UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Y CIENCIAS EXACTAS SECCIÓN INGENIERÍA DE PROCESOS TEMA: ELABORACIÓN DE COCOA EN POLVO INTEGRANTES: Carolina Hidalgo Cindy Saraguro Dayana Herrera Bethsabet becerra Antonio Sánchez Genesis Reyes K. Cristina Ruiz Francisco Calva Rafael Luzuriaga Joao Carrión. Garlet Infante Anderli Jarro. Romina Montesinos Estefany López. Joselin Azuero Devis Miles DOCENTE: Mg. Ricardo Arévalo ASIGNATURA: Industrialización de frutas y hortalizas LOJA - ECUADOR 2022 1. INTRODUCCIÓN El árbol de Cacao, tiene como nombre científico Theobroma cacao, el cual se cultiva en zonas tropicales como África, América, Latina, Indonesia y Malasia, el fruto que se obtiene tiene una forma amelonada, en su interior cuenta con 40 semillas, se sabe que anualmente solo se dan 2 cosechas, la cuales son una principal y una media, luego que los frutos son recolectados se realiza la extracción de las semillas, para luego estar ser fermentadas y secadas para la obtención de grano de Cacao. Dentro de los procesos que se realizan a los granos de cacao se encuentran las operaciones de limpieza, descascarillado, tostado y molturación, esto con el fin de obtener pasta de cacao, el cual es principal ingrediente en el chocolate, posteriormente la pasta de cacao es prensada para así obtener 2 productos, manteca de cacao y la torta de cacao, siendo esta la que se usa principalmente para la elaboración del cacao en polvo (Anónimo, 2022). El cacao se consume de varias formas, con distinto porcentaje y junto a otros ingredientes. Se puede encontrar en el mercado el cacao puro desgrasado para usos varios; en forma de soluble de cacao junto a elevadas cantidades de azúcar para acompañar la leche; para hacer a la taza y, más habitualmente, como chocolate (Lara, 2022). El cacao en polvo se usa principalmente dentro de la industria chocolatera, también para dar sabor, ya sea en: Lácteos Galletas Helados Cereales Polvos Pastelería Industrial Cremas Cosméticos 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general Desarrollar el proceso de elaboración de polvo de cacao. 2.1 Objetivos específicos Investigar el mejor proceso para elaboración de polvo de cacao. Determinar las principales condiciones de cada etapa del proceso. Realizar control de calidad al producto final a partir de los análisis fisicoquímicos (humedad, pH, %grasa) y comparar si cumplen con las especificaciones de la norma INEN. 3. METODOLOGÍA Material Ollas Tamiz Cucharas Equipos Conchadora Tostadora Triturador Estufa Prensadora Molino de acero Materia prima y aditivos Nibs de cacao Granos de cacao Pasta de cacao Lecitina de soja Azúcar 3.1 Procedimiento Diagrama de flujo de procesamiento de polvo de cacao HABAS DE CACAO FERMENTACIÒ, SECADO, SELECCIÒN, CLASIFICACIÒN, ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE, LIMPIEZA TOSTADO MOLIENDA DE NIBS 95°C/ 35 min o 120-150ºC/5-120 min no < 35°C/ 35 min. PASTA DE CACAO ALCALINIZACIÒN 1% (Bicarbonato, carbonato de calcio, NaOH) 100kg cacao/20L agua SECADO Estufa a ºT 90-100ºC/18h PRENSADO Obtiene manteca y torta de cacao (10-24% grasa) 5000psi/20min o 900kh/cm^2 CALENTAMIENTO DE LA PASTA 90-100ºC MOLIENDA (TORTA) Una vez enfriada se muele y tamiza POLVO DE CACAO ENVASADO ALMACENAMIENTO Descripción del diagrama de proceso TOSTADO (nibs): Generalmente se recibe al cacao del proceso de secado con una humedad máxima de 7%; con el tostado, se llega a un contenido de humedad máxima de 2%. El tostado es un proceso en el cual se desprende la semilla de cotiledón (Torres , 2020). MOLIENDA (nibs): La molienda se puede realizar por varias etapas para la obtención del licor de cacao. Esta operación tiene un rendimiento de 99.32%. El tamaño de partícula que se procura con este proceso varía entre los 15 y 50 mm, pero se debe tomar en cuenta que una partícula menor a 20 mm puede disminuir la eficiencia del prensado ( Fernández, 2016). ALCALINIZACIÓN: La solución saturada de álcali debe ser preparada antes de ingresar a la marmita con el licor de cacao. La solución debe tener una concentración máxima de 1.5% de carbonato de potasio. Dentro de la marmita, los componentes se calientan hasta los 90 °C; se mantiene a esta temperatura a agitación constante durante aproximadamente 8 horas. Se deben realizar cada 2 horas pruebas de pH. Se busca llegar a una alcalinización débil, donde el pH no incremente más del 21% del inicial. La alcalinización reduce la acidez del cacao, y, por lo tanto, también se incrementa el pH. Esto hace que el polvo de cacao aumente su dispersabilidad en el líquido, se cambie a diferente tonos marrones y rojizos, y el sabor sea menos del chocolate sea menos amargo (Torres , 2020). Ilustración 1.Alcalinizaciòn en distintas etapas SECADO: Secado, se efectúa en una estufa a temperaturas de 90 y 100 °C por 18 y 24 horas (Manjarrez, 2000). PRENSADO: La etapa de prensado tiene un proceso de acondicionamiento del licor alcalinizado para que esté a una temperatura entre 90-100 °C al entrar a la prensa. En la prensa, la cual ejerce una presión de 55 MPa, se comprime el licor y como productos se obtiene la manteca, la misma que es expulsada por las paredes del cilindro de prensado; por otra parte, las partículas sólidas que permanecen retenidas en el interior del filtro son lo que se conoce como torta de cacao ( Fernández, 2016). CALENTAMIENTO (pasta): La pasta se calienta a 90-100 ºC y la manteca de cacao que fluye del filtro-prensa, se limpia, se moldea y refrigera, y se emplea posteriormente para la fabricación de chocolate. El residuo que se genera en este proceso constituye la torta de cacao, y contiene entre un 10-24 % de grasa (Chilón & Chávez, 2013). MOLIENDA (torta): Se tritura la torta comprimida en un molino de cuchillas, y después se utiliza un molino de pines para pulverizar la torta y obtener el polvo de cacao que tiene un tamaño de partícula que no supera los 3 mm. El polvo de cacao obtenido tiene un porcentaje de grasa de 12% (Chilón & Chávez, 2013). TAMIZADO (Polvo): pasar el polvo por un tamiz de 100 mesh (Manjarrez, 2000). ENVASADO: colocar el polvo obtenido en envases de vidrio (Manjarrez, 2000). ALMACENAMIENTO: un lugar fresco. Formulaciones Tabla 1. Formulación 1 ADITIVO FORMULACIÓN % polvo de cacao 60 azúcar 35 maltodextrina 3 aroma artificial (ethil vainillina) 2 Tabla 2. Formulación 2 ADITIVO FORMULACIÓN % polvo de cacao 56 azúcar 40 lecitina 2 aroma artificial (ethil vainillina) 2 Tabla 3. Formulación 3 ADITIVO FORMULACIÓN % polvo de cacao 44 azúcar 50 carbonato de calcio 2 aroma artificial (ethil vainillina) 2 lecitina de soya 2 3.2 Control de calidad 3.2.1 Requisitos fisicoquímicos del cacao en polvo según el INEN La norma INEN establece los siguientes requisitos para el cacao en polvo: 3.2.1.1 Requisitos microbiológicos del cacao en polvo Tabla 4: Requisitos microbiológicos del cacao en polvo. REQUISITOS R.E.P. * COLIFORMES E. COLI SALMONELLA MOHOS Y LEVADURAS UNIDAD u.f.c**/g u.f.c**/g u.f.c**/g u.f.c**/g en 25 g u.f.c**/g MÁXIMO 10000 10 1 0 100 MÉTODO DE ENSAYO 1529 1529 1529 1529 1529 *R.E. P = Recuento estándar en placa **u.f.c = Unidades formadoras de colonias Fuente: NTE – INEN 620 (1989) Las características organolépticas del polvo de cacao dependen de su propiedades, composición y procesamiento, pero de forma general se pueden distinguir los siguientes parámetros que sirven como guía para determinar la calidad del producto, este tipo de análisis no suele ser objetivo debido a que depende de la perspectiva del panelista, por lo tanto, su criterio es tomado como referencia en comparación con un análisis cuantitativo hecho en laboratorio. 3.2.1.2 Características organolépticas cacao en polvo Las características organolépticas del polvo de cacao dependen de su propiedades, composición y procesamiento, pero de forma general se pueden distinguir los siguientes parámetros que sirven como guía para determinar la calidad del producto, este tipo de análisis no suele ser objetivo debido a que depende de la perspectiva del panelista, por lo tanto, su criterio es tomado como referencia en comparación con un análisis cuantitativo hecho en laboratorio. Tabla 5: Análisis sensorial del polvo de cacao CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS PARÁMETRO MÉTODO DESCRIPCIÓN Color Sensorial Marrón Olor Sensorial Característico, libre de olores extraños Sabor Sensorial Amargo Aspecto Sensorial Homogéneo Textura Sensorial Polvo fino al tacto, sin granos Fuente: Autores 3.2.1.3 Condiciones de envasado y almacenaje Para que el producto se mantenga en buenas condiciones el alimento deberá mantener un adecuado envasado y almacenamiento, como poseer una envoltura interna de polietileno de baja densidad de uso alimentario con un sellado de calor, en cuanto a las condiciones de almacenamiento el producto deberá mantenerse en una zona que permita la circulación de aire apropiado, libre de humedad; evitando la exposición directa al sol (Cofina, 2018). Al mantener las condiciones antes mencionadas el producto tendrá un tiempo de vida útil cercano a los 2 años a partir de su fecha de fabricación. 3.2.1.4 Muestreo El tamaño de muestra se realiza acorde a las tablas 1 y 2 señaladas en la normativa INEN 537. Se toman 360 g de muestra y se divide en 3 partes iguales, se coloca en el envase y cierra herméticamente y se envían, la primera al laboratorio, segunda al vendedor y la tercera para fines de arbitraje (INEN, 2008). 3.2.2 Procedimiento de análisis físico químico del cacao en polvo Análisis de humedad Karl Fischer Estandarizar el reactivo Karl Fischer Pesar con precisión una cantidad aproximada de 125 mg de agua, con ayuda de una jeringa de 1 ml (5 unidades) en 30 ml a 50 ml de solvente Karl Fischer pretitulado (mantener la aguja tapada excepto mientras libera agua, para evitar evaporación). Titular con el reactivo de Karl Fischer, hasta cerca del punto final, luego adicionar incrementos de 0,1 ml hasta que el último punto se mantenga por un minuto (usualmente > 50 µ Amp). Calcular C = g H2O / ml de reactivo. Fundir la muestra en una bolsa Whirl-Pak o equivalente, cerrada colocada en un vaso de 400 ml por un tiempo menor o igual de 2 horas en una estufa a 40 ± 2 °C. Homogenizar primero y apretar suavemente la bolsa y seguir agitando por 1 minuto con una varilla de vidrio o espátula. Retirar una porción con una jeringa de 10 ml, pesar (jeringa más muestra), adicionar una porción que contenga aproximadamente 100 mg de agua a 30 ml – 50 ml de reactivo pretitulado Repesar (la jeringa después de expeler la muestra). Titular como en la estandarización (INEN, 2013). Calculo: % H2O = ml de reactivo x C x 100/g muestra. Se expresa en porcentaje de agua (g de agua/100 g de muestra). Análisis de pH El pH se determinó con el procedimiento descrito en la norma AOAC (2005) 970.21. Se mezcló una muestra de 10 g de polvo de cacao triturados con 90 mL de agua hirviendo, se agitó durante 10 minutos y se filtró. Se determinó el pH con un pH-metro marca CONSORT, modelo C832. Análisis grasa Productos en Polvo: Mezclar completamente y almacenarlos en frascos con tapa hermética Pesar aproximadamente de 4 g a 5 g de cocoa en un vaso de precipitado (m2) de 300 ml – 500 ml. Añadir lentamente, mientras se agita, 45 ml de agua hirviente para conseguir una suspensión homogénea. Añadir 55 ml de hcl (8 M) (2+1) y unas virutas de Carburo de Silicio (sic), desgrasado u otro agente antiespumante y agitar. Cubrir con una luna de reloj, llevar lentamente a ebullición y hervir suavemente por 15 min. Enjuagar la luna de reloj con 100 ml de agua. Filtrar el digestado a través de un papel de filtro de flujo medio S&S 589, de 15 cm o equivalente, enjuagando el vaso 3 veces con agua. Continuar lavando hasta que la última porción del filtrado esté libre de cloruros, determinado por adición de la solución de Nitrato de plata. Transferir el papel húmedo y la muestra al dedal de extracción desgrasado y secar de 6 horas – 18 horas en un vaso pequeño a 100 ºc . Colocar un tapón de lana de vidrio sobre el papel. Añadir unas virutas de antiespumante desgrasadas al balón Soxhlet de 250 ml y secar una hora a 100 ºc. Enfriar a temperatura ambiente en un desecador y pesar (mo). Colocar el dedal que contiene la muestra seca en el Soxhlet, sosteniéndolo con las pinzas del equipo. Enjuagar el vaso de digestión, el vaso de secado y la luna de reloj con 3 porciones de 50 ml de éter de petróleo y adicionar los enjuagues al dedal. La muestra digestada se somete a reflujo durante 4 horas ajustando el calor para que el extractor sifonee ≥ 30 veces por hora o la relación de condensación de 5 – 6 gotas por segundo. Retirar el balón y evaporar el solvente en baño de vapor. Secar el balón a una temperatura de 100 ºc a 101 ºc hasta peso constante (1,5 a 2 horas). Enfriar en el desecador a temperatura ambiente y pesar (m1). El peso constante se logra cuando los periodos sucesivos de secado de 1 hora muestran una pérdida adicional < 0,05 % de grasa (INEN, 2013). Calculo El contenido de grasa de la muestra, expresado en porcentaje de masa, se calcula mediante la expresión siguiente: 3.2.3 Control de calidad para el cacao en grano Para determinar la calidad del grano de cacao previo al procesamiento de elaboración para la obtención del polvo de cacao, se siguen unas pautas establecidas que nos ayudarán a identificar el grano de una buena calidad. En este apartado se describen los pasos para el control de calidad de los granos de cacao. 3.2.3.1 Toma y preparación de la muestra a) Muestreo: La toma de la muestra deberá ser representativa del lote y no debe ser menor al 10% de la totalidad del mismo. Para seleccionar los sacos para extraer los granos, utilice un método en forma de X, L, o en zigzag, partiendo de las caras visibles de la ruma de sacos. El peso tomado por saco no deberá ser menor a 100 gramos. b) Homogenización de la muestra: Una vez obtenida la muestra representativa, esta debe ser reducida a un kilogramo por el método de cuarteo, ya sea de manera manual o mecánica. c) Identificación de la muestra: La muestra se debe rotular correctamente, incluyendo datos como: número de lote de producción, fecha de muestreo, kilogramos del lote, tipo de cacao y el responsable. 3.2.3.2 Ficha de evaluación Para un mejor control de los granos del cacao, se deben llenar fichas de evaluación en las que se evalúan diversos criterios que nos permitirán identificar el cacao de gran calidad. Una de las fichas de control de calidad que se pueden usar para este proceso, se muestra en los Anexos. 3.2.3.3 Caracterización para análisis físico químico del caco en grano Los análisis de control de calidad que se realizan para evaluar el grano de cacao son: Análisis externo del grano (olor, aroma, color, entre otros). Tamizado, residuos y material extraño. Índice de grano y de humedad. Corte de granos enteros. Corte de granos no deseados y deseados. Análisis de laboratorio de grano sano. En el siguiente cuadro se observan ejemplos de grano no deseado y grano deseado respectivamente. Tabla 4: Granos de cacao no deseados y deseados. Grano no deseado Grano deseado Grano sin fermentar. Grano sobre-fermentado. Granos mohosos. 4. RESULTADOS Para el desarrollo del presente proyecto se pusieron a aprueba 3 procesos distintos: 4.1 Proceso 1 PASTA DE CACAO 3 kg ALCALINIZACIÒ N 600 g agua + 54 g bicarbonato CONCHADO SECADO Estufa a ºT 90-100ºC/18h PRENSADO MOLIENDA ENVASADO ALMACENAMIE NTO Tabla 5. Cantidad de materia prima TRATAMIENTO ALCALINIZACIÓN REFERENCIA EXPERIMENTACIÓN 100Kg cacao/ 20L agua 3 Kg cacao/ 600g agua 1.5 % Bicarbonato 54 Bicarbonato Tabla 5. pH de materia prima y producto en proceso PROCESO 1 PROCESO pH MATERIA PRIMA 5. 00 CONCHADO 6.29 4.2 Proceso 2 NIBS DE CACAO 5 lb MOLIENDA DE NIBS CONCHADO SECADO PRENSADO Estufa a ºT 90-100ºC/18h 5000psi/20min o 900kh/cm^2 POLVO DE CACAO ENVASADO ALMACENAMIEN TO 4.3 Proceso 3 CACAO EN GRANO 5 lb TOSTADO MOLIENDA CONCHADO SECADO PRENSADO MOLIENDA POLVO DE CACAO ENVASADO ALMACENAMI ENTO Estufa a ºT 90-100ºC/18h 5000psi/20min o 900kh/cm^2 Tabla 6. Cantidad de materia prima TRATAMIENTO EXPERIMENTACIÓN CACAO EN GRANO 5 lb cacao 5. DISCUSIÓN Según los resultados se puede deducir que el primer tratamiento para la obtención de polvo de cacao a partir de la pasta de cacao y sometida a un proceso de alcalinización no género buenos resultados, ya que se no pudo realizar el prensado adecuadamente puesto que el tamaño de partícula de la torta de cacao no fue el adecuado y la malla usada para el mismo proceso fue muy fina y el producto se esparció por los lados, por lo que esta etapa marco el fin de todo el proceso. Según Beckett (2009) el tamaño de partícula entre 15 y 50 µm, es ideal para el licor que se utiliza como materia prima para elaboración de chocolate y en mayores diámetros para el licor destinado al proceso de prensado, si el tamaño de partícula del licor es menor a 20 µ puede disminuir la eficiencia del prensado, razón por la cual el proceso realizado pudo verse afectado, dado que el tamaño de partícula del licor no fue el adecuado. Según Montero (2004) la concentración ideal para alcalinización es de 1,5 % de solución saturada de Carbonato de Potasio para obtener un pH final cercano al neutro en el licor de cacao comprendido entre 6,8 y 7,5. Este proceso se realiza cuando se tiene por objeto mejorar la solubilidad del cacao en algún solvente como la leche por ejemplo. Para el tratamiento 2 se utilizaron nibs de cacao y el proceso inicio con la molienda de los nibs, pero el proceso no pudo ser efectivo debido a que usó un equipo no adecuado para este procedimiento, por lo que la elaboración se vio afectada, entonces ya no se continuo con el proceso. Para el tratamiento 3 se utilizaron granos de cacao y el proceso inicio con el tostado, molienda y posterior a este se intentó realizar el prensado sin embargo durante el efecto no se generó ningún líquido y se llevó la torta de cacao a un extractor de aceites el cual inicialmente funcionó ya que separó el líquido del sólido, sin embargo en este equipo no se puede controlar la temperatura, por ende el sólido se quemó afectando las características del producto final. El método para extracción usado en el presente proyecto no fue el más adecuado puesto que se contaba con el equipo correcto. La importancia y eficacia de este proceso está directamente relacionado tanto al equipo como a las condiciones de trabajo del mismo. Las condiciones de trabajo que generalmente se utilizan son temperaturas entre 90 y 105°C con una presión de 1,5 a 2 MPa. Cuando la presión se mantiene durante 15 minutos permite obtener tortas con 22 -24% de grasa, mientras que un ciclo de prensado aproximadamente de 25 minutos, produce una torta con 10 -12% de grasa (Venter, 2006; Beckett, 2009). 6. CONCLUSIONES Dentro de la presente practica se realizó 3 diferentes métodos para la obtención del polvo de cacao, los cuales fueron mediante conchadora, extractor de aceites esenciales y prensadora, sin embargo, con ningún método se tuvo efectividad Las muestras se vieron afectadas de manera negativa al finalizar el uso de los equipos, siendo que con la conchadora la muestra se contaminó y quedó una muestra muy refinada que no se podía usar para el consumo, la muestra que se colocó en la prensadora se salió del equipo por lo que no se pudo trabajar con dicha muestra, finalmente el equipo de aceites esenciales, logró separar la grasa y la pasta, a pesar de ello, al final se observa que la muestra que se requiere para la elaboración de polvo de cacao, se encontraba quemada, debido a que el equipo le da prioridad al aceite que se extrae. Se debe tener en cuenta la materia prima que se va a utilizar puesto que se utilizó 2 tipos de muestra de cacao amargo y semillas de cacao, sin embargo, hubo mayor dificultad al usar las semillas, al trabajar con esta muestra en la prensadora, no se pudo extraer nada. El tiempo y temperatura durante la etapa de conchado deben ser exactas para así evitar que se den alteraciones en la muestra que puedan evitar el proceso para la elaboración del cacao. No se pudo realizar un análisis de ph final, humedad y grasa en la muestra puesto que ninguna de las muestras obtenidas fue apta. 7. RECOMENDACIONES Se obtuvo formulaciones óptimas de polco de cacao al 60%, 56% y 44, conformada por la mezcla de sus aditivos (maltodetrina, lecitina, carbonato de sodio) y otros ingredientes: azúcar y lecitina de soya. La optimización aplicando superficie de respuesta, se logró a partir de las propiedades físicas. Se recomienda utilizar la mezcla de granos de distintos varietales de cacao en la formulación de chocolates para lograr productos de alta calidad, optimizándola, aplicando superficie de respuesta. Para los análisis propuestos (humedad, grasa) analizar las muestras tomando diferentes tiempos con los respectos análisis a ver si existe un margen de dispersión con respecto a los resultaos. Mantener las muestras en óptimas condiciones, donde el ambiente esté libre de la contaminación de microorganismos. Es importante que las plantaciones de cacao no se mezclen con otras frutas o vegetales ya que esta planta absorbe fácilmente los olores y sabores de su alrededor. Dependiendo de la procedencia de los granos de cacao, el chocolate exhibe diferentes características organolépticas como sabor, aroma y propiedades organolépticas, propias de los ecosistemas donde crece y sus aromas dominantes. 8. REFERENCIAS Beckett, S. (2009). Industrial Chocolate Manufacture and Use. (4ta Edición). Reino Unido: Wiley-Blackwell. Bonvehi, J. y Ventura. F. (2002).Factors Affecting the Formation of Alkylpyrazines during Roasting Treatment in Natural and Alkalized Fernández, E. (2016). Estudio del Contenido de Compuestos Bioactivos del Cacao y su Aplicación en la Obtención de un Ingrediente Rico en (Poli)fenoles para el Diseño de un Chocolate Enriquecido. Obtenido de tesisenred.net: https://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/371732/TECJF.pdf?sequen ce=1&isAllo Chilón, R., & Chávez, N. (2013). Elaboración y obtención de cacao en polvo mediante métodos comunes. Obtenido de studocu.com: https://www.studocu.com/pe/document/universidad-nacional-decajamarca/tecnologia-de-frutas-y-hortalizas/elaboracion-y-obtencion-de-cacaoen-polvo-mediante-metodos-comunes/5798159 Manjarrez, M. (2000). Alimentos Ciencia y Ingenierìa. Obtenido de file:///D:/Downloads/Alimentos_9_2_2000.pdf Torres , D. (2020). Estudio de Prefactibilidad de Planta de Procesamiento de Cacao. Obtenido de repositorio.usfq.edu.ec: https://repositorio.usfq.edu.ec/bitstream/23000/9855/1/130798.pdf Venter, M., (2006), Gas Assisted Mechanical Expression of Cocoa Nibs, (Disertación doctoral), Universidad de Twente, Paises Bajos. 9. ANEXOS Requisitos de calidad para polvo de cacao INEN 620. Ficha técnica para control de calidad