Tesis miel de caña por Wagner Naranjo A.

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE CIENCIA E INGENIERÍA EN ALIMENTOS
TEMA:
“CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA Y
TÉRMICA DE MIEL DE DOS VARIEDADES
DE CAÑA”
Trabajo de graduación, modalidad Sistema Tutorial, presentado como
requisito previo a la obtención del Título de Ingeniero en Alimentos,
otorgado por la Universidad Técnica de Ambato a través de la Facultad
de Ciencia e Ingeniería en Alimentos.
WAGNER DANILO NARANJO ACOSTA
Ambato – Ecuador
Octubre / 2008
APROBACIÓN DEL TUTOR
En calidad de tutor del trabajo de investigación sobre el tema:
“CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA Y TÉRMICA DE MIEL DE DOS
VARIEDADES DE CAÑA”, de Wagner Danilo Naranjo Acosta, egresado de la
Carrera de Ingeniería en Alimentos, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería en
Alimentos, Universidad Técnica de Ambato, certifico que el trabajo fue realizado
por la persona indicada y considero que dicho informe investigativo reúne los
requisitos y meritos suficientes para ser sometidos a la evaluación del Tribunal de
Grado, que el Honorable Consejo Directivo designe, para su correspondiente
estudio y calificación.
Ambato, Octubre del 2008
EL TUTOR
………….……………..………………………
Ing. M. Sc. Juan de Dios Alvarado
2
AUTORIA
El
presente
trabajo
de
investigación:
“CARACTERIZACIÓN
REOLÓGICA Y TÉRMICA DE MIEL DE DOS VARIEDADES
DE CAÑA”, es absolutamente original, autentico y personal, en tal
virtud, el contenido, efectos legales y académicos que se desprenden
del mismo son de exclusiva responsabilidad del autor.
Ambato, Octubre del 2008
…………………….…………………..…
Wagner Danilo Naranjo Acosta
CI: 180395147180395147-2
3
DEDICATORIA
Este trabajo dedico a Dios, con mucho cariño a mi abuelita
Clemencia; a mis padres: Francisca y Luis, por enseñarme los
secretos más grandes del mundo: amar y luchar, quienes con
mucho, sacrificio, esfuerzo, comprensión y abnegación supieron
apoyarme en la obtención de éste mi título anhelado; a mis
hermanas (os): Lida, Ángel, Rodrigo, Ramiro, Mónica, Lilia,
Gloria y Jenny, quienes con mucho afecto han estado siempre
conmigo en aquellos momentos de gloria y derrotas, siendo un
pilar fundamental para lograr esta meta; a mis sobrinas (os)
Lady, David, Emilia y Jhordan por su ternura, carisma e
inocencia; por su amor incondicional a Liliana.
Wagner
4
AGRADECIMIENTO
Dejo constancia de mi agradecimiento a:
Universidad Técnica de Ambato, a la Facultad de Ciencia e Ingeniería
en Alimentos.
Instituto Nacional Autónomo de Investigaciones Agropecuarias
INIAP.
Ing. Nelly Lara (Directora del proyecto), por sus conocimientos,
recomendaciones y acertadas opiniones brindadas durante todo el
trabajo de investigación y sobre todo por ser guía constante en la
ejecución del proyecto.
Ing. Juan de Dios Alvarado (Tutor), por su colaboración, sugerencias y
entusiasmo encomendado en la ejecución experimental, además, por
su apoyo y motivación en el momento indicado.
Ing. Jacqueline Ortiz, por la oportunidad brindada para conseguir la
opción de tesista en el INIAP.
Docentes de la primaria, secundaria y universidad, por las experiencias
y conocimientos compartidos dentro y fuera de las aulas durante la vida
estudiantil.
Amigas (os), quienes con una sonrisa supieron contagiarme de alegría:
Luis, Jorge, Cristian, Jairo, Carlos, Diego, Mónica, Marcía, Margarita,
Isabel, Lady, Viviana, Mónica y Paola; porque con ellos comparto una
etapa en el transcurso de mi vida, brindándonos amistad y cariño.
5
A todo el personal que conforman el Dpto. de Nutrición y Calidad,
quienes apoyaron desinteresadamente el proyecto y por ende la
ejecución de este trabajo, en especial a quienes me brindaron su ayuda
y amistad: Dr. Armando Rubio, Ing. Beatriz Brito, Verónica, Alejandra,
Paola, Delia, Anita, Marisol, Cristina, Gabriela, Raúl, Daniel, William y
Luis.
6
ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS
A. PRELIMINARES
Tema………………………………………………………………………………..i
Aprobación del tutor………………………………...…………………………….ii
Autoría…………………………………………………………………………....iii
Dedicatoria……………………………………………………………...………...iv
Agradecimiento……………………………………………...…………………….v
Índice general de contenidos...…………………………………………………...vii
Índice de tablas y gráficos…………………………………………………….….xv
Resumen………………………………………………………………………...xxii
B. INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1
TEMA…………...………………………...…………………….………....1
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………...…..1
1.2.1 CONTEXTUALIZACIÓN………………...………………………1
1.2.2 ANÁLISIS CRÍTICO…………………...…………..….……...…..4
1.2.3 PROGNOSIS……………………..…………………...………...…4
7
1.2.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………….5
1.2.5 INTERROGANTES.………………..………………...………..….5
1.2.6 DELIMITACIÓN DEL OBJETO DE INVESTIGACIÓN…….….5
1.3
JUSTIFICACIÓN………...………………………………………..............6
1.4
OBJETIVOS……………………………………………………...…..……8
1.4.1 GENERAL………………………………..……..……………..…..8
1.4.2 ESPECÍFICOS…………………………...…………….…...…...…9
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1
ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS…………………...………...….10
2.2
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA-CIENTÍFICA…………..…………..10
2.2.1 FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES REOLÓGICAS…..12
2.2.1.1 Tipos de fluidos…………………………………………..13
a) Fluidos newtonianos…………………………...………14
b) Fluidos no newtonianos………………………..………16
c) Fluidos viscoelásticos…………………………...……..16
2.2.1.2 Viscosidad……………………………………………..…16
2.2.1.3 Determinación de parámetros reológicos mediante
viscosímetros Brookfield…………………………….…...17
2.2.1.4 Efecto de la temperatura sobre la viscosidad……………..17
2.2.1.5 Efecto combinado de la concentración de sólidos
solubles y de la temperatura sobre la viscosidad….....…..18
2.2.1.6 Viscosidad en miel de abeja………………………..…….18
2.2.2 FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES TÉRMICAS…...…19
2.2.2.1 Calor específico (Cp)………………………………….….20
2.2.2.2 Conductividad térmica (k)……….………………………20
2.2.2.3 Difusividad térmica (α)..………………………………....20
8
2.2.3 FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES MECÁNICAS Ó
INSTRUMENTALES..…………………………….……….…….21
2.2.3.1 Densidad………………………………..………………..21
2.2.3.2 Consistencia……………………………..………….……22
2.2.4 FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES ÓPTICAS…..……22
2.2.4.1 Color……………………………………………………..22
2.2.4.2 Claridad…………………………………………………..23
2.2.5 FUNDAMENTOS SOBRE BALANCE DE MATERIA Y
ENERGÍA……………………………………………………...…23
2.2.5.1 Balance de materia………………………….…………....23
2.2.5.2 Balance de energía……………………………….………24
2.2.6 FUNDAMENTOS SOBRE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA...24
2.3
CATEGORÍAS FUNDAMENTALES……………………………….......25
2.4
HIPÓTESIS……….. ………………………………………………….....25
2.4.1 Hipótesis nula………………………………………………………25
2.4.2 Hipótesis alternativa……………………………………..…………25
2.5
SEÑALAMIENTO DE VARIABLES………………………...…………26
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
3.1
MODALIDAD BÁSICA DE LA INVESTIGACIÓN………….….....….27
3.2
NIVEL Ó TIPO INVESTIGACIÓN……………………………..............27
3.3
POBLACIÓN Y MUESTRA …………………...…………………..…...27
3.4
OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES……..…………………....29
3.5
PLAN DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN…..…………......32
3.5.1 MANEJO ESPECÍFICO DEL EXPERIMENTO……...…………32
3.5.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE JUGO
Y MIEL……………………….…………..………………………34
3.5.2.1 Recepción………………………...……………………….34
9
3.5.2.2 Selección…………………………...……………………..34
3.5.2.3 Lavado………………………………...………………….34
3.5.2.4 Descortezado……………………………………………...35
3.5.2.5 Partido…………………………………………………….35
3.5.2.6 Extracción………………………...………………………35
3.5.2.7 Filtración………………………………………………….36
3.5.2.8 Concentración…………………………………………….36
3.5.2.9 Enfriado, envasado y almacenado…….....……………….37
3.5.3 MÉTODOS DE EVALUACIÓN………………..…………….....37
3.5.3.1 Propiedades físicas y químicas del jugo y miel de caña….37
a)
Solubles……………………………...………...37
Sólidos
b) pH……………………………...……...…………….....38
c) Azúcares Invertidos…………………...……………….38
d) Acidez Titulable (% de ácido aconítico)………...……39
e) Humedad……………………………..……………...…40
3.5.3.2 Análisis de macro y micro constituyentes……...…….…..40
3.5.3.3 Propiedades reológicas………………...……………..…..40
a) Viscosidad…………………...……………...........…….40
3.5.3.4 Propiedades térmicas………………...………………..….42
a) Calor específico………………...……………………...42
b) Difusividad térmica…………...…………….…………42
3.5.3.5 Propiedades mecánicas………………..…………….……43
a) Consistencia (Consistómetro Bostwick).………………43
b) Consistencia (Texturómetro TA-XT2i)…..……………44
c) Densidad………………………..…………….………..46
3.5.3.6 Propiedades ópticas………………...………………….….46
a) Color………………………..………………….............46
b) Claridad……………………...……………………...…47
10
3.5.3.7 Balance de materia y energía…………...…………….…..47
a) Balance de materia………………..…………..………..47
b) Balance de energía…………………..……...………….48
3.5.3.8 Conductividad eléctrica……………………..………..…..49
3.6
PLAN DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN………..…….49
3.6.1 CÁLCULOS……………………………………………..…..…...49
3.6.1.1 Parámetros reológicos…………………………………….49
a) Viscosidad………………………………...……………49
3.6.1.2 Propiedades térmicas…………………..……………...….52
a) Calor específico………………...………….…………..52
b) Difusividad térmica…………..………….………….…54
c) Conductividad térmica………...……………..………...55
3.6.1.3 Balance de materia y energía………..……………………55
a) Balance de materia…………...…….…………………..55
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
4.1
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS……………..…………....…..57
4.1.1 JUGO CAÑA.………………………………………...……..……57
4.1.1.1 Sólidos solubles………………………………..……..…..57
4.1.1.2
pH………………………………………………...….……57
4.1.1.3 Acidez titulable…………………………………...……....58
4.1.1.4 Humedad………………………………………......……...58
4.1.1.5 Azúcares invertidos……………………………...…....….58
4.1.2 MIEL CAÑA…………………………………………….…….…58
4.1.2.1
pH………………………………………………...….…....59
11
4.1.2.2 Acidez Titulable………………………………….……….59
4.1.2.3 Humedad…………………………………………..……...59
4.1.2.4 Azúcares Invertidos……………………………..……......59
4.2
ANÁLISIS DE MACRO Y MICRO ELEMENTOS……………...…..…60
4.2.1 CAÑA DESCORTEZADA………………………………...….....60
4.2.1.1 Análisis proximal……………………………………....…60
4.2.1.2 Minerales…………………………………………..…......60
4.2.1.3 HPLC……………………………………………………..61
4.2.1.4 Azúcares totales y reductores……………………..….…..61
4.2.2 JUGO DE CAÑA…………………………………………..….…61
4.2.2.1 Minerales…………………………………………….....…61
4.2.2.2 HPLC……………………………………………….....….61
4.2.2.3 Azúcares totales y reductores………………………….....62
4.2.3 MIEL DE 70ºBrix………………………………………………...62
4.2.3.1 Análisis proximal…………………………...………….....62
4.2.3.2 Minerales……………………………………..…………..62
4.2.3.3 HPLC…………………………………………...…..….…62
4.2.3.4 Azúcares totales y reductores……………………..……...63
4.3
PROPIEDADES REOLÓGICAS…………………………………….......63
4.3.1 COMPORTAMIENTO VISCOSÍMETRICO……………………63
4.3.2 VISCOSIDAD (µ)………………………………………………..63
4.3.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA………………...………..….65
4.3.4 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN…………..…………...…65
4.3.5 ENERGÍA DE ACTIVACIÓN………………………..………....66
4.4
PROPIEDADES TÉRMICAS……………………………...…………….67
4.4.1 CALOR ESPECÍFICO (Cp)…………………………………...….67
4.4.1.1 Efecto de la concentración………………………….…….67
4.4.2 DIFUSIVIDAD TÉRMICA (α)……………………………...…...68
12
4.4.2.1 Efecto de la concentración…………………...……….…..69
4.4.3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (k)…………………..…………69
4.4.3.1 Efecto de la concentración……………...………………...70
4.5
PROPIEDADES MECÁNICAS…………………..…………………..…71
4.5.1 CONSISTENCIA (Consistómetro Bostwick)……………..…..…71
4.5.1.1 Efecto de la concentración………………...…………..….71
4.5.1.2 Efecto de la temperatura……………………...………..…72
4.5.2 CONSISTENCIA (Texturómetro TA-XT2i)………...………...…72
4.5.3 DENSIDAD (ρ)…………………………………………...…..….73
4.5.3.1 Efecto de la concentración…………………………….….74
4.5.3.2 Efecto de la temperatura………………………………….74
4.6
PROPIEDADES ÓPTICAS………………………………………..…….75
4.6.1 COLOR………………………………………………...………....75
4.6.1.1 Efecto de la concentración………………………………..75
4.6.1.2 Efecto de la temperatura…………..………….…………..76
4.6.2 CLARIDAD……………………...…………………….………....77
4.6.2.1 Efecto de la concentración……………………..………....77
4.6.2.2 Efecto de la temperatura……………………………..…...78
4.7
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA…………………………...…..78
4.7.1 BALANCE DE MATERIA……………………………...…….…78
4.7.2 BALANCE DE ENERGÍA……………………………..………..78
4.8
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA…...……………………..…………..79
4.8.1 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN……………..…….……..79
4.8.2 EFECTO DE LA TEMPERATURA………………….……….…80
13
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1
CONCLUSIONES……………………………………...……………..….81
5.2
RECOMENDACIONES………………..……………………………..…85
CAPÍTULO VI
PROPUESTA
6.1
PROPUESTA…………………..……………………..……………….…86
C. MATERIALES DE REFERENCIA
1.
BIBLIOGRAFÍA……………...……………………………………...…104
2.
ANEXOS………………………...………………………………….......110
ANEXOS
ANEXO 1:
TABLAS
ANEXO 2:
GRÁFICOS
ANEXO 3:
MÉTODOS
14
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.
Categorías fundamentales.
Tabla 2.
Señalamiento de variables.
Tabla 3.
Descripción de variables, factores y niveles en estudio para miel de
caña.
Tabla 4.
Esquema de Análisis de Varianza (ADEVA).
Tabla 5.
Tratamientos obtenidos por combinación de factores y niveles, y
descripción.
Tabla 6.
Operacionalización de variables independientes.
Tabla 7.
Operacionalización de variables dependientes.
Tabla 8.
Datos de %FS registrados con un viscosímetro rotacional
Brookfield en muestras de miel de caña POJ 28-78.
Tabla 9.
Datos de %FS registrados con un viscosímetro rotacional
Brookfield en muestras de miel de caña POJ 27-14.
Tabla 10.
Reporte de valores de torque (Ω) calculados en muestras de miel de
caña POJ 28-78.
Tabla 11.
Reporte de valores de torque (Ω) calculados en muestras de miel de
caña POJ 27-14.
Tabla 12.
Datos de los rotores del viscosímetro Brookfield.
Tabla 13.
Reporte de valores de esfuerzo de cizalla calculados en muestras de
miel de caña POJ 28-78.
Tabla 14.
Reporte de valores de esfuerzo de cizalla calculados en muestras de
miel de caña POJ 27-14.
Tabla 15.
Reporte de valores calculados de velocidad de deformación en
cizallamiento (γ) a diferentes concentraciones y rpm.
Tabla 16.
Reporte de temperaturas y masa del agua, y temperaturas de
equilibrio del conjunto.
Tabla 17.
Factor de corrección para el calor específico (Cp) con los
calorímetros utilizados.
Tabla 18.
Reporte de temperaturas y masa del agua y miel, y temperaturas de
equilibrio del conjunto para calcular el calor especifico.
15
Tabla 19.
Reporte de temperaturas a intervalos de 15 segundos, en muestras
de miel de la variedad POJ 28-78.
Tabla 20.
Reporte de temperaturas a intervalos de 15 segundos, en muestras
de miel de la variedad POJ 27-14.
Tabla 21.
Características físicas y químicas en muestras de jugo de caña.
Tabla 22.
Características físicas y químicas en muestras de miel de caña.
Tabla 23.
Resultados de los análisis realizados en muestras de caña
descortezada.
Tabla 24.
Resultados de los análisis realizados en muestras de jugo de caña.
Tabla 25.
Resultados de los análisis realizados en muestras de miel de caña a
70ºBrix.
Tabla 26.
Viscosidad (µ) de miel en función de la variedad de caña,
concentración y temperatura.
Tabla 27.
Análisis de varianza de la viscosidad de miel de caña.
Tabla 28.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente
viscosidad (µ).
Tabla 29.
Ecuaciones lineales, para calcular la viscosidad (µ) mPa∗s, en miel
de dos variedades de caña a 50, 60 y 70ºBrix, en función a la
temperatura entre 35 y 55ºC
Tabla 30.
Ecuaciones reciproco en Y, para calcular la viscosidad (µ) mPa∗s,
en miel de dos variedades de caña a 35, 45 y 55ºC, en función a la
concentración entre 50 y 70ºBrix.
Tabla 31.
Valores de energía de activación (Ea) kJ/mol, calculados en un
intervalo de 35 a 55ºC, en muestras de miel de dos variedades de
caña para tres concentraciones.
Tabla 32.
Calor específico (Cp) en muestras de miel en función a la variedad
de caña y concentración.
Tabla 33.
Análisis de varianza del calor específico de miel de caña.
Tabla 34.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente calor
específico (Cp).
Tabla 35.
Ecuaciones exponenciales, para calcular el calor especifico (Cp)
kJ/kgºC, en función de la concentración entre 50 y 70ºBrix.
Tabla 36.
Difusividad térmica (α) en muestras de miel en función a la
variedad de caña y concentración.
Tabla 37.
Análisis de varianza de la difusividad térmica de miel de caña.
16
Tabla 38.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente
difusividad térmica (α).
Tabla 39.
Ecuaciones lineales para calcular difusividad térmica (α) m2/s, en
función a la concentración entre 50 y 70ºBrix.
Tabla 40.
Conductividad térmica (k) en muestras de miel en función a la
variedad de caña y concentración.
Tabla 41.
Análisis de varianza de la conductividad térmica de miel de caña.
Tabla 42.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente
conductividad térmica (k).
Tabla 43.
Ecuaciones lineales para calcular conductividad térmica (k) en
función a la concentración entre 50 y 70ºBrix.
Tabla 44.
Consistencia de miel en función de la variedad de caña,
concentración y temperatura, obtenido mediante un consistómetro
Bostwick.
Tabla 45.
Análisis de varianza de la consistencia en miel de caña, obtenido
mediante un consistómetro Bostwick.
Tabla 46.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente
consistencia en muestras de miel de caña, obtenido mediante un
consistómetro Bostwick.
Tabla 47.
Ecuaciones para calcular consistencia en cm∗30s, en muestras de
miel de caña en función de la concentración entre 50 y 70ºBrix,
obtenido mediante un consistómetro Bostwick.
Tabla 48.
Ecuaciones para calcular consistencia en cm∗30s, en muestras de
miel de caña en función de la temperatura (ºC), obtenido mediante
un consistómetro Bostwick.
Tabla 49.
Valores de firmeza, consistencia, cohesividad y resistencia al flujo
de muestras de miel en función de la variedad de caña,
concentración y temperatura, obtenidos del texturómetro TA-XT2i.
Tabla 50.
Densidad (ρ) de miel de dos variedades de caña en función a la
concentración y temperatura.
Tabla 51.
Análisis de varianza de la densidad de miel de caña.
Tabla 52.
Prueba de diferenciación Tukey para la variable dependiente
densidad en muestras de miel de caña.
Tabla 53.
Ecuaciones para calcular la densidad (kg/m3) de la miel en función
de la concentración (ºBrix).
17
Tabla 54.
Ecuaciones para calcular la densidad (kg/m3) de la miel en función
de la temperatura (ºC).
Tabla 55.
Datos de color (absorbancia) en muestras de miel en función de la
variedad de caña, concentración y temperatura.
Tabla 56.
Análisis de varianza del color (absorbancia) de miel de caña.
Tabla 57.
Prueba de diferenciación Tukey para el color (absorbancia) en
muestras de miel de caña.
Tabla 58.
Ecuaciones para calcular valores de absorbancia en muestras de
miel en función de la concentración (ºBrix).
Tabla 59.
Ecuaciones para calcular los valores de absorbancia en muestras de
miel de caña en función de la temperatura en un intervalo de 35 a
55ºC.
Tabla 60.
Datos de claridad (transmitancia) en muestras de miel en función
de la variedad de caña, concentración y temperatura.
Tabla 61.
caña.
Análisis de varianza de la claridad (transmitancia) de miel de
Tabla 62.
Ecuaciones para calcular valores de transmitancia (%) en muestras
de miel de caña en función de la concentración (ºBrix).
Tabla 63.
Ecuaciones para calcular los valores de transmitancia (%) en
muestras de miel de caña en función de la temperatura (ºC).
Tabla 64.
Datos registrados de concentración (ºBrix) a diferentes tiempos (s)
y caudales (ml∗s), en muestras de miel de caña.
Tabla 65.
Reporte de concentración inicial (g/ml) a diferentes tiempos (s) y
caudales (ml∗s), en muestras de miel de caña.
Tabla 66.
Concentración de las muestras de miel de caña, a un tiempo dado
(g/ml) a diferentes caudales.
Tabla 67.
Ecuaciones para calcular Ct (g/ml) en muestras de miel de caña en
un intervalo de 0s a 1360s.
Tabla 68.
Temperatura (ºC) media a diferentes tiempos (s) en muestras de
miel de la variedad POJ 28-78.
Tabla 69.
Temperatura (ºC) media a diferentes tiempos (s) en muestras de
miel de la variedad POJ 27-14.
Tabla 70.
Datos de conductividad eléctrica en muestras de miel en función de
la variedad de caña, concentración y temperatura.
Tabla 71.
Análisis de varianza de conductividad eléctrica (mS/cm)
muestras de miel de caña.
18
en
Tabla 72.
Prueba de diferenciación Tukey para conductividad eléctrica en
muestras de miel de caña.
Tabla 73.
Ecuaciones para calcular valores de conductividad eléctrica en
muestras de miel de caña en función de la concentración (ºBrix).
Tabla 74.
Ecuaciones para calcular conductividad eléctrica (mS/cm)
muestras de miel de caña en función de la temperatura (ºC).
ÍNDICE DE GRÁFICOS
19
en
Gráfico 1.
Comportamiento newtoniano en miel de caña de la variedad POJ
28-78 a 70ºBrix y diferentes temperaturas.
Gráfico 2.
Esfuerzo de cizallamiento (τ) y velocidad de deformación en
cizallamiento (γ); de miel de caña de la variedad POJ 28-78 a
70ºBrix y diferentes temperaturas.
Gráfico 3.
Relación entre esfuerzo de cizallamiento (τ) y velocidad de
deformación en cizallamiento (γ); en miel de la variedad POJ 28-78
a 50ºBrix. Determinación de tixotropía; CC: Ciclo creciente y CD:
Ciclo decreciente.
Gráfico 4.
Viscosidad de miel de caña de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14
a 50ºBrix de concentración en función de la temperatura.
Gráfico 5.
Viscosidad de miel de caña de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14
a 35ºC de temperatura en función de la concentración.
Gráfico 6.
Calor específico (Cp) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 en función de la concentración.
Gráfico 7.
Difusividad térmica (α) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 en función de la concentración.
Gráfico 8.
Conductividad térmica (k) en miel de caña de la variedad POJ 2878 y POJ 27-14 en función de la concentración.
Gráfico 9.
Consistencia (cm*30s) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración.
Gráfico 10.
Consistencia (cm*30s) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 50ºBrix en función de la temperatura.
Gráfico 11.
Densidad en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14 a
35ºC en función de la concentración.
Gráfico 12.
Densidad en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14 a
50ºBrix en función de la temperatura.
Gráfico 13.
Color (absorbancia) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración.
Gráfico 14.
Color (absorbancia) en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 50ºBrix en función de la temperatura.
Gráfico 15.
Claridad (transmitancia) en miel de caña de la variedad POJ 28-78
y POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración.
Gráfico 16.
Claridad (transmitancia) en miel de caña de la variedad POJ 28-78
y POJ 27-14 a 50ºBrix en función de la temperatura.
Gráfico 17.
Variación de la concentración (g/ml) a un tiempo (s) dado, a
diferentes caudales (ml/s).
20
Gráfico18.
Evolución de la temperatura en muestras de miel de caña de la
variedad POJ 28-78 en relación al tiempo de calentamiento.
Gráfico 19.
Conductividad eléctrica en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración.
Gráfico 20.
Conductividad eléctrica en miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 a 50ºBrix en función de la temperatura.
Gráfico 21.
Relación entre la fuerza máxima positiva (firmeza), el área
(consistencia), la máxima fuerza negativa (cohesividad) y el área
negativa (resistencia al flujo) en muestra de miel de caña de la
variedad POJ 27-14 a 70ºBrix y 35ºC.
Gráfico 22.
Relación entre la fuerza máxima positiva (firmeza), el área
(consistencia), la máxima fuerza negativa (cohesividad) y el área
negativa (resistencia al flujo) en muestra de miel de caña de la
variedad POJ 27-14 a 60ºBrix y 35ºC.
21
RESUMEN
La miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14) a tres
concentraciones de sólidos solubles (50, 60 y 70ºBrix) y tres temperaturas (35, 45
y 55ºC) fue ensayada para evaluar su influencia sobre la viscosidad como
propiedad reológica, la consistencia en función a parámetros de textura, la
densidad, color, turbidez y conductividad eléctrica. Manteniendo la temperatura
constante a 70ºC, las propiedades térmicas: calor específico, difusividad y
conductividad térmica fueron determinadas en los tratamientos de miel por
variedad de caña y por contenido de sólidos solubles. Además, las muestras
fueron sometidas
a análisis químicos como: pH, acidez titulable (% ácido
aconítico), humedad (%) y azúcares invertidos (mg/100ml) fueron medidos a
diferentes concentraciones (50, 60 y 70ºBrix). Adicionalmente, se determinó el
contenido de macro y micro constituyentes en la miel de caña de 70ºBrix.
Los resultados reológicos indicaron que las muestras de miel tuvieron
comportamiento newtoniano. La viscosidad varió por efecto del contenido de
sólidos solubles y la temperatura entre 1,83 mPa∗s a 105,26 mPa∗s, siendo
valores significativos (p≤0,05). Los valores de consistencia representados por la
distancia recorrida (cm) de las muestras de miel de caña en 30 segundos, y por
efecto de la concentración y temperatura; la consistencia varió estadísticamente
(p≤0,05) desde 11,9 cm a 22,9 cm. La densidad es influencia significativamente
(p≤0,05) por la concentración y temperatura, los valores se encuentran en un
intervalo de 1213,3 kg/m3 a 1357 kg/m3. Las propiedades ópticas, en la claridad
no se encuentra diferencia significativa (p≥0,05) para los factores variedad de
caña, concentración y temperatura, y se encuentra en un intervalo de 58,8% a 75%
de transmitancia; en cambio, el color presentó lecturas de absorbancia entre 0,277
y 0,411 y por efecto de la concentración y temperatura son valores significativos
(p≤0,05). Estadísticamente (p≤0,05), la conductividad eléctrica de la miel es
influenciada por los factores concentración y temperatura, los valores están entre
0,15 mS/cm y 0,69 mS/cm. El calor específico de la miel está entre 2,66 kJ/kg°C
y 2,89 kJ/kg°C y las variaciones debidas a la concentración fueron
estadísticamente significativas (p≤0,05). La difusividad térmica con la variación
22
de 1,07∗10-7 m2/s a 1,48∗10-7 m2/s fue significante (p≤0,05) entre variedades y
niveles de sólidos solubles. La conductividad térmica se encuentra en un
intervalo de 0,387 W/mºC a 0,526 W/mºC dependiendo de la variedad de caña y
concentración siendo este último un factor significativo (p≤0,05).
El pH de la miel varía desde 5,38 a 5,64; la acidez titulable fue de 0,71% a 1% de
ácido aconítico; la humedad está entre 29,98% y 50,18% y el contenido de
azúcares invertidos varió de 195,53 mg/100ml a 257 mg/100ml dependiendo de la
concentración. Estadísticamente, al aplicar la prueba de comparación t “Student”,
no se encontró diferencia significativa (p≥0,05) entre las muestras de miel de las
dos variedades de caña analizadas a la misma concentración. La miel de caña de
70ºBrix tiene 30,19% y 31,74% de humedad, los elementos libres de nitrógeno en
base seca, representando a los azúcares están entre 99,28% y 99,20%. El resto de
componentes están alrededor de 0,30% y 0,41% de ceniza, 0,07% y 0,03% de
extracto etéreo, 0,29% y 0,28% de proteína y 0,06% y 0,08% de fibra en la
variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente. El calcio, fósforo, magnesio,
potasio y sodio son los minerales dominantes en las muestras de miel de la
variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, en cambio el cobre, hierro y manganeso se
encuentran en menor proporción. La sacarosa con 62,55% y 64,33% es el azúcar
dominante que se encuentra en la miel, seguido de la fructosa con 2,47% y 2,24%
y de la glucosa con 2,44% y 2,21% de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14,
respectivamente. El contenido de azúcares totales es de 96,53% y 96,44%; en
cambio el contenido de azúcares reductores es de 1,48% y 1,43% para la variedad
POJ 28-78 y la variedad POJ 27-14, respectivamente.
La viscosidad sirve como parámetro de control de calidad y en el caso de las
propiedades mecánicas y térmicas para el diseño y construcción de equipos
específicos para elaborar miel de caña como un producto nuevo en el mercado.
23
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1
TEMA
Por la escasa producción de miel de caña en nuestro país, y por la poca
variabilidad de productos obtenidos a base de caña de azúcar, no se ha estudiado
profundamente las propiedades físicas y químicas de la caña, jugo y miel
específicamente en la POJ 28-78 y POJ 27-14 que son las variedades que utilizan
las paneleras artesanales del sector de Ingapi en Pacto.
Entonces, la producción de miel de caña es otra alternativa de explotación a nivel
artesanal e industrial, ya sea como producto final y/o como ingrediente, por lo
cual, el conocimiento del comportamiento físico y químico de la miel, contribuye
al mejor aprovechamiento para la superación de limitaciones que impiden la
calidad total de los productos, el desarrollo de nuevos productos y en ciertos casos
como controlador de calidad.
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1
CONTEXTUALIZACIÓN
En el contexto mundial, como miel, tradicionalmente se identifica al producto
extraído de los panales de abejas (Apis mellifera). Turquía, es uno de los
principales productores de miel de abeja en el mundo y debido a la escasa
información sobre las características reológicas, un estudio reciente muestra la
variación de la viscosidad entre 20,8 Pa∗s y 101 Pa∗s, de acuerdo al tipo de miel
de Turquía y al intervalo de temperatura (10-40ºC) utilizado (Kayacier y
colaboradores, 2008).
24
En otros estudios también se refleja, la importancia de evaluar las propiedades
reológicas y térmicas de la miel producida en diferentes países como: India
(Ahmed y colaboradores, 2007), Argelia (Ouchemoukh y colaboradores, 2007),
Polonia (Juszczak and Fortuna, 2006), Korea (Yoo, 2004), Grecia (Lazaridou y
colaboradores, 2004), Australia (Sopade y colaboradores, 2003; Mossel y
colaboradores, 2000; Bhandari y colaboradores, 1999), Brasil (Sabato, 2004),
Jordania (Zaitoun, 2001), China (Junzheng y Changying, 1998). Conocer las
propiedades reológicas y térmicas en miel es muy importante dentro de la
aplicación práctica porque pueden ser utilizadas como parámetros controladores
de calidad en los procesos donde la miel es incluida como ingrediente de
productos alimenticios (Sopade y colaboradores, 2004).
Entre otros de productos edulcorantes con apariencia comparable a la miel son la
denominada miel de maple mayormente producida en Canadá (internet1 y
internet3), la miel de caña conocida en Estados Unidos (internet2) y actualmente,
producida en Colombia bajo patente (internet4). En Ecuador es de uso tradicional
la miel elaborada a partir de los bloques o “atados” de panela, para acompañar
diversos postres (internet5 y internet6); sin embargo este tipo de edulcorante local
técnicamente significa reproceso de panela sin llegar a la solidificación (internet7),
por tal motivo y debido a la demanda en mercados internacionales, uno de los
ingenios azucareros ecuatorianos ha incorporado la línea de producción de miel de
caña (internet8).
Al ser evaporado y concentrado el jugo de caña, se estima que adquiere
propiedades reológicas y térmicas diferentes al del resto de jugos debido al
contenido alto de sacarosa y el nivel bajo de sólidos insolubles. De ahí la
importancia de establecer las bases y los criterios técnicos en miel de caña, que
por ejemplo han permitido el diseño, el dimensionamiento de los equipos, y líneas
del proceso para la Planta Procesadora “Palmasola” en el estado de Falcón,
Venezuela (Crasto y colaboradores).
Gómez y colaboradores (2004), reportan que las mieles de bosque, identificadas
específicamente como “Miel de Galicia” muestran un grado de tixotropía muy
leve, por ello se comportan como fluidos de tipo no Newtoniano pseudoplástico,
25
cuando son sometidas a gradientes bajos de velocidad. Cuando el gradiente de
velocidad se incrementa, las mieles adoptan un comportamiento de carácter
newtoniano. Los valores de viscosidad aparente son relativamente parejos debido
a que sus contenidos en agua y en azúcar son similares. El estudio de la
caracterización viscosimétrica de miel, indica que a temperaturas bajas se produce
un gran descenso de la viscosidad aparente, mientras que a temperaturas más
elevadas, dicho decrecimiento es prácticamente despreciable.
El estudio de las propiedades reológicas de miel a nivel latinoamericano se
considera básico en la ingeniería de procesos para el diseño de plantas, en el
cálculo de requerimiento de bombeo; para establecer las dimensiones de tuberías y
válvulas; para realizar mezclas y para el cálculo de operaciones básicas con
transferencia de calor, masa y cantidad en movimiento (Alvarado, 1996). Además,
en varios procesos la viscosidad es una propiedad fundamental que se utiliza
como controlador de calidad (Gómez y colaboradores, 2004).
Ecuador, presenta información de caracterización reológica sobre productos
lácteos, pulpas de frutas, aceites vegetales, jaleas y preparados con frutas
(Alvarado y Aguilera, 2001). Además, Alvarado (1996), presenta un modelo
exponencial correspondiente a cinco frutas (lima, limón, mandarina, naranja y
toronja) que relaciona la temperatura absoluta con el contenido de sólidos
solubles.
Estudios realizados en mieles de Apis mellifera evidencian que las propiedades
térmicas se ven influenciadas por las condiciones de presión y actividad de agua.
En estas mieles la conductividad térmica esta en un intervalo de 0,306 W/m∗ºC a
0,320 W/m∗ºC, que resulta de interés en los procesos de transformación. En
mieles que presenten el mismo tipo de componentes y por ende composiciones
análogas, los valores de Cp, no presentan variaciones significativas en los valores
de conductividad térmica, como si ocurre cuando el contenido de sólidos totales,
cantidad de nitrógeno proteico y humedad cambian significativamente entre sí,
afectando al valor final de la conductividad. Para las zonas de vida de bosque seco
y húmedo del montano bajo en el departamento de Boyacá, el intervalo
predominante de calor específico corresponde a 1,920 kJ/kg∗K y 1,960 kJ/kg∗K.
26
La difusividad térmica está definida por la relación entre la conductividad térmica
y el calor específico, multiplicado por su densidad. Esta propiedad aporta
información a cerca de la velocidad con la cual la miel es calentada o enfriada. El
punto de congelación de una solución de miel al 15% está en un intervalo de 1,42°C a -1,53°C, mientras que en soluciones al 68% están en el orden de -5,8ºC
(Salamanca y colaboradores, 2004).
1.2.2
ANÁLISIS CRÍTICO
El conocimiento de las propiedades físicas y químicas de la miel, son importantes,
puesto que los resultados de las características reológicas y térmicas permitirán:
Controlar la calidad de la miel, esto se logrará con la medida de la
viscosidad como parámetro reológico, dicha información aportará a las
plantas paneleras artesanales del sector, en los productos elaborados a
base de caña.
Diseñar y construir sistemas de bombeo y
para la construcción de
equipos que permitirán procesar miel de caña, esto se logrará con los
resultados obtenidos del estudio de las propiedades térmicas.
Entonces, con los resultados de las propiedades físicas y químicas de la caña, jugo
y miel estaremos aportando en el ámbito tecnológico para el sector alimentario de
nuestro país.
1.2.3
PROGNOSIS
La no recolección de la información sobre las propiedades físicas y químicas en
miel de caña, especialmente la POJ 28-78 y POJ 27-14 siendo las variedades que
utilizan las plantas paneleras artesanales del sector de Ingapi en Pacto, no
facilitará el diseño y elaboración de nuevos productos, tampoco se podrá utilizar
como ingrediente ó como materia prima de otros productos y mucho menos en el
diseño y construcción de equipos específicos para la elaboración de miel de caña.
Además, los pequeños paneleros artesanales del sector estarán influenciados en el
mercado, puesto que uno de sus objetivos es expender miel de caña como
27
producto nuevo y otros productos elaborados a base de miel, de esta manera la
caña no estará direccionada solamente a la elaboración de panela y azúcar como
ocurre en la actualidad.
Provocaríamos también un mínimo avance en el ámbito tecnológico y
específicamente estaríamos desaprovechando la oportunidad de superación de los
productores paneleros artesanales de nuestro país, puesto que en el mercado
nacional e internacional la competencia es en relación a la calidad e innovación de
productos.
1.2.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Este trabajo de investigación se orienta al estudio de:
“Caracterización reológica y térmica de miel de dos variedades de caña”
1.2.5
INTERROGANTES
¿Cuál es el efecto de la concentración y la temperatura sobre las propiedades
físicas, químicas, mecánicas y ópticas expresadas como viscosidad, consistencia,
densidad, claridad, color y conductividad eléctrica de miel de dos variedades de
caña?
¿Cuál el efecto de la concentración sobre las propiedades térmicas expresadas
como calor específico, conductividad y difusividad térmica de miel de dos
variedades de caña?
1.2.6
DELIMITACIÓN DEL OBJETO DE INVESTIGACIÓN
Área
:Investigación en ingeniería de procesos de alimentos
Sub-área
:Ingeniería de procesos sobre propiedades reológicas y
m
térmicas en miel de caña.
Sector
:Agroindustrial
Sub-sector
:Diseño y desarrollo de procesos y productos en plantas
m
paneleras artesanales de Ingapi en Pacto.
28
1.3
JUSTIFICACIÓN
Partiendo de la alta producción de caña de azúcar en nuestro país, a más de su
valor energético y del contenido nutricional que presentan productos obtenidos a
base de caña (azúcar no refinado y panela), se plantea la caracterización
experimental de las propiedades reológicas y térmicas de miel de caña por efecto
de la variación en temperatura y concentración.
La necesidad inmediata de las unidades paneleras artesanales del país es
incrementar la variedad de productos de la caña de azúcar en el mercado nacional
e internacional. Por ello, la miel de caña como nuevo producto será caracterizado
con base a las propiedades físicas, reológicas y térmicas, representando un avance
académico a estudios ya realizados en mieles. La disponibilidad de esta
información permitirá, a los diseñadores e instaladores de sistemas de transporte
para este tipo de fluidos, establecer el equipamiento requerido a nivel de planta.
Ya que, la falta de previsión de los aspectos técnicos relacionados al
desplazamiento de fluidos y a la transferencia de calor puede provocar efectos
negativos en el producto final.
Por la escasa investigación sobre el uso de la miel de caña en los procesos de
mezclado con otros fluidos, transporte y calentamiento, se justifica la aplicación
de métodos experimentales de Ingeniería en Alimentos para caracterizar las
propiedades reológicas y térmicas de miel de dos variedades de caña. Las
propiedades de transmisión de calor y desplazamiento del fluido aportan con la
información de base para los balances de materia y energía durante los procesos
de calentamiento y mezclado.
La experimentación a escala productiva a cualquier nivel de especialización
(pequeña o gran escala) requiere de recursos económicos adicionales, es por ello
que, en este estudio se enfoca la aplicación de métodos de práctica académica,
sencillos y de fácil control en Ingeniería de Alimentos para potenciar la
explotación de miel de caña en el sector productivo panelero y azucarero del
Ecuador.
29
Alvarado y Aguilera (2001), citan que las propiedades
reológicas de los
alimentos fluidos se cuantifican mediante parámetros, que son necesarios para
solucionar problemas que se presentan en varios aspectos que tienen relación con
la obtención de un producto alimenticio como son:
Control de calidad.
Evaluación de la aceptación por el consumidor.
Evaluación de la textura.
Diseño de procesos y control.
Determinación de la textura del alimento, incluyendo cambios
fisicoquímicos que ocurren durante el proceso de elaboración y
almacenamiento.
Evaluación del tiempo o de vida útil.
Pelegrine y colaboradores, 2002; Rao, 1999; Manohar y colaboradores, 1998;
Steffe, 1996; puntualizan la importancia de las propiedades reológicas en la
industria de alimentos,
refiriéndose a la evaluación de textura y valoración
sensorial.
Muller en 1973, justifica el estudio del comportamiento reológico de los
alimentos. Entre ellos cita razones fundamentales:
Contribuye al conocimiento de su estructura.
Control de procesos.
Diseño de maquinaría.
Influencia en la aceptación del producto.
La industria azucarera en nuestro país ocupa un lugar privilegiado en la economía
nacional. Las paneleras artesanales en vista de mejorar el rendimiento y la
eficiencia, están en la necesidad de conocer las propiedades reológicas y térmicas
de miel de caña para controlar la calidad de los productos. Además, estos datos
30
son fundamentales en cálculos de ingeniería de procesos para el diseño del
transporte del fluido.
La presente investigación proporciona información técnica de importancia para el
proceso de elaboración de miel en sistemas abiertos a presión atmosférica, con el
propósito
de
apoyar
a
las
ONG’s
CAMARI (Sistema
Solidario
de
Comercialización) y MCCH (Maquita Cushunchic), en las iniciativas de
revalorización de los procesos artesanales a nivel de las unidades productivas
proveedoras de panela orgánica. Este estudio es el trabajo de tesis previo a la
obtención del título de Ingeniero en Alimentos y se viabilizó en el marco de una
pasantía efectuada en el Departamento de Nutrición y Calidad de la Estación
Experimental santa Catalina, con la supervisión de de la Ingeniera Nelly Lara
Valdez, Directora del
Proyecto “Aseguramiento de la calidad, sanidad e
inocuidad de la panela granulada elaborada por organizaciones de pequeños
productores para el ingreso al mercado norteamericano”, y de la Universidad
Técnica de Ambato a través de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de los
Alimentos.
1.4
OBJETIVOS
1.4.1
OBJETIVO GENERAL
1.4.1.1 Aplicar métodos experimentales de ingeniería en alimentos para
caracterizar las propiedades reológicas y térmicas de miel de caña para
potenciar su utilización en el desarrollo de nuevos productos.
1.4.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.4.2.1 Evaluar el efecto de la concentración y la temperatura sobre las
propiedades reológicas expresadas como viscosidad y consistencia de
miel de dos variedades de caña.
31
1.4.2.2 Estudiar el efecto de la concentración sobre las propiedades térmicas:
calor específico, conductividad y difusividad térmica de la miel de dos
variedades de caña.
1.4.2.3 Determinar el efecto de la concentración y temperatura sobre la densidad,
la claridad y el color de la miel de dos variedades de caña.
1.4.2.4 Realizar el balance de materia y energía de la miel de caña sometida a
dilución y calentamiento con agua.
1.4.2.5 Evaluar la composición proximal de la miel de dos variedades de caña a
70ºBrix de concentración de sólidos solubles.
32
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1
ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
La miel de caña, por el proceso que implica su elaboración y por el contenido
nutricional está tomando importancia como edulcorante natural, al igual la miel de
abeja (Mielar S.A., 2003).
En el caso de miel de abeja existe varios estudios sobre la evaluación de
propiedades reológicas y térmicas con el propósito de predecir el comportamiento
newtoniano o no newtoniano en las diferentes aplicaciones de este producto
(Alvarado, 1996; Alvarado y Aguilera, 2001; Juszczak y colaboradores, 2006;
Kayacier y colaboradores, 2008).
Según estudios realizados en jarabes, jaleas y mermeladas por métodos indirectos
se determina las propiedades térmicas y se comprueba la influencia de los sólidos
solubles, la temperatura y la composición nutricional (Alvarado y Aguilera, 2001;
Memnune y colaboradores, 2007).
Otro de los estudios muestra el efecto de la composición, humedad, temperatura y
las condiciones de presión, así como la actividad del agua sobre la conductividad
y la difusividad térmica de la miel de Apis mellifera proveniente de los
departamentos de Boyacá y Tolima, en Colombia. Estas propiedades aportan con
información a cerca de la velocidad con la cual, la miel es calentada o enfriada
(Sweat, 1986).
2.2
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA-CIENTÍFICA
Caña de azúcar, nombre común de ciertas especies (Saccharum officinarum) de
herbáceas vivaces del género de la familia de las Gramíneas (Gramineae), se
33
cultiva en países tropicales y subtropicales de todo el mundo por el alto contenido
de azúcares en los tallos (Instituto Orsino, 2001). En Sudamérica se cultiva dos
variedades de caña: POJ 28-78 de color amarillo y la POJ 27-14 de color morado;
para la producción de panela y miel por ser de fácil clarificación (Osorio, 2007).
Los principales componentes nutricionales del jugo de caña son azúcares totales
entre 11,8% y 20,5%; ácidos orgánicos de 1,7% a 3,5% y cenizas en 5,2%. La
materia seca es aproximadamente 19,5% y el contenido de nitrógeno es del 0,08%
(Hernández, 1995).
Entre los productos obtenidos a base de caña tenemos la panela (Álvarez, 2004);
los diferentes tipos de azúcar: blanca, integral ó morena, crudo, rojo, rubio y
sulfatado; jarabes, mieles ó melazas (C&H Sugar Company Inc, 2005) y hasta
licor (Licor Cristal, 2007). El nombre que se da a cada tipo de azúcar depende de
la coloración que tenga y está en función, principalmente, del porcentaje de
sacarosa que se haya logrado extraer de la caña. (SICA, 2001; Ingenio san Carlos
S.A. 2002a).
En Ecuador, los principales ingenios azucareros están dedicados mayormente a la
producción de azúcar blanca y morena. Sin embargo, de acuerdo con la tendencia
actual de los consumidores y las oportunidades de exportación a Estados Unidos,
han iniciado la producción de panela granulada (Ingenio Valdez, 2001; Ingenio
San Carlos S.A., 2002b; Sandoval, 2004) y miel de caña (Ingenio San Carlos S.A.,
2002c).
Para al proceso de obtención de miel, la caña es lavada y triturada, el jugo
extraído es cernido y concentrado por evaporación hasta conseguir una miel clara,
transparente y homogénea mediante el retiro de las impurezas aglutinadas en la
superficie, las cuales se conocen comúnmente como “cachaza” (folkloredelnorte,
2001; Wikipedia, 2008). La consistencia de miel de caña es parecida a la miel de
abeja, de sabor muy agradable y existe la creencia que cuanto más obscura más
sabor y nutrientes tendrá (Arnau, 2003).
34
2.2.1
FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES REOLÓGICAS
Los alimentos, además de ofrecer olor, color y sabor característico; exhiben
determinado comportamiento mecánico y reaccionan de un cierto modo cuando se
intenta deformarlos. Pueden ser duros o blandos, correosos o deleznables,
gomosos o quebradizos, de textura fibrosa o uniforme, unos fluyen fácilmente,
otros con dificultad (Muller, 1973).
El término Reología fue sugerido en 1929 por Eugene Cook Bingham para definir
la rama de la Física que tiene como propósito el conocimiento de la deformación o
flujo de la materia. Desde el punto de vista histórico el origen de la Reología se
fija en la segunda mitad del siglo XVII, época en la que Robert Hoke e Isaac
Newton dieron a conocer sus ideas acerca del sólido elástico y del fluido viscoso
ideales, respectivamente (Bregni, 1998).
Muller (1973), indica que Reología es la ciencia de la deformación de la materia,
se ocupa preferentemente de la deformación de los cuerpos aparentemente
continuos y coherentes, pero con frecuencia trata también de la fricción entre
sólidos, del flujo de polvos, e incluso de la reducción a partículas o molturaciones.
La Reología moderna, además de los comportamientos elástico y viscoso, estudia
también sistemas complejos que presentan simultáneamente propiedades elásticas
y viscosas, es decir, sustancias viscoelásticas. La Reología es una ciencia
disciplinaria cuyo desarrollo realizan no solamente físicos, sino también
ingenieros de diversas especialidades, matemáticos, químicos, biológicos y
farmacéuticos; lo cual da lugar a diferentes métodos, así como un amplio abanico
de posibilidades prácticas de aplicación (Bregni, 1998).
Reología, es la ciencia de la deformación y flujo de materia, el comportamiento
reológico de un fluido es caracterizado por la relación entre el esfuerzo de cizalla
requerido para inducir una determinada velocidad de deformación de cizalla
(Alvarado, 1996).
Rao (1999) considera que un modelo de flujo es una ecuación matemática que
describe datos reológicos semejantes en relación al esfuerzo de cizallamiento y a
35
la velocidad de deformación de cizallamiento. Es importante cuantificar cómo los
modelos de los parámetros reológicos son afectados por temperatura y
concentración.
2.2.1.1 Tipos de fluidos
La Figura 1, muestra los tipos de fluidos existentes en Reología de Alimentos
según Osorio (2001).
Figura 1. Clasificación de los Fluidos
36
Los comportamientos de los tipos más comunes de fluidos con y sin umbral de
fluencia para alimentos se representa en la Figura 2 (Toledo, 1991).
(τ )
Figura 2. Reograma de Fluidos: Relación entre el esfuerzo cortante requerido
para inducir el flujo a varias velocidades de corte.
a)
Fluidos newtonianos
Se llaman fluidos Newtonianos porque obedecen la ley de Newton, es decir, existe
una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación en
cizallamiento. La viscosidad newtoniana (Ec.1) es constante y no depende del
esfuerzo cortante aplicado (Singh y Heldman, 1997; Osorio, 2001).
µ=
τ
.
γ
(Ec.1)
Donde, (τ ) es el esfuerzo cortante, (µ ) es la viscosidad newtoniana y (γ ) es la
.
velocidad de deformación de cizallamiento.
La viscosidad newtoniana es independiente del tiempo de aplicación de un
esfuerzo, pero es influenciada por la temperatura y la presión.
37
En la Figura 3.a tomada de Bregni (1998), se puede observar la curva de fluidez
donde se gráfica el esfuerzo cortante (τ ) frente a la velocidad de deformación en
cizallamiento (γ ) .
.
En la figura 3.b, el autor Bregni representa la viscosidad (µ ) en función de la
velocidad de deformación en cizallamiento (γ ) .
.
(τ )
(µ )
(γ )
(γ )
.
.
Figura 3.a: Curva de fluidez y; 3.b: Curva de viscosidad; para fluidos
newtonianos.
La tangente del ángulo que forman el esfuerzo de corte (τ ) y la velocidad de
deformación en cizallamiento (γ ) es la viscosidad (µ ) que se observa en la
.
Figura 3a y que corresponde a la curva de fluidez. La curva de viscosidad que
presenta la Figura 3b, demuestra que la viscosidad (µ ) es constante a cualquier
velocidad de deformación en cizallamiento (γ ) .
.
38
b)
Fluidos no newtonianos
Esta categoría de fluidos difieren de los newtonianos, porque la relación entre el
esfuerzo cortante (τ ) y la velocidad de deformación en cizallamiento (γ ) es no
.
lineal (Muller, 1973; Osorio, 2001).
Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos que se usan comúnmente en la
industria alimentaría son soluciones concentradas de macromoléculas (almidones,
proteínas y gomas) y materiales coloidales como emulsiones, pastas o
suspensiones (Muller, 1973).
Otra característica de los fluidos no newtonianos es el hecho de que en muchos de
ellos sus propiedades reológicas cambian con el tiempo cuando se aplica un
gradiente de deformación constante (Muller, 1973; Osorio, 2001).
Los fluidos no newtonianos se clasifican en dependientes e independientes del
tiempo como se indica en la categorización reportada por Osorio (2001), en la
Figura 1.
c)
Fluidos viscoelásticos
Rao (1999) demuestra que algunos alimentos líquidos exhiben propiedades tanto
viscosas como elásticas, y se denominan alimentos viscoelásticos. Las
propiedades viscosas son propias de un líquido y la recuperación elástica parcial
es característica de un sólido. Entre este tipo de alimentos, Muller (1973), cita a
los siguientes: mezclas de helados, sangre coagulada, queso, masa de harina de
trigo, espumas de proteínas.
2.2.1.2 Viscosidad
En los fluidos llamados newtonianos, el esfuerzo de cizalla es directamente
proporcional a la velocidad de deformación en cizalla o, abreviadamente,
velocidad de cizalla y la constante de proporcionalidad corresponde a la
viscosidad (Alvarado, 1996). Lo indicado corresponde a la ecuación 1 descrita
anteriormente.
39
Según Blatt (1991), el coeficiente de viscosidad
(µ ) ,
llamado comúnmente
viscosidad, se define mediante la (Ec.2) como:
F
µ = A (Ec.2 )
v
l
En donde la relación fuerza sobre área (F/A), es el esfuerzo de corte necesario
para mantener un flujo laminar tal que dos lugares de fluido, separados por una
distancia (l), tengan una velocidad relativa (v).
2.2.1.3 Determinación de parámetros reológicos mediante viscosímetros
Brookfield
En el trabajo de Alvarado (1996) se reporta el uso del viscosímetro Brookfield
con sus respectivos adaptadores para evaluar las propiedades reológicas como
índices de control de calidad de los siguientes productos lácteos:
Crema batida de leche
Mantequilla
Dulce de leche
Yogurt
Otras aplicaciones del viscosímetro Brookfield se evidencia en el trabajo sobre
parámetros reológicos para caracterizar pulpas de bananos”, mediante el uso de
diversos rotores (LV4, LV3) y en el estudio de frutas cítricas, incluido los aceites
esenciales, en el cual, las propiedades reológicas se han evaluado con la ayuda de
adaptadores UL constituidos por cilindros de abertura estrecha, para comprobar el
comportamiento newtoniano.
2.2.1.4 Efecto de la temperatura sobre la viscosidad
Si la temperatura se incrementa, la viscosidad disminuye. Esto se explica porque
la viscosidad de un líquido depende de los espacios intermoleculares que
restringen el movimiento; estas fuerzas dependen de los espacios intermoleculares
40
que determinan el volumen libre. Si la temperatura aumenta lo hacen también los
espacios intermoleculares y con ello, tanto las fuerzas intermoleculares, como la
viscosidad disminuyen (Alvarado y Aguilera, 2001).
Álvarez y colaboradores (2006), al estudiar el efecto de la temperatura sobre las
propiedades reológicas de diferentes mermeladas, demuestra que los parámetros
reológicos en muestras de mermelada de frutas están claramente influenciados por
la temperatura, puesto que al aplicar el modelo Herschel-Bulkley; a 20ºC la
viscosidad es de 0,4148 Pa∗s y a 40ºC es de 0,4747 Pa∗s.
2.2.1.5 Efecto combinado de la concentración de sólidos solubles y de la
temperatura sobre la viscosidad
Alvarado (1996), reporta la relación entre la viscosidad y los ºBrix, donde se
establece que la aplicación del modelo exponencial explica satisfactoriamente la
tendencia de los datos experimentales correspondiente a cinco frutas diferentes. El
modelo exponencial está definido con datos experimentales de hasta 35ºBrix y
50ºC de temperatura, pero se supone que a valores superiores se esperan ligeras
desviaciones, posiblemente debido al comportamiento no-newtoniano.
2.2.1.6 Viscosidad de miel de abeja
Alvarado y Aguilera (2001), sostienen que los datos de velocidad de deformación
en cizallamiento, frente a los esfuerzos de cizallamiento registrados a diferentes
temperaturas toman la forma de líneas rectas orientadas al origen, lo cual confirma
el comportamiento newtoniano indicado para la miel de abeja. El valor de la
pendiente de cada una de las rectas, por definición corresponde al coeficiente de
viscosidad o simplemente demuestra el cambio de viscosidad de la miel por efecto
de la temperatura. La aplicación de la ecuación de Arrhenius es adecuada para
describir el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de la muestra de miel de
abeja analizada, y posibilita su cálculo entre 30ºC y 70ºC ó valores próximos a los
límites indicados. La ecuación (Ec.3) presentada a continuación tiene un
coeficiente de correlación 0,9665.
41
ln µ m = −31,1343 +
10,150
(Ec.3)
TA
La viscosidad de la miel de abeja (µ m ) , está expresada en Pa∗s. De esta ecuación
se obtiene el valor de la energía de activación, el cual es: 84,39 (kJ/mol). El valor
es alto, lo que indica que la viscosidad de la miel de abeja es altamente
dependiente de la temperatura (Alvarado y Aguilera, 2001).
2.2.2
FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES TÉRMICAS
Las principales propiedades térmicas de los alimentos son: calor específico,
conductividad térmica y la difusividad térmica (Dupas H. y Faria B, 2001).
En la actualidad, se conoce que las propiedades térmicas cambian con la
composición y en menor extensión según la temperatura y la presión (Alvarado,
1996; Raghupathy, 2007).
Alvarado (1996), describe los principales usos de las propiedades térmicas en
Ingeniería de Alimentos. Para ello identifica tres grupos:
Para el cálculo de cargas de calor, basado en información sobre la entalpía.
Para calcular flujos de calor, que son de gran importancia en el
procesamiento de alimentos.
Para fijar criterio de calidad y puntos o zonas en los que ocurre cambios de
fase.
El mismo autor describe que son útiles en tecnologías de alimentos, para el diseño
y control de equipos o comparación de máquinas provenientes de diversas casas
comerciales.
Reporta datos de calor específico de varias frutas en la “Aplicación del calor
específico para determinar la concentración de jarabes”. Datos sobre difusividad
térmica de varios productos en la “Aplicación de datos de penetración de calor
para calcular la difusividad térmica de pulpas de frutas”. De igual forma presenta
datos de conductividad térmica para frutas y vegetales esféricos aplicando la Ley
de Fourier en estado de régimen transitorio.
42
Señala que la falta de datos de propiedades térmicas es una de las más importantes
limitaciones en el diseño de procesos para productos alimenticios. Es importante
considerar los cambios que ocurren por variación en la composición, cuando son
sometidos
a
procesos
de
calentamiento,
congelación,
evaporación
o
deshidratación.
2.2.2.1
Calor específico
Singh y Heldman (1984), presentan la ecuación (Ec.4), según la cual cuando no
existe cambio de fase o reacciones involucradas, el calor especifico es la cantidad
de calor que gana o pierde un kilogramo de masa de material alimenticio, para
producir un cambio de temperatura requerido.
Cp =
Q
(Ec.4)
W (∆T )
Donde: (Cp) es el calor específico, (Q) es la cantidad de calor, (W) es la masa y
(∆T ) es el incremento de temperatura.
2.2.2.2
Conductividad térmica
Salamanca (2004), sostiene que la miel de Apis mellifera, como la mayoría de los
alimentos conducen el calor de manera deficiente debido a que los procesos de
transmisión de calor por efectos de conducción son muy lentos y la conductividad
térmica esta influenciada por la composición. En la medida que la miel va
perdiendo humedad, la conductividad térmica se incrementa con leves ganancias y
luego disminuye. El agua es el componente que ejerce mayor influencia en el
comportamiento global del parámetro conductividad térmica, pero depende
también de la temperatura, las condiciones de presión y de la actividad del agua.
2.2.2.3
Difusividad térmica
Parámetro que rige la propagación del calor al interior de los materiales
(conducción + almacenamiento). Relaciona la variación de la temperatura en el
tiempo con la variación de la temperatura en el espacio en el interior de un
43
material. La difusividad térmica es directamente proporcional a la conductividad e
inversamente proporcional al calor específico y a la densidad (Alvarado, 1994).
La medición de la dependencia de la difusividad térmica (α), con la temperatura
tiene especial importancia práctica, ya que permite hacer cálculos que involucren
flujo transitorio de calor. Además, su determinación resulta útil en la selección y
caracterización de materiales. Físicamente, α indica como fluye el calor por el
material. Cuanta más alta es la difusividad térmica de una sustancia, más alto es el
ritmo de propagación del perfil de temperatura. Es decir, α relaciona flujo de
energía con gradiente de energía. La difusividad térmica (α), conductividad
térmica (k), y el calor específico (Cp) se encuentran estrechamente relacionados
por la ecuación (Ec.5) reportada en Dupa, H. y Faria, B. (2001):

k
 Cp * ρ
α = 

(Ec.5)


Según Alvarado y aguilera (2001), la difusividad térmica es una propiedad
importante para la simulación de procesos en que la transmisión de calor se
efectúa en estado transitorio. El significado físico de la difusividad térmica
consiste en determinar lo rápido que el calor se propaga o difunde a través de una
material.
2.2.3
FUNDAMENTOS
SOBRE
PROPIEDADES
MECÁNICAS
O
INSTRUMENTALES
La medida de las propiedades mecánicas tiene siempre como finalidad estimar o
evaluar la magnitud de algún aspecto de la textura de los alimentos. La textura de
alimentos es uno de los atributos primarios que conforman su calidad sensorial
(Roger y colaboradores 2001; Duran y colaboradores, 2001).
2.2.3.1
Densidad
La densidad o masa específica de una sustancia se define como la masa de su
unidad de volumen. En el sistema internacional de unidades (SI) la densidad se
expresa en (kg/m3). La ecuación (Ec.6) relaciona la masa y el volumen para
calcular la densidad (Singh y Heldman, 1997).
44
ρ=
m
(Ec.6 )
v
Donde, ( ρ ) es la densidad, (m) es la masa y (v) es el volumen. Es una propiedad
utilizada extensamente, en especial para determinar la concentración de
compuestos que se encuentran en solución, los sólidos presentes en un producto y
para identificar diversos materiales.
La densidad depende de la temperatura y la presión. Aunque la temperatura debe
ser especificada junto con la densidad. La presión no es necesaria en el caso de
líquidos y sólidos porque son prácticamente incompresibles.
2.2.3.2
Consistencia
La consistencia es el término comúnmente empleado para designar el
comportamiento en el flujo de los productos semisólidos.
El Consistómetro
Bostwick es un equipo básico que determina la consistencia de una muestra
midiendo la distancia a la cual una muestra de materia fluye bajo su propio peso.
El equipo es muy utilizado en la industria de la alimentación por fabricantes de
conservantes, mermeladas, productos muy viscosos como salsas de tomate
(Duran y colaboradores, 2001) y en la investigación del grado de modificación de
los almidones.
2.2.4
FUNDAMENTOS SOBRE PROPIEDADES ÓPTICAS
Las propiedades ópticas como el color se determina mediante espectrofotómetros,
son básicas para medir los factores de reflectancia espectrales, que genéricamente,
se denominan como reflectancia.
2.2.4.1
Color
Alvarado y Aguilera (2001), reportan que se puede definir el color en el sentido
físico como la distribución de energía de una luz reflejada o transmitida por un
alimento en particular. El color de un alimento estará influenciado por la
absorción de la luz por las partículas de ese alimento.
45
El color de la mayoría de los alimentos es la combinación de dos parámetros la
absorción y la dispersión (Turkmen, 2006).
2.2.4.2
Claridad
Bello-Pérez (1995), relaciona la claridad o transparencia con el estado de
dispersión de los solutos y es evaluada con base a la transmisión de luz cuando la
muestra es sometida al paso de un haz radiante.
2.2.5
FUNDAMENTOS SOBRE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
La transferencia de calor será la operación básica para los productos alimenticios,
cuando estos son calentados o enfriados.
Todas las operaciones básicas obedecen a las leyes de conservación de materia, y
cantidad de movimiento y energía, lo que establece la importancia de la aplicación
correcta de los balances como herramientas fundamentales de cálculo. Las clases
de balances generales son: balances de materia, balances de energía y balances
combinados de materiales y de energía.
2.2.5.1
Balance de materia
Ibarz, y colaboradores (2000), denomina balance de materia cuando las
variaciones de la composición en el interior de un sistema, están influenciados por
el caudal y la composición de las corrientes de entrada y salida. La expresión
general (Ec.7) para el balance macroscópico de materia en un sistema dado es la
siguiente:
A = ( E − S ) + G (Ec. 7)
Donde:
A = Velocidad de acumulación
E = Caudal de entrada al sistema
G = Velocidad de generación
S = Caudal de salida del sistema
46
2.2.5.2
Balance de energía
La transmisión de calor en alimentos puede ser incluida en varias etapas,
dependiendo del proceso y del producto. En fluidos alimenticios es relevante el
calentamiento o el enfriamiento (Alvarado, 1996).
Ibarz, y colaboradores (2000), presenta el balance macroscópico de energía para el
calentamiento de un tanque agitado. Hace referencia, a que la entrada calor es
igual a la acumulación en procesos discontinuos al utilizar tanques agitados
encamisados o con serpentines, mientras que en procesos continuos se puede
realizar cuando se utilice intercambiadores de calor.
2.2.6
FUNDAMENTOS SOBRE CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
La conductividad eléctrica permite determinar el nivel de minerales presentes en
la miel, existe un amplio rango de conductividad entre 1 y 15 micro Siemens y
mientras más alta sea más valorada es por sus propiedades enzimáticas y
beneficios a la salud que proporciona. La medición se basa en el principio de que
las sales disueltas conducen la corriente eléctrica en proporción a la concentración
de las sales o constituyentes ionizados. La conductividad equivalente se define
como la conductividad de una cantidad de dilución que contenga un equivalente
gramo del electrolito, colocada entre los electrodos separados a 1cm y dispuestos
de modo que cubran los lados opuestos del volumen de la solución (Avallone,
2004).
La conductividad eléctrica es una característica muy acertada para determinar el
origen botánico de la miel de abeja; actualmente sustituye la determinación de
cenizas y la acidez de la miel. (Piazza y colaboradores, 1991).
47
2.3
CATEGORÍAS FUNDAMENTALES
En la Tabla 1, se detalla el desarrollo de las categorías fundamentales en la
caracterización reológica y térmica de miel de caña.
Tabla 1. Categorías fundamentales
Variables
Miel
Independientes
POJ 28-78
Variedad de
caña:
POJ 27-14
50ºBrix
60ºBrix
Concentración:
70ºBrix
35ºC
55ºC
Temperatura:
65ºC
Dependientes
Variabilidad de la densidad,
viscosidad, calor específico,
difusividad y conductividad
térmica, consistencia, color,
claridad y conductividad
eléctrica.
La concentración: 50, 60 y 70ºBrix en
miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14.
Permitirá la determinación de la
viscosidad en diferentes
muestras de 50, 60 y 70ºBrix
que facilitará controlar la
calidad de la miel de las dos
variedades.
La concentración y la variedad: Miel de
50, 60 y 70ºBrix y de la variedad POJ
28-78 y POJ 27-14.
Permitirá el diseño de nuevos
productos a base de miel de
caña.
2.4
HIPÓTESIS
2.4.1
Hipótesis nula
Ho: La variedad de caña, la concentración y la temperatura no influye sobre las
propiedades reológicas y térmicas en miel.
2.4.2
Hipótesis alternativa
H1: La variedad de caña, la concentración y la temperatura influye sobre las
propiedades reológicas y térmicas en miel.
48
2.5
SEÑALAMIENTO DE VARIABLES
El señalamiento de las variables independientes y dependientes se
detalla en la Tabla 2.
Tabla 2. Señalamiento de variables
Variables
Independientes
Variedad de caña:
Dependientes
POJ 28-78
Densidad
Viscosidad
Calor específico
Difusividad y conductividad térmica
Consistencia
Color
Claridad
Conductividad eléctrica
POJ 27-14
50ºBrix
Concentración:
60ºBrix
70ºBrix
35ºC
Temperatura:
55ºC
65ºC
49
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA
3.1
MODALIDAD BÁSICA DE LA INVESTIGACIÓN
La modalidad de la investigación empleada es bibliográfica y experimental, a la
cual se aplica un diseño experimental con variables dependientes e independientes
con la finalidad de obtener propiedades físicas y químicas confiables.
3.2
NIVEL O TIPO DE INVESTIGACIÓN
La recolección de datos nos permite determinar el grado de influencia que tienen
las variables independientes sobre las variables dependientes y cuales son las que
afectan a los resultados, entonces, desde este punto de vista la investigación es del
tipo exploratorio.
3.3
POBLACIÓN Y MUESTRA
Las muestras de caña de las dos variedades en estudio fueron proveídas del sector
de Ingapi en Pacto, al Noroccidente de Pichincha, a través de Camari.
Para la ejecución experimental se utiliza 3 litros de jugo extraído por variedad de
caña para la elaboración de miel.
Para el presente trabajo se emplearon tres variables independientes: la primera
variable (A) con dos niveles, la segunda variable (B) con tres niveles y la tercera
variable (C) con tres niveles. En la Tabla 3, se describe las variables
independientes, los factores y niveles en estudio.
50
Tabla 3. Descripción de variables, factores y niveles en estudio para miel de
caña.
Variables Independientes
Factores
Variedad de Caña
A
Concentración
B
Temperatura
C
Niveles
a1
a2
b1
b2
b3
c1
c2
c3
Descripción
POJ 28-78
POJ 27-14
50ºBrix
60ºBrix
70ºBrix
35°C
45°C
55°C
Para la evaluación de las variables dependientes se utilizó un diseño
completamente al azar en arreglo factorial A∗B∗C de 18 tratamientos con dos
observaciones por replica (n=3). El esquema de análisis de varianza se describe en
la Tabla 4.
Tabla 4. Esquema de Análisis de Varianza (ADEVA).
Grados de libertad
Fuente de variación
Total
(a∗b∗c∗r) -1
53
Factor A
Factor B
Factor C
a-1
b-1
c-1
1
2
2
Interacción A∗B
(a-1)∗(b-1)
2
Interacción A∗C
(a-1)∗(c-1)
2
Interacción B∗C
(b-1)∗(c-1)
4
Interacción A∗B∗C
(a-1)∗(b-1)∗(c -1)
4
Error
a∗b∗c∗(r-1)
36
De la combinación de los factores en estudio y de los niveles indicados, se obtiene
los siguientes tratamientos, reportados en la Tabla 5.
51
Tabla 5. Tratamientos obtenidos por combinación de factores y niveles, y
descripción.
Nº
Tratamientos
Descripción
1
a1 b1 c1
POJ 28-78 a 50ºBrix y 35°C
2
a1 b1 c1
POJ 28-78 a 50ºBrix y 45°C
3
a1 b1 c3
POJ 28-78 a 50ºBrix y 55°C
4
a1 b2 c1
POJ 28-78 a 60ºBrix y 35°C
5
a1 b2 c2
POJ 28-78 a 60ºBrix y 45°C
6
a1 b2 c3
POJ 28-78 a 60ºBrix y 55°C
7
a1 b3 c1
POJ 28-78 a 70ºBrix y 35°C
8
a1 b3 c2
POJ 28-78 a 70ºBrix y 45°C
9
a1 b3 c3
POJ 28-78 a 70ºBrix y 55°C
10
a2 b1 c1
POJ 27-14 a 50ºBrix y 35°C
11
a2 b1 c2
POJ 27-14 a 50ºBrix y 45°C
12
a2 b1 c3
POJ 27-14 a 50ºBrix y 55°C
13
a2 b2 c1
POJ 27-14 a 60ºBrix y 35°C
14
a2 b2 c2
POJ 27-14 a 60ºBrix y 45°C
15
a2 b2 c3
POJ 27-14 a 60 ºBrix y 55°C
16
a2 b3 c1
POJ 27-14 a 70ºBrix y 35°C
17
a2 b3 c2
POJ 27-14 a 70ºBrix y 45°C
18
a2 b3 c3
POJ 27-14 a 70ºBrix y 55°C
Dentro de éste ítem, se realiza un análisis de varianza al 95% de confianza y
pruebas de comparación múltiple de Tukey (p≤0,05) para las fuentes de variación
que son significativas.
3.4
OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
La Operacionalización de variables independientes y dependientes se describen el
la Tabla 6 y Tabla 7, respectivamente.
52
3.4.1
VARIABLES INDEPENDIENTES
Tabla 6. Operacionalización de variables independientes.
Conceptualización
Categorías
Indicadores
Ítems
Técnicas Instrumentos
¿La variedad de caña, concentración
y temperatura afectan directamente a
las propiedades físicas y químicas de
la miel?
Análisis físicos y químicos
POJ 28-78
Variedad de caña
POJ 27-14
50ºBrix
Concentración
60ºBrix
Miel de caña
70ºBrix
50ºC
Temperatura
60ºC
70ºC
3.4.2
VARIABLES DEPENDIENTES
53
Tabla 7. Operacionalización de variables dependientes.
Conceptualización
Categorías
Indicadores
Ítems
Técnicas
Instrumentos
Propiedades físicas y
químicas en miel de caña
Densidad
Viscosidad
Calor específico
Difusividad térmica
Conductividad térmica
Color
Turbidez
Textura
Balance de materia y
energía
Conductividad eléctrica
pH
Acidez titulable
Humedad
Azúcares invertidos
Las propiedades físicas
y químicas están
afectadas por la
variedad de caña POJ
28-78 ó la POJ 2714,
por la concentración 50,
60 y 70ºBrix ó por la
temperatura 35, 45 y
55ºC
¿Mediante las
determinaciones se
observa la influencia
de la variedad de
caña, concentración y
temperatura?
Propiedades
físicas y
químicas
confiables
54
3.5
PLAN DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN
La técnica utilizada para la recolección de la información es la observación
directa, puesto que estamos en contacto con el objeto de estudio; y de laboratorio,
porque los ensayos se realizaron en ambientes debidamente preparados y
equipados para realizar la comprobación de las hipótesis.
La recolección de datos se realizara mediante tablas, luego de los cálculos
correspondientes observaremos la influencia de la variedad de caña, la
temperatura y la concentración sobre las variables dependientes mediante
gráficos.
3.5.1
MANEJO ESPECÍFICO DEL EXPERIMENTO
En la Figura 4, mediante un diagrama de flujo se detalla el proceso de obtención
de jugo de caña y el proceso de elaboración de miel, realizado en el Laboratorio
del Dpto. de Nutrición y Calidad del INIAP.
55
Figura 4. Diagrama de flujo de la obtención del jugo de caña y elaboración de
miel.
DESCORTEZADO
TROCEADO
Elaborado por: Wagner Naranjo A.
56
3.5.2
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE JUGO Y
MIEL
3.5.2.1 Recepción
La caña de las dos variedades se receptó en fragmentos de aproximadamente
50cm de largo, fue transportada en sacos de plástico desde Ingapi hasta el
Laboratorio del Dpto. de Nutrición y Calidad de la Estación Experimental Santa
Catalina del INIAP.
3.5.2.2 Selección
Los fragmentos de caña fueron seleccionados de acuerdo a su variedad, esta
operación básica fue de fácil identificación por el color de la corteza y por el
diámetro o grosor de los fragmentos de caña; la variedad: POJ 28-78 es de color
amarillo y de diámetro pequeño, mientras que la POJ 27-14 es de color morado y
de diámetro mayor, como se puede observar en la Figura 5.
Figura 5. Variedades de caña
POJ 27-14
POJ 28-78
3.5.2.3 Lavado
Los fragmentos de caña fueron lavadas con abundante agua, hasta eliminar todas
las impurezas que estaban adheridas a la corteza.
57
3.5.2.4 Descortezado
En esta etapa del proceso, la corteza de los fragmentos de caña es pulida,
mediante un pelador eléctrico específico para caña de azúcar, observar la Figura 6.
Figura 6. Caña descortezada
Pelador eléctrico
Caña pelada
3.5.2.5 Troceado
Para facilitar el proceso de extracción del jugo, la caña pelada fue partida por
medio un cuchillo, como se observa en la Figura 7.
Figura 7. Caña partida
3.5.2.6 Extracción
Utilizando un extractor eléctrico (Trapiche) de doble rodillo, se extrajo el jugo de
la caña descortezada por doble pasada, observar la Figura 8.
58
Figura 8. Extracción del jugo
3.5.2.7 Filtración
Esta operación se realiza en dos cernidores; uno de orificios grandes para atrapar
las macro partículas producidas durante el proceso de extracción del jugo; y luego
en uno de orificios pequeños, con el propósito de evitar el paso de partículas muy
finas, observar la Figura 9.
Figura 9. Filtración
3.5.2.8 Concentración
El jugo de caña (3 litros), previamente cernido es sometido a ebullición en una
paila evaporadora con reóstato para el control de la temperatura a 90°C. Se retira
la cachaza formada en la superficie antes que empiece a hervir el jugo. En un
tiempo estimado de 1 hora con 10 minutos de ebullición se alcanzó las
59
concentraciones deseadas de sólidos solubles (50, 60 y 70°Brix), observar la
Figura 10.
Las mediciones de sólidos solubles se realizaron constantemente durante el
proceso, las muestras se tomaron con una varilla de agitación para enfriar y medir
el contenido de sólidos solubles (°Brix) mediante un brixometro.
Figura 10. Concentración
3.5.2.9 Enfriado, Envasado y Almacenado
La miel elaborada, a temperatura ambiente se envasó en frascos de plástico y se
colocó a temperaturas de refrigeración, para la aplicación de los métodos
experimentales de caracterización de las propiedades reológicas y térmicas.
3.5.3
MÉTODOS DE EVALUACIÓN
3.5.3.1 Propiedades físicas y químicas del jugo y miel de caña
a)
Sólidos Solubles
Equipo
Se utilizó un juego de brixómetros con escalas de 28 a 62ºBrix y de 58 a 90ºBrix,
para medir el contenido de sólidos solubles, el cual en frutas, jugos y bebidas no
alcohólicas representa al contenido de azúcares.
60
Método
El procedimiento de medida es el siguiente; se mezcla la muestra perfectamente
para homogenizarla, se limpia el brixómetro con agua destilada y se seca con
papel higiénico, con la ayuda de una varilla de agitación se coloca la muestra en el
brixómetro, en un campo claro se observa directamente el contenido de sólidos
solubles expresados en ºBrix. Finalmente se limpia el brixómetro con agua
destilada y se seca.
b)
pH
Equipo
Se utilizó un pH-metro (Oakton)
Método
Se homogeniza la muestra mediante agitación, el pH-metro se calibra previamente
con la solución buffer, en aproximadamente 50ml de muestra contenida en un
vaso de precipitación se determina el pH, introduciendo los electrodos del
potenciómetro en el vaso de precipitación con la muestra, y finalmente se lee
directamente el pH de la muestra.
c)
Azúcares Invertidos
El método volumétrico de Lane-Eynon que se encuentra especificado en la
AOAC, fue utilizado para determinar los azúcares invertidos y se detalla a
continuación.
Método
En una solución al 1% en relación a los ºBrix de la muestra. Por ejemplo: para el
jugo de caña de 19ºBrix, la relación es la siguiente:
(19ºBrix*1%) / 100% = 0,19ºBrix
Para tener en peso la cantidad de muestra, relacionamos de la siguiente manera:
(1 / 0,19) = 5,26g de muestra al 1%
61
La cantidad de muestra es pesada y diluida con 50ml de agua destilada, se añade
0,5g de ácido clorhídrico a la muestra, todo el contenido traspasamos a un balón
de aforo de 100ml y dejamos en reposo a temperatura ambiente durante 7 días.
Tomamos 25ml de la muestra en reposo y aforamos a 100ml con agua destilada
para neutralizar a pH 3 con NaOH (1N ó 0,01N). Agregamos 5ml de muestra
neutralizada en un matraz erlenmeyer que previamente fue colocado 5ml de
tartrato y 5 ml de sulfato. En la solución de 15ml de estas muestras se añadió 1ml
de azul de metileno al 0,2%.
Se somete a calentamiento la muestra con núcleos de ebullición y desde que
empieza a hervir se titula con los 95ml restantes de la solución neutralizada.
Finaliza la titulación en el viraje de color y se anota los mililitros gastados.
d)
Acidez Titulable (% de ácido Aconítico)
Chen (1991), especifico el método para determinar el % de ácido aconítico.
Método
En aproximadamente 10g de muestra en un matraz erlenmeyer se añade 4 gotas de
fenolftaleína, se titula con NaOH 0,1N ó 0,01 N hasta conseguir un color rosado
persistente que desaparece lentamente, finalmente se lee el volumen de NaOH
consumida.
Ecuación
 ( f * v * N )
% Ácido − Aconítico = 
 * 100 (Ec. 8)
w


Donde; f: Factor del ácido aconítico (0,058)
v: Volumen titulado de NaOH (ml)
N: Normalidad (0,1N)
w: Peso de la muestra (g)
e)
Humedad
62
El método empleado para la determinación de humedad fue el del laboratorio del
departamento de Nutrición y Calidad de la Estación Experimental Santa Catalina
INIAP.
Se pesa aproximadamente 2g de muestra,
en frascos de vidrio previamente
tarados. Se coloca en una estufa a 105ºC ± 2ºC durante 16 horas. Después de
secado se deja enfriar la muestra en un desecador por 15 minutos. Finalmente por
diferencia de pesos se obtiene el % de humedad de la muestra.
3.5.3.2 Análisis de macro y micro constituyentes
Los métodos de análisis de macro y micro elementos se utilizaron los del
Laboratorio de Nutrición y Calidad de la Estación Experimental Santa Catalina.
Los métodos y/o normas, utilizados para el análisis de caña descortezada, jugo y
miel se mencionan en Anexos: Métodos, correspondientes a los análisis: proximal,
minerales, HPLC y azúcares de la caña, jugo y miel.
3.5.3.3 Propiedades reológicas
a)
Viscosidad
Equipo
Se utilizó un Viscosímetro Digital Brookfiel LVTD, con rotores específicos para
las concentraciones: el rotor LV-1 para las mieles de 70ºBrix y el rotor UL para
las mieles de 50 y 60ºBrix.
Montaje del viscosímetro digital Brookfield LVTD
Con las muestras de miel listas para el ensayo, de las dos variedades de caña (POJ
28-78 y POJ 27-14) a diferentes concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) y
temperaturas (35, 45 y 55ºC), se procedió armar el Viscosímetro Digital
Brookfield con el rotor específico para dicha concentración, asegurándonos que el
equipo este fijo al soporte, nivelado y con el brazo protector.
Calibración
63
La calibración del equipo se realiza sin muestra en 12 rpm, si la lectura es superior
o inferior a cero, giramos la perilla hasta obtener la lectura deseada. Esta
operación realizamos cada vez que cambiamos el rotor.
Método
Colocamos 500ml de muestra de la variedad POJ 28-78 ó POJ 27-14, a
concentración de 50, 60 ó 70ºBrix en un vaso de precipitación de 600ml de
capacidad y mantenido a la temperatura deseada de 35, 45 ó 55ºC.
Introducimos en la miel el sistema rotacional de medida de viscosidad hasta la
marca indicada en el rotor; fijamos la velocidad en 0,3 y se prende el equipo;
registramos el valor (%FS) cuando este permanezca constante en variación de ±
0,2. Apagar el motor, fijar la siguiente velocidad, prenderlo y hacer la lectura,
continuamos con la operación a otras velocidad que permitan obtener lecturas en
el equipo. Comprobamos los valores (%FS) disminuyendo las velocidades desde
60rpm hasta 0,3 rpm.
Realizamos las mediciones de las mieles de las dos variedades de caña a tres
concentraciones y tres temperaturas descritas anteriormente. El trabajo se realizó
en tres replicas por duplicado, de lecturas ascendentes y descendentes.
Figura 8. Viscosímetro Digital Brookfield
3.5.3.4 Propiedades térmicas
64
a)
Calor Específico
Equipo
Para la determinación de calor especifico, el equipo utilizado fue adaptado, donde;
el termómetro fue sujetado en un tapón plástico, que cumplía las funciones de la
tapa del calorímetro asegurando el aislamiento térmico con el ambiente.
Calibración
Medir 150 g de agua destilada a 70ºC y colocar en el calorímetro previamente
termostatizado (medir la temperatura To). Luego se coloca 150 g de agua destilada
a 18ºC, agitar vigorosamente y leer la temperatura de equilibrio de la mezcla,
inmediatamente.
Método
Colocar 150 g de agua destilada a 70ºC en el calorímetro y registrar la
temperatura inicial (To), seguidamente, añadir 150 g de miel de la variedad POJ
28-78 ó POJ 27-14, a 50, 60 ó 70ºBrix a temperatura ambiente (Tm), se agita el
conjunto y se registra la temperatura de equilibrio (Te).
El trabajo se realiza con las muestras de miel de las dos variedades de caña a tres
concentraciones, por duplicado para cada replica (n=3).
b)
Difusividad Térmica
Equipo
Para el ensayo de difusividad térmica (α), se utilizó dos cilindros de cobre de 15,1
cm de largo y 1,4 cm de radio.
Método
Colocar la muestra de miel de una variedad de caña a una concentración en el
cilindro de cobre, por la parte superior del cilindro introducir un termómetro hasta
el centro del cilindro, el conjunto poner en un baño maría a 70ºC mantenido a esta
temperatura durante el ensayo.
65
Se registra la historia de temperaturas cada 15 segundos hasta que se aproxime a
la temperatura del medio.
El trabajo se realiza con las muestras de las dos variedades de caña, a tres
concentraciones, por duplicado para las tres réplicas.
3.5.3.5 Propiedades mecánicas
a)
Consistencia
Equipo
Para el ensayo correspondiente se utilizó un consistómetro Bostwick, es de acero
inoxidable y equipado con dos tornillos y un nivel que permiten un ajuste fácil y
rápido. La compuerta es operada con un muelle y un mecanismo de liberación, lo
que permite que la muestra fluya instantáneamente. La pista esta graduada en
divisiones de 0,5cm lo que permite medir de forma precisa el flujo de la muestra.
Nivelación
El consistómetro Bostwick se diseña para sentarse a un ángulo especificado. El
instrumento se debe ajustar para asegurarse de que está a este ángulo. Ajustar los
dos tornillos hasta que la burbuja de nivelación en el frente del instrumento se
centra.
Método
Cerrar la puerta y llenar con 100 g de miel de caña de la variedad POJ 28-78 ó
POJ 27-14 de 50, 60 ó 70ºBrix de concentración y 35, 45 ó 55ºC de temperatura,
en el recipiente formado al bajar la puerta. Dejar fluir la muestra por la escala
graduada durante 30 segundos y anotar la distancia en centímetros. Registrar este
valor como la consistencia del producto.
Finalmente, se limpia el consistómetro Bostwick con agua jabonosa caliente y se
seca totalmente el instrumento antes de usarlo otra vez. El ensayo se realiza por
duplicado para tres réplicas.
b)
Consistencia (Texturómetro)
66
Equipo
Se utilizó el Texturómetro TA-XT2i, con el accesorio back extrusión rig de
40mm.
Calibración
Se trabaja con una celda de carga de 5kg, mediante el software Texture Expert se
calibra la sonda siguiendo el método sugerido por la casa fabricante.
Parámetros
Los parámetros fijados para el funcionamiento del Texturómetro para el test son:
Mediad de fuerza en compresión
Volver al inicio
Velocidad de pre-ensayo
: 1,5mm/s
Velocidad de ensayo
: 2mm/s
Velocidad post-ensayo
: 2mm/s
Distancia
: 25mm
Fuerza
: 10g
Data adquisition rate
: 250pps
Macro
La macro utilizada en el ensayo fue:
Presentar gráfico
Ir a tiempo mínimo
: 0.0s
Fijar anclaje
:1
% Fuerza máxima
: 100%
Marcar fuerza
: Firmeza
Fijar anclaje
:2
Área
: Consistencia
67
Ir a fuerza
: 0.0g
Fijar anclaje
:3
% Fuerza mínima
: 100%
Marcar fuerza
: Cohesividad
Ir a tiempo
30s
Fijar anclaje
:4
Área
: Resistencia al flujo / Viscosidad
Método
Se coloca la muestra de miel de caña en el recipiente contenedor de muestra, de la
variedad, concentración y temperatura deseada, bajo el brazo de desplazamiento
que reaccionara al ejecutar el ensayo (ver Figura 9).
De igual forma, en esta operación se trabajó con muestras de miel de caña de la
variedad POJ 28-78 y POJ 27-14 de 50, 60 y 70ºBrix de concentración y a 35, 45
y 55ºC de temperatura para tres replicas (n=3) por duplicado.
Figura 9. Texturómetro TA-XT2i
c)
Densidad
Equipo
Se utilizó un juego de 8 densímetros CI-USA, con un intervalo de 0,7 a 1,8 (g/ml).
68
Método
Llenar una probeta de 250ml con miel de caña de la variedad POJ 28-78 ó POJ
27-14 de 50, 60 ó 70ºBrix a una temperatura de 35, 45 ó 55ºC. Escoger el
densímetro apropiado e introducir en la probeta con la muestra, leer en la escala
numérica la densidad de la miel de esa variedad, temperatura y concentración. Las
determinaciones se realizaron por duplicado para tres réplicas.
3.5.3.6 Propiedades ópticas
a)
Color
Equipo
Para la caracterización de color en mieles se utilizó un espectrofotómetro,
utilizando como blanco agua destilada para encerar el equipo previamente.
Método
Las muestras de miel de caña de las dos variedades y tres concentraciones fueron
colocadas en una estufa a 35, 45 y 55ºC durante 16 horas. Cuatro gramos de
muestra fueron disueltos en 20ml de agua destilada. La solución es centrifugada
por 10 minutos y filtrada a través de papel filtro (Whatman No.1). De los
extractos diluidos, centrifugados y filtrados se determina la absorbancia mediante
un espectrofotómetro a 420 nanómetros de longitud de onda. Turkmen, N (2006).
Las determinaciones se realizaron parta muestras de miel para las dos variedades
de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14), tres concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) y tres
temperaturas (35, 45 y 55ºC), por duplicado para tres réplicas.
b)
Claridad
Equipo
Un espectrofotómetro se utilizó para la determinación de claridad en mieles.
Método
69
Las muestras de miel de caña de las dos variedades y tres concentraciones fueron
colocadas en una estufa a 35, 45 y 55ºC durante 16 horas. Dos gramos de muestra
fueron disueltos en 10ml de agua destilada. La solución es diluida y agitada
durante dos minutos. De la solución formada se determina la transmitancia (%T)
mediante un espectrofotómetro a 650 nanómetros de longitud de onda. (BelloPérez, 1995).
Las determinaciones se realizaron para muestras de miel de dos variedades de
caña (POJ 28-78 y POJ 27-14), tres concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) y tres
temperaturas (35, 45 y 55ºC), por duplicado para tres réplicas (n=3).
3.5.3.7 Balance de materia y energía
a)
Balance de materia
Sistema
Mediante una adaptación similar como la que presenta Ibarz, y colaboradores,
(2000), un recipiente en la parte superior conectado hacia un tanque agitado
compuesto por un matraz erlenmeyer y un agitador magnético.
Método
Con muestras de miel de 30ºBrix obtenidos por dilución de muestras de 50, 60 y
70ºBrix.
Comprobamos que el recipiente superior este lleno de agua, y durante el
experimento debe estar saliendo una pequeña corriente de agua para que el caudal
no varíe.
Colocar 1260g de muestra a 30ºBrix en el tanque agitado hasta que rebose.
Poner en marcha el agitador. Se introduce una corriente de agua de caudal
conocido y se comienza a tomar el tiempo.
Tomar muestras a intervalo de un minuto.
70
Medir los sólidos solubles mediante un brixómetro de las muestras recogidas
durante el experimento.
El experimento se realiza para tres caudales diferentes, en muestras de miel para
las dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14), por duplicado para tres
replicas.
b)
Balance de energía
Sistema
En un sistema adaptado y completamente aislado, un recipiente de vidrio de 12
litros de volumen, y en el interior un vaso de precipitación con 400g de muestra,
un termómetro y un agitador eléctrico.
Método
Llenar el baño termostático con agua a 60ºC ± 0,5ºC
Colocar el vaso de precipitación con 400g de muestra a 17ºC en el interior del
baño termostático.
Conectar la agitación con una velocidad fija que asegure la mezcla perfecta y no
produzca un vórtice excesivo.
A intervalos de 1 minuto se mide la temperatura de la muestra que se halla en el
interior del vaso de precipitación.
El experimento se realiza para las mieles de las dos variedades de caña y a las tres
concentraciones.
3.5.3.8 Conductividad eléctrica
a)
Equipo
Se utilizará el medidor Accumet Basic (Fisher Scientific AB300) de marca
HACH, provisto de un electrodo para determinación directa de la conductividad
eléctrica.
b)
Método
71
Colocamos 100ml de muestra a concentración de 50, 60 ó 70ºBrix en un vaso de
precipitación de 100ml de capacidad y mantenido a la temperatura deseada de 35,
45 ó 55ºC. Introducimos el electrodo, y por lectura directa nos indica la
conductividad eléctrica y de sólidos de la miel en unidades: 1s/cm.
3.6
PLAN DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
La representación tabular fue utilizada para procesar la información, para esto, se
utiliza los paquetes informativos: Word, Excel y la comprobación se lo realiza con
un paquete estadístico STATGRAPHICS Plus.
3.6.1
CÁLCULOS
3.6.1.1 Parámetros reológicos
a)
Viscosidad
La casa fabricante del equipo indica una ecuación (9) para calcular el valor de
esfuerzo de cizalla (τ).


Ω
.
 (Ec.9)
2
π
R
L
2
∗
∗
∗

i

τ =
(
)
Donde:
Ω: Es el torque que corresponde al producto de una constante (673,710-7
Nm) multiplicado por la lectura/100.
Ri: Es el radio interno, del cilindro que gira (m).
L: Es la longitud efectiva del cilindro (m)
Los valores promedios de las lecturas (%FS) ascendentes y descendentes por
duplicado de tres réplicas, leídos en el equipo con las muestras de miel de dos
variedades de caña, a tres concentraciones y a tres temperaturas se presentan en la
Tabla 8 y Tabla 9.
72
Cálculo de Ω (torque)
Con los datos determinados para miel de caña de la variedad POJ 28-78 a
concentración de 50ºBrix, 35ºC de temperatura y a una velocidad de rotación 6
rpm, se procedió a calcular mediante la ecuación 10.
 % FS 
Ω = 673,7 *10 −7 ( Nm )

 100 
 1,1 
Ω = 673,7 *10 −7 ( Nm )

 100 
Ω = 7,4 *10 −7 ( Nm )
(Ec. 10)
Los valores calculados de Ω (torque) para las muestras de mieles de dos
variedades de caña, a tres concentraciones y tres temperaturas se reportan en la
Tabla 10 y Tabla 11.
Cálculo del esfuerzo de cizalla (τ)
Con los datos calculados para la constante del equipo Ω (torque) y con los datos
de los rotores del viscosímetro reportados en la Tabla 12, se procede a calcular el
esfuerzo de cizalla aplicando la ecuación 9.
Cálculo efectuado para miel de caña de la variedad POJ 28-78 a concentración de
50ºBrix, 35ºC de temperatura y a una velocidad de rotación 6 rpm.


Ω

2
 2 * π * Ri * L 
τ =
(

)
7,4 *10− 7 Nm

τ =

2 2
 (2 * 3,1416 * 0,012575 m * 0,09239m )
τ = 0,008Pa
Los valores calculados de esfuerzo de cizallamiento τ (tao) para las muestras de
mieles de dos variedades de caña, a tres concentraciones y tres temperaturas se
reportan en la Tabla 13 y Tabla 14.
73
Cálculo de velocidad de deformación en cizallamiento (γ)
Mediante la ecuación 11, se calcula de la velocidad de deformación en
cizallamiento.

2(Re )
2

 * (2πN )( Ec.11)
γ = 
2
2 
 (Re ) − (Ri ) 
.
Cálculo efectuado a una velocidad de rotación de 6 rpm, utilizando la ecuación
anterior.
2

2(0,013810 ) m 2


2
2
2
2
.
 (0,013810 ) m − (0,012575) m
γ=
60
.
1
γ = 7,35
s


 * (2 * 3,1416 * 6rpm )



En la Tabla 15, se reporta los valores calculados de velocidad de deformación en
cizallamiento a diferentes rpm.
El comportamiento Newtoniano de miel de caña, se verifica al graficar: FS (%)
vs. N (rpm), donde la prolongación de la recta trazada por los diferentes puntos,
debe aproximarse al origen, dando una ecuación lineal, como indica el Grafico 1.
En cuanto, al graficar los valores calculados de esfuerzo de cizallamiento (τ) vs. la
velocidad de deformación en cizallamiento (γ) se obtiene la pendiente, que
corresponde a la viscosidad en esas condiciones.
De la ecuación lineal obtenida mediante el gráfico 2, el valor de la pendiente es la
viscosidad. Entonces, la viscosidad de la miel de caña de la variedad POJ 28-78
de 50ºBrix a 35ºC es de 3,2 mPa∗s, a 45ºC es de 2,6 mPa∗s y a 55ºC es de 1,7
mPa∗s.
74
3.6.1.2 Propiedades térmicas
a)
Calor Específico
Mediante la siguiente expresión (Ec.12) se calcula el calor específico:
(
)(
) (
 C pc H 2O * M H 2O * To H 2O − Te
C p miel = 
(M miel ) * (Te − To miel )

)
( Ec.12)

Donde:
C p miel : Calor específico de la muestra de miel (cal/gºC).
C pc H O : Calor específico de corrección (cal/gºC), entre agua fría y
2
caliente solo para los calorímetros utilizados.
M H 2O
: Masa del agua a To (g).
To H 2O : Temperatura inicial del agua en el calorímetro (ºC).
Te : Temperatura de equilibrio entre el agua y la muestra de miel (ºC).
M miel : Masa de miel a T (g).
o
To miel : Temperatura inicial de la miel a introducirse en el calorímetro
(ºC).
Factor de corrección
El factor de corrección se calcula aplicando la ecuación (13) siguiente:
Qganado = Q perdido
(
)
M

 H 2O f *  C p H 2O f
(
) (
)
(
)(
 * ∆T

H 2O f = M H 2O c * C p H O * ∆TH 2O c
2 c

75
)( Ec.13)
Al depejando C p H 2O f de la ecuación 13:
Cp f =
M c * C p c * ∆Tc
M f * ∆T f
Cálculo efectuado con datos de la Tabla 16 de la primera replica, con la ecuación
número 13.
cal
*(68,0 − 44,4)ο C
ο
g* C
150,05 g *(44,4 − 18,1)ο C
150,11g *1
Cp f =
C p f = 0,90
cal
g*ο C
Los valores calculados de factor de corrección se reportan en la Tabla 17.
Calor Específico (Cp) de la Miel
Aplicando la ecuación 12, se calcula el calor específico de miel de caña de la
variedad POJ 28-78, a 50ºBrix de concentración, con los datos reportados en la
Tabla 18.
C p miel
C p miel
cal


 (0,90) g ο C * (150,13)g * (68,1 − 46,2)º C 

=
(150,05)g * (46,2 − 17,9)º C






cal
= 0,69 ο
g C
ó
C p miel = 2,91
kJ
kg º C
76
b)
Difusividad Térmica
Mediante la ecuación (14), correspondiente a cilindro finito se calcula la
difusividad térmica.

R2 
α =  0,398 ( Ec.14)
f 

Donde:
α: Difusividad Térmica (m2/s)
R: Radio (m)
f: Tiempo (s)
La historia de temperaturas registrados en muestras de miel de dos variedades de
caña a diferente concentración se reportan en la Tabla 19 y Tabla 20, con los
respectivos valores de f (tiempo en s) obtenidos de la gráfica en papel
semilogarítmico, colocando en ordenadas la temperatura registrada y en abscisas
el tiempo, la parte superior de la escala de ordenadas se inicio con un valor menor
en 1ºC a la temperatura del baño.
f: es numéricamente igual al tiempo necesario para que la porción recta de la línea
atraviese una escala logarítmica.
Cálculo de difusividad térmica en miel de caña para un f de 135s, de la variedad
POJ 28-78 a 50ºBrix de R1, mediante la ecuación 14.

0,007 2 m 2

α =  0,398
135s

m2
α = 1,44 * 10 −7
s
c)



Conductividad Térmica
Mediante la ecuación 5, se calcula la conductividad térmica para miel de caña de
la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix de la R1.
77
k = α * ρ *Cp
m2
kg
kJ
*1229 3 * 2,91
s
m
kg º C
kJ
k = 0,00051
s * m*º C
W
k = 0,517
mº C
k = 1,44 *10 −7
3.6.1.3 Balance de materia y energía
a)
Balance de Materia
Por medio de la ecuación 15, procedemos a calcular la concentración de un
componente a un tiempo dado.
 q 

 − *t  
C t = C o * e  v  


(Ec.15)
Donde:
Ct : Concentración de un componente a un tiempo dado (g/ml).
Co : Concentración inicial de un componente (g/ml). Definición: Un
ºBrix es la densidad de una solución de sacarosa al 1% (p/v) medida a
20ºC.
q: Caudal volumétrico (ml/s)
v: Volumen del tanque agitado (ml)
t: Tiempo (s)
Cálculo demostrativo de Ct con los datos reportados en la Tabla 65, referente a
concentración inicial (g/ml) a 240s y un caudal de 2,27 ml/s, utilizando la
ecuación 15.
78
C240 s
C240 s
ml



 2 , 27

s *240 s 
−

 1140ml



g



= 0,194 * e


ml




g
= 0,12
ml
79
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
4.1
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
4.1.1
JUGO DE CAÑA
Los resultados de los análisis físicos y químicos de las muestras de jugo de dos
variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14), como: sólidos solubles (ºBrix), pH,
acidez titulable (% ácido aconítico), humedad (%) y azúcares invertidos
(mg/100ml) son presentados en la Tabla 21, conjuntamente con la comparación
entre muestras, efectuada mediante la prueba t “Student” a p ≤ 0,05.
4.1.1.1 Sólidos solubles
La comparación entre muestras de jugo de las dos variedades de caña, evidencia
que existe diferencia significativa (p≤0,05) en el contenido de sólidos solubles
expresado en ºBrix. El contenido de sólidos solubles del jugo de la variedad de
caña POJ 28-78, en promedio es de 19,14ºBrix, siendo mayor en relación al valor
promedio de 18,26ºBrix de la variedad POJ 27-14. Aún cuando mínima, esta
variación podría ser el indicativo de que el contenido de azúcar depende de la
variedad de caña. Sin embargo, Chen, (1991) reporta que el estado de madurez es
otro de los factores que influye directamente sobre el contenido de sólidos
solubles.
4.1.1.2 pH
La prueba t “Student”, indica que no existe diferencia significativa (p≤0,05) entre
los valores de pH de las muestras de jugo recién extraído de las dos variedades de
caña. Esto significa que, el pH 5,82 y 5,79 determinado en las muestras de los
jugos de las variedades POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente, no es
estadísticamente diferente. Según Chen (1991), el pH en el jugo de caña varía por
80
el deterioro posterior a la extracción o por alteraciones en las condiciones
climáticas, como es el caso las heladas.
4.1.1.3 Acidez titulable
Entre las muestras de jugo de las dos variedades de caña, estadísticamente la
variación de la acidez titulable (%) es significativa (p≤0,05). El contenido de
ácido aconítico va de 0,38% a 0,40% en el jugo de las variedades utilizadas POJ
28-78 y POJ 27-14. De acuerdo con Chen, (1991), el contenido de ácido aconítico
es de mayor importancia en el jugo de caña, ya que supera en tres veces al nivel
de otros ácidos orgánicos como: cítrico, málico, oxálico, glicólico, mesacónico,
tartárico, succínico, fumárico y siríngico.
4.1.1.4 Humedad
En cuanto al contenido de humedad (%), es importante indicar que no existe
diferencia significativa (p≥0,05) entre los jugos de las dos variedades utilizadas,
tal como ocurre para el caso de sólidos solubles, lo cual evidencia la relación entre
esas dos variables de medición. Con base a la prueba t “student”, el porcentaje de
humedad de la variedad POJ 28-78 es similar al de la variedad POJ 27-14 con
81,27% y 82,47%, respectivamente.
4.1.1.5 Azúcares invertidos
La cantidad de azúcares invertidos determinada en el jugo extraído de las
variedades POJ 28-78 y POJ 27-14 es muy similar con 279,21 mg/100 ml y
288,84 mg/100 ml, respectivamente. La comparación entre muestras evidencia la
no diferencia significativa (p≥0,05).
4.1.2
MIEL DE CAÑA
En cuanto a las muestras de miel de las dos variedades de caña en estudio (POJ
28-78 y POJ 27-14), los resultados de los análisis físicos y químicos como: pH,
acidez titulable
(% ácido aconítico), humedad (%) y azúcares invertidos
(mg/100ml) medidos a diferentes concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) se presentan
en la Tabla 22.
81
4.1.2.1 pH
La prueba t “Student”, indica que no existe diferencia significativa (p≥0,05) en el
pH debido a la variedad dentro de cada nivel de concentración de sólidos solubles.
Esto quiere decir que el pH de las muestras de las mieles analizadas, es similar
entre la variedad POJ 28-78 y la POJ 27-14 a la misma concentración, por
ejemplo a 50ºBrix el pH de la variedad POJ 28-78 es 5,63 y de la POJ 27-14 es
5,64 lo que comprueba la similitud.
4.1.2.2 Acidez titulable
Aplicando la prueba t “Student”, no se encuentra diferencia significativa (p≤0,05)
entre las muestras de miel de las dos variedades de caña analizadas, refiriéndonos
a los valores de acidez titulable expresado en % ácido aconítico. Esto indica que el
porcentaje de ácido aconítico en las muestras de miel de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14 es similar a la misma concentración, por ejemplo a 60ºBrix existe
0,87% y 0,89%, respectivamente.
4.1.2.3 Humedad
Es importante indicar que no existe diferencia significativa (p≤0,05), entre las
medias de las muestras de miel de las dos variedades de caña al aplicar la prueba t
“Student”. La media de las muestras analizadas nos indican que el contenido de
humedad de la variedad POJ 28-78 es 50,18% y de la variedad POJ 27-14 es
49,71% a 50ºBrix, lo que indica que el contenido de agua es similar a la misma
concentración entre variedades.
La relación inversa que existe entre el contenido de sólidos solubles (ºBrix) y la
humedad se podría tener un dato empírico solo por diferencia sí se conoce una de
las variables.
4.1.2.4 Azúcares invertidos
De igual forma que las características anteriores, al aplicar la misma prueba de
comparación múltiple entre las medias de las muestras de miel, nos indica la no
diferencia significativa (p≥0,05) entre variedades de caña, en cambio con las
82
concentraciones ocurre lo contrario. Esto quiere decir que la cantidad de ácido
aconítico encontrado en la variedad POJ 28-78 y en la variedad POJ 27-14 a la
misma concentración es similar, por ejemplo para la variedad POJ 28-78 y POJ
27-14 a 50ºBrix contiene 257,88 mg/100ml y 241,71 mg/100ml, respectivamente.
4.2
ANÁLISIS DE MACRO Y MICRO CONSTITUYENTES
4.2.1
CAÑA DESCORTEZADA
Los resultados de los análisis realizados a las muestras de dos variedades de caña
descortezadas, se presenta en la Tabla 23.
4.2.1.1 Análisis proximal
Las muestras de caña descortezadas presentan porcentajes de humedad muy
elevados, por ejemplo, el contenido de agua es de 72,48% y 71,39% para la
variedad de caña POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente, siendo éste el
componente mayoritario en la caña. Entre los sólidos totales expresados en base
seca, los elementos libres de nitrógeno están en 74,58% para la variedad POJ 2878 y 78,49% para la variedad POJ 27-14, seguido del contenido de fibra con
23,07% en la variedad POJ 28-78 y 19,85% en la variedad POJ 27-17. Además
contiene ceniza, extracto etéreo y proteína en cantidades menores que suman
1,66%.
4.2.1.2 Minerales
Los minerales que se encuentran en mayor cantidad en las muestras de caña
descortezada son: calcio con 0,15% y 0,04%, potasio con 0,16% y 0,12%, y sodio
con 0,03 y 0,02% en la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente, al
igual que el fósforo con 0,05% y el magnesio con 0,02% que presentaron
similares valores en las variedades estudiadas, en cambio el cobre, hierro y
manganeso se encuentran en menor proporción.
83
4.2.1.3 Azúcares determinados por HPLC
De acuerdo con la identificación de los azúcares predominantes en las muestras de
caña descortezada por cromatografía líquida de alta presión (HPLC), la sacarosa
se presenta con el porcentaje más alto, seguido de la fructosa y glucosa con
53,90%, 1,79 % y 1,70%, respectivamente en la variedad POJ 28-78; en cambio el
contenido de los mismos azúcares en la otra variedad va desde 56,99%, 1,78% y
1,72%, respectivamente.
4.2.1.4 Azúcares totales y reductores
El contenido de azúcares totales en la variedad POJ 28-78 y en la variedad POJ
27-14 es de 57,27% y 56,26%, respectivamente; en cambio el contenido de
azúcares reductores es de 1,04% y 1,06% en las variedades mencionadas,
respectivamente.
4.2.2
JUGO DE CAÑA
Los resultados de los análisis realizados a las muestras de jugo de dos variedades
de caña descortezadas, se reportan en base humedad en la Tabla 24.
4.2.2.1 Minerales
El zinc, hierro, potasio, cobre y fósforo son los minerales que predominantes en el
jugo de caña, por ejemplo en la variedad POJ 28-78 se tiene 156 ug/100ml y en la
variedad POJ 27-14 el contenido es de 77 ug/100ml. Además, se encuentra otros
minerales como el calcio 3,19 ug/100ml y 6,11ug/100ml, magnesio 4,5 ug/100ml
y 2,62 ug/100ml, sodio 0,06 ug/100ml y 0,08 ug/100ml y manganeso 3 ug/100ml
y 2 ug/100ml para la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente.
4.2.2.2 Azúcares por HPLC
La sacarosa es el azúcar dominante en referencia a fructosa y glucosa, así se tiene
en la variedad POJ 28-78; 24,74% y en la variedad POJ 27-14; 9,38% de sacarosa.
84
4.2.2.3 Azúcares totales y reductores
Los azúcares totales encontrados en las muestras de jugo de caña son del 19,68%
y 18,90% en la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente; en cambio los
azúcares reductores están presentes en un 8,41% en la variedad POJ 28-78 y
8,15% en la variedad POJ 27-14.
4.2.3
MIEL DE 70ºBrix
Los resultados de los análisis realizados en las muestras de miel de 70ºBrix de dos
variedades de caña descortezadas, se presenta en la Tabla 25 en base seca.
4.2.3.1 Análisis proximal
La miel de caña de 70ºBrix tiene 30,19% y 31,74% de humedad en la variedad
POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente. Los elementos libres de nitrógeno en
base seca, representando a los azúcares están en 99,28% para la variedad POJ 2878 y 99,20% para la variedad POJ 27-14. El resto de componentes esta alrededor
de 0,30% y 0,41% de ceniza, 0,07% y 0,03% de extracto etéreo, 0,29% y 0,28%
de proteína y 0,06% y 0,08% de fibra en la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14,
respectivamente.
4.2.3.2 Minerales
El calcio, fósforo, magnesio, potasio y sodio son los minerales dominantes en las
muestras de miel de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, en cambio el cobre,
hierro y manganeso se encuentran en menor proporción.
4.2.3.3 Azúcares por HPLC
La sacarosa con 62,55% y 64,33% es el azúcar dominante que se encuentra en la
miel, seguido de la fructosa con 2,47% y 2,24% y de la glucosa con 2,44% y
2,21% de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, respectivamente.
85
4.2.3.4 Azúcares totales y reductores
El contenido de azúcares totales en la variedad POJ 28-78 y en la variedad POJ
27-14 es de 96,53% y 96,44% ; en cambio el contenido de azúcares reductores es
de 1,48% y 1,43% respectivamente.
4.3
PROPIEDADES REOLÓGICAS
4.3.1
COMPORTAMIENTO VISCOSIMÉTRICO
Inicialmente, se evalúa el comportamiento de la miel con el fin de determinar si es
de tipo tixotrópico, es decir, si la viscosidad disminuye con el tiempo a medida
que la muestra de miel es cizallada. El experimento se lleva a cabo en ciclos (C)
de gradiente de velocidad creciente (C) y posteriormente decreciente (D). Al
analizar los resultados se observa que todos los tratamientos tienen similitud en el
comportamiento, el cual es presentado en el Gráfico 3.
En el Gráfico 3, se observa un pequeño grado de tixotropía, de carácter leve en la
miel de la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix y en el caso del resto de mieles
estudiadas es prácticamente inapreciable, como por ejemplo, la viscosidad
obtenida de las lecturas del ciclo creciente y decreciente es de 1,8mPa∗s y
1,9mPa∗s, respectivamente; en mieles de 50ºBrix y a 55ºC (Gráfico 3).
4.3.2 VISCOSIDAD (µ)
Las muestras de miel de las dos variedades de caña, exhiben comportamiento
newtoniano a las temperaturas y concentraciones propuestas (Gráfico 1), porque la
prolongación de la línea trazada por los diferentes puntos de fuerza de
cizallamiento (% FS) versus la velocidad de rotación (N, rpm) se aproxima al
origen.
De la relación entre el esfuerzo de cizallamiento (τ) y la velocidad de deformación
en cizallamiento (γ) reportada en el Gráfico 2, se obtiene la ecuación lineal, donde
la pendiente corresponde a la viscosidad a las condiciones planteadas. Los valores
86
de viscosidad (µ) obtenidos mediante las ecuaciones lineales por replica (n=3) se
reportan en la Tabla 26. Por ejemplo, la viscosidad de la miel de caña a 50ºBrix y
35ºC es 3,13mPa∗s y 2,86mPa∗s de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14,
respectivamente.
De acuerdo a la comparación entre muestras de variedades, junto a los valores de
viscosidad media reportados en la Tabla 26, se encuentran superíndices; estos
indican la similitud en viscosidad de miel entre variedades de caña a la misma
concentración y temperatura. Únicamente, se tiene diferencia significativa entre
los tratamientos a1b3c2 (POJ 28-78, 70ºBrix y 45ºC) con el a2b3c2 (POJ 27-14,
70ºBrix y 45ºC) donde el valor de viscosidad es de 66,63mPa∗s y 63,13mPa∗s,
respectivamente, esto demuestra que la viscosidad de los tratamientos
mencionados son influenciados por la variedad de caña, situación que no ocurre
con el resto de tratamientos.
En el análisis de varianza de la variable respuesta viscosidad (µ), reportado en la
Tabla 27, muestra el efecto estadístico significativo de los factores concentración
y temperatura con un nivel de confianza del 95%. Esto significa que la viscosidad
de las muestras de miel está influenciada por la concentración y la temperatura, lo
cual no ocurre con la variedad de caña.
En relación a las hipótesis planteadas, rechazamos la hipótesis nula (Ho) referente
a las variables independientes: concentración y temperatura, puesto que afectan a
la viscosidad; y aceptamos la hipótesis nula (Ho), al relacionar a la variable
variedad de caña con la viscosidad, puesto que esta última variable independiente
no presenta ningún efecto influyente sobre la viscosidad.
Con la prueba de diferenciación Tukey reportada en la Tabla 28, se establece el
mayor valor promedio de viscosidad de miel de caña, para el factor concentración
en el nivel b3 (70ºBrix) con una viscosidad de 72,57mPa∗s y para el factor
temperatura en el nivel c1 (35ºC) donde la viscosidad es 37,84mPa∗s.
Los valores de viscosidad obtenidos en miel de caña son mucho más bajos que los
reportados para miel abeja por Kayacier y colaboradores (2008), quienes han
comprobado el comportamiento newtoniano de la miel de Turquía y la influencia
87
de la temperatura de 10-40ºC sobre la viscosidad en un intervalo de 2,8Pa∗s y
101Pa∗s, de acuerdo a la temperatura y tipo de miel. Adicionalmente, al comparar
con el comportamiento reológico de pulpa de papaya se observa que la viscosidad
en pulpas de frutas es más alta que en la miel de caña (Alvarado, 1996).
4.3.3
EFECTO DE LA TEMPERATURA
La influencia de la temperatura (ºC) sobre la viscosidad (mPa∗s) tiene un efecto
inverso, como se puede apreciar en el Gráfico 4.
En el Gráfico 4, se reporta la viscosidad de miel de caña de la variedad POJ 28-70
y de la variedad POJ 27-14 a 50, 60 y 70ºBrix en función a la temperatura. La
viscosidad de todas las muestras de miel de caña analizadas decrece con el
incremento de la temperatura. Por ejemplo, la viscosidad de la miel de caña de la
variedad POJ 28-78 a 50ºBrix fue de 3,13mPa∗s a 35ºC; 2,67mPa∗s a 45ºC y
1,83mPa∗s a 55ºC.
En la Tabla 29, se reportan ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular la
viscosidad (mPa∗s) de miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14)
y a tres concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) en función de la temperatura en un
intervalo de 35ºC a 55ºC. La confiabilidad del modelo se confirma por los
coeficientes de regresión que presentan las ecuaciones con valores desde 93,01%
a 97,23%. También, para jugos de frutas cítricas (lima, limón, mandarina, naranja
y toronja) con diferente contenido de sólidos solubles, se reporta efecto de la
temperatura y se obtiene la viscosidad mediante modelos lineales (Alvarado
1996).
4.3.4
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN
La concentración (ºBrix) y la viscosidad (mPa∗s) tienen una relación directa,
como se puede apreciar en el Gráfico 5.
En el Gráfico 5, se tiene la viscosidad de miel de caña de la variedad POJ 28-70 y
POJ 27-14 en función a la concentración. La viscosidad de todas las muestras de
miel analizadas se comportan de la misma manera, esto quiere decir, que si la
88
concentración aumenta la viscosidad también se incrementa, lo cual indica la
relación directa. Por ejemplo, la viscosidad de la miel de la variedad POJ 28-78 a
35ºC es de 3,13mPa∗s a 50ºBrix; 5,40mPa∗s a 60ºBrix y 105,27mPa∗s a 70ºBrix.
La tendencia creciente por efecto de la concentración de sólidos solubles también
es reportada por Anupama y colaboradores (2002), al estudiar 11 tipos de miel
comercial de la India, con concentraciones de 76 a 81,5ºBrix y valores de
viscosidad aparente entre 1,79Pa∗s y 13,8Pa∗s a 25ºC de temperatura.
La Tabla 30, contiene las ecuaciones recíproco en Y (y = 1 / (a + b ∗ x)), para
calcular la viscosidad (mPa∗s) de miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y
POJ 27-14) a tres temperaturas (35, 45 y 55ºC) en función a la concentración en
un intervalo de 50 a 70ºBrix. La confiabilidad de este modelo esta reflejado por
los coeficientes de regresión que van desde 97,95% a 99,98% y los de correlación
son de -0,98 a -0,99.
4.3.5
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
Usualmente, la relación inversa entre la viscosidad y la temperatura es descrita por
el modelo de Arrhenius. En la Tabla 31, se reporta valores de energía de
activación calculados entre 35 a 55ºC de temperatura, para tres concentraciones
(50, 60 y 70ºBrix). La energía de activación de las muestras de miel de las dos
variedades de caña esta en un intervalo de 17,05kJ/mol a 33,54kJ/mol a diferencia
de la energía de activación calculada en mieles de Turquía en un intervalo de
63,4kJ/mol a 78,5kJ/mol (Kayacier y colaboradores, 2008). Alvarado (1996),
reporta valores de energía de activación para el caso específico del jugo de caña
de 19,6kJ/mol.
89
4.4
PROPIEDADES TÉRMICAS
4.4.1
CALOR ESPECÍFICO (Cp)
En la Tabla 32, se reporta valores de calor específico por replica (n=3) a
temperatura ambiente, en muestras de miel de dos variedades (POJ 28-78 y POJ
27-14) de caña a tres concentraciones (50, 60 y 70ºBrix). Por ejemplo, el Cp de las
muestras de miel se encuentran en un intervalo de 2,66kJ/kgºC a 8,89kJ/kgºC para
los tratamientos a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y a2b1 (POJ 27-14 a 50ºBrix),
respectivamente. Los superíndices iguales entre las filas, indican que el valor de
calor específico es similar entre los tratamientos de la variedad POJ 28-78 y la
variedad POJ 27-14. Por ejemplo, el Cp del tratamiento a1b2 (POJ 28-78 a 60ºBrix)
es 2,76kJ/kgºC y del tratamiento a2b2 (POJ 27-14 a 60ºBrix) es 2,78kJ/kgºC.
El análisis de varianza realizado con la variable respuesta calor específico,
reportado en la Tabla 33, demuestra la diferencia significativa entre el factor
concentración a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que el calor
específico de las muestras de miel está influenciado por la concentración y no por
la variedad de caña.
Rechazamos la hipótesis nula (Ho), puesto que la variable independiente
concentración afecta al calor específico; y aceptamos la hipótesis nula (Ho), al
relacionar a la variable variedad de caña con el calor específico.
En la prueba de diferenciación Tukey, reportada en la Tabla 34, se establece el
mayor valor promedio de calor específico, corresponde al tratamiento b1 (50ºBrix)
con 2,88kJ/kg°C
4.4.1.1 Efecto de la concentración
La concentración (ºBrix) y la viscosidad (mPa∗s) tienen una relación inversa,
como se puede apreciar en el Gráfico 6.
En el Gráfico 6, se reporta el calor específico en miel de caña de la variedad POJ
28-70 y POJ 27-14 en función de la concentración. El calor específico de las
muestras de mieles estudiadas indica que a mayor concentración (ºBrix) menor es
90
el calor específico. Por ejemplo a 50ºBrix el Cp es 2,88kJ/kg∗ºC, a 60ºBrix es
2,75kJ/kg∗ºC y a 70ºBrix es 2,67kJ/kg∗ºC en la variedad POJ 28-78. Esta relación
inversa entre grados Brix y calor específico es observada en jarabes de tuna
(Alvarado, 1996).
En la Tabla 35, se reportan las ecuaciones exponenciales (y = exp (a + b ∗ x)) para
calcular el calor específico (kJ/kg∗ ºC) de miel en función a la concentración en
un intervalo de 50 a 70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los
coeficientes de regresión que van desde 99,126% a 99,819% y los de correlación
son de -0,995 a -0,999 para muestras de miel de caña de la variedad POJ 28-78 y
POJ 27-14, respectivamente.
4.4.2
DIFUSIVIDAD TÉRMICA (α)
En la Tabla 36, se reportan los valores de difusividad térmica por replica (n=3), en
muestras de miel de dos variedades (POJ 28-78 y POJ 27-14) de caña y a tres
concentraciones (50, 60 y 70ºBrix). Por ejemplo, la difusividad térmica en miel
es de 1,07∗10-7m2/s para el tratamiento a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y de 1,48∗10-7
m2/s en el tratamiento a1b1 (POJ 28-78 a 50ºBrix).
En la Tabla 37, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta difusividad
térmica, indica la influencia significativa de los factores variedad y concentración
a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que la difusividad térmica de las
muestras de mieles está influenciada por la variedad de caña y por la
concentración.
Rechazamos la hipótesis nula (Ho), puesto que las variables independientes
concentración y variedad de caña afectan significativamente a la difusividad
térmica.
En la prueba de diferenciación Tukey reportada en la Tabla 38, se establece el
mayor valor promedio de difusividad térmica, dicho valor en el factor variedad
corresponde al tratamiento a1 (POJ 28-78) con 1,32∗10-7m2/s, y en el factor
concentración es 1,46∗10-7m2/s para el tratamiento b1 (50ºBrix). Además los
91
superíndices (a,
b y c
) indican que la difusividad térmica varía en relación a la
variedad de caña y a la concentración.
4.4.2.1 Efecto de la concentración
La concentración (ºBrix) y la difusividad térmica tienen una relación inversa,
como se puede apreciar en el Gráfico 7.
El Gráfico 7, muestra la difusividad térmica en miel de caña de la variedad POJ
28-70 y POJ 27-14 en función de la concentración. La difusividad térmica de
todas las muestras de miel estudiadas disminuyen a mayor concentración (ºBrix).
Por ejemplo a 50, 60 y 70ºBrix; la difusividad térmica (α) es 1,5∗10-7 m2/s;
1,4∗10-7 m2/s y 1,1∗10-7 m2/s, respectivamente para la variedad POJ 28-78. La
difusividad térmica de la miel de caña está en el intervalo de los valores
reportados por Alvarado, (1996) para pulpas de frutas.
En la Tabla 39, se reportan las ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular la
difusividad térmica (m2/s) de miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ
27-24) en función a la concentración en un intervalo de 50 a 70ºBrix. La
confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de regresión que varían
entre 92,30% a 75,00% y los de correlación son de -0,96 a -0,86 para las muestras
de miel de caña de las variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.4.3
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (k)
En la Tabla 40, se reportan los valores de conductividad térmica por replica (n=3)
en muestras de miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14) y a tres
concentraciones (50, 60 y 70ºBrix). La conductividad térmica esta en un intervalo
de 0,387W/mºC a 0,526W/mºC que corresponden a los tratamientos a2b3 (POJ
27-14 a 70ºBrix) y a1b1 (POJ 28-78 a 50ºBrix)
En la Tabla 41, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta
conductividad térmica, se indica que existe diferencia significativa en el factor
concentración, a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que la
conductividad térmica de las muestras de miel está influenciada por la
concentración y no por la variedad de caña.
92
Rechazamos la hipótesis nula (Ho), puesto que la variable independiente, que es la
concentración, afecta significativamente a la conductividad térmica.
Con la prueba de diferenciación Tukey reportada en la Tabla 42, se establece el
valor
promedio
más
alto
de
conductividad
térmica
(0,472W/mºC),
correspondiente al factor variedad de para el tratamiento a2 (Variedad POJ 28-78)
y para el factor concentración, el tratamiento b1 (50ºBrix) con 0,519W/mºC.
Además se observa superíndices (a,
b y c
) en las filas, lo que indica que la
conductividad térmica varía con la variedad y concentración de la miel. Los
valores de conductividad térmica en miel de caña son menores que 0,6W/mK,
considerado como límite máximo para alimentos, según Alvarado, (1996).
4.4.3.1 Efecto de la concentración
En el Gráfico 8, la conductividad térmica en miel de caña de las variedades POJ
28-70 y POJ 27-14 en función de la concentración (ºBrix) tiene una relación
inversa. La conductividad térmica de las muestras de las mieles estudiadas
disminuye a mayor concentración (ºBrix). Por ejemplo para la variedad POJ 28-78
a 50, 60 y 70ºBrix la conductividad térmica es 0,52W/mºC, 0,48W/mºC y
0,404W/mºC, respectivamente.
En la Tabla 43, se reportan las ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular la
conductividad térmica (W/mºC) en función a la concentración en un intervalo de
50 a 70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de
regresión que van desde 90,29% a 95,47%, los de correlación son de -0,95 a -0,97
y el error es de 0,02 a 0,01 para las muestras de miel de caña de las dos variedades
en estudio: POJ 27-14 y POJ 28-78.
93
4.5
PROPIEDADES MECÁNICAS
4.5.1
CONSISTENCIA (Consistómetro Bostwick)
La consistencia es una medida de textura de los alimentos que es considerada
empírica. Comúnmente es empleada para ver el comportamiento de productos
semi-sólidos como concentrado de tomate y otros productos derivados de frutas y
hortalizas (Alvarado y Aguilera, 2001).
Los valores de consistencia representados por la distancia recorrida (cm) de las
muestras de miel de caña en 30segundos, son presentados en la Tabla 44. Los
valores máximos de consistencia observados son: 22.9 y 22,1cm∗30s para los
tratamientos a1b1c3 (POJ 28-78, 50ºBrix y 55ºC) y a2b1c3 (POJ 27-14, 50ºBrix y
55ºC) respectivamente, y los valores mínimos de consistencia son: 11,9 cm∗30s y
12,1cm∗30s para los tratamientos a1b3c1 (POJ 28-78, 70ºBrix y 35ºC) y a2b3c1
(POJ 27-14, 70ºBrix y 35ºC) respectivamente.
En la Tabla 45, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta
(consistencia), indica que existe efecto significativo de los factores concentración
y temperatura a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que la consistencia
Bostwick de las muestras de miel está influenciada por la concentración,
temperatura y no por la variedad de caña.
En la Tabla 46, mediante la prueba de diferenciación Tukey, se establece el valor
mayor promedio de consistencia y corresponde al factor concentración con
21,11cm∗30s para el tratamiento (50ºBrix) y en el factor temperatura es
19,15cm∗30s para el tratamiento (55ºC).
4.5.1.1 Efecto de la concentración
En el Gráfico 9, la consistencia en miel de caña de la variedad POJ 28-70 y POJ
27-14 a 35ºC en función de la concentración tienen una relación inversa. La
relación inversa entre la consistencia (cm∗30s) y la concentración (ºBrix), nos
indica que a mayor concentración menor será la distancia recorrida por el fluido
en la escala graduada del consistómetro, Por ejemplo la muestra de miel de la
94
variedad POJ 28-78 a 35ºC de 50, 60 y 70ºBrix recorre 20,3cm∗30s; 15,1cm∗30s
y 12,2cm∗30s respectivamente.
En la Tabla 47, se reportan ecuaciones exponenciales (y = exp (a + b * x)) para
calcular la distancia recorrida en el consistómetro, con muestras de miel en
función a la concentración para dos variedades de caña, en un intervalo de 50 a
70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de regresión
que van desde 86,77 a 99,82%, los de correlación son de -0,93 a -0,99 y el error
es de 0,01 a 0,11 para las muestras de miel de caña de las variedades POJ 28-78 y
POJ 27-14.
4.5.1.2 Efecto de la temperatura
La temperatura y la consistencia (cm∗30s) en términos de distancia recorrida están
relación directa como se puede apreciar en el Gráfico 10.
En el Gráfico 10, se tiene la consistencia en miel de caña de la variedad POJ 2870 y POJ 27-14 en función de la temperatura. A mayor temperatura mayor es la
distancia recorrida por la muestra de miel. La consistencia bostwick
de las
muestras de miel estudiadas es menos consistente a mayor temperatura. Por
ejemplo a 35, 45 y 55ºC, la consistencia es 20,03cm∗s, 20,77cm∗30s y
22,37cm∗s, respectivamente para la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix.
En la Tabla 48, se reportan ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular la
consistencia bostwick (cm∗30s) en función a la temperatura en el intervalo de 35
a 55ºC, con muestras de miel de dos variedades y a tres concentraciones. La
confiabilidad del modelo se refleja a través de los coeficientes de regresión que
van desde 95,69% a 99,68%, los de correlación son de 0,978 a 0,99 y el error es
de 0,09 a 0,35 para las muestras de miel de caña de las variedades POJ 28-78 y
POJ 27-14.
4.5.2
CONSISTENCIA (Texturómetro TA-XT2i)
En el Gráfico 21 y 22, se muestra la máxima fuerza (firmeza), el área
(consistencia), la máxima fuerza negativa (cohesividad) y el área negativa
95
(resistencia al flujo), de la misma manera Anzaldua (1994), realizó una evaluación
instrumental de la textura, definiendo algunas propiedades como dureza,
cohesividad, viscosidad, elasticidad, adhesividad entre las principales.
La firmeza, consistencia, cohesividad y la resistencia al flujo para los diferentes
tratamientos se reporta en la Tabla 49.
En firmeza, el promedio mas alto corresponde al tratamiento a2b3c1 (POJ 17-14 a
70ºBrix y 35ºC) con 17,33gf.
La consistencia mas elevada es para el tratamiento a2b2c1 (POJ 17-14 a 60ºBrix y
35ºC) con 236,93g∗s.
La cohesividad media más baja de -10,43g corresponde al tratamiento a1b3c1 (POJ
28-78 a 70ºBrix y 35ºC). Este valor indica la capacidad de adherencia que
presenta la miel al momento del retorno del accesorio de texturómetro.
En cambio el tratamiento a1b3c1 (POJ 28-78 a 70ºBrix y 35ºC) es el más resistente
al flujo con -27,14g∗s.
4.5.3
DENSIDAD (ρ)
Los valores de densidad en muestras de miel de caña se presentan en la Tabla 50.
Los valores máximos de densidad observados son: 1357 kg/m3 y 1356 kg/m3
para los tratamientos a1b1c0 (POJ 28-78, 50ºBrix y 18ºC) y a2b1c0 (POJ 27-14,
50ºBrix y 18ºC), respectivamente. Los valores mínimos de densidad son: 1220
kg/m3 y 1222 kg/m3 para los tratamientos a1b3c3 (POJ 28-78, 70ºBrix y 55ºC) y
a2b3c3 (POJ 27-14, 70ºBrix y 55ºC), respectivamente.
En la Tabla 51, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta densidad,
indica que existe influencia significativa de los factores concentración y
temperatura a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que la densidad de las
muestras de miel está influenciada por la concentración y temperatura, pero no por
la variedad de caña.
96
En la Tabla 52, la prueba de diferenciación Tukey establece el mayor valor
promedio de densidad para el factor concentración con 1343,25 kg/m3 a 70ºBrix
y para el factor temperatura es 1290,61 kg/m3 a 18ºC.
4.5.3.1 Efecto de la concentración
La densidad y la concentración tienen una relación directa, como se puede
apreciar en el Gráfico 11.
En el Gráfico 11, se observa la densidad en miel de caña de la variedad POJ 28-70
y la POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración. La relación directa entre la
densidad (kg/m3) y la concentración (ºBrix), indica que a mayor concentración
mayor es la densidad. Por ejemplo, la muestra de miel de la variedad POJ 28-78 a
35ºC de 50, 60 y 70ºBrix es de 1224 kg/m3, 1279 kg/m3 y 1345 kg/m3,
respectivamente.
En la Tabla 53, se reportan las ecuaciones lineales (y = a + b ∗x) para calcular la
densidad (kg/m3), en función a la concentración en un intervalo de 50 a 70ºBrix a
cuatro temperaturas. La confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de
regresión que van desde 99,32% a 99,88%, los de correlación son de 0,99 y el
error es de 2,72 a 7,34 para las muestras de miel de caña de las variedades POJ
28-78 y POJ 27-14.
4.5.3.2 Efecto de la temperatura
En el Gráfico 12, la densidad en miel de caña de las variedades POJ 28-70 y POJ
27-14 a 35ºC en función a la temperatura está relación inversa, lo cual indica que
a mayor temperatura (ºC) menor es la densidad (kg/m3). Por ejemplo la muestra
de miel de la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix es 1230; 1224; 1221 y 1219kg/m3 a
18, 35, 45 y 55ºC, respectivamente.
En la Tabla 54, se reportan ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular la
densidad de miel de dos variedades de caña a tres concentraciones y la
temperatura en el intervalo de 18 a 55ºC. La confiabilidad del modelo se refleja en
los coeficientes de regresión que van desde 95,69 a 99,68%, los de correlación
97
son de 0,978 a 0,99 y el error es de 0,09 a 0,35 para las muestras de miel de caña
de las variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.6
PROPIEDADES ÓPTICAS
4.6.1
COLOR
Los valores de absorbancia o densidad óptica registrados para la determinación
del color en muestras de miel de caña se presentan en la Tabla 55. Los valores
máximos de absorbancia observados son: 407 y 411 para los tratamientos a1b3c3
(POJ 28-78, 70ºBrix y 55ºC) y a2b3c3 (POJ 27-14, 70ºBrix y 55ºC)
respectivamente y los valores mínimos son: 0,277 y 0,268 para los tratamientos
a1b1c1 (POJ 28-78; 50ºBrix y 35ºC) y a2b1c1 (POJ 27-14; 50ºBrix y 35ºC),
respectivamente.
En la Tabla 56, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta
(absorbancia), indica la existencia de efecto significativo de los factores
concentración y temperatura a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que
la densidad de las muestras de miel está influenciada por la concentración y la
temperatura, pero no por la variedad de caña.
En la Tabla 57, con la prueba de diferenciación Tukey se establece que el valor
promedio más alto de absorbancia es para factor concentración con 0,386 a
70ºBrix y para el factor temperatura es de 0,3794 a 55ºC. Además los superíndices
(a, b y c) en la columna indican diferencias significativas para la absorbancia entre
tratamientos agrupados de acuerdo a los factores concentración y temperatura.
4.6.1.1 Efecto de la concentración
La absorbancia y la concentración tienen una relación directa, como se puede
apreciar en el Gráfico 13 para miel de caña de las variedades POJ 28-70 y POJ 2714 a 35ºC en función de la concentración. La relación directa entre los valores de
absorbancia y la concentración (ºBrix), nos indica que a mayor concentración
mayor es la absorbancia. Por ejemplo, la muestra de miel de la variedad POJ 28-
98
78 de 50, 60 y 70ºBrix, mantenida a 35ºC, tiene valores de absorbancia de 0,277;
0,321 y 0,356; respectivamente.
En la Tabla 58, se reportan las ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular
los valores de absorbancia, en función a la concentración en el intervalo de 50 a
70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de regresión
que van desde 97,71% a 99,93%, los de correlación son de 0,97 a 0,99 y el error
es de 0,001 a 0,007 para las muestras de miel de caña de las variedades POJ 28-78
y POJ 27-14.
4.6.1.2 Efecto de la temperatura
La temperatura y los valores de absorbancia tienen una relación directa, como se
puede apreciar en el Gráfico 14 para las muestras de miel de caña de las
variedades POJ 28-70 y POJ 27-14 a 35ºC, en función a la temperatura. La
relación directa entre la absorbancia y la temperatura (ºC), demuestra que a mayor
temperatura mayor es la absorbancia. Por ejemplo, en la muestra de miel de la
variedad POJ 28-78 a 50ºBrix la absorbancia es 0,277; 0,339 y 0,362 a 35ºC,
45ºC y 55ºC, respectivamente.
La Tabla 59, contiene ecuaciones reciprocas en X (y = a + b / x), para calcular
valores de absorbancia en muestras de miel de dos variedades de caña a tres
concentraciones en un intervalo de 35 a 55ºC. La confiabilidad del modelo se
refleja en los coeficientes de regresión que van desde 94,74% a 99,76%, los de
correlación son de 0,97 a 0,99 y el error es de 0,007 a 0,011 para las muestras de
miel de caña de las variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.6.2
CLARIDAD
Los valores de transmitancia (%) registrados para la determinación de la claridad
en muestras de miel de caña se presentan en la Tabla 60. Los valores máximos de
transmitancia observados son: 75 y 66,7 para los tratamientos a1b1c1 (POJ 28-78,
50ºBrix y 35ºC) y a2b1c1 (POJ 27-14, 50ºBrix y 35ºC), respectivamente. Los
valores mínimos son: 59,7 y 58,8 para los tratamientos a1b3c3 (POJ 28-78, 70ºBrix
y 55ºC) y a2b3c3 (POJ 27-14, 70ºBrix y 55ºC), respectivamente.
99
En la Tabla 61, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta
transmitancia, indica que no existe efecto significativo de los factores variedad,
concentración y temperatura a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que
la claridad de las muestras de mieles no está influenciada por la concentración,
temperatura y variedad de caña.
4.6.2.1 Efecto de la concentración
La claridad y la concentración tienen una relación inversa, como se puede apreciar
en el Gráfico 15 para la miel de caña de la variedad POJ 28-70 y POJ 27-14 a
35ºC. La relación inversa entre los valores de transmitancia y la concentración
(ºBrix), indica que a mayor concentración menor es la transmitancia. Por ejemplo
la muestra miel de la variedad POJ 28-78 a 35ºC presenta valores de transmitancia
a 50, 60 y 70ºBrix de 75,03%; 69,8% y 67,2%, respectivamente.
En la Tabla 62, se reportan las ecuaciones recíprocas en X (y = a + b / x) para
calcular los valores de transmitancia (claridad), en función a la concentración en
un intervalo de 50 a 70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los
coeficientes de regresión que van desde 97,25% a 99,74%, los de correlación son
de 0,98 a 0,99 y el error es de 0,55 a 1,42 para las muestras de miel de caña de las
variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.6.2.2 Efecto de la temperatura
La temperatura y los valores de transmitancia tienen una relación directa, como
se puede apreciar en el Gráfico 16, para la muestra de miel de caña de la variedad
POJ 28-70 y POJ 27-14 a 35ºC. La relación inversa entre la transmitancia y la
temperatura, evidencia que a mayor temperatura menor es la transmitancia. Por
ejemplo, en la muestra de miel de la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix es 75,03; 71,60
y 64,46% a 35ºC, 45ºC y 55ºC, respectivamente.
En la Tabla 63, se reportan ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular
valores de transmitancia en muestras de miel de dos variedades de caña a tres
concentraciones, en un intervalo de temperatura de 35 a 55ºC. La confiabilidad
del modelo se refleja en los coeficientes de regresión que van desde 86,46% a
100
99,99%, los de correlación son de 0,94 a 0,99 y el error es de 0,002 a 2,01 para las
muestras de miel de caña de las variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.7
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
4.7.1
BALANCE DE MATERIA
La Tabla 64, contiene datos de concentración (ºBrix) a diferentes tiempos y
caudales y en la Tabla 65, se reportan las concentraciones iniciales en g/ml.
El balance de materia se refiere a la variación de la concentración de muestras de
miel, donde la concentración (Ct) varía en relación al caudal (ml/s) como se indica
en la Tabla 66. En el Gráfico 17, se puede apreciar el efecto del caudal sobre la
concentración a un tiempo dado.
Referente al Gráfico 17, claramente se observa que la variación de la
concentración (g/ml) va disminuyendo en relación al tiempo (s). Al relacionar los
caudales frente al tiempo se observa que a mayor caudal (ml/s), la dilución de la
muestra de miel es más rápida. Por ejemplo, a un caudal de entrada de agua de
7,61ml/s, la muestra de miel se diluye en un tiempo aproximado de 600s, a
3,97ml/s, la muestra se diluye en 1080 s y a 2,27ml/s la muestra se diluye en
1380s.
En la Tabla 67, se reportan ecuaciones exponenciales para calcular Ct (g/ml) a
diferentes caudales en un intervalo de 0s a 1360s, La confiabilidad de la ecuación
para el cálculo de Ct se basa en los valores de regresión que van desde 99,71% a
99,79% y los de correlación son de -0,998 con un margen de error de 0,069 a
0,08.
4.7.2
BALANCE DE ENERGÍA
El balance de energía nos permite observar la evolución de la temperatura (Tabla
68 y Tabla 69) en muestras de miel de dos variedades de caña a tres
concentraciones en relación al tiempo de calentamiento.
101
Como se puede observar en el Gráfico 18, el tiempo tiene influencia directa sobre
la temperatura, porque a mayor tiempo de calentamiento mayor es la temperatura
en las muestras de mieles de 50, 60 y 70ºBrix.
A un tiempo de 900s de calentamiento, las muestras de miel de la variedad POJ
28-78 a 50, 60 y 70ºBrix llegaron a estabilizarse a una temperatura de 57,2ºC,
56,1ºC y 55,3ºC respectivamente, esto nos demuestra que la evolución de la
temperatura es más lenta a mayor concentración, lo que demuestra que son
inversamente proporcionales.
4.8
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA
Los valores registrados de conductividad eléctrica en muestras de miel de caña se
presentan en la Tabla 70. Los valores máximos de conductividad eléctrica
observados son: 0,72 mS/cm y 0,78mS/cm para los tratamientos a1b1c3 (POJ 2878, 50ºBrix y 55ºC) y a2b1c3 (POJ 27-14, 50ºBrix y 55ºC), respectivamente. Los
valores mínimos son: 0,13mS/cm y 0,08mS/cm para los tratamientos a1b3c1 (POJ
28-78, 70ºBrix y 35ºC) y a2b3c1 (POJ 27-14, 70ºBrix y 35ºC), respectivamente.
En la Tabla 71, el análisis de varianza realizado a la variable respuesta
(conductividad eléctrica), indica que existe efecto significativo de los factores
concentración y temperatura a un nivel de confianza del 95%. Esto significa que
la conductividad eléctrica (mS/cm) de las muestras de mieles está influenciada por
la concentración y la temperatura, pero no por la variedad de caña.
En la Tabla 72, Tukey se establece el valor promedio más alto de conductividad
eléctrica (0,608mS/cm), para la concentración de 70ºBrix y de 0,435mS/cm a la
temperatura de 55ºC. Además se observa superíndices (a, b y c) en la columna, lo
que indica que la conductividad eléctrica varía con la concentración y la
temperatura.
4.8.1
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN
La conductividad eléctrica y la concentración tienen una relación directa, como se
puede apreciar en el Gráfico 19.
102
En el Gráfico 19, la conductividad eléctrica (mS/cm) en miel de caña de la
variedad POJ 28-70 y POJ 27-14 a 35ºC en función de la concentración. La
relación inversa entre conductividad eléctrica (mS/cm) y la concentración (ºBrix),
nos indica que a mayor concentración menor es la conductividad eléctrica. Por
ejemplo la muestra de miel de la variedad POJ 28-78 a 35ºC de 50, 60 y 70ºBrix
es de 0,527mS/cm, 0,347mS/cm y 0,153mS/cm, respectivamente.
En la Tabla 73, se reportan las ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular
conductividad eléctrica (mS/cm), en función a la concentración en un intervalo de
50 a 70ºBrix. La confiabilidad del modelo se refleja en los coeficientes de
regresión que van desde 99,099% a 99,95%, los de correlación son de -0,995 a
0,999 y el error es de 0,005 a 0,041 para las muestras de miel de caña de las
variedades POJ 28-78 y POJ 27-14.
4.8.2
EFECTO DE LA TEMPERATURA
La temperatura y la conductividad eléctrica tienen una relación directa, como se
puede apreciar en el Gráfico 20, donde se relaciona la conductividad eléctrica de
muestras de miel de caña de la variedad POJ 28-70 y POJ 27-14 a 35ºC en
función a la temperatura.
La relación directa entre la conductividad eléctrica y la temperatura (ºC), nos
indica que a mayor temperatura mayor será la conductividad eléctrica. Por
ejemplo, la muestra de miel de la variedad POJ 28-78 a 50ºBrix es 0,527mS/cm,
0,597mS/cm y 0,653mS/cm a 35ºC, 45ºC y 55ºC, respectivamente.
En la Tabla 74, se reportan ecuaciones lineales (y = a + b ∗ x) para calcular
conductividad eléctrica (mS/cm), en muestras de miel de dos variedades de caña a
tres concentraciones en función a la temperatura en un intervalo de 35 a 55ºC. La
confiabilidad del modelo lineal (Y = a + b ∗ x) se refleja en los coeficientes de
regresión que van desde 79,86% a 99,68%, los de correlación son de 0,893 a
0,998 y el error es de 0,001 a 0,016 para las muestras de miel de caña de la
variedad POJ 28-78 y POJ 27-14.
103
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1
CONCLUSIONES
5.1.1
Los estudios realizados sobre la caracterización reológica y térmica de
miel de caña de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14, a distintas
concentraciones (50, 60 y 70ºBrix) y temperaturas (35, 45 y 55ºC) fueron
analizadas, indicando distintos comportamientos que a continuación son
detallados y comentados.
5.1.2
En cuanto a las propiedades físicas y químicas de la miel, para variedad
POJ 28-78 y la POJ 27-14, el pH varia entre 5,38 a 5,63 y de 5,39 a 5,64;
0,71% a 1% y de 0,71% a 0,99% de ácido aconítico; la humedad está
entre 29,98% a 50,18% y de 30,66% a 49,71%; mientras que, el
contenido de azúcares invertidos varía entre 200,22 mg/100ml a
257,88mg/100ml
y
de
195,53mg/100ml
a
241,71mg/100ml,
respectivamente.
5.1.3
El resultado de los diversos análisis realizados a las muestras de miel de
70ºBrix indican que, los azúcares totales de la variedad POJ 28-78 es de
96,53% y de la variedad POJ 27-14 es de 96,44%; para la primera
variedad en mención, la sacarosa es el azúcar dominante con 62,55%
seguido de la fructosa y glucosa, entre los minerales sobresalientes
tenemos al sodio con 8,07% y proteína con 0,29%; en relación a la
segunda variedad mencionada, el contenido de sacarosa es del 64,33%,
sodio con 10,17% y proteína con el 0,28%; en cuanto a las mieles de las
dos variedades de caña se presentaron con el 99,28% y 99,20% de
elementos libres de nitrógeno.
5.1.4
Referente a la caracterización reológica de estos productos, es importante
indicar que dichas mieles muestran un grado de tixotropía muy leve,
104
mientras que su comportamiento es como un fluido del tipo newtoniano,
esto en el caso de la variedad POJ 28-78 y POJ 27-14.
5.1.5
Los valores de viscosidad más altos observados en las muestras en
estudio, corresponden a los tratamientos a1b3c1 (POJ 28-78 a 70ºBrix y
35ºC) con 105,26mPa∗s y a2b3c1 (POJ 27-14 a 70ºBrix y 35ºC) con
105,13 mPa∗s, en cambio, los valores más bajos son de los tratamientos
a1b1c3 (POJ 28-78 a 50ºBrix y 55ºC) con 1,83mPa∗s y a2b1c3 (POJ 27-14
a 50ºBrix y 55ºC) con 1,86mPa∗s. Además, es importante indicar que las
variables independientes concentración (ºBrix) y temperatura (ºC) son
influyentes directos sobre la variable dependiente viscosidad (mPa∗s),
esto se comprobó al encontrar diferencia significativa entre los
tratamientos, lo cual no ocurre con la variedad de caña, porque la
variación sobre la respuesta experimental viscosidad no es afectada
significativamente.
5.1.6
El estudio de las propiedades térmicas nos ha demostrado que la
concentración es influyente directo sobre las variables dependientes,
calor específico (Cp), difusividad térmica (α) y conductividad térmica (k),
en cambio, la variedad de caña como otra variable independiente solo
afecta a las dos ultimas variables dependientes mencionadas. El Cp de las
muestras de miel están en un intervalo de 2,66kJ/kg°C a 2,89kJ/kg°C
correspondientes a los tratamientos a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y a2b1
(POJ 27-14 a 50ºBrix) respectivamente; la α varía entre 1,07∗10-7m2/s
para el tratamiento a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y 1,48∗10-7m2/s para el
tratamiento a1b1 (POJ 28-78 a 50ºBrix); la k se encuentra en un intervalo
de 0,387W/mºC y 0,526W/mºC para los tratamiento a2b3 (POJ 27-14 a
70ºBrix) y a1b1 (POJ 28-78 a 50ºBrix) respectivamente.
5.1.7
Dentro del estudio realizado a las propiedades mecánicas en muestras de
miel de caña de las variedades ya mencionadas es importante indicar que
la consistencia Bostwick, consistencia TA-XT2i y densidad son
influenciadas por la concentración (ºBrix) y temperatura (ºC), esto se
105
observó al realizar el análisis de varianza con un nivel de confianza del
95% dando diferencia significativa. La consistencia Bostwick varía entre
12,2cm∗30s y 22,56cm∗30s correspondiente a los tratamientos a1b3c1
(POJ 28-78 a 70ºBrix y 35ºC) y a1b1c3 (POJ 28-78 a 50ºBrix y 55ºC);
consistencia TA-XT2i se expresa como firmeza (g), consistencia (g∗s),
cohesividad (g) y resistencia al flujo (g∗s) que son atributos mecánicos,
estos análisis muestran el comportamiento del producto cuando es
manipulado, además, estos ensayos no profundizados en el caso de las
muestras de miel nos han permitido comprender de mejor manera la
textura de la miel, el tratamiento que presento mayor firmeza es el a2b3c1
con 17,33g; el tratamiento mas consistente es a2b2c1 con 236,93g∗s, la
cohesividad mayor se observó en el tratamiento a1b3c1 con -10,43g, y el
tratamiento con mayor resistencia al flujo es el a1b3c1 con -27,14g∗s; la
densidad se encuentra en un intervalo de 1213,3kg/m3 a 1357kg/m3 para
los tratamientos a1b3c0 y a1b1c2 respectivamente.
5.1.8
Las propiedades ópticas han sido medidas como color y claridad, estas se
diferencian en el método utilizado y en los datos tomados en relación al
paso de luz en el espectrofotómetro, en el caso del color las muestras
centrifugadas y filtradas presentan valores de absorbancia entre 0,277 y
0,411 para los tratamientos a1b1c1 y a2b3c3 respectivamente, en cambio, la
claridad fue medida en muestras filtradas y se reportaron valores de
transmitancia entre 52,76% y 75,03% para los tratamientos a2b3c3 a1b1c1
respectivamente. Es importante indicar que la concentración (ºBrix) y
temperatura (ºC) solo afecta al variable dependiente color.
5.1.9
Al realizar el balance de materia a las muestras de miel de 30ºBrix, se
observó que: mientras mayor sea el caudal menor es el tiempo de
dilución de la muestra como por ejemplo, si el caudal es de 2,27ml/s el
tiempo de dilución es de 1380s llegando a tener una concentración de
3ºBrix, en cambio, si el caudal es de 7,61ml/s se tiene una muestra de
0,9ºBrix en 600s. Esto nos demuestra que la variación de la
concentración es dependiente del caudal.
106
5.1.10
El balance de energía demuestra que a mayor concentración de la miel
mayor es el tiempo de calentamiento, la muestra de 70ºBrix es la que mas
se tarda en calentarse en relación a las muestras de miel de 60 y 50ºBrix,
el tiempo de calentamiento de las muestras de miel entre variedades de
caña son similares a la misma concentración.
5.1.11
Finalmente, el estudio de la conductividad eléctrica en miel de caña es
fundamentada por el alto contenido de minerales que contiene, el
predominante es el sodio con 8,07% y 10,17% en la variedad POJ 28-78
y POJ 27-14 respectivamente, los valores de conductividad eléctrica
varía entre 0,15mS/cm y 0,69mS/cm dependiendo de la variedad de caña,
concentración y temperatura.
5.1.12
Es de suma importancia indicar que la aplicación de métodos
experimentales de ingeniería en alimentos para caracterizar las
propiedades reológicas y térmicas de miel de caña han sido estudiadas
para potenciar el desarrollo de nuevos productos, es por ello que
conociendo las propiedades reológicas de las muestras de miel estudiadas
se puede utilizar la viscosidad como parámetro de control de calidad, y
en el caso de las propiedades térmicas para el diseño y construcción de
equipos específicos para elaborar miel de caña como un producto nuevo
en el mercado.
107
5.2
RECOMENDACIONES
5.2.1
Se recomienda realizar pruebas experimentales en muestras de miel de
caña de cualquier variedad, con factores que contengan mayor número de
niveles, con esto se puede aclarar de mejor manera, la variación de las
variables dependientes como las propiedades reológicas y térmicas en
relación a las variables independientes como variedad de caña,
concentración y temperatura.
5.2.2
Es importante mencionar que los principios de las diferentes propiedades
reológicas y térmicas sean tomadas en cuenta, debido a que, la
información prestada puede ser fundamental para el desarrollo de nuevos
métodos de evaluación en alimentos y pueden tener la capacidad de
llegar a formar parte del sistema de control de calidad.
5.2.3
Será interesante caracterizar los sólidos en suspensión del jugo de caña
para determinar el grado de filtración requerida con el propósito de
disminuir la turbidez de la miel en favor de la transparencia o claridad.
5.2.4
Será necesario evaluar si el pardeamiento que sufre el jugo
inmediatamente después de ser extraído altera el color de la miel debido
al desarrollo del pigmento café por efecto de la ebullición del jugo y la
concentración de la miel.
5.2.5
Será interesante evaluar el proceso de concentración de la miel en
sistema abierto con base a la transferencia de materia y energía.
108
CAPÍTULO VI
PROPUESTA
La propuesta del presente trabajo de investigación esta enfocado específicamente a la
elaboración del artículo técnico, éste se presenta a continuación.
“CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA Y TÉRMICA DE MIEL
DE DOS VARIEDADES DE CAÑA”
1,2
1
WAGNER DANILO NARANJO ACOSTA
Departamento de Nutrición y Calidad, Estación Experimental Santa Catalina, Instituto
Nacional Autónomo de Investigaciones Agropecuarias (INIAP). Panamericana Sur Km
1, P.O. Box 17-01-340, Quito, Ecuador, email: wagnildn@hotmail
2
Facultad de Ciencia e Ingeniería en Alimentos, Universidad Técnica de Ambato, Av.
Los Shyris. Campus Huachi, Ambato, Ecuador.
Palabras clave: Variedades, miel de caña, sólidos solubles, temperatura, propiedades
físicas.
RESUMEN
La miel de dos variedades de caña (POJ 28-78 y POJ 27-14) a tres concentraciones de
sólidos solubles (50, 60 y 70ºBrix) y tres temperaturas (35, 45 y 55ºC) fue ensayada para
evaluar su influencia sobre la viscosidad como propiedad reológica, consistencia en
109
función a parámetros de textura, densidad, color, turbidez y conductividad eléctrica.
Manteniendo la temperatura constante a 70ºC, las propiedades térmicas: calor
específico, difusividad y conductividad térmica fueron determinadas en los tratamientos
de miel por variedad de caña y por contenido de sólidos solubles.
Los parámetros reológicos indicaron que las muestras de miel tuvieron comportamiento
newtoniano. Por efecto del contenido de sólidos solubles y la temperatura, la viscosidad
varió significativamente (p≤0,05), entre 1,8mPas y 105,26mPas. La consistencia
expresada como distancia recorrida en 30 segundos varió estadísticamente (p≤0,05)
desde 11,9 a 22,9cm, entre niveles de concentración de miel y de temperatura. La
densidad con valores de 1219,33kg/m3 a 1345kg/m3, fue influenciada significativamente
(p≤0,05) por la concentración y temperatura.
La turbidez de la miel, con lecturas de transmitancia de 58,8 a 75%, no fue significativa
(p≥0,05) para los tres factores estudiados. En cambio, el color presentó lecturas de
absorbancia entre 0,277 y 0,411, y por influencia de la concentración y temperatura, fue
significativo (p≤0,05).
Estadísticamente (p≤0,05), la conductividad eléctrica de la miel fue influenciada por los
factores concentración y temperatura con valores entre 0,15mS/cm y 0,69mS/cm.
El calor específico en la miel fue de 2,66kJ/kg°C y 2,89kJ/kg°C, y las variaciones debidas
a la concentración fueron estadísticamente significativas (p≤0,05). La difusividad
térmica, con variaciones de 1,0710-7m2/s a 1,4810-7 m2/s, fue significante (p≤0,05) entre
variedades y niveles de sólidos solubles. El intervalo de variación de la conductividad
térmica es de 0,38W/mºC a 0,52W/mºC y resultó significativo por efecto de la
concentración de la miel (p≤0,05).
INTRODUCCIÓN
Reología, es la ciencia de la deformación y flujo de materia, el comportamiento reológico
de un fluido es caracterizado por la relación entre el esfuerzo de cizalla requerido para
inducir una determinada velocidad de deformación de cizalla (Alvarado, 1996).
110
Rao (1999) considera que un modelo de flujo es una ecuación matemática que describe
datos reológicos semejantes en relación al esfuerzo de cizallamiento y a la velocidad de
deformación de cizallamiento. Por lo tanto es importante cuantificar cómo los modelos de
los parámetros reológicos son afectados por temperatura y concentración.
Fluidos newtonianos
Se llaman fluidos Newtonianos porque obedecen la ley del Newton, es decir, existe una
relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación en cizallamiento.
La viscosidad newtoniana (Ec.1) es constante y no depende del esfuerzo cortante aplicado
(Sing y Heldman, 1997; Osorio, 2001).
µ=
τ
.
γ
(Ec.1)
Donde: (τ) es el esfuerzo cortante, (µ) es la viscosidad newtoniana y (γ) es la velocidad de
deformación por
cizallamiento.
La viscosidad newtoniana es independiente del tiempo de aplicación de un esfuerzo, pero
es influenciada por la temperatura y la presión.
Viscosímetro Brookfield y los parámetros reológicos
En el trabajo de Alvarado (1996) se reporta el uso del viscosímetro Brookfield con sus
respectivos adaptadores para evaluar las propiedades reológicos como índices de control
de calidad de los siguientes productos lácteos: crema batida de leche, mantequilla, dulce
de leche y yogurt. Otras aplicaciones del viscosímetro Brookfield se evidencia en el
trabajo sobre parámetros reológicos para caracterizar pulpas de bananos”, mediante el uso
de diversos rotores (LV4, LV3) y en el estudio de frutas cítricas, incluido los aceites
esenciales, en el cual, las propiedades reológicas se han evaluado con la ayuda de
adaptadores UL constituidos por cilindros de abertura estrecha, para comprobar el
comportamiento newtoniano.
Efecto combinado de la concentración de sólidos solubles y la temperatura
Alvarado (1996), reporta la relación entre la viscosidad y los ºBrix, donde se establece
que la aplicación del modelo exponencial explica satisfactoriamente la tendencia de los
datos experimentales correspondiente a cinco frutas diferentes. El modelo exponencial
111
está definido con datos experimentales de hasta 35ºBrix y 50ºC de temperatura, pero se
supone que a valores superiores se esperan ligeras desviaciones, posiblemente debido al
comportamiento no-newtoniano.
Consistencia
La consistencia es el término comúnmente empleado para designar el comportamiento en
el flujo de los productos semisólidos. El consistómetro Bostwick es un equipo básico que
determina la consistencia de una muestra midiendo la distancia a la cual una muestra de
materia fluye bajo su propio peso. La consistencia también es determinada mediante el
Texturómetro TAX-T2i, donde la fuerza máxima empleada es la firmeza, el área positiva
es la consistencia, la máxima fuerza negativa es la cohesividad y el área negativa
corresponde a la resistencia al flujo.
Densidad (ρ)
La densidad o masa específica de una sustancia se define como la masa de su unidad de
volumen. En el sistema internacional de unidades (SI) la densidad se expresa en (kg/m3).
Claridad
Bello-Pérez (1995), relaciona la claridad o transparencia con el estado de dispersión de
los solutos y es evaluada con base a la transmisión de luz cuando la muestra es sometida
al paso de un haz radiante.
Color
Alvarado y Aguilera (2001), reportan que se puede definir el color en el sentido físico
como la distribución de energía de una luz reflejada o transmitida por un alimento en
particular. El color de un alimento estará influenciado por la absorción de la luz por las
partículas de ese alimento. El color de la mayoría de los alimentos es la combinación de
dos parámetros la absorción y la dispersión.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica permite determinar el nivel de minerales presentes en la
miel
112
La conductividad eléctrica es una característica muy acertada para determinar el origen
botánico de la miel de abeja; actualmente sustituye la determinación de cenizas y la
acidez de la miel. (Piazza et al., 1991).
Calor Específico (Cp)
Singh y Heldman (1984), presentan la ecuación (Ec.2), cuando no existe cambio de fase o
reacciones involucradas, el calor especifico es la cantidad de calor que gana o pierde un
kilogramo de masa de material alimenticio, para producir un cambio de temperatura
requerido.
Cp =
Q
(Ec.2)
W (∆T )
Donde: (Cp) es el calor específico, (Q) es la cantidad de calor, (W) es la masa y (∆T) es el
incremento de temperatura.
Conductividad térmica (k)
Alvarado y aguilera (2001), en situaciones de conducción de calor en estado estacionario,
afirman que, la conductividad térmica es la única propiedad necesaria de conocer. La
conductividad térmica de un material mide la capacidad de conducir calor.
Difusividad térmica (α)
La medición de la dependencia de la difusividad térmica, con la temperatura tiene
especial importancia práctica, ya que permite hacer cálculos que involucran flujo
transitorio de calor. Además, su determinación resulta útil en la selección y
caracterización de materiales. Físicamente, la difusividad térmica indica como fluye el
calor por el material. Cuanta más alta es la difusividad térmica de una sustancia, más alto
es el ritmo de propagación del perfil de temperatura. Es decir, la difusividad térmica
relaciona el flujo de energía con el gradiente de energía. La difusividad térmica (α),
conductividad térmica (k), y el calor específico (Cp) se encuentran estrechamente
relacionados por la ecuación (Ec.3) reportada en Dupas y Faria (2001):

k
 Cp * ρ
α = 
113

(Ec.3)

MATERIALES Y MÉTODOS
Materia prima
Las muestras de caña de las dos variedades en estudio fueron provistas del sector de
Ingapi en Pacto, al Noroccidente de Pichincha, a través de Camari.
Diseño experimental
Se utilizó un diseño completamente al azar en arreglo factorial ABC de 18 tratamientos
con dos observaciones por replica (n=3). El factor A es la variedad de caña (POJ 28-78 y
la POJ 27-14); el factor B es la concentración (50, 60 y 70ºBrix) y el factor C es la
temperatura (35, 45 y 55ºC).
Determinación de propiedades reológicas
Viscosidad
Para la determinación de la viscosidad se utilizó un Viscosímetro Digital Brookfiel
LVTD, con rotores específicos para las concentraciones: el rotor LV-1 para las mieles de
70ºBrix y el rotor UL para las mieles de 50 y 60ºBrix en 500ml de muestra. Se introdujo
en la miel el sistema rotacional de medida de viscosidad hasta la marca indicada en el
rotor; se fijó la velocidad en 0,3; se inició el equipo y se registró el valor (%FS) cuando la
variación fue de ± 0,2. Para fijar las siguientes velocidades de trabajo, el motor debe ser
apagado. Se comprobó los valores (%FS) disminuyendo las velocidades desde 60rpm
hasta 0,3rpm.
Determinación de propiedades mecánicas
Consistencia
Mediante un consistómetro Bostwick se determinó la consistencia expresada como
distancia recorrida por unidad de tiempo. En el espacio delimitado por una compuerta se
llenó con 100g de muestra de miel de caña de los diferentes tratamientos en estudio
(variedad POJ 28-78 y POJ 27-14 de 50, 60 ó 70ºBrix de concentración y 35, 45 ó 55ºC
de temperatura). Se levantó la compuerta para que fluya la muestra sobre la escala
graduada del consistómetro durante 30 segundos. Se determinó la distancia recorrida por
la muestra y se registró este valor como la consistencia del producto.
114
También se midió la textura mediante el Texturómetro TA-XT2i, con el accesorio back
extrusión rig de 40mm.
Se trabajó con una celda de carga de 5kg. Mediante el software Texture Expert se calibró
la sonda siguiendo el método sugerido por la casa fabricante, y se ingresó los parámetros
y la macro del ensayo.
Densidad (ρ)
Se utilizó un juego de 8 densímetros CI – USA, con un intervalo de 0.7 a 1.8 (g/ml). Se
llenó probetas de 250ml con miel de caña de los diferentes tratamientos (variedad POJ
28-78 ó POJ 27-14 de 50, 60 ó 70ºBrix a una temperatura de 35, 45 ó 55ºC). Se
determinó la densidad de la miel de cada tratamiento mediante la lectura en la escala
numérica que coincide con la superficie de la miel, cuando el densímetro fue introducido
en la probeta.
Propiedades ópticas
Claridad
Las muestras de miel de caña de las dos variedades y tres concentraciones fueron
colocadas en una estufa a 35, 45 y 55ºC durante 16 horas. Dos gramos de muestra fueron
disueltos en 10ml de agua destilada. La solución fue diluida y agitada durante dos
minutos. En la solución formada se determinó la transmitancia (%T) mediante un
espectrofotómetro a 650 nanómetros de longitud de onda.
Color
Las muestras de miel de caña de las dos variedades y tres concentraciones fueron
colocadas en una estufa a 35, 45 y 55ºC durante 16 horas. Cuatro gramos de muestra
fueron disueltos en 20ml de agua destilada. La solución fue centrifugada por 10 minutos y
filtrada a través de papel filtro (Whatman No.1). En los extractos diluidos, centrifugados
y filtrados se determinó la absorbancia mediante un espectrofotómetro a 420 nanómetros
de longitud de onda.
Conductividad eléctrica
Se utilizó el medidor Accumet Basic (Fisher Scientific AB300) de marca HACH, provisto
de un electrodo para determinación directa de la conductividad eléctrica en 100ml de miel
a diferente concentración y temperatura.
115
Propiedades térmicas
Calor específico (Cp)
Se colocó 150 g de agua destilada a 70ºC en el calorímetro y registró la temperatura
inicial (To), seguidamente, se añadió 150 g de miel de la variedad POJ 28-78 ó POJ 2714, a 50, 60 ó 70ºBrix a temperatura ambiente (Tm), se agitó el recipiente térmico y se
registro la temperatura de equilibrio (Te).
Difusividad térmica (α)
Se colocó la muestra de miel de una variedad de caña a una concentración en el cilindro
de cobre, por la parte superior del cilindro se introdujo un termómetro hasta el centro del
cilindro, el conjunto se mantuvo en un baño maría a 70ºC durante todo el ensayo. Se
registró la historia de temperaturas cada 15 segundos hasta que se aproximó a la
temperatura del medio ambiente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Propiedades reológicas
Las muestras de miel de las dos variedades de caña, exhiben comportamiento
newtoniano a las temperaturas y concentraciones propuestas, esto se puede
apreciar en la Figura 1, correspondiente a un reograma. Los valores de viscosidad
se presentan en la Tabla 1. Los valores de viscosidad más altos observados en las
muestras en estudio, corresponden a los tratamientos a1b3c1 (POJ 28-78 a 70ºBrix
y 35ºC) con 105,26mPas y a2b3c1 (POJ 27-14 a 70ºBrix y 35ºC) con 105,13mPas;
en cambio, los valores más bajos son de los tratamientos a1b1c3 (POJ 28-78 a
50ºBrix y 55ºC) con 1,83mPas y a2b1c3 (POJ 27-14 a 50ºBrix y 55ºC) con
1,86mPas. Además, es importante indicar que las variables independientes
concentración (ºBrix) y temperatura (ºC) son influyentes directos sobre la variable
dependiente viscosidad, esto se comprobó al encontrar diferencia significativa
entre los tratamientos, lo cual no ocurre con la variedad de caña, porque la
variación
sobre
la
respuesta
experimental
significativamente.
116
viscosidad
no
es
afectada
120
100
R² = 0,999
FS (%)
80
R² = 0,999
R² = 1
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
N (rpm)
35ºC
45ºC
55ºC
Figura 1. Reograma de la miel de 70ºBrix a diferentes temperaturas.
117
Tabla 1. Datos de Viscosidad (µ) en muestras de miel.
Tratamientos
*µ (mPa*s)
a1b1c1
3,13a ± 0,51
a1b1c2
2,66a ± 0,0
a1b1c3
1,83a ± 0,37
a1b2c1
5,4a ± 0,65
a1b2c2
4,16a ± 0,37
a1b2c3
3,6a ± 0,24
a1b3c1
105,26a ± 22,63
a1b3c2
66,63a ± 3,48
a1b3c3
47,86a ± 1,65
a2b1c1
2,86a ± 0,14
a2b1c2
2,6a ± 0,0
a2b1c3
1,86a ± 0,57
a2b2c1
5,26a ± 1,00
a2b2c2
4,06a ± 0,51
a2b2c3
3,46a ± 0,14
a2b3c1
105,13a ± 9,17
a2b3c2
63,13b ± 1,74
a2b3c3
47,4a ± 3,99
* Media y desviación estándar (n=3)
a1=POJ 28-78 y a2=POJ 27-14;
b1=50ºBrix, b2=60ºBrix y b3=70ºBrix;
c1=35ºC, c2=45ºC y c3=55ºC.
a..b
Superíndices diferentes entre tratamientos de las
variedades a1:POJ 28-78 y a2: POJ 27-14 correspondientes,
indican diferencia significativa (p≤0,05).
Propiedades mecánicas
Los datos de consistencia Bostwick se presentan en la Tabla 2, y varían entre
12,2cm30s y 22,56cm30s correspondiente a los tratamientos a1b3c1 (POJ 28-78 a
70ºBrix y 35ºC) y a1b1c3 (POJ 28-78 a 50ºBrix y 55ºC). La consistencia obtenida
118
mediante el texturómetro TA-XT2i se expresa como firmeza (g), consistencia
(gs), cohesividad (g) y resistencia al flujo(gs) que son atributos mecánicos, se
pueden observar en la Figura 2; y los datos se presentan en la Tabla 3 y 4; estos
análisis muestran el comportamiento del producto cuando es manipulado, además,
estos ensayos en el caso de las muestras de miel permiten comprender de mejor
manera la textura de la miel, el tratamiento que presenta mayor firmeza es el
a2b3c1 con 17,33g, el tratamiento mas consistente es a2b2c1 con 236,93gs, la
cohesividad mayor se observa en el tratamiento a1b3c1 con -10,43g, y el
tratamiento con mayor resistencia al flujo es el a1b3c1 con -27,14gs. La densidad
se encuentra en un intervalo de 1219,33kg/m3 a 1345kg/m3 para los tratamientos
a2b1c3 y a1b3c1 respectivamente y los valores para el resto de tratamientos se
presentan en la Tabla 2.
Figura 2. Relación entre la fuerza máxima positiva (Firmeza), el área positiva
(Consistencia), la máxima fuerza negativa (Cohesividad) y el área negativa
119
(Resistencia el flujo) en muestra de miel de caña de la variedad POJ 27-14 a
70ºBrix y 35ºC.
Tabla 2. Datos de consistencia y densidad en muestras de miel.
Tratamientos
*Consistencia
(cm*30s)
*Densidad
(kg/m3)
a1b1c1
20,03a ± 0,51
1224,0a ± 2,48
a1b1c2
20,76a ± 1,03
121,33a ± 1,43
a1b1c3
22,36a ± 1,36
1219,67a ± 1,43
a1b2c1
15,1a ± 2,48
1279,0a ± 2,48
a1b2c2
17,26a ± 100
1276,0a ± 2,48
a1b2c3
20,86a ± 1,45
1273,33a ± 2,86
a1b3c1
12,2a ± 1,08
1345,0a ± 15,11
a1b3c2
13,5a ± 1,29
1339,67a ± 11,73
a1b3c3
14,56a ± 1,45
1334,67a ± 11,47
a2b1c1
20,33a ± 0,62
1224a ± 2,48
a2b1c2
21,03a ± 0,79
1221,67a ± 2,86
a2b1c3
22,16a ± 0,51
1219,33a ± 1,43
a2b2c1
16,03a ± 2,36
1277,67a ± 6,25
a2b2c2
17,53a ± 1,00
1275,33a ± 2,86
a2b2c3
19,63a ± 3,48
1272,33a ± 3,79
a2b3c1
12,96a ± 2,54
1344,0a ± 4,96
a2b3c2
14,03a ± 1,59
1337,67a ± 3,79
a2b3c3
15,33a ± 1,59
1332,0a + 4,96
* Media y desviación estándar (n=3).
120
Tabla 3. Datos de firmeza y consistencia en muestras de miel de
caña panelera
Firmeza
Consistencia
g
(g*s)
a1b1c1
13,5
140,07
a1b1c2
13,57
139,73
a1b1c3
13
132,6
a1b2c1
14,43
148,8
a1b2c2
14,27
149,13
a1b2c3
14,17
146,9
a1b3c1
17,1
70,16
a1b3c2
16,43
64,88
a1b3c3
15,83
111,79
a2b1c1
13,6
142,53
a2b1c2
13,63
140,97
a2b1c3
13,07
134,63
a2b2c1
13,87
236,93
a2b2c2
13,7
140,37
a2b2c3
14
143,9
a2b3c1
17,33
74,02
a2b3c2
16,9
69,64
a2b3c3
15,93
115,26
Tratamientos
* Media (n=3).
121
Tabla 4. Datos de cohesividad y resistencia al flujo en muestras de
miel de caña panelera.
Cohesividad
Resistencia al flujo
g
(g*s)
a1b1c1
-8,5
-15,75
a1b1c2
-8,23
-14,74
a1b1c3
-8,6
-61,81
a1b2c1
-9,27
-18,98
a1b2c2
-8,93
-17,81
a1b2c3
-9
-17,69
a1b3c1
-10,43
-27,14
a1b3c2
-10,17
-26,59
a1b3c3
-9,87
-23,11
a2b1c1
-8,2
-14,79
a2b1c2
-7,97
-13,85
a2b1c3
-8,1
-15,02
a2b2c1
-8,07
-15,38
a2b2c2
-7,77
-14,32
a2b2c3
-8,63
-8,05
a2b3c1
-10,4
-27,12
a2b3c2
-10,23
-26,31
a2b3c3
-9,57
-22,47
Tratamientos
* Media (n=3).
Propiedades ópticas
Las propiedades ópticas han sido medidas como color y turbidez, los datos se
reportan en la Tabla 5, en el caso del color las muestras centrifugadas y filtradas
presentan valores de absorbancia entre 0,277 y 0,411 para los tratamientos a1b1c1
y a2b3c3 respectivamente, en cambio, la turbidez fue medida en muestras filtradas
122
y se reportaron valores de transmitancia entre 52,76% y 75,03% para los
tratamientos a2b3c3 a1b1c1 respectivamente.
Tabla 5. Datos de absorbancia y transmitancia en
muestras de miel de caña panelera.
Transmitancia
Tratamientos
Absorvancia
(%)
a1b1c1
0,277ª ± 0,07
75,03a ± 31,03
a1b1c2
0,338ª ± 0,04
71,6a ± 31,31
a1b1c3
0,62ª ± 0,02
64,46a ± 29,7
a1b2c1
0,321ª ± 0,06
69,8a ± 22,95
a1b2c2
0,374ª ± 0,04
67,36a ± 27,33
a1b2c3
0,385ª ± 0,04
62,06a ± 30,00
a1b3c1
0,355ª ± 0,05
67,23a ± 19,11
a1b3c2
0,392ª ± 0,03
61,33a ± 26,07
a1b3c3
0,406ª ± 0,06
59,73a ± 27,22
a2b1c1
0,286ª ± 0,02
66,66a ± 45,75
a2b1c2
0,304ª ± 0,04
64,26a ± 45,95
a2b1c3
0,342ª ± 0,04
60,36a ± 44,97
a2b2c1
0,316ª ± 0,02
62,0a ± 47,11
a2b2c2
0,354ª ± 0,071
60,86a ± 44,78
a2b2c3
0,368ª ± 0,06
54,8a ± 42,50
a2b3c1
0,36ª ± 0,07
59,23a ± 43,72
a2b3c2
0,388ª ± 0,09
55,96a ± 33,33
a2b3c3
0,411ª ± 0,10
52,76a ± 40,62
* Media y desviación estándar (n=3).
123
Conductividad eléctrica
En miel de caña, la conductividad eléctrica es fundamentada por el alto contenido
de minerales que contiene, el predominante es el sodio con 8,07% y 10,17% en la
variedad POJ 28-78 y POJ 27-14 respectivamente, los valores de conductividad
eléctrica se presentan en la Tabla 6, y varía entre 0,15mS/cm y 069mS/cm
dependiendo de la variedad de caña, concentración y temperatura.
Tabla 6. Datos de conductividad eléctrica en
muestras de miel.
Conductividad eléctrica
Tratamientos
(mS/cm)
a1b1c1
0,526a ± 0,100
a1b1c2
0,59a ± 0,125
a1b1c3
0,653a ± 0,16
a1b2c1
0,346a ± 0,179
a1b2c2
0,42a ± 0,194
a1b2c3
0,453a ± 0,188
a1b3c1
0,153a ± 0,10
a1b3c2
0,173a ± 0,079
a1b3c3
0,2a ± 0,1
a2b1c1
0,56a ± 0,258
a2b1c2
0,62a ± 0,259
a2b1c3
0,693a ± 0,29
a2b2c1
0,396a ± 0,420
a2b2c2
0,40a ± 0,27
a2b2c3
0,443a ± 0,279
a2b3c1
0,133a ± 0,169
a2b3c2
0,146a ± 0,149
a2b3c3
0,156a ± 0,05
* Media y desviación estándar (n=3).
124
Propiedades térmicas
El calor especifico de las muestras de miel están en un intervalo de 2,66kJ/kg°C a
2,89kJ/kg°C correspondientes a los tratamientos a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y a2b1
(POJ 27-14 a 50ºBrix) respectivamente. Los valores de calor específico se
reportan en la Tabla 7.
Tabla 7. Calor específico de la miel de caña
panelera
Tratamientos
*Calor especifico
(kJ/kg°C)
a1b1
2,88a ± 0,051
a1b2
2,76a ± 0,04
a1b3
2,67a ± 0,13
a2b1
2,89a ± 0,049
a2b2
2,78a ± 0,01
a2b3
2,66a ± 0,10
* Media y desviación estándar (n=3).
La difusividad térmica varía entre 1,0710-7m2/s para el tratamiento a2b3 (POJ 2714 a 70ºBrix) y 1,4810-7m2/s para el tratamiento a1b1 (POJ 28-78 a 50ºBrix). Los
valores de difusividad térmica de los tratamientos de miel de caña se presentan en
la Tabla 8.
125
Tabla 8. Difusividad térmica de la miel de caña
panelera
Tratamientos
*Difusividad térmica
(m2/s)
a1b1
1,48*10-7a ± 0,0
a1b2
1,37*10-7a ± 6,88*10-9
a1b3
1,11*10-7a ± 7,91*10-9
a2b1
1,44*10-7a ± 0,0
a2b2
1,36*10-7a ± 6,88*10-9
a2b3
1,07*10-7a ± 4,19*10-9
* Media y desviación estándar (n=3).
La conductividad térmica se encuentra en un intervalo de 0,387W/mºC y
0,526W/mºC para los tratamiento a2b3 (POJ 27-14 a 70ºBrix) y a1b1 (POJ 28-78 a
50ºBrix) respectivamente. Los valores de conductividad térmica se presentan en la
Tabla 9.
Tabla 9. Conductividad térmica de la miel de
caña panelera
Tratamientos
*Conductividad
térmica (W/mºC)
a1b1
0,526a ± 0,02
a1b2
0,488a ± 0,002
a1b3
0,404 a ± 0,039
a2b1
0,513a ± 0,08
a2b2
0,486 a ± 0,002
a2b3
0,387 a ± 0,006
* Media y desviación estándar (n=3).
126
CONCLUSIONES
La aplicación de métodos experimentales de ingeniería en alimentos para
caracterizar las propiedades reológicas y térmicas de miel de caña son
indicadas para potenciar el desarrollo de nuevos productos.
Conociendo las propiedades reológicas de las muestras de miel se puede
utilizar la viscosidad como parámetro de control de calidad, y en el caso de
las propiedades térmicas para el diseño y construcción de equipos
específicos para elaborar miel de caña como un producto nuevo en el
mercado.
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2.1
TABLAS
2.2
GRÁFICOS
2.3
MÉTODOS
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