UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE EQUIPO DESAPONIFICADOR DE QUINUA Chenopodium quinoa Willd, PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON
VARIEDAD AMARILLO MARANGANI
TESIS
PRESENTADA POR EL BACHILLER:
WILSON MANUEL MONTAÑEZ ARTICA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE :
INGENIERO EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
HUANCAYO – PERÚ
2020
INDICE GENERAL
Pág.
Índice General i
Índice de Cuadros iv
Índice de Figuras vii
RESUMEN 1
I. INTRODUCCIÓN 2
II. REVISION DE BIBLIOGRAFICA 4
2.1. Quinua 4
2.1.1. Descripción del grano de quinua 4
2.1.2. Variedades de quinua 5
2.1.3. Variedad Amarillo Maranganí 6
2.1.4. Composición químico proximal de la quinua 7
2.1.5. Densidad aparente de la quinua 9
2.1.6. Densidad real de la quinua 10
2.1.7. Saponina en quinua 10
2.1.8. Métodos de extracción de saponina 11
a. Vía húmeda 11
2.1.9. Antecedentes del desamargado de quinua por vía húmeda 12 2.2. La extracción como operación unitaria con uso de solventes 15
2.3. El proceso del diseño mecánico 17
2.3.1. Especificaciones para la construcción de equipos 20
2.3.2. Acero inoxidable 23
2.3.3. Diseño higiénico de tuberías 24
2.3.4. Soldadura 24
2.4. Antecedentes del diseño y construcción de equipos para
desaponificado de quinua 26
III. MATERIALES Y METODOS 28
3.1. Lugar de ejecución 28
3.2. Materia prima e insumos 28
3.3. Equipos, materiales y reactivos 28
3.3.1. Equipos 28
3.3.2. Materiales 29
3.3.3. Reactivos 29
3.4. Métodos de análisis 29
a. Determinación del contenido de saponina en la quinua 29
b. Determinación de densidad aparente 30
c. Determinación de densidad real 30
d. Análisis químico proximal 31
3.5. Metodología experimental 31
3.5.1. Análisis químico proximal, densidad aparente y saponina 32 3.5.2. Diseño y construcción del equipo de desaponificación 32 3.5.3. Pruebas de funcionamiento del equipo de desaponificación 32 a. Identificación de variables dependientes e independientes 33
b. Diseño experimental 35
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES 37
4.1. Análisis de la quinua variedad amarillo Maranganí 37 4.1.1. Contenido químico proximal de la quinua variedad A.M. 37 4.1.2. Saponina en granos de quinua entera 39
4.1.3. Determinación de densidad aparente 39
4.1.4. Densidad real quinua variedad amarillo Maranganí 41 4.2. Diseño y construcción del equipo de desaponificación 42 4.2.1. Definición de las necesidades planteadas por la sociedad 42
a. Desarrollo esquemático o prediseño 43
b. Diseño preliminar y análisis de componentes 43 c. Desarrollo de las especificaciones técnicas y los planos 44
• Material de construcción 44
• Diseño del cesto contenedor de quinua 44
• Cilindro principal de lavado 46
• Sistema de tuberías 47
• Bomba de agua 47
• Variador de velocidad 48
4.3. Resultados de las pruebas de funcionamiento del equipo de
desaponificación 50
V. CONCLUSIONES 58
VI. RECOMENDACIONES 59
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 60
ANEXOS 55
Anexo 1: Planos del equipo, desarrollados en base a las
especificaciones técnicas 67
Anexo 2: Esquema de componentes del sistema de desamargado
de quinua incluye medidas 68
Anexo 3: Esquema de detalle del cesto contenedor de quinua y del
Cilindro principal 69
Anexo 4: Proceso de cálculo para determinación de potencia de bomba 70 Anexo 5: PCMM de Duncan para la interacción de los factores tiempo
y caudal de recirculación de agua 75 Anexo 6: Planos desarrollados como producto del diseño del equipo 77 Anexo 7: International Estándar ISO 468:1982 78 Anexo 8: International Standard ISO 14159:2002 81
Anexo 9: NTP 205.062: 2009 Quinua-Requisitos 84
INDICE DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1: Variedades y ecotipos de quinua 6
Cuadro 2: Proceso de desamargado vía húmeda de diversas
variedades de quinua 12
Cuadro 3: Rugosidades superficiales de acuerdo con ISO 468 21 Cuadro 4: Contenido químico proximal de quinua variedad Amarillo
Maranganí 37
Cuadro 5: Contenido de saponina en quinua entera variedad Amarillo
Maranganí 39
Cuadro 6: Resultados de la determinación de densidad aparente
de quinua variedad Amarillo Maranganí 40 Cuadro 7: Resultados de la determinación de densidad real de quinua
variedad Amarillo Maranganí 41 Cuadro 8: Contenido final de saponina en quinua variedad Amarillo
Maranganí después de la ejecución de cada tratamiento
(mg saponina/g quinua) 50
Cuadro 9: Análisis de normalidad de Kolmogorov-Smirnov 51 Cuadro 10: Contenido de saponina en quinua variedad Amarillo
Maranganí después de la ejecución de cada tratamiento
(% de saponina) 52
Cuadro 11: ANVA para contenido de saponina en quinua variedad Amarillo Maranaganí luego de ejecutado los tratamientos
(% saponina) 53
Cuadro 12: PCMM de Duncan para el factor caudal de recirculación
del agua de desamargado (α = 0,05) 55 Cuadro 13: PCMM de Duncan para el promedio del contenido final
de saponina (%) para cada combinación de niveles de
de factor (tiempo de lavado y caudal) 55
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Descripción anatómica del grano de quinua 5 Figura 2: Fotografía de quinua variedad Amarillo Maranganí 7 Figura 3: Estructuras moleculares de las principales saponinas de la
Quinua 11
Figura 4: Radio adecuado para codos de acero inoxidable 22 Figura 5: Diseño de tanques de fácil drenaje 23 Figura 6: Perfiles de juntas de soldadura en U, V, J 25
Figura 7: Uniones soldadas 25
Figura 8: Esquema experimental para la desaponificación de quinua
por lavado 35
Figura 9: Diagrama de la idea inicial del equipo de desamargado 43 Figura 10: Fotografía de equipo para desaponificación con componentes
ensamblados 49
Figura 11: Contenido de saponina (%) luego de ejecutado cada
tratamiento 57
Figura 12: Fotografías de la formación de espuma durante ejecución
De experimento 57
RESUMEN
El trabajo de investigación pretende mecanizar el desamargado de quinua, haciendo uso del método húmedo, que es el más apropiado para variedades amargas de este grano. Por esta razón el principal objetivo está orientado al diseño y la construcción del prototipo, que se desarrolló utilizando normas internacionales como el ISO 14159:2002 e ISO 468:1982, seguido de las pruebas de funcionamiento, donde se probaron dos variables independientes, tiempo de lavado (5; 10 y 15 minutos) y caudal de bombeo (15; 30 y 45 L/min), para este efecto se utilizó quinua de la variedad Amarillo Maranganí clasificada como amarga. Para la conducción del experimento se utilizó el diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial de 3 x 3. Los resultados indican que se logró mayor extracción de saponina al utilizar tiempos de lavado de 5 minutos con caudales de agua de 15 L/min, llegando a eliminarse el 51,75 % del contenido inicial. El tiempo de lavado como factor principal no muestra diferencias significativas en la cantidad de saponina eliminada, en cambio el caudal de agua de lavado muestra diferencias, siendo que con caudal de 15 L/min se obtiene los mejores resultados, habiéndose extraído el 51,17 %. En general se afirma que al incrementar el caudal del agua de lavado se reduce la eficiencia extractiva.
I. INTRODUCCION
La quinua, considerada como el grano de oro de los incas, es un producto que en los últimos cinco años adquirió mucha importancia, no solo para la alimentación de los peruanos y países andinos, que es donde se la cultiva, sino para el mundo entero. Prestancia que ha ido ganando debido al gran valor nutricional que posee, especialmente en cuanto al contenido de lisina y otros aminoácidos deficitarios en los cereales de mayor consumo.
El conocimiento de estas bondades de la quinua por parte de la sociedad, ha incrementado la demanda de este grano en el mundo, sin embargo, también está generando problemas en la contaminación de las aguas, a partir de las actividades de desamargado que son utilizadas por los transformadores para la extracción de la saponina, y que sin más tratamiento es devuelto a los acuíferos y fuentes de este elemento, dañando el ecosistema existente.
Esta razón nos ha motivado a diseñar y construir el prototipo de un equipo para desaponificación de quinua, con el principio de recirculación de agua, con el propósito de reducir el consumo de esta sustancia, en comparación a los métodos tradicionales de lavado, y que a su vez, reduzca el trabajo de operadores y procesadores, en la intención de hacerlo menos costoso en términos de uso de mano de obra.
El objetivo general del trabajo de tesis fue: determinar el efecto del tiempo de lavado y el caudal de agua recirculada por bombeo, en la eliminación de saponina a niveles comerciales, de quinua variedad Amarillo Maranganí, en el equipo diseñado y construido, para tal fin.
Los objetivos específicos fueron:
• Diseñar y construir el sistema de lavado para desamargado de quinua.
• Determinar el tiempo de lavado, que permita la eliminación de la mayor proporción de saponina presente de quinua variedad Amarillo Maranganí.
• Determinar el caudal adecuado de agua recirculada por bombeo, que permita la eliminación de la mayor proporción de saponina de quinua variedad Amarillo Maranganí.
II. REVISION BIBLIOGRAFICA
2.1. Antecedentes del desamargado de quinua por vía húmeda
Cerrón (2014), concluye que el tiempo de lavado de 5 y 10 minutos no tiene un efecto tan diferente en la eliminación de saponina. Ambos tiempos de lavado tienen igual efecto en la desaponificación. En este caso Cerrón utilizó una etapa de remojo de 20 minutos, seguido de dos ciclos de lavado de 5 y 10 minutos y un enjuague final, habiendo eliminado el 81,34 % y el 76,21 % del contenido de saponina inicial respectivamente.
Mache (2015), en el lavado de la quinua previamente escarificada a velocidades de 1 002 RPM y 605 RPM con tiempos de 5 y 10 minutos determinó el mismo efecto en la remoción de saponina en ambas variedades, mientras la pérdida de proteína fue del orden del 2,28 %.
Zabaleta (1982), citado en Bacigalupo y Tapia (1990), realizó una serie de pruebas de desaponificado por vía seca y húmeda, a nivel de laboratorio y planta piloto, llegando a las siguientes conclusiones: tiempos prolongados de tratamiento con agua no mejoran el rendimiento de la extracción de saponina de quinua, por el contrario, incrementan la hidratación del grano, lo que dificulta o encarece el proceso de secado. El lavado es mejor en un ambiente turbulento y con tiempos cortos de exposición. Sin embargo, el número de Reynolds (número que relaciona la velocidad angular de rotación y el diámetro de la hélice del agitador con la densidad y viscosidad dinámica del fluido), debe quedar confinado a 50000, para ahorrar potencia instalada destinada a la agitación y evitar desplazamiento del grano de quinua respecto a la posición solvente. En todo caso, este número no debe excederse de 13 0000, para evitar ruptura del grano. Si el contenido de humedad del producto desaponificado no excede de 27%, el secado se puede hacer fácilmente con secadores solares o inclusive con exposición al ambiente. También llegó a la conclusión que el contenido porcentual de humedad de la quinua inmediatamente posterior a su tratamiento puede llegar al 27%. A estos niveles de hidratación, los secadores solares o
inclusive la exposición directa al ambiente pueden resultar suficientes como medios de secado, sin peligro de germinación precoz del grano de quinua.
En Perú se desarrollaron diferentes estudios sobre los tiempos óptimos de remojo y lavado de algunas variedades de quinua, así como las temperaturas más deseables. Encontraron en los trabajos de laboratorio que el tiempo óptimo de remojo era de 10 minutos y que era aconsejable un primer lavado de 15 minutos y un segundo lavado de 5 a 10 minutos para obtener una mejor extracción de saponina.
La influencia de la velocidad de agitación incide en el lavado, a 800 rpm la desaponificación es bastante aceptable, pero la quinua tiene mayor absorción de agua y también hay más impurezas, especialmente residuos de perigonios que por falta de turbulencia no se ven forzados a salir durante el proceso (Soria, Marcial y Peñaloza, 1990).
En la desaponificación por vía húmeda, el lavado de los granos de quinua en máquinas tipo lavadora, se basa en principios físicos de agitación y turbulencia. La relación volumétrica agua (L), granos de quinua (kg), tiempo de remojo, duración de agitación o turbulencia y temperatura de agua, son factores determinantes para una escarificación y desaponificado satisfactoria, sin embargo, la formación de espuma y elevado costo de secado del grano son factores limitantes (Mujica y Ortiz, 2006).
Borda y Gamarra (2003), por la vía húmeda en un tiempo de 15 minutos con una relación de 3:1 (agua-quinua) lograron obtener un producto con un contenido de saponina residual de 0,009%. Este valor se encuentra por debajo del límite de detección del sabor amargo, lo cual es apto para el consumo humano, los tiempos prolongados de extracción mayores de 15 minutos con agua no mejoraron sustancialmente el rendimiento de extracción de saponina.
Salas (2001), reporta la desaponificación por vía húmeda en una actividad industrial del Perú, donde utiliza un tanque lavador provisto de agitación mecánica continua y de una camisa de calefacción por vapor de baja
presión. La extracción se inicia por un remojado del grano en agua tibia, seguido de un lavado turbulento con agitación mecánica, la descarga se realiza por el fondo separándose posteriormente el grano lavado de la solución acuosa.
IICA (2011), reporta formas agroindustriales para la desaponificación de la quinua, donde los granos de quinua son sometidos a un proceso de lavados sucesivos con agua turbulenta, usando licuadoras industriales, los resultados de la desaponificacion son satisfactorios, también para variedades muy amargas. En este proceso la mayor parte de la desaponificacion se debe a un efecto mecánico abrasivo del agua agitando a alta velocidad sobre el grano. En menor proporción se debe a la difusión de la saponina, que sigue el gradiente de concentración desde el grano hacia el agua. En cuanto a la temperatura del lavado: más caliente el agua del lavado, más eficiente es la desaponificacion. No obstante no se debe calentar el agua más que 57° C, porque a partir de esta temperatura comienza la gelatinización del almidón de la quinua. Respecto a la duración del lavado, se acondiciona la quinua remojándola por 30 minutos a temperatura ambiente con el fin de facilitar la desaponificación, pues al contacto con el agua los cristales de saponina se disuelven, eliminándose posteriormente en el lavado. Más baja la temperatura del agua, más amarga la quinua, requiere más tiempo el lavado, se recomiendan lavados de 20 a 40 minutos.
Soto (2010), indica que el valor máximo de concentración de saponina estipulado en la norma técnica boliviana y de la Comunidad Andina de Países, que ya no es perceptible por los sentidos humanos es de 0,12 %.
2.2. Quinua
La quinua (Chenopodium quinoa Willd) es una especie que se cultiva principalmente para la producción de grano que se consume en forma similar al arroz o transformado en harinas en forma similar al trigo. La quinua también es conocida como grano de los incas, pues en la época
precolombina, se constituyó en la principal fuente alimenticia del reino incaico, hoy en día, la quenopodiácea más conocida en el mundo entero, por sus propiedades nutricionales que tiene, pero este fenómeno es bastante reciente, puesto que diez años atrás, cuando no existía mucha información al respecto, la cual era casi para el consumo propio por los campesinos de la región, con una mínima porción de comercialización en mercados reducidos (Mujica, 1993).
2.2.1. Descripción del grano de quinua
Los granos de quinua tienen formas diferentes: cónicos, cilíndricos, elipsoidales, tamaños por debajo de 2,6 mm de diámetro y pueden ser de diferente color: blanco, amarillo, rosado, café negro (Miranda R., 2010). En este pseudocereal se puede identificar el endosperma (cotiledones y radícula), el perisperma (granos de almidón) y el episperma (capas externas que recubren la semilla).
El fruto de la quinua es un aquenio, el perigonio cubre una sola semilla y se desprende con facilidad al frotarlo. A su vez, la semilla está envuelta por un episperma casi adherido.
El epispermo ha sido estudiado por Villacorta y Talavera (1976) quienes describen la presencia de cuatro capas:
Una capa externa que determina el color de la semilla y que es de superficie rugosa, quebradiza y seca que se desprende fácilmente con el vapor. 2. El color de la segunda capa difiere de la primera y se observa solo cuando la primera capa es translucida. 3. La tercera capa es una membrana delgada, opaca, de color amarillo. 4. La cuarta capa es translucida y está formada por una sola hilera de células que cubre el embrión.
Quiroga y Escalera (2010). Evaluaron con ayuda de un microscopio de alta resolución Scannin Electron Microscope – SEM, muestras de quinua donde observaron como el episperma recubre el grano de quinua. En granos sin procesar el espesor del episperma varía desde 20 µm en la parte central
de las caras hasta más de 100 µm en los extremos, cerca al embrión. La capa más externa del episperma es la de mayor espesor, esta capa puede fragmentarse ligeramente durante el proceso de manipulación de la materia prima, su remoción es efectiva solo a través de procesos físicos o químicos.
Figura 1: Descripción anatómica del grano de quinua
Fuente: Varriano y De Francisco (1984)
2.2.2. Variedades de quinua
Esta planta presenta una gran variabilidad y diversidad de formas. Se pueden clasificar sus variedades o ecotipos en cinco categorías básicas.
Cuadro 1: Variedades y ecotipos de quinua
Variedad o ecotipos
Altitud msnm
Color del grano
Sabor Periodo vegetativo
Blanca Junín 1500-3500 Blanco Dulce 160-180
Rosada Junín 2300-3500 Blanco Dulce 160-180
Nariño Amarillo 800-2500 Blanco Dulce 180-200
Maranganí 800-3500 Amarillo Amarga 60-180
Quillabamba INIA 800-3500 Blanco Semidulce 160-180
Tahuaco I 1500-3900 Blanco Semidulce 150
Rodada Cusco 800-3500 Blanco Semidulce 160-180
Real 500-4000 Blanco Semidulce 110-130
Hualhuas 1500-3500 Blanco Semidulce ---
Fuente: Ministerio de Agricultura del Perú, 2008
Según su adaptación a las características geográficas, quinuas del valle, quinuas del altiplano, quinuas de terrenos salinos, quinuas del nivel del mar y quinuas subtropicales, que son las principales variedades que se cultivan en el Perú, tal como se muestran en el cuadro 1, entre ellas la variedad Amarilla Maranganí, que es cultivada principalmente en el Cusco y el Valle del Mantaro.
2.2.3. Variedad Amarillo Maranganí
Según León (2003), la quinua variedad Amarilla Maranganí o cica 17 del Cusco, fue obtenido por selección masal en la zona de Sicuani (Cusco), los granos son de color amarillo, con alto contenido de saponina, panoja tipo amarantiforme, con rendimiento de 3 500 Kg./ha, tiene un periodo vegetativo de 210 días y es resistente al ataque de mildiu.
Mujica (2015), manifiesta que la quinua Amarilla de Marangani es originaria de Maranganí, Cusco, seleccionada en Andenes (INIA) y Kayra (CICA- UNSAC), planta erecta poco ramificada, de 180 cm de altura, con abundante follaje, de tallo grueso, planta de color verde oscuro característico, a la madurez la planta es completamente anaranjada, periodo vegetativo tardío de 160-180 días, panoja glomerulada, grano grande de color anaranjado (2,5 mm), con alto contenido de saponina, resistente al mildiu (Peronospora farinosa) y de alto potencial de rendimiento que supera los 6 000 kg/ha, susceptible al ataque de Q´hona- q´hona y a las heladas. Tapia (2013), afirma que la variedad amarilla Maranganí fue adaptada a zonas interandinas de sierra Centro y Sur, grano de tamaño variable con alto contenido de saponina, periodo de vegetación de 180 días.
Apaza (2013), indica que el aspecto del grano de quinua de la variedad Amarillo Maranganí es opaco, el color del perigonio es amarillo, el color del pericarpio amarillo, sin embargo el color del episperma es blanco, el color del perisperma es blanco, la forma del borde del grano es afilado, la forma del grano es cilíndrico, el color del grano es uniforme, el diámetro del grano
en promedio es de 2,0 mm; el rendimiento de semilla por planta es de 85 a 97 g; el peso de 1000 granos es de 2,7 a 3,10 g. El rendimiento en grano es de 3,5 TON/ha, el color de la panoja en floración es anaranjado, la longitud de la panoja es de 40 a 65 cm, con diámetro de 10 a 13 cm.
Figura 2: Fotografía de quinua variedad Amarillo Maranganí
Fuente: Tapia et al. (2013)
2.2.4. Composición químico proximal de la quinua
En comparación con los granos de otros cereales, el contenido de proteína total de los granos de quinua es en promedio 16,3% en base seca, mucho mayor al de la cebada (11% bs), arroz (7,5% bs), o de maíz (13,4% bs), y comparable al del trigo (15,4% bs) (Abugoch, Romero, Tapia, Silva y Rivera, 2008). En cuanto al contenido de carbohidratos el promedio se encuentra entre 73,6 a 74 % en base seca, menor a la cebada (77,7 % bs) y al del arroz (79,2 % bs) (Abugoch, 2009). El contenido de grasa es en promedio 7% en base seca, más alto que el maíz (4,9% bs) e inferior a la soja (20,9 % bs) (Kosiol, 1993).
Gonzales (2005), en base a la tabla de alimentos Chilenos 1992 reporta para la quinua, una humedad de 9,8 %; proteínas 13,0 %; lípidos 7,4 %, fibra cruda 2,7 %; cenizas 3,0 % y carbohidratos 64,1 %. Como resultado del trabajo de tesis informa el contenido de humedad entre 11,30 a 12,17
%. El contenido de materia grasa de 6,10 a 6,83 % en base seca para la variedad Paredones.
Callisaya (2009), indica que las chenopodaceas tienen relativamente un contenido alto en proteínas 15,5 % quinua y 15,3 % cañihua y un contenido excepcional de aminoácidos. Repo Carrasco, Espinoza y Jacobsen (2003) reportan el contenido de proteína de 12,8 % para la quinua, menor al de la kañihua (15,7 %), kiwicha (13,4 %) y trigo (14,0 %), pero mayor que la del arroz (9,5 %). Además mencionan que en la quinua, el contenido de carbohidratos es 58,1 a 64,2 %. Afirman haber extraído aceite de quinua y kañihua con rendimientos del 4,6 % y 6,4 % respectivamente.
Cervilla (2012) reporta un contenido de proteína del 16,58 al 16,76 % de proteína para harina integral de quinua. Del 9,57 al 9,64 % de lípidos; entre 2,11 a 2,13 % de cenizas, humedad de 11,73 al 11,86 % e hidratos de carbono en el orden de 71,91 a 72,30 %, promedios resultantes del análisis de quinua correspondiente a la cosecha 2007 y 2008.
Egas (2010), indica que el contenido de macronutrientes de la quinua nativa variedad Tunkahuan es: humedad entre 12 y 13 %; fibra cruda 6,22
%; proteína 15,73 %; cenizas 2,51 %; no reporta contenido de lípidos ni de carbohidratos. En La Serena Chile, Lara (2010), determinó el siguiente contenido para quinua: humedad 13,42 ± 0,30 %; proteína (N x 6,25) 12,46
± 0,22 %; lípidos 8,47 ± 0,96 %; cenizas 3,71 ± 0,08 %; fibra 1,92 ± 0,15
%.
Las tablas peruanas de composición de alimentos, Reyes (2009) muestra el siguiente contenido proximal para quinua: humedad 11,5 %; proteína 13,6 %; grasa total 5,8 %; fibra 5,9 %; cenizas 2,5 % y carbohidratos 60,7
% (proteína 15,4 % bs; grasa total 6,5 %; fibra 6,6 %; cenizas 2,8 % y carbohidratos 68,6 %.
2.2.5. Densidad aparente de la quinua
Cervilla (2012), da cuenta que la densidad aparente de quinua cosechada en la provincia de Salta, Argentina en el rango de 0,65 a 0,72 g/mL, dependiendo de la humedad de los granos que está en el rango de 8,85 a 11,45 % respectivamente. La densidad real oscila entre 1,16 a 1,27 g/mL.
Mientras Egas (2010), reporta una densidad aparente de 743 kg/m3 y una densidad real de 1756 kg/m3, con espacios de aire de 0,55 % para la variedad Tunkahuan, enfatizando que los valores de densidad aparente dependen de la humedad y de la morfología del grano.
Las propiedades físicas de los granos de quinua (Chenopodium quinoa Willd) dependen del contenido de humedad. En el rango de humedad de 4,6-25,8%, la masa de 1 000 semillas aumentó de 2,5 a 3,1 g, la esfericidad de 0,77-0,80; la densidad de 928 a 1 188 kg/m3, la porosidad de 0,19-0,44 y la densidad aparente se mostró en el rango de 747 a 667 kg/m3 (Vilche, 2003).
En caso del amaranto, cuando el contenido de humedad cambia de 7,7 a 43,9%, la densidad real de las semillas disminuyó de 1 390 a 1 320 kg/m3, mientras la densidad aparente de 840 a 720 kg/m3, y la porosidad varía de 0,40 a 0,45 (Abalone, 2004). Para la chia la densidad aparente está en el rango de 0,667 a 0,722 g/cm3, la densidad real de 0,931 a 1,075 g/cm3 y la porosidad entre 22,9 a 35,9% (Ixtaina, 2008).
2.2.6. Densidad real de la quinua
Vilche (2003), reporta una densidad real para quinua que va de 928 a 1 188 kg/m3, que depende de la humedad que los granos poseen es así que la densidad es de 928 kg/m3 para 4,6 %; 958 kg/m3 para 9,8 %; 1 065 kg/m3 para 15 %; 111 kg/m3 para 19,2 % y 1 188 kg/m3 para 25,8 %.
Abalone (2004), evaluó varias propiedades físicas de las semillas de amaranto (Amaranthus cruentus) en función del contenido de humedad.
Cuando el contenido de humedad cambió de 7,7 a 43,9 %, la densidad verdadera disminuyó de 1 390 a 1 320 kg/m3. La densidad aparente de 840 a 720 kg/m3. La porosidad varió de 0,40 a 0,45.
Ixtaina (2008), reporta una densidad real de 0,931 a 1,075 g/cm3 para la chía, que como característica posee granos de diámetro bastante pequeño de 2,32 a 1,39 mm, bastante menores al de la quinua en general.
2.2.7. Saponina en quinua
Las saponinas son glicósidos en los cuales varias unidades de monosacáridos se enlazan mediante un enlace glicosídico a un resto denominado aglicón o sapogenina (naturaleza triterpénica de cadenas de azúcar). Las saponinas monodesmosidicas tienen una cadena de azúcar simple, normalmente localizada en el C-3. Son cuatro los aglicones que han sido identificados en las saponinas de quinua: ácido oleonólico, ácido fitolaccagennico, hederagenina, ácido serjanico – espergulagénico (Ahamed, Singhal, Kulkami y Pal, 1998; Madl, Sterk y Mittelbach, 2006;
Kuljanabhagavad y Wink, 2009).
Se han podido identificar dos tipos principales de saponinas: Saponina A (β-D-glupiranosil-[β-D- glucopiranosil - (1 - 3) -α - L-arabino - piranosil - ( 1 - 3 ) ] - 3-β-23-dihidroxil -12-eno - 28-oato-metil ester) y la saponina B (β-D- glupiranosil-[β-D-glucopiranosil - (1-3) – α – L – arabino – piranosil - (1-3)]
– 3 – β – 23 -dihidroxilolcan-12-eno -28-oato) de gran valor comercial como detergentes, humectantes, emulsificantes y espumantes.(Ahamed et al.
1998; Ruales, 1992).
Figura 3. Estructuras moleculares de las principales saponinas de la quinua (A) saponina A y (B) saponina B. R1= glucosa-arabinosa, R2=
glucosa, R3= OH y R4= COOCH3 (Ruales, 1992).
2.2.8. Métodos de extracción de saponina:
a. Vía húmeda
Entre los procesos húmedos, destacan los resultados obtenidos en el Proyecto Huarina donde, Reggiardo y Rodríguez (1983), citados por Bacigalupo y Tapia (1990) desarrollaron un sistema de tres etapas de lavado, a escala piloto: remojo, agitación turbulenta y enjuague, seguido de un proceso de secado en un túnel de aire caliente, obteniendo granos de buena calidad y aceptación en los mercados bolivianos.
La experiencia acumulada en el tratamiento de las diversas variedades de quinua ha permitido determinar los parámetros de procesamiento por vía húmeda que son más apropiados para cada una de las variedades (cuadro 2).
Sin embargo el proceso tradicional de desaponificación, por vía húmeda, demanda grandes cantidades de agua (5-14 m3/TM de quinua procesada) y energía (>113 kWh/TM de quinua procesada, especialmente en el secado), generando volúmenes considerables de efluentes contaminados
con saponina que descargan sin tratamiento alguno al medio ambiente, contraviniendo así con la ley del medio ambiente y sus reglamentos (Escalera, Quiroga y Arteaga, 2010).
Cuadro 2: Proceso de desamargado vía húmeda de diversas variedades de quinua
Variedades Remojo (min)
Agitado (min)
Enjuague (min)
Escurrido (min)
Secado (horas)
Sajama 5 5 5 15 4-5
Real 8 15 7 15 4-5
Criolla 7 15 8 15 4-5
Fuente: Reggiardo y Rodríguez (1983) mencionado por Bacigalupo y Tapia (1990)
2.3. La extracción como operación unitaria con uso de solventes
Fellows (2009), indica que la extracción es una operación unitaria que implica la separación de componentes específicos de alimentos usando un solvente.
Una vez que se ha eliminado el solvente de los alimentos extraídos, algunos pueden usarse directamente (por ejemplo, aceites de cocina) o pueden procesarse adicionalmente por concentración y/o deshidratación. Muchas operaciones de extracción tienen lugar cerca de la temperatura ambiente, pero incluso cuando se usan temperaturas elevadas para aumentar la tasa de extracción, hay poco daño causado por el calor y la calidad del producto no se ve afectada significativamente. Los principales tipos de solventes utilizados para la extracción son agua, disolventes orgánicos o dióxido de carbono supercrítico.
La extracción sólida - líquido implica la eliminación de un componente deseado o indeseado (el soluto) de un alimento usando un líquido (el disolvente) que es capaz de disolver al soluto. Esto implica mezclar el alimento y el disolvente, ya sea en una sola etapa o en múltiples etapas,
manteniendo durante un tiempo predeterminado y luego separando el disolvente. Durante el período de retención hay una transferencia de masa de solutos del material alimenticio al disolvente, que ocurre en tres etapas:
(1) el disolvente ingresa a la partícula de alimento y disuelve al soluto; (2) la solución se mueve a través de la partícula de alimento hasta su superficie; y (3) la solución se dispersa en la mayor parte del disolvente. Durante la extracción, el tiempo de retención debe ser suficiente para que el solvente disuelva suficiente soluto, y esto depende de lo siguiente:
• La solubilidad de un determinado soluto en el disolvente seleccionado.
• La temperatura de extracción. Las temperaturas más altas aumentan tanto la velocidad a la que los solutos se disuelven en el disolvente y la velocidad de difusión en el volumen del disolvente. La temperatura de la mayoría de las operaciones de extracción está limitada a menos de 100°
C por razones económicas; por extracción de componentes indeseables a temperaturas más altas; o por daños por calor a los componentes de los alimentos.
• El área superficial de sólidos expuestos al solvente. La tasa de transferencia de masa es directamente proporcional al área superficial, por lo que las reducciones en el tamaño de las partículas (dando un aumento en área superficial) aumenta la tasa de extracción hasta ciertos límites.
• La viscosidad del solvente. Esto debería ser lo suficientemente bajo como para permitir que el solvente Penetre fácilmente en el lecho de partículas sólidas.
• Caudal del disolvente. Los mayores caudales reducen la capa límite de concentrado Soluto en la superficie de las partículas y así aumenta la velocidad de extracción.
Fellows (2009), también sostiene que La transferencia de materia es un aspecto importante de una gran cantidad de operaciones, especialmente en extracción con disolvente, el principio fundamental de la ley de balance de
masa dice que "la masa de material que ingresa a un proceso es igual a la masa de material que sale". Para el caso de extracción este es:
Masasoluto en sólido = Masasoluto remanente en sólido + Masasoluto en solvente + Pérdidas.
Earle (1992), manifiesta que los productos biológicos que se utilizan como materia prima suelen ser mezclas que, para convertirse en alimentos requieren a veces la separación de algunos de sus componentes. Una forma de conseguir esta separación consiste en introducir en el sistema una nueva fase, dejando luego que los componentes de la materia de partida se distribuyan entre las distintas fases.
La separación máxima se logra cuando se ha alcanzado el equilibrio de los componentes, que se distribuyen entre las fases de acuerdo con sus coeficientes de partición y que dan lugar finalmente a las concentraciones relativas de cada fase una vez alcanzado el equilibrio, las dos fases se pueden separar luego por métodos físicos sencillos. Un ejemplo lo constituye la extracción de aceite de semilla de soya. Las dos relaciones cuantitativas más importantes para el análisis de estos procesos, son las condiciones de equilibrio que determinan cómo se distribuyen los componentes entre las distintas fases y los balances de materia, que permiten el seguimiento de los componentes etapa por etapa. Los sólidos pueden disolverse en líquidos en una proporción determinada por la solubilidad del primero en el segundo. La solubilidad depende de la temperatura, a mayor temperatura, mayor solubilidad.
Earle (1992), continúa afirmando que, la solución en la que se alcanza el equilibrio final entre el soluto y el solvente se denomina solución saturada, indicando que no puede disolverse más soluto en la solución a esa temperatura en particular. En cambio una solución insaturada es aquella en la que se puede disolver más sólido en el solvente, ya que no se ha llegado al equilibrio. Si se caliente una solución saturada la solución puede aceptar más sólido ya que pasa a ser insaturada.
2.4. El proceso del diseño mecánico
Según Ma San (2013), el proceso de diseño sigue los siguientes pasos: 1.
Definir el problema que nace de una necesidad. 2. Desarrollar la forma o esquema para resolver la necesidad y elegir uno para analizarlo (factibilidad).
3. Diseño preliminar de la máquina, estructura, sistema o proceso seleccionado; permitiendo establecer las características globales y las específicas de cada componente. 4. Realizar el análisis de todos y cada uno de los componentes y preparar los dibujos necesarios con sus respectivas especificaciones.
Para Rondón (2016), el diseño de la ingeniería mecánica consiste en: I.
Reconocer las necesidades creadas por la sociedad; II. Crear un pre diseño, consistente en establecer las ideas a través de la observación, la percepción, la reproducción, la síntesis, el análisis, etc., para el punto I. Aquí se debe proceder de la manera simple y explícita posible; III. Preparar un modelo materializado, este medio evalúa la cualidad de la idea creada para cumplir los requisitos de satisfacción de las necesidades, materializando el concepto estructurado del prototipo o maqueta, de su comportamiento funcional, sus ventajas adquiridas y desventajas; IV. Probar y evaluar el modelo, esta consiste en diagnosticar la funcionalidad del modelo a través de simulación, pruebas en vacío y ensayos de medición y experimentales en laboratorios y con cargas en los bancos de pruebas y talleres. Estos pasos comparan los resultados de las representaciones con la realidad y los ajustes, que se deben hacer con los cálculos matemáticos y los ensayos; V. Mejorar el diseño, este consiste en la retroalimentación del diseño a través del proceso de iteración para efectuar las mejoras y ajuste del paso II. La característica de este paso es la distinción de diseño de la ingeniería de máquinas respecto a otros diseños de la ingeniería u otras disciplinas para la solución técnica de necesidades y problemas sociales; VI. Publicar y comunicar el diseño, este paso trata de informar los resultados de este proceso existencial y creativo del diseño.
El diseño puede ser simple o enormemente complejo, fácil o difícil, matemático o no matemático, y puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia. El diseño de ingeniería es definido como el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el objeto de determinar un dispositivo, un proceso o un sistema con detalles suficientes que permitan su realización (Ma San, 2013).
El diseño de máquinas considera, entre muchas otras cosas, el dimensionamiento apropiado de un elemento de máquina para que éste soporte con seguridad la flexión, torsión, carga axiales y transversales. Los materiales dúctiles (aceros blandos) son débiles al esfuerzo cortante y se diseñan en base al esfuerzo cortante máximo (Ma San, 2013).
El diseño en ingeniería es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para satisfacer ciertas necesidades (Mathews, 2016). El diseño en ingeniería, es la creación de los planos necesarios para que las máquinas, las estructuras, los sistemas o los procesos desarrollen las funciones deseadas (Hall, 1974). En general una máquina, se compone de una combinación de varios elementos mecánicos diferentes, adecuadamente dispuestos para trabajar conjuntamente como un todo (Spotts, 1976).
Budenaz (2011), manifiesta que el proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad, que quizá sólo sea una vaga inconformidad, a menudo no del todo evidente. El paso siguiente es la identificación del problema y su correspondiente definición que es más específica y debe incluir todas las especificaciones del objeto que va a diseñarse. Luego es necesario abordar la síntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistema. Éste es el primer y más importante paso en la tarea de la síntesis. Varios esquemas de solución deben proponerse, investigarse y cuantificarse en términos de medidas establecidas. Luego es vital el análisis y la optimización que están relacionados en forma íntima e iterativa. Esta fase requiere que se construyan o desarrollen modelos abstractos del sistema que admitirá alguna forma de análisis matemático. La evaluación subsiguiente es una fase significativa del proceso de diseño total. La
evaluación representa la prueba final de un diseño exitoso y, por lo general, implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Aquí se desea descubrir si el diseño en verdad satisface las necesidades. Finalmente la presentación y comunicación de los resultados a otros es el paso final y vital del proceso de diseño.
Para Norton (2011), el diseño de ingeniería se define como el proceso de aplicar las diversas técnicas y principios científicos con el propósito de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficientes detalles que permitan su realización. El proyecto de una máquina consiste en la determinación previa de su constitución estructural, material, dimensional y formal realizada teniendo presente los resultados cualitativos y cuantitativos, físicos y económico que se quieran obtener y los medios disponibles para su fabricación, sin dejar a un lado el volumen de producción (Tedeschi, 1979).
Diseño son las pautas de acción para ver una fotografía de algo que está en el futuro con una intencionalidad de materializarlo a través de una toma de decisiones basada en el universo de la información (experiencia, documentación, investigación) para lograr un sistema de obra en interacción por profesionales de la ingeniería moderna (Rondón, 2002).
2.4.1. Especificaciones para la construcción de equipos
FESTO (2013), menciona que la aplicación de los contenidos de la normas ISO 14159 es esencial para el diseño higiénico de máquinas y componentes. Tienen en cuenta los elementos de diseño fundamentales que pueden emplearse para la construcción de equipos. Un acabado de alta calidad de las superficies de los componentes que están en contacto con los productos se hace imprescindible para evitar cualquier impureza microbiana.
Según la norma ISO 468 (1982), las zonas de contacto con alimentos deben tener un valor de rugosidad media Ra ≤ 0,8 μm, esto garantiza que los microorganismos y esporas de un tamaño entre 1 μm y 10 μm pueden desprenderse de la superficie a una velocidad de circulación del detergente
de 2 m/s (cuadro 3). En la zona de salpicaduras se utilizan con frecuencia componentes con un valor de rugosidad de ≤ 3,2 μm. Además, gracias a una superficie lisa cuentan con una mayor resistencia a la corrosión. Las superficies lisas se consiguen, por ejemplo, mediante el rectificado, el bruñido o el pulido electrolítico.
Los envases de productos, las salas y líneas de producción deben contar con una autodescarga para líquidos. Las líneas de producción deben instalarse con una caída de al menos 3° hacia el punto de recogida. En cualquier caso, deben evitarse tuberías horizontales dobladas y zonas de acumulación de condensados. En caso de que no sea posible llevar a cabo estos requisitos, sí deben darse las condiciones para un fácil desmontaje.
En tuberías, los radios extremadamente pequeños y las esquinas representan siempre un riesgo para la higiene. Como en este caso las velocidades de circulación de los detergentes y desinfectantes son demasiado bajas, no se puede conseguir el efecto de limpieza deseado (figura 4). El radio mínimo especificado es de 3 mm (FESTO, 2013).
Cuadro 3: Rugosidades superficiales de acuerdo con ISO 468:1982
Rugosidades supeficiais de acordó com ISO R 468, DIN 4769 e VSM 10321 CLA
(uinch)
Ra (µm)
Rz (µm)
Rt (µm)
Usinado Machining Beardbeitet
N1 1 0,025 22–0,30 0,24–0,40
N2 2 0,050 0,45–0,60
N3 4 0,1 0,8–1,1 0,85–1,45
N4 8 0,2 1,0–1,8 1,10–2,40
N5 16 0,4 1,6–2,8 1,75–3,60
N6 32 0,8 3,2–6,0 3,2–6,0
Fundido de precisao
N7 63 1,6 5,9–8,0
N8 125 3,2 12–15 13,0–19,5
N9 250 6,3 23–32 25–38
Fuente: ISO 468:1982
Figura 4: Radio adecuado para codos de acero inoxidable Fuente: FESTO (2013)
De acuerdo a lo exigido por ISO 14159 (2002), las superficies de los materiales y recubrimientos serán duraderos, fácil de limpiar y, si es necesario, capaz de ser desinfectada, sin roturas, resistente a las grietas, astillado, descascarado, erosión, corrosión y abrasión, además debe evitar la penetración de materia no deseada en condiciones de uso previsto.
Sugiere el uso de acero inoxidable de un tipo apropiado para la aplicación;
u otros metales, con piezas desmontables si las superficies son difíciles de limpiar por lavado en el lugar (clean in place). Las superficies deben estar libres de imperfecciones tales como poros, pliegues, grietas y hendiduras.
La maquinaria debe estar diseñada para evitar que los microorganismos migren desde el entorno externo sobre las superficies de contacto del producto, ya sea directamente o a través del suelo. Las superficies de las máquinas destinadas para drenar deben ser de autodescarga o drenables, a excepción de humectación normal (figura 5). Las uniones desmontables deberán estar a ras e higiénicamente sellados en la superficie de contacto con el producto. La instalación de maquinaria y equipo asociado debe hacerse de manera se tenga acceso adecuado para el mantenimiento y la limpieza y se asegure que los equipos eléctricos no sufran goteo de fluidos (agua), que pueden constituirse en factores que pueden conducir a la contaminación.
Figura 5: Diseño de tanques de fácil drenaje Fuente: ISO 14159: 2002
2.4.2. Acero inoxidable
El acero inoxidable se caracteriza por el alto nivel de resistencia a la corrosión ofrecida por las aleaciones en este grupo. Para ser clasificado como un acero inoxidable, la aleación debe tener un contenido de cromo de al menos 10%. La mayoría tienen un 12% a 18% de cromo. Los aceros inoxidables austeníticos caen en la serie AISI 200 y 300, son aleaciones no magnéticas y se utilizan ampliamente para fabricar máquinas para alimentos (Mott, 2004).
Para López (1990), prácticamente todas las características ideales que han de presentar los materiales de construcción de los equipos de proceso son ofrecidas por el acero inoxidable. Siendo el acero inoxidable AISI 304 el más usual, que es más resistente a la corrosión que el AISI 302, pero menos que el AISI 316, que ofrece las mejores características de
Riego de higiene rick
Aceptable
b. Diseño no drenable a. Diseño drenable
resistencia a la corrosión frente a la mayoría de agentes químicos de todos los aceros inoxidables. Las hojas de acero inoxidable pueden presentar distintos niveles de acabado o pulido de superficies, según el uso que se vaya a hacer de las mismas. Según el American Iron and Steel Institute se distingue entre acabados pulidos y no pulidos. El acabado No 4 es el que se utiliza normalmente en equipos de la industria láctea y en la industria agroalimentaria en general. Se consigue con abrasivos de 120 a 150 mesh y permite una fácil limpieza y un nivel adecuado de higiene.
2.4.3. Diseño higiénico de tuberías
López (1990), indica que para el diseño de tuberías sea higiénico, las superficies interiores de las tuberías han de encontrar continuidad en las uniones entre las mismas, es decir, la unión de tuberías serán soldadas o del tipo unión rápido sanitario. La unión rápido sanitario entre tuberías es más conveniente porque provee un nivel de higiene adecuado. En este caso es común utilizar las abrazaderas Clamp de cierre rápido de acero inoxidable.
2.4.4. Soldadura
Norton (2011), sugiere que se obtendrán mejores soldaduras si la junta se prepara adecuadamente para permitir que el calor y el metal soldado alcancen todas las porciones del área de la junta y las fusionen. A menos que las secciones sean delgadas, se debería preparar la junta soldada quitando metal de uno o ambos lados de la junta. Se recomiendan varios perfiles de juntas, U, J y V (figura 6). ISO 14159:2002, sugiere que la soldadura de acero inoxidable sea a tope y de forma continua (aceptable) tal como se muestra en la figura 7, de manera que se elimine los riesgos de higiene.
Figura 6: Perfiles de juntas de soldadura en U, V, J.
Fuente: Norton (2011)
Figura 7: Uniones soldadas Fuente: ISO 14159: 2002
2.5. Antecedentes del diseño y construcción de equipos para desaponificado de quinua
Soria, Marcial y Peñaloza (1990), como parte del diseño de un desaponificador de quinua por agitación y turbulencia adaptaron en Ecuador una licuadora industrial con capacidad de 20 L, para ser utilizado en el desamargado de quinua. El sistema de cuchillas fue reemplazado por cuatro aspas de fibra de vidrio para realizar la agitación, colocaron dos bafles en el vaso para romper el efecto vórtice a la mezcla agua-quinua. En la base del vaso practicaron un orificio controlado por válvula, para la salida de la quinua lavada y los restos de agua de lavado. A 10 cm del borde superior del vaso colocaron un tamiz, y justo encima del tamiz practicaron un orificio para la salida de saponina y agua controlado por válvula (espuma de saponina). A una distancia de 2,0 cm debajo de la posición del tamiz practicaron un orificio para la alimentación constante de agua nueva también controlado por válvula (como reposición de aquella que sale junto con la espuma de saponina). Debajo de la posición del tamiz también practicaron un orificio controlado por válvula para la eliminación del perigonio flotante. El equipo tenía un motor de 1,5 HP, que giraba a una velocidad de 3 450 RPM. Posteriormente, al mismo equipo descrito arriba, hicieron adaptaciones, equipándolo de un motor de dos velocidades 470 y 800 RPM. Las pruebas de funcionamiento demostraron que la eficiencia de lavado no era buena con velocidades menores de 800 RPM.
Zuñiga (2013), en el informe construcción de equipo piloto para lavado de quinua, dirigido a Fincyt, da cuenta de la construcción del equipo para lavado de quinua por agitación y turbulencia. El equipo fue construido totalmente en acero inoxidable, contando con las siguientes partes: tanque de lavado de 0,510 m3, pluma de agitación (eje del agitador) de 1,09 m de largo, diámetro del agitador 0,18 m, un motor de 3,0 HP (2,2 kW), con velocidad de giro de 1 730 RPM, en el eje de motor se encuentra instalado una polea de 3,5 pulgadas de diámetro, mientras que en el eje del agitador se encuentra instalado una polea de 16 pulgadas de diámetro. La parte inferior del tanque de lavado termina en un cono de 0,49 m de altura, que
confluye en un orificio principal donde va un soldado un tubo de acero inoxidable de 2 pulgadas de diámetro, el mismo tiene un terminal roscado donde va instalado la válvula de control que permite evacuar el agua de lavado y la quinua lavada. Tanto las poleas y la faja de transmisión se encuentran protegidas por una estructura de acero inoxidable desmontable.
Los resultados de las pruebas de operatividad con este equipo fueron:
velocidad de giro del agitador del lavador de quinua es de 378 RPM, capacidad de producción de 60 kg/carga, cantidad de agua utilizada para el lavado de quinua guarda una proporción de 1 parte de quinua por tres partes de agua, la cantidad de saponina eliminada en la operación de lavado en un tiempo de 10 minutos, fue del 90% del contenido de saponina inicial.
III. MATERIALES Y METODOS
3.1. Lugar de ejecución
El trabajo de investigación se realizó en la Universidad Nacional del Centro del Perú. En los laboratorios de Ingeniería de Alimentos de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias, y en la planta de Industria Mecánica de Persona Natural José Luis Ñavincopa Juño, ubicado en Pasaje Los Geranios Mz “E” lote 10, distrito de Chilca, Provincia de Huancayo.
3.2. Materia prima e insumos
La materia prima utilizada en el proceso experimental para la prueba de funcionamiento de la máquina construida fue el grano de quinua (Chenopodium quinoa Willd) de la Variedad Amarilla Maranganí, adquirida en la Estación Experimental Los Andenes – Cusco, del Instituto Nacional de Investigación Agraria – INIA.
3.3. Equipos, materiales y reactivos 3.3.1. Equipos
▪ Equipo desaponificador de quinua a ser diseñado y construido, equipado con bomba centrífuga de agua, de 0,5 HP de potencia, motor monofásico de 220 V y 60 Hz., con velocidad de giro de 3 450 RPM y variador de velocidad de 0,5 a 1,5 HP de potencia.
▪ Equipos mecánicos propios para la fabricación de máquinas (cortadoras, roladoras, soldadoras, amoladoras, etc.)
▪ Secador de cabina, de fabricación nacional, construido en acero inoxidable, equipado con 10 bandejas, control de peso, control de temperatura de aire de secado desde temperatura atmosférica a 60º C, y control de velocidad de aire desde 0 m/s hasta 4,0 m/s, desde panel de control principal.
▪ Balanza de 10 kg de capacidad con 1,0 g de precisión.
▪ Balanza analítica, con 0,01 g de precisión.
▪ Balanza analítica, Sartorius, con 0,0001 g de precisión
▪ Cronómetro
3.3.2. Materiales
▪ Planchas de acero inoxidable AISI 304 de 1/20 pulgadas espesor.
▪ Tubos de acero inoxidable de 0,75; 1,0; y 1,5 pulgadas de diámetro.
▪ Uniones tipo Clamp de 1,5 pulgadas de diámetro.
▪ Válvula de compuerta de 1,5 pulgadas de diámetro.
▪ Bomba de agua
▪ Pipetas de 0,5; 1; 5; 10 ml
▪ Termómetro de 0 – 100 ⁰ C
▪ Tubos de ensayo con tapones de rosca, 160 mm de longitud y 16 mm de diámetro.
▪ Picnómetro de vidrio de 10 mL
▪ Gradillas metálicas
▪ Pizetas
▪ Regla graduada al 0,1 cm
▪ Capsulas y crisoles de porcelana
▪ Bandejas de secado
▪ Otros materiales de laboratorio de uso propio para los diversos análisis desarrollados.
3.3.3. Reactivos
▪ Agua destilada
▪ Reactivos propios para los diversos análisis desarrollados 3.4. Métodos de análisis
3.4.1. Análisis químico proximal
a. Determinación del contenido de saponina en la quinua:
Para la determinación de saponina inicial y remanente en la quinua se utilizó el método de la espuma, que tiene el siguiente protocolo:
Pesar 0,50 ± 0,02 g de granos enteros de quinua y colocarlos en un tubo de ensayo. Añadir 5,0 ml de agua destilada y tapar el tubo.
Poner en marcha el cronómetro (o leer el reloj) y sacudir
vigorosamente el tubo durante 30 segundos, esperar 10 segundos para que se estabilice la espuma. Leer la altura de la espuma al 0,1 cm más cercano. Las ecuaciones utilizadas para los cálculos del contenido de saponina son:
𝑚𝑔 𝑠𝑎𝑝𝑜𝑛𝑖𝑛𝑎
𝑔 𝑞𝑢𝑖𝑛𝑢𝑎
=
0,441 (altura espuma luego de 30 s en cm)+0,001Peso de la muestra en g (4)
% saponina =0,441 (altura espuma luego de 30 s en cm)+0,001
Peso de la muestra en g x 10 (5)
La fórmula se encuentra fundamentada en el trabajo experimental desarrollado y estandarizado por Kosiol (1993), en los laboratorios de Nestlé Ecuador (Latinreco). Basada en la propiedad de las saponinas que al disolverse en agua y ser agitadas, dan una espuma estable, cuya altura fue correlacionada con el contenido de saponinas presentes en los granos de quinua.
b. Determinación de densidad aparente
Para la determinación de densidad aparente, se utilizó la relación masa/volumen en probeta de 25 ml y con masa determinada en balanza electrónica con precisión 0,01 g, según lo sugerido por Cervilla (2012).
c. Determinación de densidad real o verdadera de quinua
La densidad real fue determinada haciendo uso del procedimiento sugerido por Atarés (2017), que utiliza el método picnómétrico y consiste en pesar el picnómetro vacío (mp). Añadir una masa de la quinua al picnómetro hasta llenarlo completamente (mp+q) y luego tomar el peso (picnómetro + quinua). Llenar completamente de agua el picnómetro contenido con quinua (mp+q+H2O), cuidando de eliminar las burbujas existentes y enrasar con agua y proceder al pesado (picnómetro + quinua + agua). Llenar el picnómetro con
agua y enrasar (mp+H2O) para luego proceder al pesado. Para los cálculos se utiliza la siguiente fórmula:
mH2O = m(p+H2O) – [ m(p+q+H2O) – (m(p+q) – mp)]
Vreal = mH2O / ρH2O
ρreal = (m(p+q) – mp) / Vreal
c. Análisis químico proximal
Para el análisis químico proximal se utilizó los métodos específicos que se mencionan a continuación:
• Determinación de humedad : AOAC - 2012
• Determinación de proteína : NTP 205.005 - 1979 (Revisado 2011)
• Determinación de fibra : NTP 205.003 -1982
• Determinación de grasa : AOAC - 2012
• Determinación de cenizas : AOAC - 2012
• Determinación de carbohidratos: Por diferencia MS – INN, Collazos (1993).
3.5. Metodología experimental
Para el desarrollo del trabajo de investigación se procedió en tres etapas claramente definidas. La primera de ellas orientada a la determinación de macronutrientes, saponina y de la densidad aparente de los granos de quinua; la segunda etapa orientada al diseño y fabricación del equipo de desaponificación y la tercera destinada para las pruebas de funcionamiento al que fue sometido el equipo construido, utilizando granos de quinua de la variedad Amarilla Maranganí, clasificada como quinua de variedad amarga.
3.5.1. Análisis químico proximal, densidad aparente y saponina
En esta etapa se realizó las determinaciones de la composición de macronutrientes de los granos de quinua, de la densidad aparente y la cantidad de saponina contenida inicialmente en la quinua.
3.5.2. Diseño y construcción del equipo de desaponificación
Para el diseño del equipo de desaponificación se utilizó el proceso sugerido por Ma San (2013), Rondón (2016) y Budenaz (2011), que en primer lugar plantean definir y/o reconocer las necesidades planteadas por la sociedad, seguido del desarrollo esquemático o prediseño para la necesidad identificada. El tercer paso es el diseño preliminar de la máquina, que permite evaluar la calidad de la idea creada para cumplir los requisitos de satisfacción de la necesidad identificada a través de un análisis de todos y cada uno de los componentes considerados que se muestra en el esquema del anexo 02. El cuarto paso está relacionado con el desarrollo de los dibujos y las especificaciones técnicas y la construcción del equipo. En esta fase fue necesario desarrollar los esquemas y planos correspondientes, que se encuentran detallados en el anexo 05 y 06 siendo esta última la base para la fabricación del prototipo.
3.5.3. Pruebas de funcionamiento del equipo de desaponificación El desarrollo de las pruebas de funcionamiento del equipo de desaponificación construido se realizó como un paso subsiguiente (quinto) sugerido por Ma San (2013), Rondón (2016) y Budenaz (2011), que es probar y evaluar el modelo para diagnosticar la funcionalidad del mismo, en ensayos de medición y experimentales, cuyos resultados permiten comparar las representaciones de diseño con la realidad.
El trabajo experimental, consistió en someter a lavado la quinua variedad Amarilla Maranganí, haciendo uso del equipo construido.
Para tal fin se procedió con el remojado previo de los granos por un
tiempo de 15 minutos utilizando una dosis de 3 partes de agua a temperatura ambiente (17º C ± 2º C) por ser la temperatura usual utilizada por los procesadores de quinua, porque no demanda el uso de energía adicional que genere sobrecostos y una parte de quinua sugerido por Borda y Gamarra (2003). Pasado este tiempo los granos fueron sometidos a lavado con caudal de recirculación de agua de 15 L/min; 30 L/min y 45 L/min, por tiempos de 5; 10 y 15 min respectivamente. Al final del mismo, se procedió a escurrir el contenido de agua y sustituirlo por una cantidad igual de la misma, para luego proceder con el enjuagado por un tiempo de 5 min utilizando un caudal de recirculación de 15 L/min.
Una vez lavada la quinua, estos fueron secados a una temperatura de 50º C con velocidad de aire de 2,0 m/s (Alimentación de 16,5 A desde el variador de velocidad que controla la velocidad de giro del motor conectado al ventilador de aire), hasta alcanzar la humedad de 13%
en base húmeda, con este fin se utilizó el secador de bandejas del laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Alcanzada esta humedad se procedió a la determinación del contenido de saponinas, consideradas variables respuesta, para el presente experimento. Para esta operación se utilizó el secador de cabina del laboratorio de Ingeniería de Alimentos de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias.
a. Identificación de variables dependientes e independientes
• Variables Dependientes:
La variable dependiente considerada para el proceso experimental de desamargado por lavado fue el contenido de saponina de los granos de quinua
• Variables Independientes:
Las variables independientes con sus respectivos niveles de factor fueron:
✓ El tiempo de lavado de 5; 10 y 15 minutos basado en los resultados alcanzados por Cerrón (2012), Borda y Gamarra (2003).
✓ Caudal de bombeo de 15 L/min, 30 L/min y 45 L/min.
• Variables Intervinientes:
Durante
el
desamargado por lavado se consideraron las siguientes variables intervinientes:✓ Relación agua/quinua de 3/1, para el remojado, lavado y enjuagado (conforme a los resultados reportados por Borda y Gamarra (2003)).
✓ Temperatura del agua de lavado, remojado y enjuagado:
Temperatura ambiente (17º C ± 2º C), usualmente utilizado por los procesadores de quinua en la operación de desaponificación, y que no genera sobrecostos por uso de energía adicional para calentamiento de agua, resultando ser más sostenible en el desarrollo industrial de la actividad de desamargado de quinua.
✓ Tiempo de remojado: 15 minutos, basado en los resultados obtenidos por Cerrón (2014), Zavaleta (1993), Soria et al (1990).
✓ Tiempo de enjuagado: 5 minutos (de acuerdo a lo reportado por Zavaleta (1993), con caudal de bombeo para recirculación de agua de 15 L/min.
✓ Temperatura de secado de 50ºC, basado en los resultados alcanzados por Cerrón (2014).
Figura 8: Esquema experimental para la desponificación de quinua por lavado
b. Diseño experimental
Para el desamargado por lavado de los granos de quinua, se utilizó el diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial del tipo 3 x 3, que se muestra en la figura 8 y tiene el siguiente modelo aditivo lineal:
Yijk= μ + Ai+ Bj+ (AB)ij +eijk Donde:
Yijk : Variable respuesta: Contenido de saponina.
µ : Media general
Ai : Efecto del i-ésimo nivel del factor caudal de bombeo para recirculación de agua (15 L/min, 30 L/min y 45 L/min).
Bj : Efecto del j-ésimo nivel del factor tiempo de lavado (5 min;
10 min y 15 min).
QUINUA (Variedad Amarilla Maranganí)
5 min
30 L/Min 45 L/ Min
15 L/Min
15 min
10 min 5 min 15 min
10 min 5 min 15 min10 min
Variable respuesta (contenido de saponina)
(AB)ij : Efecto de la interacción de los diferentes niveles de los factores caudal de bombeo para recirculación de agua (15;
30 Y 45 L/min) y tiempo de lavado (5; 10 y 15 min).
eij : Error experimental o error de efecto aleatorio.
El modelo aditivo lineal describe la variación total de una respuesta (Yijk), descomponiéndola en porciones independientes y significativas, atribuibles a cada una de las variables independientes (Ai y Bj), las interacciones (AB)ij, y a la variación casual (eijk). La variación casual incluye realmente el efecto neto de todas las variables no incluidas explícitamente en el análisis de varianza (Lun Chou, 2007). El modelo aditivo lineal descrito líneas arriba corresponde a un diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial de 3 x 3.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1. Análisis de la quinua variedad Amarillo Maranganí
4.1.1. Contenido químico proximal de la quinua variedad Amarillo Maranganí
La quinua variedad Amarilla Maranganí, fue sometida a determinación químico proximal, el resultado se resume en el cuadro 4, expresado en base húmeda y en base seca:
Cuadro 4: Contenido químico proximal de quinua variedad Amarillo Maranganí (*)
Composición Resultados de análisis base húmeda (%)
Resultados de análisis base seca
(%) (**)
Humedad 12,40 ---
Grasa 5,50 6,28
Proteína 13,50 15,41
Cenizas 3,20 3,65
Carbohidratos 61,00 69,64
Fibra Cruda 4,40 5,02
(*): Resultados alcanzados como promedio de tres repeticiones.
(**): Recalculado en base al análisis en base húmeda.
La humedad de 12,40 %, es la humedad de equilibrio que alcanzó la quinua, durante el secado solar al que fue sometido durante el parvado (arreglo en arco de las plantas de quinua cortadas) posterior a la cosecha, este valor es bastante más alto al reportado por Gonzales (2005) 9,8 %; Cervilla (2012) 11,73 % a 11,86 %, y por Reyes (2009) 11,5 %, similar al reportado por Egas, et al., (2010) 12
% a 13 % y ligeramente menor al determinado por Lara (2010) 13,42
± 0,30 %. En todo caso todas estas humedades de equilibrio dependen de la temperatura de secado a los que fueron sometidos en
