Universidad Nacional Autónoma de México FES Cuautitlán-1 Ingeniería en Alimentos L. E. M. II “Aprovechamiento integral del amaranto Grupo: 1552 Nave 2000 Profesoras: Dra. Gutiérrez Cortez Elsa I.A. Solís Garfias Janeli ✔ ✔ ✔ ✔ Alumnas: Cano Román Mayra Janneth Hernández Martínez Alejandra Mancilla Ángeles Perla Gabriela Mares Villa Mariely Guadalupe ✔ Pérez Flores Lorena ✔ Solano Flores Monica Zayde ✔ Suárez Hernández Fabiola INTRODUCCIÓN. Existen unas 80 especies, sólo tres de ellas son cultivadas: A. hipocondriacus, originario de México, A. cruentus proveniente de Guatemala y del sureste de México y A. caudatus de América del sur, África, China, India y parte sur de Estados Unidos. Actualmente los mayores productores de amaranto en México, son los estados de Tlaxcala, Puebla, México y Ciudad de México. Antecedentes y fundamentos teóricos. El amaranto es un pseudocereal de cultivo anual. Se atribuye ser un pseudocereal debido a que presenta características tecnológicas similares a las de los granos de cereales, pero botánicamente los cereales son monocotiledones y el amaranto es una dicotiledónea. Los indígenas llamaban al amaranto huautli o huauquilitl, y los conquistadores lo denominaron bledo. Fray Martín de Valencia en Santiago Tulyehualco, lo llamo Alegría basado en la alegría al ver los campos sembrados y el salto de la semilla al reventarse en al comal. La semilla de amaranto es pequeña, lisa y brillante con un diámetro de 1 a 1.5 mm, ligeramente bemol en color blanco o amarillo pálido. Con respecto a su morfología el grano se compone de cuatro partes principales: ✔ Pericarpio; es la capa exterior de la semilla. ✔ Episperma; es una capa de semen que consiste en una capa de células finas. ✔ Endospermo; es la segunda capa del embrión formado por los cotiledones que es la fuente más rica en proteínas. ✔ Perisperma; fuente rica en almidones. La composición química del amaranto y los nutrientes que este aporta, destacan en comparación con otros tipos de semillas. Las proteínas del amaranto destacan biológicamente ya que su contenido en lisina es alto lo que permite una excelente complementación aminoacídica con la proteína de maíz, trigo y arroz. Tabla 2. Composición química de la semilla de amaranto(por 100 g de parte comestible en la parte seca) En cuanto a los lípidos, la mayor parte de estos son aceites esenciales que han sido reconocidos por ser la fuente vegetal con mayor concentración de escualeno(sustancia grasa antioxidante con efectos protectores sobre la piel, el sistema circulatorio y los intestinos (6% aprox.)) ya que los principales ácidos grasos presentes son el ácido oleico y linoléico. Tabla 3. Comparación de la composición química de la semilla de amaranto, maíz, trigo y arroz Fuente: FAO OPERACIONES UNITARIAS Son cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso. Estas carecen de sentido si no se les vincula con los equipos por los cuales se lleva acabo la producción industrial. PROCESOS DE SEPARACIÓN Son aquellas operaciones que transforman una mezcla de sustancias en dos o más productos. Estos procesos no se llevan a cabo a escala molecular; se logran utilizando fuerzas físicomecánicas y no fuerzas moleculares o químicas, ni difusión. ▪ EXTRUSIÓN • MOLIENDA Operación unitaria que se define como la reducción de tamaño de partículas sólidas a partir de la aplicación de fuerzas mecánicas (compresión, impacto, abrasión o cizalla), las cuales provocan la fracturación o quebramiento de las partículas. Operación de procesos termo-mecánico que combina varias operaciones unitarias: mezclado, amasado (cocción en algunos casos) y moldeado; este consiste en forzar el paso de un material susceptible de ser bombeado a través de una abertura reducida de un tornillo sin fin, este proceso implica comprimir y trabajar en un material para formar una masa semisólida bajo una variedad de condiciones controladas para forzarlo a pasar por una boquilla de una determinada geometría a una velocidad, durante este transporte se produce la cocción parcial o total de componentes de la mezcla lo que permite obtener una variedad de texturas, formas y colores a partir de un ingrediente inicial. • FILTRACIÓN Fundamento: Operación unitaria en la que un componente sólido de una suspensión sólidolíquido se separa del componente líquido haciéndolo pasar a través de una membrana o un cuerpo poroso que retiene las partículas sólidas y dejan pasar la fase fluida. Principio de separación: tamaño del sólido mayor que el medio filtrante. Alimentación: líquido-sólido. Agente separador: presión. ▪ CENTRIFUGACIÓN Fundamento: un método físico de separación de suspensiones con partículas de distinto tamaño y distintas densidades en un medio acuoso; mediante la rotación de un eje central que genera una fuerza denominada fuerza centrífuga. Principio de separación: diferencia de densidad. Alimentación: líquido más sólido u otro líquido inmiscible. Agente separador: fuerza centrífuga. CUADRO METODOLÓGICO. Planteamiento del problema “Aprovechamie nto integral del amaranto” Objetivo General Evaluar las operaciones unitarias de molienda con un molino de cuchillas, extrusión en un extrusor de mono tornillo, filtración en un filtro prensa de placas y marcos y centrifugación en una centrífuga de discos para el aprovechamiento integral del amaranto. ACTIVIDADES PRELIMINARES Molienda: • Diseño del dosificador • Determinación de velocidad del molino de cuchillas. • Establecer la serie de tamices a utilizar así como el tipo de análisis que se va a realizar (riguroso o no riguroso). Extrusión: • Tratamiento hidrotérmico del amaranto. condiciones • Molienda de la harina de maíz en un molino Pulvex con criba de 0.8 mm. Filtración: Pruebas de filtrado • Selección del medio filtrante. • Selección de ayuda filtro. • Determinación de precapa y dosificación. Centrifugación: • Molienda del amaranto nativo. Hipótesis de Molienda La molienda es una operación unitaria donde se reduce el tamaño de partícula de un material sólido al cual se le aplican fuerzas de impacto, compresión, cizalla o abrasión para fracturarlo y aumentar la relación superficie/volumen con el menor consumo de energía. Los equipos que se utilizan para llevar a cabo la reducción de tamaño se denominan molinos, estos se clasifican por la forma en que aplican una o varias fuerzas, estos pueden ser: molinos de martillos (impacto y cizalla), molinos de rodillos (compresión y cizalla), molino de bolas (impacto) y molino de discos (cizalla); mismos que permiten que las partículas absorban las fuerzas en forma de tensión, produciendo una deformación en su estructura; una vez sobrepasado el límite de estrés del material esté se fractura produciendo nuevas superficies, las cuales requieren cada vez más energía para seguir fracturándose y obtener un tamaño menor al inicial en distintas distribuciones de tamaño que incluyen las partículas gruesas, medianas y finas. La velocidad de alimentación, la fuerza aplicada, así como la cantidad de energía necesaria para obtener un tamaño de partícula específico, están ligadas a una serie factores que limitan la reducción de tamaño como es el contenido de humedad, contenido de grasa, dureza y forma de la materia prima, la relación entre estas variables influyen en el producto final por ejemplo al bajar la velocidad de alimentación aumenta el tiempo de residencia, combinado con una criba cerrada disminuye el tamaño de partícula aumentando el rendimiento y la homogeneidad con un alto consumo de energía. Por lo tanto, si se emplea un molino de cuchillas (fuerza de cizalla) con una criba de 1mm, empleando una velocidad de alimentación baja se obtendrá una harina fina con mayor rendimiento, homogeneidad (tamaños de partícula estándar) y como consecuencia mayor consumo de energía y potencia. Objetivo particular 1 Evaluar las variables de velocidad de alimentación baja y alta y tamaño de criba de 1 y 2 mm en un molino de cuchillas para obtener harina de amaranto fina y homogénea y alto rendimiento harinero donde al menos el 75% de sólidos granulares pasen a través del tamíz número 60 de la serie USA (NMX-F-046-SCFI-2018) con el menor consumo de energía y potencia. V.I.: Velocidad de alimentación y tamaño de criba. V.D.: Tiempo de residencia, diámetro de partícula e intensidad de corriente. V.R.: Consumo de energía, potencia, rendimiento, eficiencia y homogeneidad. Niveles de variación: 2 : Velocidad de alimentación (alta y baja) y tamaño de la criba de 1.0 y 2.0 mm. TÉCNICAS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ❑ MOLIENDA. Se seleccionan de forma aleatoria los experimentos a realizar con sus niveles de variación, tal como se muestra en la siguiente tabla: Velocidad alimentación 1 Velocidad alimentación 2 Criba 1mm Criba 2mm Para posteriormente pasar al molino de cuchillas (amaranto) y pulvex (maíz) y realizar el análisis granulométrico. Gráficos esperados Hipótesis de Extrusión La extrusión es una operación unitaria que consiste en comprimir un alimento hasta conseguir una masa viscoelástica, que después es forzada a pasar por una boquilla de determinada geometría lo que permite obtener una gran variedad de productos con diferentes texturas y formas a partir de una materia prima inicial. El equipo utilizado es el extrusor en donde a través de fuerzas de cizalla producidas por el choque entre entre el tornillo y la pared del cilindro, provoca un aumento de presión y temperatura en la materia que afectan en sus características finales. La materia prima utilizada en la elaboración de cereales para desayuno son los cereales y pseudocereales por su alto contenido en fibra, almidón y proteína, siendo esta última parte fundamental para la expansión del producto, dicha capacidad es desarrollada por la desnaturalización parcial de proteínas a partir del sometimiento del pseudocereal a un tratamiento hidrotérmico con el fin de disminuir sus propiedades funcionales. La operación unitaria de extrusión está apoyada de diversas variables por ejemplo la humedad que al presentarse en exceso tiende a disminuir las propiedades funcionales de la materia prima, por otra parte un elevado tiempo de mezclado proporciona una mejor homogeneización de los componentes, así mismo una mayor proporción de amaranto que de maíz en la formulación favorece la expansión del cereal gracias a su composición química; si se trabaja con un menor número de álabes en el tornillo se genera un menor cizallamiento y durante el proceso una abertura pequeña en la entrada de alimentación permite que la mezcla se transporte por el tornillo con mayor facilidad y menor cizallamiento, en conjunto estas y otras variables son las responsables de las características del producto final. Por lo tanto, en un extrusor de monotornillo con 9 álabes y una formulación de 80% amaranto y 20% maíz con un tamaño de partícula que pase por una criba de 1 mm, se obtendrá un cereal Objetivo particular 2 Determinar la influencia del número de álabes del tornillo (9 y11) así como la formulación de harina de amaranto y maíz (80-20% y 70-30%) en un extrusor de monotonillo para obtener un cereal para desayuno expandido, duro, crujiente y poroso. V.I.: Número de álabes de del tornillo y formulación de harina de amaranto y maíz. V.D.: Tiempo de residencia e intensidad. V.R.: Fracturabilidad, porosidad, densidad, expansión, potencia y consumo de energía. Niveles de variación: 2: Tornillo de 9 y 11 álabes, formulación de harina de amaranto y maíz (80-20% y 7030%). TÉCNICAS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ❑ EXTRUSIÓN Se seleccionan de forma aleatoria los experimentos a realizar con sus niveles de variación, tal como se muestra en la siguiente tabla: Tornillo de 9 álabes Formulación 80% amaranto 20% maíz Formulación 70% amaranto 30% maíz Tornillo de 11 álabes EXTRUSI ÓN. Gráficos esperados • Objetivo particular 3 • TÉCNICAS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ❑ FILTRACIÓN Se seleccionan de forma aleatoria los experimentos a realizar con sus niveles de variación, tal como se muestra en la siguiente tabla: Área de 1 marco Presión 0.5 Presión 2.0 Área de 2 marcos Gráficos esperados Hipótesis de Centrifugación La centrifugación es una operación unitaria que tiene como fundamento la separación mecánica de dos líquidos no miscibles o sólidos suspendidos en un líquido mediante la aplicación de una fuerza centrífuga, se basa en el principio de rotación de un objeto en torno a un eje o punto central; a su vez se genera una fuerza centrípeta (fuerza neta que actúa sobre un objeto para mantenerlo en movimiento a lo largo de una trayectoria circular). Esta operación se presenta cuando se tienen partículas de distintos tamaños y diferentes densidades en un medio acuoso, las cuales sedimentan en el fondo a una velocidad que depende de su peso. Los equipos en los que se lleva a cabo la operación de centrifugación se les denomina centrífugas, estas se clasifican por diseño del recipiente las cuales son; centrífuga tubular, centrífuga tipo botella, centrífuga de discos y centrífuga tipo canasta. En la centrífuga de discos el uso del tornillo se relaciona con el tiempo de residencia ya que a mayor abertura el tiempo de residencia es menor y la turbidez de la fase ligera es mayor, lo que nos indicaría que el almidón podría estar contaminado con fibra insoluble. Entonces al cerrar el tornillo el tiempo será mayor y la calidad del almidón será alta mientras que al aumentar la velocidad de giro el tiempo de residencia disminuye, pero el consumo de energía aumenta y la variación de la misma permite tener mayor eficiencia de separación y mayor rendimiento en un tiempo determinado. Se utilizará la semilla de amaranto que presenta de un 50 a 60% de almidón, el cual consta de gránulos uniformes de tamaño pequeño; es el polisacárido más utilizado en la industria alimentaria como ingrediente esencial, por su gran versatilidad y su costo relativamente bajo. Debido a sus propiedades fisicoquímicas y funcionales los almidones se emplean como: agentes espesantes para incrementar la viscosidad de salsas y potajes, como agentes estabilizantes de geles o emulsificantes, como elementos ligantes y agentes de relleno. Entonces al llevarse a cabo la extracción del almidón de amaranto en una centrífuga con tornillo a una velocidad de 5,000 rpm, se obtendrá mayor eficiencia de separación y rendimiento del almidón del amaranto con un alto consumo de energía y potencia. Objetivo particular 4 Estimar la influencia del tornillo de gravedad (con y sin tornillo) y una velocidad de giro de 4000 y 5000 RPM en un separador centrífugo de una suspensión de amaranto en centrífuga de discos para obtener almidón de amaranto nativo con el menor contenido de impurezas y el mayor rendimiento. V.I.: Abertura del tornillo y velocidad de giro. V.D.: Tiempo de residencia, sólidos totales y turbidez de la fase ligera. V.R.: Pureza del almidón, rendimiento, potencia y consumo de energía. Niveles de variación: 2: Abertura del tornillo de gravedad (con y sin tornillo), velocidad de giro de 4000 y 5000 RPM. TÉCNICAS Y MÉTODOS EXPERIMENTALES ❑ FILTRACIÓN Se seleccionan de forma aleatoria los experimentos a realizar con sus niveles de variación, tal como se muestra en la siguiente tabla: 4000 RPM Con tornillo Sin tornillo 5000 RPM Gráficos esperados CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. SEPTIEMBRE FECHA ACTIVIDADES 5 10 12 X X X X 17 19 OCTUBRE 24 27 Extrusión con los distintos niveles de variación X X Horneado. X X Análisis de textura. X X 1 Elaboración del manual de operación. Actividad preliminar molienda. (dosificador) X Aleatorización de experimentos (de todas las operaciones) X Molienda con niveles de variación. X Análisis granulométrico amaranto. Análisis granulométrico maíz minsa. X X Análisis de datos y análisis estadístico X X Elaboración del manual de operación. Tratamiento hidrotérmico amaranto X Actividad preliminar extrusión. (tiempo de mezclado y porcentaje de humedad.) X Análisis de datos y análisis estadístico Presentación oral del primer seminario. Entrega del primer reporte de avance. X X 3 8 10 15 17 NOVIEMBRE 22 24 29 31 5 7 12 14 Elaboración del manual de operación. Actividad preliminar filtración. (precapa, dosificación, elección de medio filtrante y cálculo de área.) X Filtración con niveles de variación. X Análisis de datos. (ecuaciones) y análisis estadístico. X X X X X X Elaboración del manual de operación. Actividad preliminar centrifugación.(preparar la suspensión de amaranto) X Centrifugar con niveles de variación. X Análisis de datos y análisis estadístico Presentación oral del segundo seminario. Entrega del segundo reporte de avance. Seminario y reporte final. Examen final. Entrega de reportes semanales. PRIMERA ETAPA DE EXPERIMENTACIÓN. SEGUNDA ETAPA DE EXPERIMENTACIÓN. TERCERA ETAPA DE EXPERIMENTACIÓN. CUARTA ETAPA DE EXPERIMENTACIÓN. X X X X X REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Libros: • Brennan,J.G. (1998). Las operaciones de la ingeniería de los alimentos. 3a ed. Acribia. España • Fellows, P. (1994). Tecnología del procesado de los alimentos. Principios y Prácticas. Acribia. España • GeanKoplis, C.J.(1998).Procesos de transporte y operaciones unitarias. 3a ed.Compañía editorial continental. México. Artículos científicos: Matias,G.L. , Hernández, H.B.R. , Peña, C. V. , Torres, L. W. G. , Espinosa, M. V. A. Y Ramírez, P. L. (2018). Usos actuales y potenciales del amaranto (amaranthus spp). Journal of negative and no positive results. Vol 4 . Núm 8 pág. 423-436 Artículos de paginas web: • Cabrera, C.Z.E , Acevedo, S.O.A. , Navarro, C.R.O. , Castro, R. J. y Gómez, A. C.A. (2018). Boletín ciencias agropecuarias. México. https://www.researchgate.net/publication/322349970_Optimizacion_del_proceso_de_extrusion_ para_la_elaboracion_de_un_cereal_para_desayuno • Calzetta, R.A.N. (2016) Biblioteca Digital FCEN-UBA. Argentina. http://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n3242_calzettaResio.pdf
