UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS
ALIMENTARIAS
EFECTO DEL MÉTODO DE HIDRÓLISIS EN EL ALMIDÓN DE
PAPA (Solanum tuberosum) PARA LA OBTENCIÓN DE
ALCOHOL
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
PRESENTADO POR:
Bach. MALLAUPOMA MISARI SITA SONIA
Bach. RAMOS MARTINEZ ROSMERY
HUANCAYO – PERÚ
2014
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS
ALIMENTARIAS
JURADO EXAMINADOR
MSc. Edgar Rafael Acosta López PRESIDENTE
Ing. José Luis Solís Rojas SECRETARIO
MSc. María Libia Gutiérrez Gonzales JURADO
MSc. Luis Ártica Mallqui JURADO
ASESORA
“Gracias a esas personas importantes en mi vida, que siempre estuvieron listas para brindarme toda su ayuda, ahora me toca regresar un poquito de todo lo inmenso que me han otorgado. Con todo mi cariño esta tesis se las dedico a ustedes: Papá Virgilio, Mamá Alejandra y a mis hermanos Ana, Jackeline y Yonathan”
Con todo mi cariño y amor dedico este trabajo de tesis a mis padres Jaime y Cristina que son la presencia de Dios en la tierra, porque con su trabajo y esfuerzo supieron cuidarme y educarme para que yo pudiera lograr mis sueños y ser una persona de bien; a mis hermanos Victor, Abimael, Urmila, Josein y Edith por darme todo su apoyo y palabras de aliento.
AGRADECIMIENTOS
Al culminar esta etapa de nuestras vidas, podemos decir que todo el esfuerzo valió la pena y que esto es sólo el comienzo del gran camino que nos falta por recorrer para alcanzar el éxito.
A nuestros padres por nuestra formación como persona y como profesional.
A nuestros hermanos con los que siempre hemos podido contar para seguir adelante. A nuestros amigos: Julio Cesar, Lourdes, Tony, Alfredo, Ángela, Indira, Vladimir, quienes con su apoyo moral nos dieron aliento para continuar y cumplir nuestro objetivo.
Al Ing. Carmen Baltazar quien nos dio su apoyo incondicional para la realización de la investigación.
A la Dra. Clara Raquel Espinoza Silva, por el constante apoyo y guía en la realización de la investigación.
Al MSc. Emilio Fredy Yábar Villanueva, por sus conocimientos y por haber aclarado nuestras dudas durante la realización de la investigación
A la Lic. Martha Rondan, Ing. Dante Barzola, el Ing. Abraham de la empresa AGRARIA AZUCARERA ANDAHUASI S.A.A por brindarnos capacitación en el proceso de activación de levaduras y fermentación.
A la Ing. Yesenia Ugarte, Don Andrés Taipe y Don José Pérez, por su apoyo en la realización de la investigación.
Al Ing. Miguel Quispe y Ing. Juan Ramos, por su apoyo en el análisis estadístico.
ÍNDICE GENERAL
PAG
I. INTRODUCCIÓN 1
II. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3
2.1 Almidón de papa (Solanum tuberosum) 3
2.1.1 Amilosa 3
a. Amilopectina 3
2.2 Métodos de hidrólisis de almidón 4
2.2.1 Método ácido 5
2.2.2 Método Enzimático 6
a. Enzimas 8
α – amilasa 8
Glucoamilasas 9
b. Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimáticas 9 pH 9 Temperatura 9 Concentración de sustrato 10 2.3 Azúcares reductores 10
2.4 Proceso de producción de alcohol 10
2.4.1 Microrganismo Saccharomyces cerevisiae 10
a. Reproducción 11 b. Requerimientos nutricionales 11 Fuente de carbono 11 Fuente de nitrógeno 11 Macro y micronutrientes 12 Vitaminas 12 2.4.2 Requerimientos Ambientales 12 a. Temperatura 12 b. Oxígeno 13 c. pH 13 2.4.3 Metabolismo 13 a. Azúcares 13 b. Nitrógeno 13
c. Fósforo 13
2.5 Fermentación alcohólica 14
2.6 Limitantes de la fermentación 15
2.6.1 Concentración de alcohol 15
2.6.2 Acidez del sustrato 15
2.6.3 Concentración de azúcares 16
2.6.4 Temperatura 16
2.6.5 Ritmo de crecimiento de las cepas 16
2.7 Destilación 16
2.8 Alcohol 16
2.8.1 Algunas propiedades fisicoquímicas para el alcohol 18
a. Acidez Total 18
b. Grado Gay-Lussac (°G.L) 18
c. Test de Barbet 18
d. Densidad 19
2.9 Antecedentes de Investigación 20
III. MATERIALES Y MÉTODOS 25
3.1 Lugar de ejecución 25 3.2 Materia prima 25 3.3 Insumos 25 3.4 Materiales y equipos 26 3.4.1 Equipos 26 3.4.2 Materiales 26 3.4.3 Reactivos 27 3.5 Métodos de análisis 27
3.5.1 Análisis del hidrolizado ácido y enzimático 27
3.5.2 Análisis del alcohol destilado 28
3.6 Metodología experimental 28
3.6.1 Hidrólisis ácida 28
3.6.2 Hidrólisis enzimática 30
3.6.3 Activación de levadura, fermentación alcohólica y destilación 32
3.7 Diseño experimental 35
3.7.1 Diseño experimental para la hidrólisis ácida 35 3.7.2 Diseño experimental para la hidrólisis enzimática 36 3.7.3 Diseño experimental para la fermentación alcohólica 37
3.8.1 Modelo aditivo lineal para hidrólisis ácida 37 3.8.2 Modelo aditivo lineal para hidrólisis enzimática 38 3.8.3 Modelo aditivo lineal para fermentación alcohólica 38
3.9 Procesamiento de datos 39
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES 40
4.1 Materia prima y condiciones de trabajo 40
4.2 Hidrólisis ácida 40
4.3 Hidrólisis enzimática 42
4.4 Fermentación alcohólica 46
4.5 Propiedades fisicoquímicas del alcohol destilado 51 4.5.1 Grado alcohólico (ºG.L) del alcohol destilado 51
4.5.2 Densidad (g/mL) del alcohol destilado 54
4.5.3 Acidez (mg de ácido acético/100 mL de alcohol) del alcohol destilado
55
4.5.4 Test de Barbet (minutos) del alcohol destilado 57
V. CONCLUSIONES 61
VI. RECOMENDACIONES 63
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 64
ÍNDICE DE TABLAS
N° TITULO PAG.
Tabla 1 Características de algunos almidones usados en la industria alimentaria
4
Tabla 2 Composición típica del mosto 11
Tabla 3 Requisitos fisicoquímicos del vodka 17
Tabla 4 Características generales para para el alcohol de 96 º 18
Tabla 5 Características generales para el vodka 18
Tabla 6 Valores de la densidad ρ para el agua pura en función de la temperatura ϑ
19
Tabla 7 Densidad en función de la concentración etanol a 22 °C 20 Tabla 8 Densidad modificada del alcohol para una temperatura de 18 °C 20 Tabla 9 Análisis de varianza para AZÚCARES REDUCTORES- Hidrólisis
ácida, utilizando SC ajustada para pruebas
42
Tabla 10 Análisis de varianza para AZÚCARES REDUCTORES- Hidrólisis enzimática, utilizando SC ajustada para pruebas.
45
Tabla11 Análisis de varianza para GRADO ALCOHOLICO (ºG.L), utilizando SC ajustada para pruebas
52
Tabla12 Análisis de varianza para DENSIDAD (g/ml), utilizando SC ajustada para pruebas
55
Tabla 13 Análisis de varianza para ACIDEZ (mg ácido acético/100mL), utilizando SC ajustada para pruebas
56
Tabla 14 Análisis de varianza para el TEST DE BARBET (minutos), utilizando SC ajustada para pruebas
58
Tabla 15 Resumen de las propiedades fisicoquímicas del alcohol 59 Tabla 16 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el
factor concentración de almidón (% p/v) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis ácida.
83
Tabla 17 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis ácida.
83
Tabla 18 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) - tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis ácida.
83
factor concentración de almidón (% p/v) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
Tabla 20 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor α - amilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
84
Tabla 21 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor glucoamilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
84
Tabla 22 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
84
Tabla 23 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) - α amilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
85
Tabla 24 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) - glucoamilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
85
Tabla 25 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) - tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
85
Tabla 26 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: α - amilasa E/S (%) - glucoamilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
86
Tabla 27 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: α - amilasa E/S (%) – tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
86
Tabla 28 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: glucoamilasa E/S (%) – tiempo (minutos) y una confianza de 95,0% en la hidrólisis enzimática.
86
Tabla 29 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) – α amilasa E/S (%) –glucoamilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
Tabla 30 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) – α amilasa E/S (%) –glucoamilasa E/S (%) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
87
Tabla 31 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) – glucoamilasa E/S (%) –tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
88
Tabla 32. Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: α amilasa E/S (%) – glucoamilasa E/S (%) –tiempo (minutos) y una confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática.
89
Tabla 33 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: concentración de almidón (% p/v) - α amilasa E/S (%) – glucoamilasa E/S (%) –tiempo (minutos) y una
confianza de 95,0 % en la hidrólisis enzimática. 90
Tabla 34 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor método de hidrólisis y una confianza de 95,0 % para el grado alcohólico (°G.L) del alcohol destilado.
92
Tabla 35 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para el grado alcohólico (°G.L) del alcohol destilado.
92
Tabla 36 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: método de hidrólisis- tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para el grado alcohólico (°G.L) del alcohol destilado.
92
Tabla 37 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor método de hidrólisis y una confianza de 95,0 % para la densidad (g/mL) del alcohol destilado.
93
Tabla 38 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para la densidad (g/mL) del alcohol destilado.
93
Tabla 39 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: método de hidrólisis- tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para la densidad (g/mL) del alcohol destilado.
Tabla 40 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor método de hidrólisis y una confianza de 95,0 % para la acidez (mg de ácido acético/ 100 mL de alcohol) del alcohol destilado.
94
Tabla 41 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para la acidez (mg de ácido acético/ 100 mL de alcohol) del alcohol destilado.
94
Tabla 42 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: método de hidrólisis- tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para la acidez (mg de ácido acético/ 100 mL de alcohol) del alcohol destilado.
94
Tabla 43 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el factor método de hidrólisis y una confianza de 95,0 % para el Test de Barbet del alcohol destilado.
95
Tabla 44 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para el tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para el Test de Barbet del alcohol destilado.
95
Tabla 45 Análisis de comparación múltiple de medias de Tukey para la combinación de factores: método de hidrólisis- tipo de levadura y una confianza de 95,0 % para el Test de Barbet del alcohol destilado.
ÍNDICE DE FIGURAS
N° TITULO PAG.
Figura 1 Representación de las dos formas de almidón (a) Amilosa. (b) amilopectina.
4
Figura 2 Productos en la hidrólisis del almidón 4
Figura 3 Degradación del almidón utilizando enzimas 8
Figura 4 Ubicación del grupo carbonilo para ser un azúcar reductor 10
Figura 5 Ruta bioquímica para la fermentación 15
Figura 6 Proceso de hidrólisis ácida hasta la determinación de azúcares reductores
29
Figura 7 Proceso de hidrólisis enzimática hasta la determinación de azúcares reductores
31
Figura 8 Proceso de activación de levadura fresca y fermentación alcohólica 33 Figura 9 Proceso de activación de pie de cuba y fermentación alcohólica 34 Figura 10 Diseño experimental para la hidrólisis ácida del almidón 35 Figura 11 Diseño experimental para la hidrólisis enzimática del almidón 36 Figura 12 Diseño experimental para la fermentación alcohólica 37 Figura 13 Comportamiento de los azúcares reductores (mg/mL) en el método
de hidrólisis ácida en el almidón de papa.
41
Figura 14 Comportamiento de los azúcares reductores (mg/mL) en el método de hidrólisis enzimático del almidón de papa
44
Figura 15 Evolución del ºBrix en el proceso de fermentación. 48 Figura 16 El volumen de alcohol obtenido después de la destilación. 50 Figura 17 Rendimiento de alcohol desde el proceso de hidrólisis hasta la
obtención de alcohol.
50
Figura 18 Grado alcohólico del alcohol obtenido en la fermentación 52 Figura 19 Densidad del alcohol obtenido en la fermentación (g/mL) 54 Figura 20 Acidez del alcohol obtenido en la fermentación 56 Figura 21 Test de Barbet del alcohol obtenido en la fermentación 58 Figura 22 Preparación del blanco para la calibración del espectrofotómetro. 72 Figura 23 Determinación de azúcares reductores de las muestras hidrolizadas 73 Figura 24 Determinación de pH del hidrolizado de almidón 75 Figura 25 Determinación de °Brix del hidrolizado de almidón 75 Figura 26 Determinación del grado alcohólico (ºGL) del alcohol destilado 76 Figura 27 Determinación de acidez del alcohol destilado 76
Figura 28 Determinación de la densidad del alcohol destilado 77
ANEXOS
N° TITULO PAG.
Anexo 1 Ficha técnica del almidón de papa 71
Anexo 2 Determinación de azúcares reductores 72
Anexo 3 Curva estándar de glucosa 74
Anexo 4 Determinación de pH 75
Anexo 5 Determinación de °BRIX 75
Anexo 6 Determinación de grado alcohólico (ºG.L) 76
Anexo 7 Determinación de acidez 76
Anexo 8 Determinación de densidad 77
Anexo 9 Test de Barbet- Determinación del tiempo de decoloración del alcohol
78
Anexo 10 Matriz con valores codificados y valores reales del diseño experimental en la hidrólisis ácida
79
Anexo 11 Matriz con valores codificados y valores reales del diseño experimental en la hidrólisis enzimática.
80
Anexo 12 Matriz con valores codificados y valores reales del diseño experimental en la fermentación
82
Anexo 13 Análisis Tukey para el contenido de azúcares reductores (mg/mL) para la hidrólisis ácida.
83
Anexo 14 Análisis Tukey para el contenido de azúcares reductores (mg/mL) para la hidrólisis enzimática.
84
Anexo 15 Análisis Tukey para el grado alcohólico (ºG.L) del alcohol destilado 92 Anexo 16 Análisis Tukey para la densidad (g/mL) del alcohol destilado 93 Anexo 17 Análisis Tukey para la acidez (mg ácido acético/100mL de alcohol)
del alcohol destilado
94
RESUMEN
La tesis fue realizada con el fin de determinar el “Efecto del método de hidrólisis en el almidón de papa (Solanum tuberosum) para la obtención de alcohol”. En la primera fase, se preparó tres suspensiones de almidón al 2, 4 y 6 %, las suspensiones de almidón se sometieron a una gelatinización para su posterior hidrólisis. El grado de hidrólisis se cuantificó como mg de glucosa/mL con el método de D.N.S en el espectrofotómetro. En el proceso de hidrólisis ácida se utilizó ácido clorhídrico 1N en una relación de ácido: sustrato (1:4) durante 30, 40, 50 y 60 minutos donde se determinó que el tiempo de hidrólisis y la concentración de almidón influyen estadísticamente en el grado de hidrólisis, lográndose una mayor cantidad de azúcares reductores de 49,71 mg de glucosa/mL utilizando 6 % de almidón y un tiempo de 60 minutos. En la hidrólisis enzimática se utilizó la enzima α-amilasa para la licuefacción en una relación enzima: sustrato de 0,5 y 1,0 % durante los primeros 30 minutos y en la sacarificación se utilizó la enzima glucoamilasa en una relación enzima: sustrato de 0,05 y 0,1 % durante los 40, 50 y 60 minutos, donde las variables concentración de almidón, tiempo de hidrólisis y la relación enzima (α- amilasa y glucoamilasa): sustrato influyen estadísticamente en el grado de hidrólisis, lográndose una mayor cantidad de azúcares reductores de 119,86 mg de glucosa/mL utilizando 6 % de almidón, 0,5 % relación de enzima α-amilasa: sustrato, 0,05 % relación enzima glucoamilasa: sustrato y un tiempo de 50 minutos. En la segunda fase (proceso de fermentación alcohólica) se determinó el efecto del uso de los hidrolizados fermentados con levadura fresca y pie de cuba que se trajo de la Empresa Agraria Azucarera Andahuasi S.A.C en las propiedades fisicoquímicas del alcohol (grado alcohólico ºG.L densidad, acidez y test de Barbet). El alcohol que presentó las mejores características fisicoquímicas fue el obtenido por la fermentación del hidrolizado enzimático con levadura fresca que tiene una media de acidez de 10,5 mg de ácido acético/100 mL, grado alcohólico de 50,50 ºG.L, una densidad de 0,9292 g/mL y un tiempo de decoloración del permanganato de potasio (Test de Barbet) de 22,25 minutos.
