MODELAJE DE LA EXTRACCIÓN DE ACEITE ASISTIDA POR MICROONDAS Y CON SOLVENTE DE LA ALMENDRA DEL COROZO (Acrocomia aculeata) Oviedo, E.; Hernández, C.; Mieres, A. Laboratorio de Ingeniería de Alimentos. Facultad de Ingeniería. Universidad de Carabobo. Valencia. Estado Carabobo. Venezuela. e-mail: [email protected]; [email protected] Resumen: La extracción asistida por microondas es una técnica que reduce el tiempo de extracción y minimiza los costos de operación, por tal razón el presente estudio se centró en la extracción asistida por microondas y con solventes a la almendra del fruto del corozo (Acrocomia aculeata) recolectados en Güigüe, Estado Carabobo. Se realizó la extracción mediante la irradiación por microondas y con un equipo Sohxlet, luego se efectuó la caracterización fisicoquímica del aceite y finalmente se desarrolló un modelo matemático utilizando la teoría de aproximación de funciones, de MATLAB. Como resultado se obtuvo como rendimiento un 39,746% en aceite, el índice de saponificación 447 gKOH/kg, el índice de acidez 1,026%, el índice de peróxido 2,04 meqO2/kg aceite, el índice de refracción 1,4565. La relación matemática que vincula el rendimiento del sistema versus el tiempo de exposición al microonda, resultó ser un polinomio de grado 3, cuya función es: F3(x) = 0,007 X3 + 0,0561 X2 - 1,4225 X + 14,0891. Palabras clave: Corozo, extracción por microondas, extracción por solvente, acrocomia aculeata. MODELLING OF OIL EXTRACTION OF COROZO ALMOND BY MICROWAVE ASSISTED AND WITH SOLVENT (Acrocomia aculeata) Abstract:The extraction assisted by microwaves is a technique that is being used in the oil obtaining, since it reduces the extraction time and diminishes the operation costs, for such reason the present study was centered in the extraction assisted by microwaves and with reliable the almond of the fruit (Acrocomia aculeata) collected in Guigue, Carabobo state. Extraction was carried out by microwave irradiation and with a Sohxlet equipment, soon the physical and chemical characterized to the oil took place and finally a mathematical model was developed using the theory of approach of functions, of MATLAB. As result obtained like yield a 39.746% in oil, the saponification index of 447 gKOH/kg, the acid value 1.026%, the peroxide index 2.04 meqO2/kg oil, the refractive index 1.4565. The mathematical relation that ties the yield of the system versus the time of exhibition to the micro wave, turned out to be a polyno mi al o f degree 3, who se functi on i s: F3(x) = 0.007 X3 +0.0561 X2 - 1.4225X + 14.0891. Key words: Corozo, microwave extraction, corozo, solvent extraction, acrocomia aculeate INTRODUCCIÓN En Venezuela el 80% de los aceites y grasas que se consumen son importados (Rodríguez, 2007). Por lo que se debe desarrollar tecnologías que permitan aumentar la producción nacional. Nuestro país cuenta con recursos naturales que no son aprovechados tales como las palmas aceiteras que en su gran mayoría son desconocidas y que constituyen una fuente muy valiosa para la producción de aceite; pueden ser utilizadas en la elaboración de una gran cantidad de productos entre estas se encuentra la palma de corozo, la cual posee un tallo espinoso largo y aéreo de 4 a 11 metros de alto y de 10 a 35 cm de diámetro; las hojas son de color verde claro cuya longitud varía entre 1 y 1,5 metros (Hey, 1995). Cada árbol es capaz de producir de cuatro a seis racimos, los cuales maduran entre los meses de noviembre y marzo. El fruto producido es de forma redondeada de 3 a 4 centímetros de diámetro, volviéndose de verde a amarillo verduzco cuando maduran (Hoyos y Braun, 1984). La almendra de la semilla es comestible y tiene un alto contenido de aceite, sin embargo, la misma no es utilizada para ello (Hey, 1995). Existen diversos métodos para la extracción del aceite que se encuentra en la almendra del fruto del corozo, entre los cuales figuran métodos mecánicos como el prensado en frío (aceite crudo) y métodos químicos como la extracción con solventes líquidos volátiles; ambos métodos han sido utilizados en estudios realizados en la Universidad de Carabobo, tal como lo 78 Modelaje de La Extracción de Aceite asistida por Microondas y con Solvente ........ Oviedo Edwin; Hernández Carlos; Mieres Alberto. demuestra el trabajo realizado por Arveláez et. al (2008). La extracción utilizando solvente es mayor que la extracción con prensado en frío, pero presenta el inconveniente de que se gasta mucha energía y el solvente es tóxico; además el tiempo prolongado a altas temperaturas atenta contra la estabilidad molecular de los ácidos grasos poliinsaturados, favorece la disolución de ceras y otras sustancias afectando la pureza del aceite por lo que se debe minimizar aplicando otro tipo de extracción. Por ello el objetivo principal de la presente investigación fue la extracción asistida por microondas y con solventes a la almendra del fruto del corozo (Acrocomia aculeata), ya que este proceso, en comparación con los métodos convencionales mencionados anteriormente, ofrece ventajas en cuanto a reducción en tiempo de preparación de la muestra, mayor rendimiento de procesamiento de la muestra, menor cantidad de solvente empleado, dando lugar a ahorros financieros, según estudios realizados por González (2005). La investigación llevada a cabo va a explicar el rendimiento de la extracción de aceite por una técnica no convencional usando irradiación por microondas, igualmente se establecerá un modelo matemático del proceso de extracción de aceite de la almendra del fruto del corozo, con el que se pudieran hacer predicciones en relación al cambio en el rendimiento cuando se modifique el tiempo de irradiación. Caracterización fisicoquímica de la almendra de corozo Una vez dimensionadas las almendras se procedió a la molienda por medio de un molino de disco por fricción (marca Split fase AC motor modelo 4e), para su reducción de tamaño. Se realizó la caracterización fisicoquímica utilizando los métodos de análisis de la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN). Luego de reducir el tamaño de partícula de la almendra molida, se procedió a realizar la extracción de aceite. Se dispone de un horno de microondas doméstico, marca Panaso ni c, model o NNT-945SI,cuyas especificaciones se describen en la Tabla N°1. Tabla N°1. Especificaciones técnicas del horno de microondas Tensión de alimentación 12V-60Hz-15ª Potencia Máx. de incidencia de las microondas Frecuencia de operación Capacidad del horno ( Potencia fuente de poder 800 W 2450Mhz 0,8pies cúbicos (22.000 cm3) 10,5A ; 1230W METODOLOGÍA Para comenzar se buscaron las zonas donde existe actualmente sembradíos de corozo encontrándose uno en el estado Carabobo, específicamente en Güigüe, de allí se recolectaron los frutos maduros para así obtener la máxima cantidad de aceite, los mismos fueron trasladadas al laboratorio de alimentos de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo para la extracción de aceite, así como para la caracterización del mismo. Dimensionamiento del fruto de corozo Para el dimensionamiento se eligió de forma aleatoria un lote de 50 frutos de corozo que fueron pesados utilizando una balanza analítica marca OHAUS Adventurer para determinar la masa de cada una, luego se midió con un vernier las dimensiones: ancho y largo. Seguidamente, haciendo uso de una prensa vertical marca MANLEY, modelo 9382, se procedió fracturar el hueso de la semilla para después separar la almendra del endocarpio y así pesar las almendras en la balanza mencionada anteriormente. En el interior del equipo se colocó un beacker de vidrio, el cual contenía la almendra molida en contacto con el solvente (hexano grado analítico, marca Merck, en proporción 3 de hexano, 1 de almendra), posteriormente se somete a irradiación; al transcurrir el tiempo de contacto se acumula el solvente junto al extracto. Luego se separa el extracto del residuo, filtrando con una gasa. Se toma ese residuo (almendra molida) y en un equipo Soxhlet, se somete a proceso de extracción con solvente, siguiendo la normativa COVENIN 3218:1996. Una vez obtenido el aceite se procede a los análisis fisicoquímicos en cuanto a requisitos de calidad e identidad siguiendo los métodos de análisis de la Comisión Venezolana de Normas Industriales (COVENIN) descritos en la Tabla N°2. 79 Tabla N° 2. Métodos utilizados para determinar los requisitos de calidad e identidad del aceite crudo de corozo TIPO DE ANÁLISIS Índice de Refracción Índice de Saponificación Índice de Acidez Índice de Peróxido NORMA EMPLEADA ALCANCE DEL ENSAYO Determinación de COVENIN 702:1996 [9] la medida directa del ángulo de refracción. Indicativo de la pureza y color del aceite. Determinación de los miligramos de hidróxido de potasio necesarios para saponificar un gramo de aceite. COVENIN 323:1998 [10] COVENIN 325:1996 [11] COVENIN 508:2001 [12] Determinación del contenido de ácidos grasos libres existentes en la muestra. Determinación del contenido de miliequivalentes de oxígeno activo, contenido en 1000g de aceite o grasa. Modelo matemático y validación El desarrollo del modelo matemático se efectuó mediante el estudio de la teoría de aproximación de funciones (métodos numéricos), que consiste en ajustar funciones a un conjunto de datos y encontrar la ‘‘mejor’’ función de cierta clase, que pueda usarse para representarlos (James, 2009). Este método se 80 desarrolló mediante el programa MATLAB, versión 6.0, empleando la función POLYFIT, con el cual se determinaron las diferentes funciones. Para la validación del modelo se determinó la masa del sistema (aceite+solvente+almendra) por medio del modelo matemático desarrollado; esto se realizó mediante el programa MATLAB versión 6.0, haciendo uso del comando POLYVAL. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS Dimensiones del fruto de corozo La caracterización dimensional se realizó con la finalidad de determinar el método más apropiado para el proceso de separación de la almendra del endocarpio y trituración de la almendra y se observó que la mejor manera de separación era a través de una prensa vertical, ya que el hueso de la semilla es bastante duro. Los valores promedios del peso para la semilla y almendra fueron respectivamente 10,2845 g y 2,4869 g ± 0,0001 g. Caracterización fisicoquímica de la almendra de corozo En la Tabla N° 3 se muestran los resultados obtenidos de la caracterización fisicoquímica de la almendra de corozo. El contenido de agua en una semilla es un factor de suma importancia para las diversas etapas de extracción de aceite de la misma, según Bernardini (1981), cada semilla tiene un óptimo de humedad y valores alrededor de 9 % son bastantes buenos para la mayoría de las oleaginosas. A medida que aumenta la humedad de la almendra, disminuye el rendimiento de extracción de aceite, tal como lo afirma Bailey (1961). De acuerdo a estos trabajos anteriormente señalados, y el resultado obtenido, la humedad de la almendra estudiada es apta para la extracción. El porcentaje de ceniza presente en la almendra se encuentra dentro del valor normal para la mayoría de las tortas proteicas (Bernardini, 1981). ). El porcentaje de grasa cruda, indica el alto contenido de aceite presente, demostrando de esta manera que la almendra de corozo es un recurso oleaginoso de posible aprovechamiento como materia prima para la industria aceitera nacional. Tabla N° 3. Análisis proximal de la almendra del fruto del corozo Hume dad Ceniza Grasa (H±0,01)% (C±0,005)% (G±0,005)% 5,60 1,880 39,746 Calcio(Ca±0,6)% Proteína cruda (P±0,5)% Proteína desgrasada (P±0,6)% 18,2 10,0 21,3 El valor de porcentaje de proteínas presente en la torta residual después de la extracción es de (21,30 ± 0,06) %, inferior a los valores reportados por los trabajos de Arveláez et. al (2008) y Mieres y Hernández (2007) que fue de 32%. Esto puede ser debido a ciertas condiciones del suelo por pérdidas de bacterias nitrificantes. El alto porcentaje de calcio puede ser originado debido al alto contenido del mismo en los suelos donde fueron cultivadas las plantas, es decir, suelos con alto porcentaje de minerales. Extracción del aceite de la almendra del fruto del corozo mediante el proceso asistido por microondas y con solventes Evidentemente, los solventes polares de bajo peso molecular y alta constante dieléctrica irradiados por microondas incrementan su temperatura rápidamente. Un solvente no polar como lo es el hexano presenta una constante dieléctrica baja, lo que significa poca habilidad de polarizarse con el campo magnético; por lo tanto, absorbe menos energía electromagnética y la mo difi ca muy lentamente l ogrando po co calentamiento del mismo; es decir, que no alcanza su punto de ebullición sino al transcurrir un tiempo prolongado de exposición al microondas, lográndose que la energía sea absorbida por otros elementos como por ejemplo la almendra. Como sucedió en este caso, donde la energía electromagnética suministrada al sistema Hexano (solvente)+almendra fue tal, que alcanzó el punto de ebullición, por cuanto se observó la volatilización del solvente al final de la exposición al microondas. La potencia trabajada fue de 800W, que corresponde a la máxima potencia del horno de microondas usado, potencia superior a la indicada en los trabajos anteriores realizados con el aceite de Neem (140 W y 280W) (González, 2005). Esto, aunado a que un sobrecalentamiento genera una degradación del aceite solubilizado en el hexano según lo demuestra un trabajo realizado en el Instituto de Investigación de Alimentos de Corea del Sur en el 2005 (Yong-Jin et. al 2005), trae como consecuencia que la relación masa de almendra-volumen del solvente, disminuya a medida que aumenta el tiempo de exposición al microondas por lo que la masa del sistema disminuye. Este fenómeno se observó cuando el tiempo de exposición supera los 15 segundos, por lo que las mejores condiciones de la extracción son las señaladas en la Tabla 4. Tabla N° 4. Condiciones seleccionadas para la extracción de aceite de la almendra del corozo Tamaño de partícula (mm) 2,38 Tiempo de Masa de la Tiempo de exposición al alme ndra extracción microondas (m±0,0001g) (h) (t±1)s 15 2,5001 5 En la Tabla N° 5, se presentan los parámetros fisicoquímicos del aceite crudo extraído de la almendra del corozo, contemplados en los requisitos de calidad e identidad. Tabla N°5. Requisitos de identidad del aceite del corozo Índice de refracción (I.R. ± 0, 0001) 1,4565 Índice de Ácidos grasos Índice de saponificación libres peróxido (I.S.±13) (ácido oleico) (I.P.±0,60) gKOH/kg (A.G.L.±0,003)% meq.O2 /Kg 430 1,016 2,04 El índice de saponificación del aceite extraído es bastante alto, el valor obtenido es indicativo de la alta calidad que presenta el aceite para la fabricación de jabones, mediante la hidrólisis alcalina de los esteres. Este aceite se puede utilizar en la industria de cosméticos y de jabón (Bailey, 1961). En cuanto al índice de refracción, este valor es semejante a los reportados por trabajos anteriores, tales como Arveláez et. al (2008) y Mieres y Hernández (2007), y también a los de aceite de coco y palma. Es decir, está dentro de los valores esperados para los aceites de este tipo. El índice de peróxido determinado para el aceite extraído está por debajo del máximo estipulado por la normativa venezolana, la cual establece un máximo de 5 meq O2/kg en el mercado, y también por debajo de los valores obtenidos por Arveláez et. al (2008) y Mieres y Hernández (2007), (3,83 y 3,331 meq O2/Kg, respectivamente). Esto es debido a las altas temperaturas desarrolladas en el proceso de irradiación con el microondas y el proceso 81 de destilación (equipo Soxhlet); sin embargo, el índice de peróxido se encuentra dentro del rango establecido por la normativa para los aceites comerciales, lo que demuestra que la irradiación le da al aceite una alta resistencia a la oxidación lipídica. Por otra parte, el grado de acidez fue de 1,016% expresado como ácido oleico, siendo este valor superior a lo recomendado por la normativa que regula la calidad de los aceites y grasas vegetales comestibles y establece que no debe ser mayor a 0,1%. La acidez e índice de acidez, son una medida de la cantidad de cadenas de ácido graso que han sido hidrolizadas desde la estructura básica del triglicérido, formando glicerina y ácidos grasos libres. Es probable que el efecto de la irradiación genere un ataque nucleofílico sobre los glicéridos produciendo una mayor cantidad de ácidos grasos libres. Modelo matemático Con los datos obtenidos, se hizo un ajuste por mínimos cuadrados para hallar la función aproximada, utilizando la función POLYFIT de MATLAB, que posee un lenguaje muy utilizado en análisis de datos; se empezó ensayando con polinomio de grado uno (1), luego de grado dos (2) y determinándose un polinomio de grado (3) tres (rendimiento del sistema extraído versus tiempo de irradiación al microondas). Validación del modelo matemático Esta fase consistió en hacer un ajuste polinómico para encontrar la curva (en este caso polinomio) que más se aproxime al conjunto de datos obtenidos experimentalmente, para ello se hizo uso de la Teoría de Aproximación de Funciones, la cual se puede trabajar en MATLAB con el POLYFIT, el cual devuelve los coeficientes del polinomio del grado que queramos y soluciona el problema de ajuste por mínimos cuadrados. El grado del polinomio es una de las variables a escoger; se empezó con el menor grado posible (n=1) y se va observando su correlación con los datos obtenidos, utilizando la función POLYVAL. Luego se realizó el mismo proceso con un polinomio de grado 2, hasta que finalmente se obtuvo la mejor correlación con un polinomio de grado 3 (ver ecuación 1 y Tabla N° 6), y el proceso se detuvo porque la función modela el conjunto de datos experimentales, siendo esta la mejor. La función Aproximada del polinomio de grado 3, es: F3(x) 82 Ecuación 1 = 0,007 X + 0,0561 X2 - 1,4225 X + 14,0891 3 Tabla N° 6. Condiciones experimentales para polinomio de tercer grado Tiempo (s) 15 20 25 30 35 Valor de la masa experimental (g) Valor de la masa según la función F3 (g) 2,9175 2.2580 2.2222 2.2649 1.8410 2,9175 2.2580 2.2222 2.2649 1.8410 CONCLUSIÓN Se trabajó con la teoría de aproximación de funciones para obtener la relación matemática que vincula el rendimiento del sistema versus el tiempo de irradiación al microondas, la cual es un polinomio de grado 3, cuya función es: F3(x) = 0,007 X3 + 0,0561 X2 1,4225 X + 14,0891. El rendimiento se corresponde con los obtenidos en trabajos anteriores donde se usaron otras técnicas de extracción de aceite. En relación a la calidad del mismo, debe ser sometido a un proceso de refinación para disminuir el índice de peróxido y los ácidos grasos libres. REFERENCIAS Arveláez, L. A. Mieres y C. Hernández (2008). 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