Modelaje de la extracción de aceite asistida por microondas y con

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.
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