferencias significativas entre los tiempos obtenidos para cada especie.

Las hojas de tilo presentan pocos puntos de adsorción con enlaces relativamente fuertes, lo que implica que el proceso de extracción de humedad puede realizarse rápidamente (Hernández, 2017HERNÁNDEZ, Y. O. 2017. Tecnología de secado solar del tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis) para la Agricultura Urbana Cubana. Tesis para optar al título de Máster en Agricultura Urbana. Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de Humboldt” (INIFAT), La Habana, Cuba, 95 p. ). Hernández et al. (2018 a)HERNÁNDEZ, Y. O., SOCORRO, A., CALDERÓN, S., et al. 2018a. Caracterización de la cinética del secado solar en hojas de tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis). Revista Cubana de Física, 35 (2): 102-107 midieron un tiempo de 49 h en el secado solar de esta especie. Las diferencias con este estudio pueden deberse al contenido de humedad, los parámetros termodinámicos o a la tecnología de deshidratación utilizada.

En cambio, para el llantén, a diferencia de los estudios realizados por Rodríguez et al. (2005)RODRÍGUEZ, C. A., CARBALLO, C., HECHEVARRÍA, I., et al. 2005. Ahorro de energía en el secado de plantas medicinales. Revista Cubana de Plantas Medicinales, 10 (1): 1-10. durante el secado artificial a 50 °C de las hojas de llantén menor (Plantago lanceolata L.), logran un tiempo de proceso de 48 h, período menor al obtenido en esta investigación. Independientemente de las diferencias entre las especies, el resultado indicó que el elevado contenido de humedad inicial generó que la dinámica de extracción de humedad en estas hojas fuera más lenta.

La tabla 3 muestra los valores de los coeficientes de difusión, de las especies de plantas utilizados en esta investigación, ubicados en el rango de 10^-13 y 10^-6 m² s^-1, lo que concuerda a lo reportado por otros autores para diversos materiales biológicos (Campo, 2014CAMPO, F. J. 2014. Evaluación del secador mecánico para el secado de tomillo (Thymus vulgaris) y su contribución en las características finales del producto para obtener el cumplimiento de la norma NTC 4423 (ICONTEC, 1998). Tesis para optar por el título de Master. Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia. 164 p. ; Tafur, 2018TAFUR, H. J. 2018. Modelamiento de la cinética de secado de las hojas de sachaculantro (Eryngium foetidum L.) por convección forzada. Tesis para optar al título de Máster en Ingeniería de los Alimentos. Universidad Nacional Agraria de la Selva, Perú, 70 p. ).

Tabla 3. Coeficientes de difusión de cada planta utilizada en esta investigación

Plantas	Coeficientes de difusión (10^-13 m² s^-1)
Tilo	0,17 a
Llantén	5,13 b

Letras diferentes difieren significativamente con p≤ 0,05

Salazar (2020)SALAZAR, E. 2020. Modelado de la cinética de secado por convección forzada de la semilla de pajuro (Erythrina edulis Triana). Tesis para optar al título de Ingeniero en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional Agraria de la Selva, Perú, 60 p. plantea que la difusividad efectiva (D_eff) representa la facilidad con que el agua se difunde en el medio que lo rodea y depende de la naturaleza del material vegetal que la contiene, así como, del medio circundante. Esto explica las diferencias significativas obtenidas en el estudio, independientemente de la influencia que haya tenido sobre este coeficiente la temperatura.

Los materiales fibrosos como las hojas, se contraen al eliminarse la humedad y desarrollan una capa superficial dura e impermeable al flujo de líquido o de vapor, debido a que cuando se difunde el agua hacia la superficie, arrastra materiales solubles como los azúcares y las sales, que al evaporarse dificultan el secado y disminuyen la difusividad del agua (Rodríguez et al., 2005RODRÍGUEZ, C. A., CARBALLO, C., HECHEVARRÍA, I., et al. 2005. Ahorro de energía en el secado de plantas medicinales. Revista Cubana de Plantas Medicinales, 10 (1): 1-10. ).

La forma aplanada y el pequeño espesor de las hojas de tilo y llantén provocaron que estas se adhirieran unas a otras y se limitara el espacio para el paso del aire, lo cual derivó en bajos coeficientes de difusión en comparación con otras especies (Tafur, 2018TAFUR, H. J. 2018. Modelamiento de la cinética de secado de las hojas de sachaculantro (Eryngium foetidum L.) por convección forzada. Tesis para optar al título de Máster en Ingeniería de los Alimentos. Universidad Nacional Agraria de la Selva, Perú, 70 p. ). Esto está en correspondencia con el tipo de tejido, la geometría de la parte anatómica a secar y la mayor contracción que sufren estas hojas durante el proceso de secado.

CONCLUSIONES

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A partir del modelo Henderson y Pabis se pudo caracterizar la pérdida de humedad en el tiempo cuando se emplea una tecnología con 40 °C de temperatura y 50 % de humedad relativa, así como describir el mecanismo de difusión que ocurre en las hojas de las especies en estudio. Se necesitan 45 h para el secado del tilo, a diferencia del llantén que necesita 77 h, lo que se asocia a los pocos puntos de adsorción con enlaces relativamente fuertes que presenta la planta. Los resultados constituyen un aporte al conocimiento que permite optimizar los procesos de secado de las especies en estudio en las condiciones tecnológicas de Cuba.

BIBLIOGRAFÍA

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A. O. A. C. 1990. Official Method of Analysis. Association of official analytical chemists, No. 934.06, Arlington, VA.

CAMPO, F. J. 2014. Evaluación del secador mecánico para el secado de tomillo (Thymus vulgaris) y su contribución en las características finales del producto para obtener el cumplimiento de la norma NTC 4423 (ICONTEC, 1998). Tesis para optar por el título de Master. Instituto Tecnológico Metropolitano, Colombia. 164 p.

CHOQUE, D., RAMOS, B. S., SOLANO, A. M., et al. 2021. Drying and color in punamuña leaves (Satureja boliviana). DYNA, 88 (216): 31-37.

FUENTES, V., LEMES, C., RODRÍGUEZ, C., et al. 2000. Manual de cultivo y conservación de plantas medicinales. 2^nd ed. Centenario, S. A., Cuba, 197 p.

GUINÉ, R. P., FONTES, L. y REIS, M. J. 2019. Drying kinetics and mass transfer properties in the drying of thistle flower. Brazilian Journal of Food Technology, 22: 1-13.

HERNÁNDEZ, Y. O. 2017. Tecnología de secado solar del tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis) para la Agricultura Urbana Cubana. Tesis para optar al título de Máster en Agricultura Urbana. Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical “Alejandro de Humboldt” (INIFAT), La Habana, Cuba, 95 p.

HERNÁNDEZ, Y. O., SOCORRO, A., CALDERÓN, S., et al. 2018a. Caracterización de la cinética del secado solar en hojas de tilo (Justicia pectoralis J. var. pectoralis). Revista Cubana de Física, 35 (2): 102-107

HERNÁNDEZ, Y. O., VEGA, M., SOCORRO, A., et al. 2018b. Cinética del secado solar del orégano (Plecthrantus amboinicus (Lour.) Spreng). Agrotecnia de Cuba, 42 (2): 72-85.

PANTOJA, D., OSORIO, O., MEJÍA, D. F., et al. 2016. Procesamiento de Arvejas (Pisum sativum L.). Parte 1: Modelado de la Cinética de Secado por Capa Delgada de Arveja, Variedades Obonuco Andina y Sureña. Revista de Información Tecnológica, 27 (1): 69-80.

RODRÍGUEZ, C. A., CARBALLO, C., HECHEVARRÍA, I., et al. 2005. Ahorro de energía en el secado de plantas medicinales. Revista Cubana de Plantas Medicinales, 10 (1): 1-10.

SALAZAR, E. 2020. Modelado de la cinética de secado por convección forzada de la semilla de pajuro (Erythrina edulis Triana). Tesis para optar al título de Ingeniero en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional Agraria de la Selva, Perú, 60 p.

STATGRAPHICS Plus. 2000. Versión 5.0 para Windows. Versión estándar.

TAFUR, H. J. 2018. Modelamiento de la cinética de secado de las hojas de sachaculantro (Eryngium foetidum L.) por convección forzada. Tesis para optar al título de Máster en Ingeniería de los Alimentos. Universidad Nacional Agraria de la Selva, Perú, 70 p.

THAMKAEW, G., SJÖHOLM, I. and GÓMEZ, F. 2021. A review of drying methods for improving the quality of dried herbs. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 61 (11): 1763-178.

Secado artificial del Plantago major (llantén) y Justicia pectoralis var. ‘Pectoralis’ (tilo)

Artificial drying of Plantago major (plantain) and Justicia pectoralis var. ‘Pectoralis’ (linden)