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Influence of Ultrasound Pretreatment on the Infrared Drying Kinetics and Quality Attributes of Mallow Leaves

Este estudio demuestra que el pretratamiento de las hojas de malva con ultrasonido mejora significativamente la eficiencia del secado por infrarrojos al aumentar la difusividad efectiva de la humedad y reducir la energía de activación y el consumo de energía específica, al tiempo que mejora el color y la calidad de rehidratación del producto final.

Autores originales: Abolfazl Akhoundzadeh Yamchi, Maziar Feizolahzadeh, Adel Hosainpour, Adel Rezvanivand Fanaei, Ariga Moradians

Publicado 2026-09-04

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CC BY 4.0

Autores originales: Abolfazl Akhoundzadeh Yamchi, Maziar Feizolahzadeh, Adel Hosainpour, Adel Rezvanivand Fanaei, Ariga Moradians

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Preservar la abundancia de la cosecha es uno de los desafíos más antiguos de la humanidad. Las hierbas y verduras frescas son ricas en nutrientes y sabor, pero también son frágiles; su alto contenido de agua las hace propensas a un deterioro rápido, lo que limita cuánto tiempo pueden almacenarse o qué tan lejos pueden viajar. Para prolongar su vida útil, la gente ha recurrido durante mucho tiempo al secado, un proceso que elimina el agua para detener la descomposición. Sin embargo, el secado tradicional suele depender de un calor intenso, el cual puede actuar como una espada de doble filo. Si bien elimina la humedad, el calor también puede degradar aquello que hace valiosa a la planta: su vibrante color verde, sus delicados compuestos medicinales y su capacidad para reabsorber agua más adelante cuando sea necesario. Los científicos están explorando ahora formas de secar estas plantas sensibles de manera más rápida y suave, buscando métodos que aceleren la eliminación del agua sin someter a la planta a temperaturas dañinas durante demasiado tiempo. Un enfoque prometedor consiste en utilizar ondas sonoras antes de que comience el secado, una técnica que cambia sutilmente la estructura interna de la planta para ayudar a que el agua escape más fácilmente.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad de Urmia en Irán investigaron este enfoque utilizando hojas de malva, una hierba medicinal común conocida por sus propiedades antiinflamatorias y su alto contenido de vitaminas y antioxidantes. El equipo quería ver si tratar las hojas frescas con ultrasonido —un tipo de sonido de alta frecuencia— antes de secarlas con calor infrarrojo mejoraba el producto final. Establecieron un experimento controlado donde tomaron hojas de malva frescas y las sometieron a ultrasonido durante diferentes periodos de tiempo: nada en absoluto, cinco minutos o diez minutos. Después de este tratamiento, las hojas se colocaron en un secador de infrarrojos, que utiliza calor radiante similar al calor sentido del sol, a tres temperaturas diferentes: 40, 45 y 50 grados Celsius. El objetivo era secar las hojas hasta que alcanzaran un nivel específico de baja humedad, mientras se rastreaba cuidadosamente cuánto tiempo tomaba, cuánta energía se utilizaba y cómo cambiaba la calidad de las hojas.

Los resultados revelaron un patrón claro y beneficioso. La combinación de pretratamiento con ultrasonido y calor infrarrojo aceleró significamente el proceso de secado. Las hojas que recibieron el tratamiento de ultrasonido más largo y fueron secadas a la temperatura más alta terminaron el proceso mucho más rápido que aquellas que no recibieron tratamiento de sonido o que fueron secadas a temperaturas más bajas. Esta aceleración ocurrió porque las ondas de ultrasonido crearon diminutos canales y disrupciones dentro de la estructura celular de la hoja, esencialmente abriendo vías para que el agua se moviera hacia la superficie más rápidamente. Debido a que el agua podía escapar más rápido, las hojas pasaron menos tiempo expuestas al calor, lo cual es crucial para preservar su calidad. Los investigadores midieron la energía requerida para eliminar cada kilogramo de agua y encontraron que el método más eficiente —usando la temperatura más alta y el tratamiento de ultrasonido más largo— consumió la menor cantidad de energía, específicamente 33.81 kilovatios-hora por kilogramo.

Más allá de la velocidad y la energía, el estudio mostró que este método ayudó a mantener la calidad visual y funcional de las hojas de malva. El secado a temperaturas más bajas combinado con el tratamiento de ultrasonido resultó en hojas que retuvieron más de su color verde natural y sufrieron menos pardeamiento, un signo común de degradación en las hierbas secas. Las hojas también demostraron una mejor capacidad para reabsorber agua cuando se sumergieron más tarde, un indicador clave de qué tan bien sobrevivió la estructura de la planta al proceso de secado. Las hojas tratadas con ultrasonido durante diez minutos y secadas a 50 grados Celsius mostraron la mejor capacidad de rehidratación, sugiriendo que las ondas de sonido ayudaron a crear una estructura más porosa que podía absorber agua fácilmente. Los investigadores también observaron la termodinámica del proceso, que describe los cambios de energía involucrados en el movimiento del agua fuera de la planta. Encontraron que el tratamiento de ultrasonido redujo la barrera energética necesaria para eliminar el agua, haciendo que el proceso fuera más eficiente.

El estudio concluyó que el uso de ultrasonido antes del secado por infrarrojos es una estrategia altamente efectiva para preservar hierbas medicinales como la malva. Ofrece una forma de secar las hojas de manera rápida y con menos energía, protegiendo al mismo tiempo su color, valor nutricional y capacidad de ser reconstituida más tarde. Los investigadores identificaron un conjunto óptimo de condiciones para este proceso: secado a aproximadamente 49 grados Celsius después de un tratamiento de ultrasonido de diez minutos. Este enfoque proporciona una solución práctica y escalable para los procesadores de alimentos y fabricantes de hierbas que necesitan producir productos secos de alta calidad sin los costos energéticos excesivos o la pérdida de calidad asociados con los métodos de secado tradicionales. Al comprender cómo las ondas sonoras pueden preparar suavemente los tejidos vegetales para el secado, esta investigación abre la puerta a formas más sostenibles y eficientes de preservar los valiosos recursos botánicos del mundo.

Resumen Técnico: Influencia del Pretratamiento por Ultrasonido en la Cinética de Secado por Infrarrojos y los Atributos de Calidad de las Hojas de Malva

Planteamiento del Problema
Las hojas frescas de malva (Malva sylvestris) son altamente perecederas debido a su alto contenido de humedad, lo que provoca pérdidas postcosecha significativas (25–30%) y limita su comercialización. Aunque el secado es un método de preservación primario, las técnicas convencionales a menudo exponen los tejidos vegetales a un estrés térmico prolongado, degradando compuestos bioactivos termosensibles y comprometiendo las cualidades sensoriales como el color y la capacidad de rehidratación. Si bien el secado asistido por ultrasonido ha mostrado potencial en otros contextos, existe una escasez de investigación que aborde específicamente los efectos combinados del pretratamiento por ultrasonido y el secado por infrarrojos (IR) en las hojas de malva, particularmente en lo que respecta a la cinética de secado, los parámetros termodinámicos y el consumo de energía específica (SEC).

Metodología
El estudio investigó los efectos de la duración del pretratamiento por ultrasonido (0, 5 y 10 minutos) y las temperaturas de secado por infrarrojos (40, 45 y 50 °C) sobre el comportamiento de secado y la calidad de las hojas de malva.

Configuración Experimental: Las hojas frescas fueron pretratadas con un sistema ultrasónico de aire (20 kHz, 20 kW) y posteriormente secadas en un secador IR a escala de laboratorio equipado con cuatro lámparas halógenas de infrarrojo cercano de 250 W.
Control del Proceso: El secado continuó hasta que el contenido de humedad alcanzó el 10% (base húmeda). El contenido de humedad se monitoreó en intervalos de 20 minutos.
Evaluación de la Calidad: Los atributos clave incluyeron parámetros de color (L*, a*, b*, croma, diferencia de color total $\Delta E$ e índice de pardeamiento), la relación de rehidratación (RR) a 25 °C y 65 °C, y el consumo de energía específica (SEC).
Modelado y Análisis: La difusividad efectiva de la humedad ( $D_{eff}$ ) se calculó utilizando la segunda ley de Fick. La energía de activación ( $E_a$ ) y las propiedades termodinámicas (entalpía $\Delta H$ , entropía $\Delta S$ y energía libre de Gibbs $\Delta G$ ) se derivaron mediante la relación de Arrhenius y ecuaciones termodinámicas estándar. El análisis estadístico se realizó mediante ANOVA de dos vías y la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) para la optimización.

Resultos Clave

Cinética de Secado: Tanto el aumento de la temperatura de secado como la extensión del tiempo de pretratamiento por ultrasonido redujeron significativamente el tiempo total de secado. El efecto sinérgico de mayores temperaturas de IR y tiempos de sonicación más largos aceleró la eliminación de la humedad al mejorar la transferencia de masa interna.
Difusividad de la Humedad y Energía de Activación: La difusividad efectiva de la humedad ( $D_{eff}$ ) aumentó con temperaturas más altas y tiempos de exposición al ultrasonido más largos, variando de $2.39 \times 10^{-7}$ a $8.68 \times 10^{-7} \text{ m}^2\text{s}^{-1}$ . Por el contrario, la energía de activación ( $E_a$ ) disminuyó de 86.32 a 73.73 kJ mol $^{-1}$ a medida que aumentaba el tiempo de pretratamiento por ultrasonido, lo que indica que el ultrasonido redujo la barrera energética para la migración de la humedad.
Atributos de Calidad:
- Color: La degradación del color (aumento de $\Delta E$ e índice de pardeamiento) fue más pronunciada a temperaturas más altas y tiempos de ultrasonido más cortos. La mejor preservación del color (mayor croma, menor $\Delta E$ y pardeamiento) se logró a 40 °C con 10 minutos de ultrasonido.
- Rehidratación: La mayor relación de rehidratación se observó en muestras secadas a 50 °C con 10 minutos de pretratamiento por ultrasonido y rehidratadas a 65 °C, lo que sugiere que los cambios microestructurales inducidos por el ultrasonido (microcanales) facilitaron la absorción de agua.
Termodinámica: La entalpía ( $\Delta H$ ) y la entropía ( $\Delta S$ ) disminuyeron con el aumento de la temperatura y el tiempo de ultrasonido, mientras que la energía libre de Gibbs ( $\Delta G$ ) aumentó. Los valores consistentemente positivos de $\Delta G$ confirmaron que el proceso de secado no es espontáneo y requiere energía externa continua.
Eficiencia Energética: El menor consumo de energía específica (SEC = 33.81 kWh kg $^{-1}$ ) se registró a la temperatura de secado más alta (50 °C) combinada con el tiempo de pretratamiento por ultrasonido más largo (10 min).

Optimización
Utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta, el estudio identificó las condiciones de procesamiento óptimas equilibrando el tiempo de secado, el consumo de energía y la calidad. El óptimo predicho fue una temperatura de secado por infrarrojos de 49.27 °C combinada con un pretratamiento por ultrasonido de 10 minutos. Bajo estas condiciones, el modelo predijo un tiempo de secado de 61.88 minutos, un SEC de 33.81 kWh kg $^{-1}$ , y maximizó la capacidad de rehidratación y la difusividad efectiva.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona un vínculo cuantitativo entre la intensidad del pretratamiento, el comportamiento de secado, la demanda de energía y la evolución termodinámica en las hojas de malva. La contribución principal es demostrar que el pretratamiento por ultrasonido antes del secado por infrarrojos mejora significativamente tanto la eficiencia como la calidad de las hojas de malva secas. Específicamente, la integración de estas tecnologías:

Acelera el Secado: Reduce el tiempo de secado y el consumo de energía específica mediante la creación de microcanales y la ruptura de las paredes celulares, reduرciendo así la resistencia a la transferencia de masa interna.
Preserva la Calidad: Mitiga la degradación térmica de pigmentos y compuestos bioactivos, ofreciendo una solución escalable para la producción de hierbas medicinales de alta calidad y procesamiento mínimo.
Ofrece Guías Prácticas: Las condiciones óptimas identificadas proporcionan una ventana operativa factible para que la industria mejore la vida útil del producto y satisfaga la demanda del consumidor de productos secos saludables y energéticamente eficientes.

El artículo concluye que el secado por infrarrojos asistido por ultrasonido es una estrategia prometedora y energéticamente eficiente para el procesamiento de hierbas medicinales termosensibles, aunque señala que se requiere mayor investigación para validar la escalabilidad a niveles piloto o industriales.

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