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Obtención de jarabe de glucosa a partir de almidon de Quinua

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angela rios villarroel

on 5 June 2016

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Transcript of Obtención de jarabe de glucosa a partir de almidon de Quinua

OBTENCIÓN DE JARABE DE GLUCOSA A PARTIR DE ALMIDÓN DE QUINUA
INTRODUCCIÓN
La quinua es un cereal promisorio del futuro debido a su alto contenido de nutrientes por lo que la elaboración de productos a partir de este grano son beneficios para la salud.
Usos del jarabe de glucosa en la industria alimentaria
- Panadería
- Elaboración de helados
- Elaboración de barras energéticas
ANTECEDENTES
Origen de la Quinua
El origen del grano se sitúa hace 7000 años en la región de los Andes entre Bolivia y Perú.
Variedades de Quinua
En Bolivia existen dos variedades de Quinua, la real y la dulce, la variedad mas demandada es la Quinua real debido a su alto contenido de nutrientes.
Contenido de saponina en la Quinua
Las saponinas son sustancias orgánicas. Estas moléculas se hallan concentradas en la cáscara de los granos
Producción de Quinua en Bolivia
La producción de este grano se realiza en los departamentos de La Paz, Oruro y Potosi.
Registro histórico de producción de Quinua en miles de toneladas
Comercialización de la Quinua en Bolivia
El año 2015 los precios de la Quinua cayeron drásticamente debido a la oferta de otros países
Productos elaborados a partir del almidón de Quinua
- Geles
- Espesantes

- Estabilizante
- Refuerzo de espumas
Estructura del grano
Proceso de hidrólisis para la obtención de jarabe
El proceso de hidrólisis enzimática, comprende los procesos de licuefacción y sacarificación respectivamente, en cada uno de ellos se utilizan enzimas que ayudan a catalizar la reacción.
Estudios previos para la obtención de almidón
Estudio previo N 1: Investigación y desarrollo para la elaboración de harinas compuestas
- Limpieza-.
En esta operación se quitaron las impurezas que se encontraron junto a los granos de quinua, con lo que se determina el 4% de impurezas en el total de la cantidad.
- Desaponificación
Se realizó el lavado de los granos, con lo que se reduce el contenido de saponina
- Secado
La quinua lavada, fue sometida a secado por espacio de tres horas.
- Molienda
Los granos de quinua previamente secados fueron sometidos a un molino de discos para su pulverización.
El rendimiento de la harina obtenida fue el 80%.
En la tabla se muestran los parámetros del estudio
Estudio previo N 2: “Extracción y caracterización del almidón de tres variedades de quinua negra collana, pasankalla roja y blanca Junín”
En la siguiente tabla se muestra el resumen del estudio N 2.
Jarabe de glucosa
El jarabe de glucosa es sumamente espeso, con una consistencia parecida a la de la miel, es incoloro y cristalino, algunos de los productos de los que se puede obtener comúnmente la glucosa líquida son: Maíz, Trigo o Papa a estos productos se les puede realizar la hidrólisis de forma parcial
Ventajas del jarabe de glucosa en la industria alimentaria
- Es fácilmente digerible
- Da una consistencia mas suave a los productos
- Reduce el tiempo de disolución sin dejar residuos sólidos
- Reduce el espacio de almacenamiento
- La quinua actualmente es vendida sin ningún valor agregado, por lo tanto existe la necesidad de generar el conocimiento para la elaboración de jarabe de glucosa
5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
5.1 Identificación del problema
¿Cuáles son los parámetros operativos para la obtención de jarabe de glucosa a partir del almidón de quinua?

5.2 Formulación del problema
Determinar los parámetros operativos para la obtención de jarabe de glucosa a partir del almidón de quinua.

6. OBJETIVOS Y ACCIONES
6.1 Objetivo general
6.2 Objetivos específicos
Esta investigación, aporta a la generación de una tecnología experimental al aplicar hidrólisis enzimática al almidón para elaborar jarabe de glucosa.

7. JUSTIFICACIÓN
7.1 Justificación teórica
7.2 Justificación económica
El presente estudio aportará, con nuevas ideas de negocio para la comercialización de la quinua al darle a valor agregado a la misma.

Debido a que la quinua es vendida como grano puro, la extracción del almidón de este será aprovechada como materia prima para realizar la hidrolisis enzimática para la elaboración del jarabe de glucosa.

8. ALCANCE
8.1 Alcance teórico
El presente trabajo busca determinar un proceso experimental para la obtención de jarabe de glucosa, a partir de almidón de quinua.
8.2 Alcance temático
El desarrollo de la presente investigación tendrá una duración de 6 meses en la presente gestión.

8.3 Alcance Temporal
La determinación de los parámetros operativos permitirá la obtención de jarabe de glucosa a partir del almidón de quinua.

9. HIPÓTESIS
9.1 Hipótesis
9.2 Análisis de variables
Variable independiente: Parámetros operativos
Variable dependiente: Jarabe de glucosa a partir del almidón de quinua
Son todos los parámetros que ingresan al proceso de hidrolisis-enzimática para la obtención de jarabe a partir del almidón de quinua. Estos parámetros son, el tiempo (h) y la dosis de enzima (mg de enzima/g de almidón).

9.3.1 Variable independiente
9.3 Definición conceptual
Jarabe de glucosa a partir del almidón de quinua: Edulcorante liquido, de color transparente.

9.3.2 Variables dependientes
9.4 Operativización de variables
10. MATRIZ DE CONSISTENCIA
11.1 INVESTIGACIONES Y EXPERIMENTOS PREVIOS REALIZADOS
11.1.1 Hidrólisis separada y co- fermentación para la mejor utilización de xilosa en la producción integral de bioetanol a partir de almidón de trigo y paja de trigo.
11. MARCO TEÓRICO
Esta investigación, hace la propuesta de una alternativa, para la producción de bioetanol, compuesto químico que es utilizado como combustible, cumpliendo la función de ser un sustituto de la gasolina.
Las operaciones de hidrólisis enzimática pueden notarse en el sgt. flujograma
El gráfico muestra, las lecturas registradas en el cromatografo, luego de introducir la muestra del jarabe
Concentraciones de glucosa (círculos), xilosa (cuadrados) y etanol (triángulos) durante la fermentación.
Los parámetros estudiados en este estudio se muestran en el siguiente cuadro
11.1.2 La optimización de la fermentación de almidón de maíz por saccharomyces cerevisiae utilizando la per vaporación
El principal problema que supone la generación de bioetanol, a partir de biomasa vegetal, como ser fermentación de azucares es el costo de materia prima, ya que muchas biomasas azucaradas, están ligadas al mercado alimentario, además del dilema moral que puede suponer la utilización de productos alimentarios con fines energéticos.
CICLO DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL
Durante la experimentación en este estudio se realizaron curvas ajustadas
Se realizaron el mismo procedimiento para la etapa de sacarificación con lo que se obtuvo
El proceso de hidrólisis de este estudio puede notarse en el siguiente flujograma
A partir de los anteriores análisis el estudio determina las mejores condiciones para realizar la hidrólisis enzimática
En el siguiente cuadro se muestran los parámetros que fueron estudiados.
Producción de bioetanol a partir de azucares de tapioca
El estudio realiza dos tipos de hidrólisis, por una parte con harina de tapioca y por otra con a tapioca fresca
El flujograma muestra como se realizo la hidrólisis con tapioca fresca
En el gráfico se muestra como se realizo el proceso de licuefacción y sacarificación respectivamente
Licuefacción
Sacarificación
Composición del jarabe en el proceso de licuefacción
El cuadro muestra los parámetros estudiados
11.2 ESTUDIO DE MATERIAS PRIMAS A UTILIZAR
11.2.1 Historia de la quinua en Bolivia
La principal zona de producción en el país es el altiplano, particularmente el altiplano sur, donde se cultivan grandes extensiones
11.2.3 Variedades cultivadas de quinua
Se usarán dos definiciones para describir las variedades de quinua. Aquellas variedades que son producto de la selección por parte de agricultores han sido llamadas variedades nativas, en otros textos también se les puede llamar: variedades, razas, ecotipos o morfotipos. Por otro lado, aquellas variedades que son obtenidas por procesos de mejoramiento genético han sido llamadas variedades mejoradas, y en otros textos se les puede llamar cultivares o variedades.
11.2.4 Quinua de exportación
En un estudio realizado el año 2002 se determinó que 31 variedades nativas que forman parte del complejo de Quinua Real fueron sembradas en el altiplano sur, entre ellas están: quinua (Real Blanca, Pandela, Pisankalla y Toledo),
Es una quinua nativa, que se cultiva en el altiplano sur, del país, y es una variedad de exportación, cuenta con certificación orgánica, misma que consiste en garantizar al comprador los sistemas, procesos, insumos y equipos utilizados para la producción, transformación y comercialización, del producto
11.2.5 Quinua toledo
El valor nutricional de la quinua toledo se muestra en la sgt tabla
El almidón esta compuesto por dos moléculas, mismas que se muestran a continuación
Enzimas
Las enzimas son proteínas, que hacen que una reacción transcurra a una velocidad óptima
Termamyl SC
Es una preparación de alfa-amilasa estable al calor producida por una cepa modificada genéticamente de Bacillus licheniformis. Esta enzima se emplea en la indusria del almidón
Sprizyme Fuel
En los procesos para la obtención de jarabe de glucosa, se requiere la utilización de la enzima Spirizyme Fuel
12. PLAN DE DISEÑO EXPERIMENTAL
12.1 FLUJOGRAMA DE OBTENCIÓN DE ALMIDÓN DE QUINUA
- OP 01 Limpieza
Los granos de quinua deben ser examinados visualmente, para quitar posibles materiales extraños (tierra, paja) que se encuentren con los granos de quinua.
- OP 02 Lavado
El lavado se ejecuta de manera manual, hasta que la espuma salga por completo lo que permite la eliminación de las cáscaras y los compuestos responsables del sabor amargo
- DE Secado
La quinua lavada debe ser descargada en una bandeja de malla milimétrica y sometida a calor para su completo secado
- OP 03 Molienda
Esta operación se realizara en un molino de cuchillas, donde el restante de saponina y parte de la cascara de la quinua, serán reducidos gradualmente hasta obtener, la harina.
12.2 Flujograma para la obtención de jarabe de glucosa
OP-01 Gelatinización
Se conoce como gelatinización al proceso donde los gránulos de almidón que son insolubles en agua fría debido a que su estructura es altamente organizada, se calientan (80 a 100°C) y empieza un proceso lento de absorción de agua en las zonas intermicelares amorfas que son menos organizadas y las más accesibles
OP- 02 Licuefacción
El objetivo del proceso de licuefacción es convertir los gránulos de almidón de suspensión concentrada a dextrinas solubles de baja viscosidad . Durante esta operación se debe mantener una temperatura de 90 °C, en estas condiciones se debe adicionar la enzima Termamyl SC
OP-03 Sacarificación
El propósito de esta operación consiste en convertir la solución licuada de la etapa anterior, en D-glucosa en rendimientos tan altos como sea posible, en este proceso se adiciona la enzima Spirizyme Fuel, que hidroliza enlaces glucosídicos de 1,6 luego de hacer enfriar la preparación, se debe trabajar en una temperatura de 55°C y analizar el tiempo y dosis de enzima.
12.3 Determinación de las variables del experimento en el proceso de licuefacción.
I. Tiempo
II. Dosis de enzima
En la operación de licuefacción, el tiempo determina la duración de la actividad enzimática, en el proceso, por lo que control continuo es importante, para determinar la efectividad de la enzima Termamyl SC.
En esta etapa, la enzima designada para romper los enlaces glucosídicos 1-4 es la Termamyl SC, misma que, deberá tener la dosis de enzima adecuada para reducir la viscosidad, que pueda permitir el proceso posterior, además de mantenerse en esta operación generalmente durante una hora. Para determinar el valor del rendimiento, en la etapa de licuefacción será considerado la concentración de dextrina, resultado que se obtiene luego de terminar la etapa de licuefacción.
12.3.1 Pregunta de investigación
• ¿Cuál es la influencia del tiempo y dosis de enzima Termamyl SC en la variable respuesta del proceso de licuefacción?
• ¿Cuál es el tiempo y dosis de enzima para la obtención de dextrina mayor al 4,3%?
12.3.2 Objetivo de la investigación
• Determinar el tiempo y dosis de enzima Termamyl SC para establecer la influencia en la variable respuesta en el proceso de licuefacción.
• Determinar el tiempo y dosis de enzima para la obtención de dextrina mayor al 4,3%, al final del proceso de licuefacción.
HO: β1, β2,β3 = 0
12.3.3 Hipótesis

H1: β1, β2,β3 ≠ 0

Dónde:
β1: Tiempo
β2: Dosis de enzima
β3: Tiempo – dosis de enzima
Hipótesis alterna
Hipótesis nula
Pregunta 1
Hipótesis nula
Hipótesis alterna
Pregunta 2
Se aplicara el modelo factorial 2^k. Tomando en cuenta los factores y niveles en la tabla N 22 para el proceso de licuefacción.
12.3.4 Factores y niveles del experimento, en el proceso de licuefacción
La tabla N 23. Muestra el diseño experimental para el proceso de licuefacción
Factores 2
Niveles 2

De donde la matriz experimental Tabla N 24 para el proceso de licuefacción:
En la figura N 23 se puede interpretar la variable respuesta de la etapa de licuefacción:

12.3.5 Variable respuesta del proceso de licuefacción
En este nivel, se estudiara el tiempo que tarda la enzima, para hacer contacto con el almidón, como en varios estudios enzimáticos demostraron que la obtención de mayor contenido de glucosa tienen un límite con base a la actividad enzimática en función del tiempo, para enzimas hidrolíticas a altas temperaturas es muy necesario llevar mayores tiempos de conversión.
12.4 Determinación de las variables del experimento en el proceso de sacarificación.
I. Tiempo
II. Dosis de enzima
Durante el proceso de sacarificación, la estrategia de dosificación de la enzima Spirizyme Fuel, debe ser la indicada debido a que, este es el último proceso, para la obtención del jarabe.
Para determinar el valor del rendimiento, al que debe ser comparado el presente trabajo, se tomará el de 32,3 g/L, correspondiente al estudio N 1 debido, a que el contenido de trigo, tiene una pequeña variación, en relación al contenido de almidón de la quinua.
• ¿Cuál es la influencia del tiempo y dosis de enzima en la variable respuesta durante el proceso de sacarificación?
• ¿Cuál es el tiempo y dosis de enzima para la obtención de jarabe de glucosa mayor al 32,3 g/L?
12.4.1 Pregunta de investigación
12.4.2 Objetivo de la investigación
• Determinar el tiempo y dosis de enzima para establecer la influencia en la variable respuesta, en el proceso de sacarificación.
• Determinar el tiempo y dosis de enzima para la obtención de jarabe de glucosa mayor al 32,3 g/L.
HO: β1, β2,β3 = 0
12.4.3 Hipótesis
Pregunta 1
Hipótesis nula
β1: Tiempo
β2: Dosis de enzima
β3: Tiempo- Dosis de enzima
Hipótesis Alterna
H1: β1, β2,β3≠ 0
Dónde:
Pregunta 2



Hipótesis nula
Hipótesis alterna
H1: μ ≥ 32,3 g/L
HO: μ = 32,3 g/L
12.4.4 Factores y niveles del experimento, en el proceso de sacarificación
Se aplicara el modelo factorial 2^k. Tomando en cuenta los factores y niveles en la tabla N 25 para el proceso de sacarificación.
El diseño experimental para el proceso de sacarificación se muestra en la tabla N 26.
Factores 2
Niveles 2
De donde la matriz experimental para sacarificación se muestra en la Tabla N 27:
12.4.5 Variable respuesta del proceso de sacarificación
En la figura N 24 respectivamente se puede interpretar la variable respuesta del proceso de sacarificación:
En un diseño factorial los niveles se forman combinando los niveles en los factores de estudio, de manera que el efecto del tratamiento se considera su vez compuesto de los factores y sus interacciones
12.5 Modelo de experimentación
12.6. Tamaño de la muestra
Se realizara 2 muestras con un total de 8 repeticiones para el proceso de licuefacción durante la investigación, como se observa en la tabla N 28:
Diseño experimental del número de muestras para el proceso de licuefacción
Diseño experimental del número de muestras para el proceso de sacarificación
2^2= 4 triplicado 12 se realizaran 12 pruebas para Licuefacción
2^2= 4 triplicado 12 se realizaran 12 pruebas para Sacarificación
Total de pruebas 24

12.7 Número de réplicas
Los ensayos para el proceso de licuefacción pueden notarse en la tabla N 30
Por otra parte los ensayos para el proceso de sacarificación se muestran en la tabla N 31

Tabla N 31: Orden de ensayos para el proceso de sacarificación
La investigación a realizar será de tipo exploratoria debido a que esta, contribuye con ideas respecto a la forma correcta de abordar la investigación propuesta, gracias a anteriores estudios realizados del tema, lo que contribuye a descubrir nuevos métodos o formas para realizar llevar a cabo nuestro propósito
12.9 Descripción del tipo de investigación
ANGELA NATALIE RIOS VILLARROEL
- En países del mundo y en Bolivia no existe estudios de jarabe de glucosa a partir de quinua por lo que no existe el proceso ni los parámetros para la obtención de este producto.
Tabla N 30: Orden de ensayos para el proceso de licuefacción
Calculo en porcentaje del contenido de almidón en la concentración de glucosa
Dónde:
c = concentración de glucosa (g/L)
w = peso del material de partida (g)
0.98 = factor de conversión de la glucosa
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