IMPROVEMENT OF THE QUALITY OF QUINOA (
Chenopodium quinoa
Willd) BY
REMOVING SAPONINS WITH SATURATED STEAM
REMOCIÓN DE SAPONINAS CON VAPOR SATURADO
Cultivada en las regiones altoandinas de Perú, la quinua es considerada un alimento altamente nutricional por su alto contenido proteico y de minerales. El objetivo de este trabajo fue evaluar las condiciones de operación de una nueva alternativa tecnológica para la remoción de la saponina, empleando vapor saturado, para cumplir con las normas del contenido de saponina ideal para consumo humano (entre 0,06 y 0,12%). La ventaja en utilizar vapor de agua, radica en suavizar las fibras de la estructura epidérmica externa de los granos de quinua, facilitando la disolución y difusión de la saponina, a altas temperaturas, sin alterar el contenido proteico. Para el propósito del trabajo fue construido un equipo experimental modular, en acero inoxidable, y fueron utilizados granos de quinua de color amarillo, por su alto contenido de saponina. En el equipo modular se estudiaron las diferentes condiciones de operación y se cuantificaron las cantidades de saponina retenida en los granos de quinua. Las variables evaluadas fueron tiempo de residencia de contacto, flujo de vapor y temperatura. Los resultados indican que el tiempo de residencia debe ser menor a 10 minutos, con un flujo de vapor ligeramente mediano para una incipiente fluidización y una temperatura de operación de
o
90 C. Para estas condiciones, los resultados de la muestra presentaron 0,018% de saponina con una humedad superficial de 32%, facilitando su deshidratación por radiación solar. Los granos no presentan riesgos de cocimiento, deformación ni fractura, lo que demuestra que no daña al embrión evitando la perdida de proteína.
Unidad de investigación e Innovación de Ingeniería Química y Metalurgia
Cipriano Mendoza Rojas
Programa de Investigación en Procesos industriales – Área de Operaciones y Procesos Químicos E-mail:cmendozar71@hotmail.com
Palabras clave: Chenopodium quinoa, glucósidos triterpénicos.
Quinoa cultivated in the high Andean parts of Peru, is considered as highly food nutritional value due to its outstanding protein, minerals and vitamins. The objective of this work was to evaluate the operating conditions using saturated steam as a new technological alternative to remove saponin to comply international standards norms of the saponin content that should oscillate between 0,06 and 0,12% for human consumption. The advantage of using steam vapor allows to soften and break the fibers of the outer epidermal structure of the quinoa grains and facilitates the dissolution and diffusion of the saponin at high temperature without dissolving the protein content. For the purpose of the work, a modular stainless steel experimental equipment was built up, and for the study the yellow quinoa was selected due of its high content of saponin. In the modular equipment the different operating conditions and their quantification in terms of the content of saponin retained in the quinoa product were studied. The variables evaluated were contact residence time, steam flow and temperature. From the results it is concluded that the residence time should
o
be less than 10 minutes, with a slightly medium vapor flow for incipient fluidization and an operating temperature of 90 C. For these conditions the results of the sample presents 0.018% of saponin with a surface humidity of 32% that facilitates rapid dehydration with solar rays. The grains do not present risks of cooking, deformation or fracture, which shows that it does not damage the embryo of the grain, preventing the loss of protein.
Keywords: Chenopodium quinoa, triterpenoid glycosides.
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
Los granos de quinua se caracterizan por tener altos contenidos de proteína (14 %), lisina (6 %) (Reichert et al., 1986; Jancurova et al., 2009; Bergesse et al., 2015),
minerales, vitaminas, polifenoles, fitoesteroles y flavonoides, además de las saponinas (Bergese, et al., 2015). Las saponinas son básicamente triterpenoides glicosídicos, que se concentran en el exterior de las capas del grano, como si fuera un revestimiento de la semilla (Francis et al., 2002). Szakiel et al. (2011) verificaron que el contenido de La quinua (Chenopodium quinoa) es un pseudo cereal, de cultivo ancestral en las regiones altoandinas de Perú, Bolivia, Ecuador, Colombia, Chile y Argentina, siendo que, actualmente, su cultivo se extiende a nivel mundial.
saponinas puede variar entre el 0,1 y el 5,0%.
En la actualidad, para el procesamiento de la quinua a escala industrial, diversas empresas beneficiadoras utilizan el
Debido al carácter amargo que la saponina le da a los granos de quinua, está no se puede consumir directamente, siendo necesario realizar un tratamiento previo para reducir el contenido de ese compuesto en el grano. Para que la quinua sea usada como alimento, el contenido de saponinas debe estar entre 0,06 y 0,12% Tapia et al., 1979; Bergesse et al., (
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método combinado, tanto por vía seca (eliminación del pericarpio por abrasión o rozamiento) como por vía húmeda (lavado de los granos con agua), debido, fundamentalmente, a la eficacia en la remoción de saponinas y en el mantenimiento de la calidad del grano, logrando satisfacer los requerimientos internacionales, especialmente para la quinua orgánica (FAO, 2013). Sin embargo, debido a una serie de dificultades durante el procesamiento de la quinua, relacionadas, principalmente, con la baja eficiencia en la remoción de las saponinas, impurezas y humedad de los granos, existe la necesidad de desarrollar nuevas innovaciones tecnológicas, como alternativas al método convencional de eliminación de saponinas.En ese sentido, una nueva alternativa tecnológica promisora es la utilización del vapor saturado, conocido comúnmente como lavado en seco, en reemplazo de la vía húmeda con agua. El empleo de vapor saturado presenta ciertas ventajas (Mendoza, 1997), como el de mejorar la disolución de la saponina a altas temperaturas y el de facilitar el rompimiento de la estructura periférica de la quinua, favoreciendo la rápida remoción de ese compuesto. Con esta técnica, por tanto, se logra reducir el alto consumo de agua y se minimizan los riesgos de contaminación ambiental por efluentes líquidos.
MATERIAL Y MÉTODOS
De acuerdo a lo planteado, el objetivo del presente trabajo fue determinar las condiciones óptimas de extracción de saponinas y su cuantificación, en semillas de quinua, empleando vapor saturado.
De las cuatro variedades de quinua (blanca, amarilla, roja y negra) que son utilizadas para la exportación desde la región
Material Vegetal
Equipo experimental
En el presente ensayo, para la determinación de las propiedades físicas, fueron utilizados probetas de 100 ml, un termómetro digital, un juego de tamiz, balanzas analíticas, una balanza de 500 g y un analizador de humedad. Para la determinación del contenido de saponina, fueron utilizados tubos de ensayo con tapones de 160 mm de longitud y 16 mm de diámetro, probetas de 10 ml, un cronómetro, una balanza de precisión al 0,01 g, una regla de precisión al 0,1 cm, agua destilada y un portatubos.
Ayacucho, fue utilizada la variedad amarilla, proveniente del Distrito de Rancha, la cual se cultiva en grandes extensiones y es la que más se comercializa en el mercado. Esta variedad se caracteriza por ser amarga, ser resistente a plagas y enfermedades y ser poco atacada por aves en el campo.
Materiales e instrumentos
Para la realización de los ensayos experimentales, fue necesario construir un prototipo a escala pequeña (Figuras 1 y 2), con la finalidad de evaluar las condiciones de operación para la remoción de la saponina mediante el lavado con vapor. Básicamente, la configuración del equipo consistió en el transporte del vapor procedente de un generador de caldero, por medio de un tubo de ½ pulgada, y su distribución hasta un recipiente cilíndrico de fondo cónico (cámara de desaponificación), donde fue adaptado un tamiz como soporte para los granos de quinua, siendo que a través de las válvulas se hacia el control de paso del vapor saturado. Para la obtención de vapor ligeramente seco y saturado, fue adaptado en la tubería de ½ pulgada, que transportaba el vapor, un calefactor eléctrico de 1000 watts. El generador de vapor contaba con dos presostatos de seguridad y con manómetros con escala de 0 a 10 bar, y suministraba una producción de 17 kg de vapor saturado, a 4,5 bar de presión manométrica.
Figura 1.Esquema del equipo experimental para remover la saponina de la quinua.
Para alcanzar los objetivos propuestos con la variedad seleccionada, se realizaron las siguientes evaluaciones: A) tamaño (mm): mediante el método granulométrico, se tamizó una muestra de 100 g por un periodo de 10 minutos, utilizando el tamiz Ro-Top; B) densidad real y densidad
3
aparente (kg/m ); C) contenido de humedad (%) base humeda: fue determinado utilizando el instrumento Infrared, en una muestra de 3 g; D) contenido de saponina por método propio en los granos de quinua: en razón de no contar con instrumentos de tecnología avanzada, fue adaptado un método propio, que consiste, primeramente, en tomar una muestra de 50 g, la cual fue colocada en un vaso precipitado, donde se agregó 150 ml de agua, luego fue agitado a una velocidad de 300 rpm, por espacio de tres horas, hasta extraer completamente la saponina, posteriormente fue filtrado y la muestra húmeda fue secada en una estufa con circulación forzada de aire a 105°C, seguidamente fue pesada y por diferencia de pesos, fue determinada el contenido de la saponina total (saponina más fibras presentes); E) desaponificación de la quinua por método no convencional, con vapor saturado, mediante el siguiente procedimiento:
Metodología
Figura 2.Equipo experimental para remover la saponina de la quinua: (a) cámara de lecho fijo y su distribuidor de vapor; (b) caldero generador de vapor saturado.
primeramente, se generó vapor saturado en una caldera hasta alcanzar la presión de operación de 4 bars; luego se pesó una muestra de 50 g, la cual fue colocada en la cámara circular cilíndrica como un lecho de 3 mm de espesor, aproximadamente; seguidamente, se suministró vapor libre del condensado para estudiar las siguientes condiciones de operación: a) tiempo de exposición de los granos de quinua, b) flujo de vapor y c) temperatura de exposición de los granos de quinua.La medida de los datos se realizó por triplicado. El contenido de la saponina se determinó mediante el Método de Espuma, Norma Técnica Ecuatoriana, INEN 1 672 (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 1998).
El contenido de humedad de los granos de quinua fue de 8,67%, en base húmeda. En la Figura 3, donde se muestra la distribución del tamaño de los granos de quinua, se verificó que el tamaño medio de la quinua amarilla fue de, aproximadamente, 1,5 mm. Por lo general, el tamaño varía en el rango de 1,4 a 2 mm (Bergesse, et al., 2015).
Características físicas
124
Tabla 1. Resultados del ensayo y del contenido de saponina, mediante el método no convencional, con vapor saturado.
No Masa
(g) Flujo vapor Tiempo (min) Temp. (oC)
Altura Lecho (mm) Altura Burbuja (cm) Saponina (%) Humedad (%)
1 50 bajo 5 92,4 3 1.0 0,108 14,26
2 50 bajo 10 91,5 3 0,7 0,069 19,02
3 50 mediano 10 91,0 3 0,3 0,018 32,22
Con relación al efecto del tiempo de residencia, considerando un suministro de caudal de vapor bajo, se observa que a medida que se prolonga el tiempo de exposición, el contenido de la saponina en el grano disminuye. Así, se verifica que, para un tiempo de residencia
Rev. Inv. UNSCH (25,1 - 2017) ISSN 1684-0089
La porosidad fue obtenida mediante la ecuación:
Figura 3. Analisis granulometrico de la granos de quinua amarilla.
La densidad aparente y densidad real fue calculada mediante la siguiente ecuación:
3
76, 6
0, 766
/
766
/
100
p a
a
m
g
g ml
kg m
V
ml
r =
=
=
=
3 3 9 3
6
3 9 3
1, 5 10
1, 76715 10
6
6
1, 95 10
1103, 5
/
1, 76715 10
p m
p p
p
V
d
x
x
m
m
x
kg
kg m
V
x
m
p
p
r
--é ù
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=
ë û
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=
3 3766
/
1
1
0, 3058
1103, 5
/
a o p
kg m
kg m
r
e
r
=
-
=
-
=
En relación al contenido de saponina en los granos de quinua de la variedad amarilla, el peso final de la muestra después del secado fue de 42,2 g. Ese valor fue sustraído del peso
Contenido de saponina por método propio
7,8
% 100 100 15, 6%
50
masa saponina
saponina x x
masa de quinua
æ ö æ ö
=ç ÷ =ç ÷ =
è ø
è ø
Ese resultado es cercano a lo que se obtiene en una planta industrial, producto de la eliminación del polvo que contiene saponina más fibras, el cual está entre 10 a 12%, aproximadamente.
En la Tabla 1, se muestra el resumen de los resultados obtenidos de las diferentes variables, incluido el porcentaje de saponina y el contenido de la saponina al final del proceso, para las diferentes condiciones de operación.
En la muestra inicial, el contenido de humedad fue de 8,9% y la altura de lectura de la saponina fue de 1,5 cm, el cual equivale a una concentración de 0,175%. De acuerdo con la literatura (Quiroga y Escalera, 2010), el contenido de saponina de las variedades mediana amargas está en el rango de 0,1 a 1,0%. En ese sentido, la quinua que fue evaluada en este estudio, procedente del Distrito de Rancha, se encuentra dentro de esta categoría.
Contenido de saponina por el método no convencional, con vapor saturado
inicial (50g), obteniéndose 7,8 g de saponina que fue eliminada. En porcentaje, el contenido de saponina fue calculado mediante la siguiente ecuación:
o
· Los granos no presentan riesgos de cocimiento, deformación ni fractura al final del proceso, la superficie del epispermo es bastante lisa, lo que indica no hay pérdida de calidad nutricional, mejorando la calidad de granos de quinua.
el anterior, se observa que el contenido de saponina alcanza 0,018%, siendo la humedad final, en este caso, de 32,22% y
o
la temperatura de 91,0 C. Para esta humedad el tiempo de secado expuesto a los rayos solares es de 2 horas para alcanzar una humedad final de 9 %.
De los resultados obtenidos, se constata el efecto que tiene el vapor sobre la remoción del contenido de saponina, siendo que su eficiencia aumenta cuando se humedecen los granos de quinua, lo que permite la solubilización de la saponina y, consecuentemente, su fácil remoción. De la literatura, se tiene información sobre el nivel máximo de aceptación organoléptica para el consumo humano, el cual está entre 0,06 a 0,12%. En consecuencia, los valores obtenidos en este trabajo se encuentran dentro de este rango y, además, no hay riesgos de cocimiento y gelatinización, lo que garantiza la obtención de un buen producto sin disminución de su calidad nutricional. Por otro lado, por el tiempo de secado breve de dos horas, demuestra que la fijación de la humedad es superficial, lo que indica un periodo de velocidad de secado constante, siendo muy ventajosos desde el punto de vista de ahorro de tiempo y energía, respecto al método convencional de secado de 8 horas expuestas a rayos solares.
Conclusiones:
· Reducción del contenido de saponina hasta alcanzar los niveles de concentración de 0,018 % (Tabla 1), valor que está dentro del nivel máximo de aceptación organoléptica para el consumo humano, el cual está entre 0,06 a 0,12% Del análisis de los resultados, se presentan algunas ventajas del nuevo prototipo en relación al método convencional:
· Reducción del tiempo de secado artesanal en dos horas respecto al secado industrial de 8 horas, en ambos casos utilizando los rayos solares, para alcanzar una humedad final de 9 %, partiendo desde una humedad inicial de 32,2 %.
· Eliminación del proceso de escarificación, con reducción de la contaminación ambiental por la presencia de polvos. · Disminución del tiempo de procesamiento, en menos de
10 minutos, para la remoción de la saponina.
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Al personal del taller mecánico de la UNSCH, en especial al Ing. Alejandro Tineo por el apoyo prestado en la realización del presente trabajo.
