“UTILIZACIÓN DE UN DESECHO AGROINDUSTRIAL DE LA...
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INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE PROYECTO DE INVESTIGACION INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA “UTILIZACIÓN DE UN DESECHO AGROINDUSTRIAL DE LA PRODUCCIÓN DE JUGO DE LIMÓN PERSA (CITRUS LATIFOLIA) PARA OBTENER PECTINA CÍTRICA.” PRESENTA: LUIS NOGUEDA ROMERO MÉXICO, D.F. 26 de MAYO DE 2014 QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ALIMENTOS DIRECTOR: M. EN C. PATRICIA VAZQUEZ LOZANO
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INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA
MODALIDAD DE PROYECTO DE INVESTIGACION
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
“UTILIZACIÓN DE UN DESECHO AGROINDUSTRIAL DE LA
PRODUCCIÓN DE JUGO DE LIMÓN PERSA (CITRUS
LATIFOLIA) PARA OBTENER PECTINA CÍTRICA.”
PRESENTA:
LUIS NOGUEDA ROMERO
MÉXICO, D.F. 26 de MAYO DE 2014
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN ALIMENTOS
DIRECTOR:
M. EN C. PATRICIA VAZQUEZ LOZANO
Luis Nogueda Romero
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Autorización de uso de obra.
Instituto Politécnico Nacional
Presente
Bajo protesta de decir verdad el que suscribe (Luis Nogueda Romero), manifiesto
ser autor y titular de los derechos morales y patrimoniales de la obra titulada
“UTILIZACIÓN DE UN DESECHO AGROINDUSTRIAL DE LA PRODUCCIÓN DE JUGO DE LIMÓN PERSA
(CITRUS LATIFOLIA) PARA OBTENER PECTINA CÍTRICA”, en adelante “La Tesis” y de la cual
se adjunta copia, por lo que por medio del presente y con fundamento en el
artículo 27 fracción II, inciso b) de la Ley Federal del Derecho de Autor, otorgo a el
Instituto Politécnico Nacional, en adelante el IPN, autorización no exclusiva para
comunicar y exhibir públicamente total o parcialmente en medios digitales. “La
tesis” por un periodo indefinido contado a partir de la fecha de la presente
autorización, dicho periodo se renovara automáticamente en caso de no dar aviso
expreso a “El IPN” de su terminación.
En virtud de lo anterior, “El IPN” deberá reconocer en todo momento mi calidad de
autor de “La Tesis”.
Adicionalmente, y en mi calidad de autor y titular de los derechos morales y patrimoniales de "La Tesis", manifiesto que la misma es original y que la presente
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México D.F. a 26 de mayo del 2014
Atentamente
Luis Nogueda Romero
INSTITUTO FEDERAL ELECTORAL REGISTRO FEDERAL DE ELECTORES CREDENCIAL PARA VOTAR
NOMBRE NOGUEDA ROMERO LUIS OOM!C!UO
COA DE ENCINAS 18 COL DEL BOSQUE 07207 GUSTAVO A. MADERO ,D.F.
EDAD 21 SEXO H
FOllO 0909012101990 AÑO DE REGISTRO 2009 01 ClAVE DE ELECTOR NGRMLS91052709H800. ·
~s~:o N~~L91o~.~~~~:~~to9 .... 1.-T.)l}·:U LCO.UD'D 0001 SECCION 0890 · ... · ....... - .. .J 8,',;S;G~J 2012 ViGENClAHASTA 2022 FIRMA
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SECRETAíl.!O EJECUTIVO DEL iNSlHU!O FEDERAL ElECTORAL
Luis Nogueda Romero
3
Agradecimientos
Con especial gratitud a la maestra Patricia Vázquez Lozano, por haber dedicado sus enseñanzas y
haber hecho posible la realización del presente trabajo.
A mis padres Carmen y Luis por su incondicional apoyo a lo largo de mi vida y en mi carrera
profesional, porque gracias a ustedes he logrado cumplir mis metas académicas.
A Adela por el tiempo y experiencias compartidas durante mi carrera, y por brindarme su apoyo en
la realización de esta investigación.
A mis amigos, con los que han estado a mi lado a lo largo de mi carrera, por hacer ameno los tiempos
estudiantiles.
Luis Nogueda Romero
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Dedicado a mis padres, hermanos y a la persona con la que he compartido estos últimos años de mi
vida, Adela; porque ustedes son las personas más importantes en mi vida y la motivación para alcanzar
mi metas.
Luis Nogueda Romero
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Tabla de contenido
Utilización de un desecho agroindustrial de la producción de jugo de limón persa (Citrus
latifolia) para obtener pectina cítrica. ___________________________________________ 7
1. OBJETIVOS. __________________________________________________________ 7
1.1. Objetivo General: ___________________________________________________ 7
1.2. Objetivos Específicos: _______________________________________________ 7
2. INTRODUCCIÓN. _____________________________________________________ 8
2.1. Limón/Mexico: producción, consumo nacional e Industria de subproductos. ____ 10
2.2. Pectinas. _________________________________________________________ 12
2.3. Método de extracción de pectinas en cítricos. ____________________________ 13
3. HIPÓTESIS. _________________________________________________________ 15
4. MATERIALES Y MÉTODOS ____________________________________________ 16
5. DISEÑO EXPERIMENTAL _____________________________________________ 18
5.1. Diseño experimental 1, Evaluación del tipo de ácido utilizado (ácido orgánico y
ácido inorgánico) y de la relación extracto de pectina _____________________________ 18
5.2. Diseño experimental 1, Evaluación de las condiciones de hidrólisis (relación agua-
cascara, temperatura y tiempo) ______________________________________________ 19
6. TRATAMIENTO DE DATOS. ____________________________________________ 21
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ___________________________________________ 22
8. PROCESO PROPUESTO PARA LA EXTRACCIÓN DE PECTINA. ______________ 29
8.1. Balance de materia. ________________________________________________ 29
8.2. Proceso. _________________________________________________________ 30
9. CONCLUSIONES. ____________________________________________________ 33
10. BIBLIOGRAFÍA. _____________________________________________________ 35
11. ANEXO A ___________________________________________________________ 38
DIAGRAMA DE PROCESO PARA LA EXTRACCION DE PECTINA DE LA CASCARA
DE LIMON PERSA _______________________________________________________ 38
12. ANEXO B ___________________________________________________________ 40
RESULTADOS ESTADISTICOS DE LOS DISEÑOS EXPERIMENTALES _________ 40
ANOVA para rendimiento por 3 niveles de alcohol, para experimento con ác cítrico. ____ 41
Pruebas de múltiples rangos rendimiento por 3 niveles de alcohol, con ácido cítrico _____ 41
ANOVA para rendimiento por tres niveles de alcohol, para experimento con HCl ______ 41
Pruebas de múltiples rangos rendimiento por tres niveles de alcohol, con HCl. _________ 41
Análisis de Varianza para rendimiento de pectina, diseño factorial. __________________ 42
Coeficiente de regresión para Rendimiento. ____________________________________ 42
Análisis de media para los experimentos del diseño factorial 2, 10% de significancia. ___ 43
Tablas del rango estudentizado de Tukey. ______________________________________ 44
Luis Nogueda Romero
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INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Limón Persa ................................................................................................................... 8
Figura 2 Potencial productivo de limón persa (Citrus latifolia Tanaka) de temporal en México. .......................... 9
Figura 3. Capacidad producción de jugo de cítricos (ton.), México 2009.(SIAP, 2011) .................................. 10
Figura 4 Molécula de Pectina. .................................................................................................... 12
Figura 5 Diagrama de bloques de metodología para extracción de pectina por hidrólisis ácida. ........................ 17
Figura 6 Diagrama de bloques para extracción de pectina basado en diseño experimental No.1 ........................ 19
Figura 7. Variables y niveles del experimento 2. ................................................................................ 20
Figura 8 Diagrama de bloques para extracción de pectina basado en diseño de experimento No.2 ..................... 20
Figura 9. Matriz de experimento para diseño factorial 23 ...................................................................... 21
Figura 10. Matriz del diseño experimental factorial............................................................................. 21
Figura 11. Valores centrales para diseño experimental factorial. ............................................................. 22
Figura 12. Rendimientos para diseño experimental 1, con hidrólisis empleando ácido cítrico para acidificar el agua 22
Figura 13. Rendimientos para diseño experimental 1, con hidrólisis empleando HCl para acidificar el agua. ........ 22
Figura 14 Capas de la cascara de limón persa ..................................................................................... 24
Figura 15 Comparación de pectina obtenida con ácido cítrico (izquierda) y obtenida con HCl (derecha). ........... 24
Figura 16. Resultados para el diseño factorial 23. ................................................................................ 25
Figura 17 Diagrama de Pareto estandarizada para rendimiento de pectina. ................................................. 25
Figura 18 Superficie de respuesta estimada, relación agua-cascara=0 ........................................................ 26
Figura 19 Superficie de respuesta estimada, tiempo=0 ......................................................................... 27
Figura 20 Superficie de respuesta estimada, Temperatura=0 ................................................................. 27
Figura 21. Gráfico de correlación para rendimiento de pectina. .............................................................. 27
Figura 22. Experimento L4, variables y rendimiento. .......................................................................... 29
Figura 23 Diagrama de balance de materia para la extracción de pectina. ................................................... 29
Figura 24. Cuadro de balance para la extracción de pectina. .................................................................. 30
Figura 25 Diagrama de bloques para proceso propuesto de extracción de pectina. ........................................ 32
Luis Nogueda Romero
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Utilización de un desecho agroindustrial de
la producción de jugo de limón persa
(Citrus latifolia) para obtener pectina
cítrica.
1. OBJETIVOS.
1.1. Objetivo General:
Extraer pectina a partir de la cascara de limón persa (citrus latifolia) por hidrólisis
ácida.
1.2. Objetivos Específicos:
Evaluar las condiciones de temperatura, tiempo, relación agua-cascara y tipo de
ácido en la etapa de hidrólisis, y la relación alcohol-extracto de pectina en la etapa
de precipitación.
Optimizar las condiciones evaluadas para obtener mayor rendimiento.
Elaborar el diagrama de proceso para la extracción de pectina de la cascara de
limón persa, que pueda ser aplicado en las plantas de procesamiento de limón
persa.
Luis Nogueda Romero
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2. INTRODUCCIÓN.
El limón persa (Chus Latifolia L.), se considera como un híbrido desarrollado entre
Citrus urantifolia y algún otro Citrus sp. Se desarrolla en áreas tropicales y
subtropicales. Las condiciones climáticas y edáficas óptimas para el desarrollo del limón
persa son las siguientes: Temperatura: 28°C, Precipitación Pluvial: 900 a 1200 mm/año,
Altitud: 50-800 m., pH del Suelo: 6-7 y Materia orgánica: 2-4%. (SAGARPA, 2013)
Figura 1 Limón Persa
El limón persa posee un sabor ácido, una de las características más importantes es que no
posee semillas y su gran cantidad de jugo.
El contenido de jugo es del 40% al 60%, con un índice de acidez del 5 al 6%, la cantidad
de sólidos solubles es del 7 al 8% y un contenido de ácido ascórbico de 20 a 40 mg en
100 ml de jugo. (COVECA,2011)
Su cultivo se realiza en una franja que va desde el Ecuador hasta los 40 grados de latitud
norte y sur, dentro de la cual predominan los climas tropicales y subtropicales.
(Castañeda, 2011)
El limón persa se produce en la costa del Golfo de México, principalmente en los estados
de Veracruz, Tabasco y en menor medida en Puebla y Oaxaca. Las zonas productoras de
limón persa para exportación se encuentran en el Golfo de México y abarca los estados
de Veracruz (principal productor de esta variedad), Tabasco y Chiapas. (SAGARPA,
2013)
Luis Nogueda Romero
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Figura 2 Potencial productivo de limón persa (Citrus latifolia Tanaka) de temporal en México.
La producción de limón persa en México es todo el año, no obstante, cuando tenemos la
temporada de lluvias, el volumen de producción se incrementa, presentando los mayores
rendimientos. A nivel nacional se cultivan 153,442.62 hectáreas de limón persa en 19
Entidades Federativas, las cuales producen 1, 891,403.15 toneladas por año, con un
rendimiento promedio de 13.15 ton/ha, generando ganancias por 5, 437,093.48 pesos
(SIAP, 2011). Siendo el estado de Veracruz la principal entidad productora de limón
persa con una superficie de 36, 257.36 ha, una producción de 438,269.65 Ton/año, el
rendimiento promedio es de 12.15 ton/ha, y un valor total estimado de 1, 198,964.73
miles de pesos (SIAP, 2011).
México ocupa el 4° lugar en producción mundial después de China, Brasil y Estados
Unidos (SAGARPA, 2004), con una preponderancia a la producción de limón agrio
(Citrus aurantifolia Swingle) y persa (Citrus latifolia), de esta manera México es el
mayor exportador de limón persa en fresco en el mundo. En cuanto a volumen y al valor
de las exportaciones de los cítricos frescos, el limón ocupa el primer lugar con
aportaciones promedio del 94% en ambos casos, generándole divisas al país por arriba
de los 300 millones de dólares en 2008. (SAGARPA, 2004)
La exportación de cítricos en general contribuyó con 286 millones de dólares a las
divisas captadas en 2008, destacando por su importancia las exportaciones de fruta
fresca (61%), jugos (16%), aceites esenciales (12%), pectinas (6%), cáscaras (4%) y en
menor medida otros productos (1%). Este valor representó 1.8% de las exportaciones
agroalimentarias. Se considera que existen actualmente en México más de 200
empacadoras o beneficiadoras de la fruta fresca y 25 plantas procesadoras que destinan
su producción tanto al mercado interno como a exportación. (SAGARPA, 2013)
Luis Nogueda Romero
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La capacidad de molienda de la agroindustria mexicana que actualmente se encuentra
operando es de 855 mil toneladas de naranja, que produce 89,811 toneladas de jugo
concentrado. Si se considera también lima persa, limón italiano, tangerina y toronja se
puede moler 1, 353,500 ton. y producir 132,000 ton. de jugo.(SIAP, 2011)
Figura 3. Capacidad producción de jugo de cítricos (ton.), México 2009.(SIAP, 2011)
Industria Naranja Limón
Persa
Limón
Ita
Tangerina Toronja Total
01. Citrex, Martinez, Ver. 12,605 2,576 750 3,424 19,355
02. Citrhus Tabasco, Huimanguillo
Tab.
4,727 601 246 5,574
03. Citrofrut, Huixihualllán, SLP 5,252 601 150 772 6,775
04. Citrofrut, Álamo, Ver. 4,202 429 150 598 5,379
05. Citrofrut, San Rafael, Ver. 15,231 1,717 525 2,310 19,783
06. Citromax, Montemorelos. NL. 6,303 2,576 8,878
07. Citromax Álamo, Ver. 4,202 1,717 5,919
Citrotam, Cd Victoria, Tam. 6,303 601 429 225 434 7,992
09. IQC, Álamo, Ver. 9,454 1,030 563 3,255 14,302
10. Juguera Allende, Allende, Ver 4,202 601 300 260 5,363
11. Procimart, Cd Victoria, Tam. 6,828 8,586 15,414
12. Procitrus, Álamo, Ver. 3,676 343 450 2,170 6,640
13. Procitrus, Papantla, Ver. 3,676 343 450 2,170 6,640
14. Unión de Ejidos, Akil, Yuc. 3,121 386 225 338 4,100
Total 89,811 13,523 9,015 3,789 15,975 132,113
2.1. Limón/Mexico: producción, consumo nacional e Industria de
subproductos.
La producción de limas y limones tiene tendencia de crecimiento, tanto el limón
mexicano de la zona del Pacífico de México como la lima persa de la zona del Golfo de
México. El mercado nacional da cabida al 64% de la producción de limas y limones,
21% tiene fines de exportación y un 16% se destina a la agroindustria de jugos. El
consumo interno en México es estable en los últimos 3 años; así también la cantidad de
fruta con destino a la industria no ha tenido variaciones significativas, siendo el mercado
de exportación a donde se está canalizando los incrementos de producción de estas
frutas cítricas. (chapingo,2002)
La industria de subproductos del limón persa en México está enfocada a la producción
de aceites esenciales, de la cual también se obtiene la cascara deshidratada que es
vendida al extranjero para la extracción de pectina principalmente, esta industria de
extracción de aceites esenciales se inicio en el país por la demanda de las industrias
refresqueras pero a partir de los años noventas el precio del aceite comenzó a bajar
Luis Nogueda Romero
11
excesivamente pasando de 50-60 dls/kg en los años setentas a 13-20 dls/kg en 2000
debido a diversos factores como el control del precio por parte de las principales
refresqueras del país las cuales se toman la libertad de fijar este precio por una sobre
oferta del aceite. (SAGARPA, 2013)
Generalizando la industria de subproductos existen muchos problemas que no permiten
que crezca algunos de los cuales son mencionadas en seguida: Maquinaria obsoleta en la
producción de aceite destilado y centrifugado, falta de materia prima en largos periodos,
esto debido a la estacionalidad del producto; el limón que es utilizado es de baja calidad
porque se utiliza el de desperdicio (golpeado, amarillo, tirado), no se destinan recursos a
la investigación y desarrollo, los caldos residuales de las extracciones son altamente
contaminantes y no existen plantas de tratamiento, el precio del producto lo fija el
comprador, muchas empresas no trabajan en temporada baja debido a costos altos de
materia prima, falta de promoción de los usos potenciales de los derivados del limón en
la industria alimentaria. (SAGARPA, 2013)
Esta problemática de la industria de subproductos es una puerta abierta a muchas
oportunidades que la ingeniería alimentaria puede aprovechar, algunas soluciones a esta
problemática se mencionas a continuación.
La materia prima no es suficiente, la principal causa es que se utiliza solamente el limón
de desperdicio, pudiéndose aprovechar las cascaras y bagazo producido en la obtención
del jugo que en 2009 existía una capacidad de producción de jugo de limón persa de
13500 Ton. Lo cual es el 60% del limón y el otro 40% puede ser utilizado para la
obtención de subproductos como puede ser el caso de la pectina la cual está presente
hasta en un 21% base seca del bagazo.(Devia, 2012)
Otro problema es que solo se le da un tratamiento obteniendo solo un subproducto, si los
productores de aceites esenciales aprovecharan para obtener pectina de la cascara
sucedida de la extracción, sus ganancias aumentarías al diversificar sus productos.
No existe promoción de las aplicaciones de los productos, tal vez una razón de porque
no se está tratando desechos de la industria del limón sea la falta de información de las
aplicaciones del subproducto, se puede citar el caso de la pectina que en la industria
alimentaria tiene muchos usos principalmente en las mermeladas donde su uso es
esencial, la industria confitera también la utiliza, al igual que los productores de bebidas
no alcohólicas; los fabricantes de estos productos donde es utilizada la pectina adquieren
esta del extranjero, un estudio realizado por la UAM revelo que en los años 90’s existió
Luis Nogueda Romero
12
una importación de pectina alrededor de las 130 Ton y el consumo en ese entonces
considerando 47 empresas demandantes de este producto fue de 4 toneladas mensuales
encontrando también que el 50% cambiaria de distribuidor.(Quintana y col, 2012)
La industria de subproductos, específicamente la de extracción de pectina a partir de la
cascara de limón puede verse presente en México, solo hace falta implementar el proceso
en las regiones donde existe desechos del limón como es el caso de las productoras de
jugo de limón persa y en menor cantidad las extractoras de aceite esencial, dicho proceso
es sencillo lo cual se puede apreciar en los siguientes párrafos que hablan de las pectinas
y su obtención por hidrólisis ácida usando cítricos.
2.2. Pectinas.
Las pectinas son muy abundantes en el reino vegetal pues es la responsable de darle
sostén a los vegetales funcionalmente son “material cementante”, une células
adyacentes, mantiene la hidratación apropiada de células crecientes jóvenes, ofrecer
vigor de las plantas en invierno y proporcionar la rigidez o firmeza de la fruta. (Rousell y
col, 1986)
Esta sustancia está formada fundamentalmente por restos de ácido α-D-galacturónico
unidos por enlaces 1-4 glicosídicos. La cadena principal posee sin embargo segmentos
que contienen abundantes restos de L-ramnosa y en pequeñas cantidades también D-
galactanos. (Belitz 1997)
Los grupos carboxilo de los restos galacturónicos están esterificados en diferente
proporción con metanol y los grupos OH de las posiciones 2 y 3 pueden estar acetilados
en pequeña cantidad. La estabilidad de esta a pH entre 3 y 4 a pH más bajos se produce
hidrólisis en los enlaces glicosídicos. (Belitz 1997)
Figura 4 Molécula de Pectina.
Luis Nogueda Romero
13
Una propiedad muy importante para la industria alimentaria es que pueden formar geles
termorreversibles a pH alrededor de 3 y en presencia de sólidos solubles (Rousell y col, 1986).
Debido a esta capacidad la pectina es usada a grandes escalas en la fabricación de
mermeladas y jaleas; en donde las condiciones estándar para formar el gel es
conteniendo en la formulación: pectina<1%, azúcar 58-75% y un pH entre 2.8 y3.5.
También estas tienen importancia en la estabilización de bebidas y elaboración de
helados. (Belitz 1997)
La extracción de pectina de frutos, principalmente cítricos, mediante hidrólisis ácida es
el principal y más utilizado procedimiento industrial de obtención de ésta, a pesar que
en los últimos años se están realizando estudios de extracción de pectina por métodos
enzimáticos y microbiológicos. (Belitz 1997)
En los cítricos las sustancias pécticas son más abundantes en la cascara de las frutas
específicamente en el albedo el cual es utilizado actualmente como materia prima en las
plantas extractoras de pectina. (Devia, 2012)
La hidrólisis ácida puede ser inducida por varias alternativas, se puede utilizar ácido
cítrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico o ácido clorhídrico, la elección depende del
fabricante que es influenciado principalmente por la evaluación económica, lo
importante es disminuir el pH entre 1 y 2. (Devia, 2012)
Los procesos esenciales para producir pectina de calidad, son: control de calidad de la
materia prima, hidrólisis ácida, precipitación con alcohol, evaporación, secado y
molienda. (Glahn, 2000)
Con el proceso desarrollado, hidrólisis ácida, se logra obtener una pectina que cumple
con los requerimientos de mercado (Devia, 2012), esto es: porcentaje de metóxilos,
grado de gelificación, peso equivalente y porcentaje de ácido galacturónico; el proceso
presenta un buen rendimiento económico, lo cual hace que sea una alternativa para los
agricultores de cítricos hacia quienes está enfocado este proyecto.
2.3. Método de extracción de pectinas en cítricos.
Como anteriormente se dijo el proceso a escala industrial más utilizado es la hidrólisis
ácida aunque se conocen varios métodos de obtención de pectina, este es fácil de
realizar, no necesita de muchos equipos y tampoco de equipos altamente especializados,
y los insumos que se utilizan son de bajo costo. (Devia, 2012) (Glahn, 2000)
Luis Nogueda Romero
14
El método se describe a continuación:
Selección de la materia prima. La fruta o cascara de esta, debe ser sana, la madurez (si
es fruta) debe ser intermedia, no debe existir estado de descomposición, la cascara debe
ser preferentemente seca y en trozos pequeños; esto permite tener un buen rendimiento y
buena calidad de pectina.
Lavado. Durante 10 minutos con agua a 60 C se somete a las cáscaras a un lavado, para
eliminar sustancias solubles en agua caliente, las cuales perjudican sus características
organolépticas, es decir, puede la pectina adquirir mal sabor y olor. Después del lavado
se debe cuál es el aspecto final de la pectina que se desea, porque para un producto puro,
de color blanco, se debe separar el mesocarpio o albedo de la epidermis o exocarpio de la
cáscara (flavedo), mientras que si se acepta una pectina con algún color, puede omitirse
este proceso de separación.
Inactivación bacteriana y enzimática. Inactivación Con el propósito de hacer más
eficiente el proceso de extracción es necesario inactivar las enzimas pécticas, poniendo
la materia prima en agua, con concentraciones cercanas a 300 gramos por litro y
calentando hasta ebullición, lo cual contribuye a eliminar suciedades o microorganismos
presentes en la cáscara. La solución heterogénea se decanta el agua y la materia prima
queda lista para la hidrólisis.
Hidrólisis ácida. Este paso es muy importante pues aquí se dará el rompimiento de los
puentes de hidrogeno entre la celulosa y los ácidos pécticos; aquí las cáscaras se las
somete a una hidrólisis ácida, durante 80 minutos aproximadamente, se adiciona agua
acidulada (pH = 1-2,) en una relación cáscaras / agua acidulada de 1/3, a 85°C y
agitación constante de 400 rpm. Proceso en que la protopectina (insoluble en agua)
presente en la materia prima se transforma en pectina (soluble en agua), que luego es
fácilmente separada del resto de componentes insolubles de la materia prima (celulosa
especialmente). Es importante mencionar que para realizar la hidrólisis ácida se utiliza
agua desmineralizada, con el propósito de eliminar especialmente los iones calcio, los
cuales tienen un efecto negativo en el rendimiento del proceso, también se pueden
utilizar agentes quelantes como ácido etilendiamino tetraacético (EDTA) y del ácido
ciclo hexanodiamino tetraacético (CDTA) para ayudar a liberar pectina de la pared
celular
Luis Nogueda Romero
15
Precipitación. Posteriormente a la hidrólisis se realiza una filtración para separar los
sólidos y el filtrado debe ser precipitado para lo cual se puede utilizar sales de aluminio o
alcoholes, siendo estos últimos los más utilizados debido a que el rendimiento no es
modificado en comparación con las sales y es más económico, la concentración aun no
es reportada bibliográficamente, experimentalmente se utiliza empíricamente entre 50%
y 100% con respecto al filtrado. Posterior a la precipitación se filtra con tela, el sólido
separado es la pectina. El alcohol que se utiliza puede ser recuperado por destilación para
su reúso.
Lavado. Esta operación es opcional, su fin es eliminar impurezas de la pectina y se
realiza simplemente disolviendo nuevamente la pectina separada en agua acidulada y
posteriormente precipitada con alcohol. En esta etapa se puede llevar a cabo un lavado
con hidróxido de bario octahidratado, carbonato de calcio o carbonato de sodio, que
contribuyen a retirar la clorofila y otros pigmentos presentes en la cáscara y que dan
color a la pectina.
Secado. Controlando de igual manera la temperatura entre 40 y 65°C, y tiempo
suficiente para secarla totalmente, se obtiene pectina sólida, para esta operación se
utiliza un secador de bandejas y se trabaja en condiciones de vacío.
Molienda. La pectina seca es sometida a un proceso de molienda, que se realiza en
un molino de bolas hasta pulverización total, para tener un producto semejante al
importado.
Las operaciones de secado y molienda, antes descritos, se los debe realizar en forma
continua y envasarlos lo má rápidamente posible, en recipientes herméticamente
sellados, para así evitar la oxidación y humedecimiento de la pectina, ya que ésta es
fácilmente oxidada y altamente higroscópica, o sea, adquiere humedad del medio
ambiente de forma casi inmediata.
3. HIPÓTESIS.
Si se diseña un proceso para extraer pectina de la cascara de limón desecha al producir
jugo del limón, entonces podrán ser aprovechados, disminuyendo los residuos y
aumentando la sustentabilidad del proceso además de generar un ingreso extra a los
productores de jugo.
Luis Nogueda Romero
16
4. MATERIALES Y MÉTODOS
Equipos.
Estufa, marca Technicare
Parrilla, marca Thermo Scientific CIMAREC
Potenciómetro, marca Boeco Germany PT-370
Balanza, marca Ohaus
Instrumental de uso común en el laboratorio.
Reactivos.
Ácido clorhídrico 0.6N
Agua acidificada a 1.5 pH con HCl0.6N
Agua acidificada a 1.5 pH con ácido cítrico.
Alcohol etílico.
Metodología.
Se realizo la extracción a partir de cascara de limón persa por hidrólisis acida.
Materia Prima. La cascara de limón persa utilizada fue obtenida después de extraerle el
jugo al fruto, se separo manualmente del gabazo, se corto en trozos, para así facilitar el
secado y la posterior hidrólisis, fue secada una vez seca se siguieron dos diseños
experimentales.
La metodología que se siguió se describe a continuación:
Preparación de la muestra. La Cascara una vez seca se pesa para medir el agua ácida
proporcional al peso de esta, según la relación requerida.
El agua se acidifica hasta llegar a un pH de 1.5
Hidrólisis acida. El agua ácida se calienta en una parrilla hasta alcanzar la temperatura
deseada, una vez logrado esto se agrega la muestra de cascara seca y se mantiene a la
temperatura requerida durante el tiempo establecido en los experimentos. Lo anterior se
realiza en vasos de precipitados de un litro.
Luis Nogueda Romero
17
Filtrado. Posterior a la hidrólisis, el producto de esta se filtra con tela (manta de cielo)
colocada sobre un embudo de filtración, se separa el extracto de pectina (liquido
hidrolizado) y la cascará de limón, ambos productos son medidos. Siendo el filtrado el
que será precipitado.
Precipitación. Para precipitar se utiliza alcohol etílico el cual se mide en proporción al
extracto de pectina de la etapa anterior, una vez medido se adiciona a un vaso de
precipitados de un litro y sobre este se agrega el extracto de pectina, dejando reposar
durante 15 minutos
Filtrado. Se realiza al igual que el filtrado anterior utilizando tela manta de cielo.
Una vez separada la pectina, cuya apariencia era similar a la de un gel, del liquido, esta
lista para ser introducida a la estufa.
Secado. El secado se llevo a cabo en estufa eléctrica a una temperatura de 45°C hasta
secar por completo la pectina.
Molienda. La pectina es molida con un mortero y pistilo de porcelana, que
industrialmente se debe de hacer con un molino de bolas.
Figura 5 Diagrama de bloques de metodología para extracción de pectina por
hidrólisis ácida.
Preparación de la muestra
Hidrólisis acida
Filtrado
Precipitado
Filtrado
Secado
Molienda
Hidrólisis acida
Luis Nogueda Romero
18
5. DISEÑO EXPERIMENTAL
Se realizaron dos diseños experimentales el primero descrito a continuación y
esquematizada en la figura 5, fue llevada a cabo para evaluar el tipo de ácido (orgánico e
inorgánico) y la cantidad de alcohol utilizar en la precipitación. Para lo que se acidifico
el agua de hidrolisis a pH 1.5 de dos formas, una adicionando HCl 0.5N y la otra
agregando ácido cítrico en polvo, en la etapa de precipitado se evaluaron tres niveles de
relación alcohol-extracto de pectina, que fueron 1:1, ¾:1 y ½:1, las variables de
respuesta fueron los rendimientos y evaluación del color de la pectina.
Una vez obtenidos los resultados del primer diseño experimental se usa el ácido para
bajar el pH del agua de hidrolisis y la mejor relación alcohol-extracto de pectina que de
mayor rendimiento y se procede con el segundo diseño experimental donde se realizo un
diseño factorial 23 para encontrar las mejores condiciones de temperatura, tiempo de
hidrólisis y relación agua-cascara en el proceso de hidrólisis acida, el procedimiento
seguido se describe en ‘’Diseño experimental 2’’.
5.1. Diseño experimental 1, Evaluación del tipo de ácido utilizado (ácido
orgánico y ácido inorgánico) y de la relación extracto de pectina
Se realizó la hidrólisis con muestras de 50g de cascara seca. Se prepararon dos
soluciones para la hidrólisis acida ambas a pH de 1.5, una de ellas con HCl 0.6N
utilizando 1.3 ml por cada 100ml, y otra con ácido cítrico el cual fue añadido 200g por
cada 100 ml de agua., se mantuvo la relación agua-cascara 6:1, temperatura (93°C) y
tiempo de hidrolisis (60 min) constante
En la precipitación se introdujo la variable de la cantidad de alcohol utilizado para la
filtración, se utilizo relación alcohol-extracto de pectina de 1:1, ¾:1 y ½:1.
Luis Nogueda Romero
19
5.2. Diseño experimental 1, Evaluación de las condiciones de hidrólisis (relación
agua-cascara, temperatura y tiempo)
Para este experimento en la etapa de hidrólisis se variaron tres factores relación agua-
cáscara, temperatura y tiempo de hidrólisis; todas con dos niveles y un punto intermedio
el cual se repitió tres veces, cuyos valores se muestran en la tabla de abajo. Durante la
hidrólisis se mantuvo constante el pH de 1.5 y el volumen alcanzado al principio de cada
una de las extracciones.
Figura 6 Diagrama de bloques para extracción de pectina basado en diseño experimental No.1
Preparación de la muestra
Hidrólisis acida
Filtrado
Precipitado
Filtrado
Secado
Molienda
Hidrólisis acida
Seca, en trozos y limpia.
Agua acidificada a pH de 1.5 con
HCl/Ác. Cítrico.
Con tela manta de cielo.
Con alcohol etílico a concentraciones de
100%, 75%, 50% respecto al filtrado anterior.
Con tela manta de cielo.
En estufa hasta secar completamente.
Con mortero y pistilo de porcelana.
Luis Nogueda Romero
20
Figura 7. Variables y niveles del experimento 2.
Variable Nivel Alto Nivel Bajo Punto central
Relación
agua-cascara 10:1 6:1 8:1
Temperatura Ebullición (93°C) 70°C 80°C
Tiempo 1.5h 40min 1h
Figura 8 Diagrama de bloques para extracción de pectina basado en diseño de experimento No.2
Preparación de la muestra
Hidrólisis acida
Filtrado
Precipitado
Filtrado
Secado
Molienda
Hidrólisis acida
Seca, en trozos y limpia.
Agua acidificada a pH de 1.5 con HCl. Relación agua-cascara 6:1, 8:1 y 10:1 Temperatura 70, 80 y 93°C Tiempo 40min, 1h y 1.5h
Con tela manta de cielo.
Con alcohol etílico relación 1:1 alcohol-extracto de pectina
Con tela manta de cielo.
En estufa a 45°C hasta secar completamente.
Con mortero y pistilo de porcelana.
Luis Nogueda Romero
21
6. TRATAMIENTO DE DATOS.
Para el diseño experimental No. 1 se trataron los datos mediante ANOVA simple para
saber si existe diferencia significativa entre los rendimientos obtenidos en cada nivel de
alcohol y fue analizada en el programa estadístico STATGRAPHICS Centurion versión
16.1.
En el diseño experimental 2 debido a que se llevó a cabo un diseño factorial 23, se
construyó una tabla como la siguiente,
Figura 9. Matriz de experimento para diseño factorial 23
X1 X2 X3
1 - - -
2 + - -
3 - + -
4 + + -
5 - - +
6 + - +
7 - + +
8 + + +
Donde X es la variable de estudio, el signo (–) es el nivel bajo y el (+) es para nivel alto,
y sustituyendo los valores experimentales queda de la siguiente forma,
Figura 10. Matriz del diseño experimental factorial.
Relación agua-cascara Temperatura Tiempo
L1 6:1 70°C 40min
L2 10:1 70°C 40min
L3 6:1 93°C 40min
L4 10:1 93°C 40min
L5 6:1 70°C 1.5h
L6 10:1 70°C 1.5h
L7 6:1 93°C 1.5h
L8 10:1 93°C 1.5h
Y se introdujo un punto central con los siguientes valores para las variables de estudio,
Luis Nogueda Romero
22
Figura 11. Valores centrales para diseño experimental factorial.
Relación agua-cascara Temperatura Tiempo
LPC 8:1 80°C 1h
El análisis se realizo de igual forma que en el diseño experimental 1 con el paquete
estadístico STATGRAPHICS Centurion versión 16.1.
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los rendimientos observados para el diseño experimental 1 fueron los siguientes:
Figura 12. Rendimientos para diseño experimental 1, con hidrólisis empleando ácido cítrico para acidificar
el agua
Experimento Porcentaje de alcohol (%) Rendimiento (%)
1 1:1 27.516ª
2 1:1 26.864ª
3 ¾:1 21.136b
4 ¾:1 20.679b
5 ½:1 9.164c
6 ½:1 8.687c Nota: Los números seguidos de la misma letra no son significativamente diferentes entre sí, y dos números marcados con letras
distintas son significativamente diferentes entre sí.
Figura 13. Rendimientos para diseño experimental 1, con hidrólisis empleando HCl para acidificar el agua.
Experimento Porcentaje de alcohol (%) Rendimiento (%)
1 1:1 6.057ª
2 1:1 6.686ª
3 ¾:1 4.489b
4 ¾:1 4.364b
5 ½:1 2.637c
6 ½:1 2.637c Nota: Los números seguidos de la misma letra no son significativamente diferentes entre sí, y dos números marcados con letras
distintas son significativamente diferentes entre sí.
Después de analizar los resultados del diseño experimental 1 en STATGRAPHICS, el
programa mostro información (Anexo B) de las corridas realizadas con ácido cítrico para
acidificar el medio y distintos niveles de relación alcohol-agua,
En la tabla B-1 ANOVA se observa que la razón-F, que en este caso es igual a 1199.4, es
el cociente entre el estimado entre-grupos y el estimado dentro-de-grupos. Puesto que el
valor-P de la prueba-F es menor que 0.05, existe una diferencia estadísticamente
Luis Nogueda Romero
23
significativa entre la media de rendimiento entre un nivel de alcohol y otro, con un nivel
del 95.0% de confianza.
Y para comprobar exactamente la diferencia entre cada nivel se realizó la prueba de
múltiples niveles (tabla B-2), en la cual se diferenciaron tres grupos homogéneos con su
respectiva media y se estableció un límite de +/- 1.20589, que al ser comparado con las
diferencias entre los rendimientos de cada nivel de alcohol, se establece que existe
diferencia significativa y es representada en la tabla con un asterisco.
Para la corrida en la que se utilizó HCl para acidificar el agua, al igual que el análisis del
experimento con ácido cítrico, la tabla B-3 ANOVA muestra que existe una diferencia
estadísticamente significativa entre la media de rendimiento entre un nivel de alcohol y
otro, con un nivel del 95.0% de confianza, y al hacer las pruebas de múltiples rangos
(tabla B-4) se establece que existe diferencia significativa entre los rendimientos
obtenidos con los tres niveles de alcohol utilizados en la precipitación, teniendo un límite
de +/- 1.04151 y 95% de nivel de confianza.
Al ser diferentes los rendimientos obtenidos nos damos cuenta que utilizar una relación
1:1 alcohol-extracto de pectina nos dará el mejor rendimiento en la precipitación de la
pectina independientemente del ácido utilizado para acidificar el agua.
Los rendimientos obtenidos con ácido cítrico fueron mayores, pero la razón fue que el
producto obtenido después de la precipitación no se seco completamente y la apariencia
final no fue la esperada, pues fue un producto altamente pegajoso (Figura 15), de
coloración café obscuro pero transparente e imposible de llevar a cabo la molienda.
En caso contrario la pectina obtenida con HCl para acidificar el agua de hidrólisis, fue
similar a la comercial, después del secado esta si quedó sin humedad, fue una lamina de
color amarillo claro, opaca y fácilmente molida, por lo cual el utilizar HCl en la
hidrólisis y una relación 1:1 alcohol-extracto de pectina nos da un rendimiento aceptable
y pectina similar a la comercial; en un estudio realizado en ESPAM MFL se evaluaron
estos mismos ácidos en la extracción de pectina de cascara de maracuyá, encontrando
que el ácido clorhídrico es mejor opción (Narcisa, 2013).
La coloración amarillenta es debida a que el flavedo (Figura 14) al momento de la
hidrólisis desprende pigmentos, lo cual si la pectina no es aceptada con cierta coloración,
el flavedo debe ser retirado previo a la hidrólisis o según datos bibliográficos, puede ser
incluida otra operación después del segundo filtrado que sería un lavado, el cual se
realiza disolviendo nuevamente la goma en agua acidulada a pH 1.5-3 y adicionando
hidróxido de bario octahidratado, el carbonato de calcio y el carbonato de sodio, que
contribuyen a retirar la clorofila y otros pigmentos presentes en la cáscara y que dan
Luis Nogueda Romero
24
color a la pectina (Glahn, 2000), y posterior a esto precipitar nuevamente y filtrar; en una
investigación realizada para evaluar el secado de la pectina extraida de Citrus
Aurantifolia, se le retiro el flavedo antes de la hidrólisis evitando la coloración
amarillenta del producto final (Grünauer, 2009).
Figura 14 Capas de la cascara de limón persa
Figura 15 Comparación de pectina obtenida con ácido cítrico (izquierda) y obtenida con HCl (derecha).
Luis Nogueda Romero
25
Para el diseño experimental 2 los rendimientos obtenidos fueron los siguientes:
Figura 16. Resultados para el diseño factorial 23.
Experimento Relación agua-
cascara Temperatura (°C) Tiempo (min)
Rendimientos
(%)
L1 6:1 70 40 0.1920e
L2 10:1 70 40 0.3885d,e
L3 6:1 93 40 5.6354c
L4 10:1 93 40 11.3480ª L5 6:1 70 90 3.9937d
L6 10:1 70 90 4.4550d
L7 6:1 93 90 6.3726b
L8 10:1 93 90 12.5154ª L9 8:1 80 60 *5.3100c
Nota: Los números seguidos de la misma letra no son significativamente diferentes entre sí, y dos números marcados con letras
distintas son significativamente diferentes entre sí.
* El rendimiento en L9 es la media de los tres puntos centrales.
Para este diseño se utilizó HCl para la hidrólisis y una relación 1:1 alcohol-extracto de
pectina en la precipitación, debido a la experimentación previa, el análisis en
STATGRAPHICS se muestra en el anexo B,
Figura 17 Diagrama de Pareto estandarizada para rendimiento de pectina.
En la tabla B-5 prueba la significancia estadística de cada efecto comparando su
cuadrado medio contra un estimado del error experimental. En este caso, 5 efectos
tienen una valor-P menor que 0.05, indicando que son significativamente diferentes de
Diagrama de Pareto Estandarizada para Rendimiento goma
0 4 8 12 16 20
Efecto estandarizado
ABC
AC
BC
C:Tiempo
AB
A:Relacion A:C
B:Temperatura +
-
Luis Nogueda Romero
26
cero con un nivel de confianza del 95.0%, estos cinco factores se ven representados en la
figura 17, son temperatura, la relación agua-cascara, la interacción de estas dos primeras,
el tiempo y por último la interacción relación agua-cascara con tiempo.
La temperatura alta según el análisis estadístico es la que más influye, por lo que
manejar esta por arriba de 90°C nos dará buenos rendimientos, pero debe de ir
acompañada de una relación agua-cascara alta (factor interacción AB), una relación
alrededor de 10:1 es la recomendada, esto se ve reflejado en la figura 19 que demuestra
que para tener rendimientos altos es necesario temperatura alta y una relación agua-
casara de 10:1, pues de esta forma el espacio que existe para que se libere la pectina es
mayor y la saturación de la solución de hidrólisis es más difícil de alcanzar, además de
que al estar más diluida la viscosidad será menos, facilitando así la agitación.
También el tiempo fue un factor importante aunque no tan influente como la
temperatura, por lo que este puede ser manejado alrededor de 1h, observando la figura
18 se ve que para obtener buenos rendimientos el tiempo puede ser disminuido pero la
temperatura debe de ser alta y según lo mostrado en la figura20, también será necesario
una relación agua-casa alrededor de 10:1.
Figura 18 Superficie de respuesta estimada, relación agua-cascara=0
Luis Nogueda Romero
27
Figura 19 Superficie de respuesta estimada, tiempo=0
Figura 20 Superficie de respuesta estimada, Temperatura=0
En el análisis estadístico también se realizo una correlación de las respuestas de los
experimentos, obteniendo lo siguiente,
Figura 21. Gráfico de correlación para rendimiento de pectina.
Luis Nogueda Romero
28
Según el análisis estadístico, el diseño experimental experimento realizado se ajusta al
modelo propuesto con una R-cuadrada de 99.4399 el cual es un valor altamente
aceptable Figura 21, El error estándar del estimado muestra que la desviación estándar
de los residuos es 0.515897. El error medio absoluto (MAE) de 0.178397 es el valor
promedio de los residuos. Con lo que podemos decir que la ecuación obtenida predeciría
de manera acertada el rendimiento según la variación de los factores tiempo, relación
agua-cascara y temperatura en la hidrólisis, y cuyos coeficientes y estimados se muestran
en la tabla B-6 y esquematizados en la ecuación 1, los coeficientes interacción AC y
ABC pueden der excluidos de la ecuación debido a que estos no tienen un impacto
significado en la variable de respuesta.
Rendimiento = ( 5.53009 + 1.5641 ∗ Relacion A: C) + (3.35513 ∗ Temperatura) + (1.22162 ∗ Tiempo)+ (1.39962 ∗ Relacion A: C ∗ Temperatura) + (0.086625 ∗ Relacion A: C ∗ Tiempo)− (0.745375 ∗ Temperatura ∗ Tiempo) + (0.020625 ∗ RelacionA: C ∗ Temperatura ∗ Tiempo) … . (ec1)
Se realizó un análisis de medias, con la prueba de Tukey (tabla B-7), donde se
identificaron 5 grupos que son diferentes entre sí a un nivel de significancia de 10%,
siendo las condiciones del experimento L8 y L4 los mejores.
Los factores estudiados en este diseño experimental se pueden implementar
industrialmente de diferentes maneras, según lo requerido por la empresa, pues puede
utilizarse menos tiempo de hidrólisis si lo que se quiere es aumentar la velocidad de
proceso, y deberán de usarse temperaturas de ebullición y relaciones agua cascara
cercanas a 10:1, si lo que se requiere es disminuir la temperatura de hidrólisis para
ahorro de energía de calentamiento, pueden ser utilizadas temperaturas entre 70-85°C,
con tiempos arriba de una hora y relación agua-cascara igual que el caso anterior. Un
estudio realizado por la universidad nacional de Trujillo, donde se optimisaron
condiciones de pH y temperatura en la obtención de pectina a partir de la cascara de
limón francés, se concluyó que al aumentar la temperatura de hidrólisis se alcanzan
máximos rendimientos (Baltazar y col, 2013).
Luis Nogueda Romero
29
8. PROCESO PROPUESTO PARA LA EXTRACCIÓN DE PECTINA.
Para fines de este proyecto se eligió los resultados del experimento 4, pues se obtuvo un
buen rendimiento, muy cercano y en el mismo grupo que máximo (L8) obtenido pero en
menor tiempo.
8.1. Balance de materia.
Figura 22. Experimento L4, variables y rendimiento.
Experimento Relación agua-
cascara Temperatura (°C) Tiempo (min)
Rendimientos
(%)
L4 10:1 93 40 11.3480
Tomando los rendimientos por etapa observados en este experimento se tiene el
siguiente balance de materia elaborado para 10 Kg de cascara seca,
Figura 23 Diagrama de balance de materia para la extracción de pectina.
Secado Filtrado Molienda
Hidrólisis Acida Filtrado Precipitación Preparación de la
solución F2 F4 F6
F8
F9
F10 F11 F12
F1 F3
F5
F7
Luis Nogueda Romero
30
Figura 24. Cuadro de balance para la extracción de pectina.
Flujo Composición
F1
Agua- 100l
HCl- el necesario para acidificar el agua, aprox.
150ml por cada litro de agua
F2 Agua acidificada 100L (relación 10:1 agua
cascara)
F3 Cascara Seca- 10Kg
F4 Producto hidrolizado- 120l
F5 Residuo de cascara- 30Kg
F6 Filtrado (extracto de pectina)-60L
F7 Alcohol- 60L (deberá ser el mismo volumen que
el extracto de pectina)
F8 Extracto de pectina- 120L
F9 Filtrado (residuos)- 78L
F10 Extracto de pectina separado- 15Kg
F11 pectina seca- 1.135Kg
F12 Pectina en polvo- 1.135Kg
8.2. Proceso.
El Procedimiento propuesto se describe a continuación y se esquematiza en la figura 25.
Recepción de materia prima
Al recibir la cáscara se debe pasar por una revisión de control de calidad para evitar
recibirla contaminada por hongos o en estado de putrefacción, además que esta debe de
tener albedo pues es en esta parte de la cascara donde existe más pectina y estar en
trozos, de no ser posible esta última exigencia se deberá incluir al principio del proceso
una etapa de reducción de tamaño, una cortadora de cuchillas es recomendada, aunque se
pudiera utilizar un molino para moler la cascara una vez seca
Si la cascara se almacenará, es necesario una inactivación enzimática y microbiana, la
cual se realiza manteniéndola en agua ebullendo durante 10 min, después filtrada se
deberá secar, si no, solo bastara un lavado con agua corriente para eliminar suciedad.
Preparación de la solución de hidrólisis.
Se debe utilizar agua destilada o desionizada para este proceso, pues las sales del agua
potable afectan el rendimiento además que puede formar incrustaciones en la tubería y
tanque de hidrolisis (anexo A), si no es posible utilizar este tipo de agua, se puede
utilizar un filtro que elimine las sales.
Luis Nogueda Romero
31
Al agua se adicionara HCl que puede ser con la concentración comercial (37%) o diluido
a una solución 0.5N, si se utiliza la ultima el requerimiento es alrededor de 15 ml por
cada litro de agua, si es concentración comercial el gasto es aproximadamente 3ml por
cada litro de agua.
Hidrólisis acida.
Para la hidrolisis se deberá usar una relación 10:1 agua acida-cascara, es decir por cada
kilogramo de cascara seca se deberán usar 10 litros de agua acida.
El volumen de agua utilizado para la hidrolisis deberá ser llevado a ebullición, una vez
alcanzado este punto la cascara es agregada y se deberá mantener a ebullición durante
una hora y con agitación constante, el volumen alcanzado al principio es importante que
también se mantenga constante.
Filtrado.
En el laboratorio esta etapa se realizó con tela manta de cielo, pero para cantidades
grandes lo ideal es utilizar un filtro prensa (anexo A), con el cual se obtiene un mejor
rendimiento en esta etapa y el tiempo de filtración debería ser reducido.
En esta etapa se separaran los sólidos, que es cascara hidrolizada y la cual es un desecho,
y se obtendrá el filtrado que será el extracto de pectina y el que entre al tanque de
precipitación.
Precipitación.
Para realizar la precipitación se debe de utilizar alcohol etílico en una proporción 1:1
alcohol-extracto de pectina.
Esta etapa se realizara en un tanque de precipitación (anexo A) en el que se adicionará el
volumen de alcohol requerido y sobre este se agrega el extracto de pectina, se deja
precipitar durante 15-20 min y pasa a filtración.
Filtrado.
El filtrado se realiza igual que el anterior con un filtro prensa, obteniendo el filtrado el
cual será desecho y los sólidos que es la pectina húmeda la cual pasa a la etapa de
secado
Luis Nogueda Romero
32
Secado.
El secado se realiza en un secador de charolas (anexo A), en el cual la pectina húmeda
debe ser extendida en las charolas de tal forma que la masa tenga un grosor delgado, y se
seca a 45-50°C
Molienda.
Una vez seco el producto se somete a una molienda, un molino de bolas es el
recomendado (anexo A)
El diagrama de proceso se encuentra en el anexo A, donde se muestran los equipos
propuestos asi como el balance para un kilogramo de cascara seca, a continuación se
muestra el diagrama de bloques del mismo proceso.
Figura 25 Diagrama de bloques para proceso propuesto de extracción de pectina.
Preparación de la Cáscara
Hidrólisis acida
Filtrado
Precipitado
Filtrado
Secado
Molienda
Hidrólisis acida
Seca, en trozos y limpia.
Agua acidificada a pH de 1.5 con HCl.
Ebullición durante 60 min
Relación 10:1 agua acidificada-cascara seca
Con alcohol etílico relación 1:1 alcohol-extracto de pectina
50°C
Luis Nogueda Romero
33
9. CONCLUSIONES.
Se encontró que los desechos generados por las productoras de jugo de limón persa
pueden ser una alternativa para la extracción de pectina por hidrolisis acida
En el diseño experimental 1 se realizó la extracción de pectina de la cascara de limón
persa (Citrus Latifolia ) mediante el método de hidrolisis acida, probando dos ácidos
para acidificar el agua de extracción, donde el ácido clorhídrico fue mejor opción para
esta etapa, pues con el ácido cítrico se obscurece la pectina además que no permite un
secado completo.
En el diseño experimental 1 se evaluaron tres relaciones alcohol etílico-extracto de
pectina en la etapa de precipitación. Obteniendo que utilizar una relación 1:1 da mayor
rendimiento significativamente que en comparación con las relaciones ¾:1 y ½:1.
En el diseño experimental 2 mediante un análisis factorial 23 se estudiaron tres factores
en la hidrolisis (temperatura, tiempo, relación agua-cascara) encontrando que estas
tienen un impacto significativo en el rendimiento final de la pectina, así como la
interacción temperatura con relación agua-cascara, por lo que temperaturas cercanas a la
de ebullición, tiempos mayores a 1 hora y relación agua-cascara alrededor de 10:1, da
mayores rendimientos. Siendo la temperatura la que tiene un impacto más significativo.
Mediante un análisis de medias, se identificaron tres grupos de medias en los
experimentos del diseño experimental 1, siendo las condiciones más convenientes para
un rendimiento mayor, las del experimento L4 y L8.
La pectina obtenida tuvo una coloración amarillenta, para evitar esto se encontró en la
revisión bibliográfica se debería retirar el flavedo o introducir una etapa extra en el
proceso propuesto en el que se realice un lavado después de la precipitación adicionando
hidróxido de bario octahidratado, carbonato de calcio o carbonato de sodio (Glahn,
2000).
Se optimizó el proceso de extracción de pectina de la cascara de limón persa, con las
mejores condiciones obtenidas en los diseños experimentales, las cuales son las del
experimento L8: temperatura de ebullición, tiempo de 40 min y una relación agua-
cascara 10:1, HCl para acidificar el agua de hidrolisis y relación 1:1 alcohol etílico-
extracto de pectina, en la etapa de precipitación. Las anteriores condiciones fueron las
establecidas en el proceso propuesto.
Luis Nogueda Romero
34
Se elaboro el diagrama de proceso mostrado en el anexo A, con rendimientos por etapa
para 10 kilogramos de cascara seca.
El proceso propuesto en este trabajo puede ser aplicado en cualquier planta que procesen
limón persa y generen cascara como desecho, o se puede utilizar para el diseño de una
planta que trate los desechos de los productores de jugo persa.
Luis Nogueda Romero
35
10. BIBLIOGRAFÍA.
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2014]. Disponible en:
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Luis Nogueda Romero
37
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Tesis de grado, Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción,
Escuela Superior Politécnica Del Litoral, Guayaquil – Ecuador.
18. Roger Baltazar Flores, Denil Carbajal Mariños, Nilson Baca Rodríguez, Daniel
Salvador Rodríguez (2013). Optimización de las condiciones de extracción de
pectina a partir de cáscara de limón francés (Citrus medica) utilizando la
metodología de superficie de respuesta. Documento inédito, Escuela de
Ingeniería Agroindustrial, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad
Nacional de Trujillo, Trujillo, Perú.
Luis Nogueda Romero
38
11. ANEXO A
DIAGRAMA DE PROCESO PARA LA EXTRACCION DE PECTINA
DE LA CASCARA DE LIMON PERSA
Luis Nogueda Romero
40
12. ANEXO B
RESULTADOS ESTADISTICOS DE LOS DISEÑOS
EXPERIMENTALES
Luis Nogueda Romero
41
Tabla B - 1.
ANOVA para rendimiento por tres niveles de alcohol, para experimento con ácido cítrico.
Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P
Entre grupos 344.42 2 172.21 1199.40 0.0000
Intra grupos 0.430741 3 0.14358
Total (Corr.) 344.851 5
Tabla B - 2.
Pruebas de múltiples rangos rendimiento por tres niveles de alcohol, para experimento con ácido cítrico.
Alcohol Casos Media Grupos Homogéneos
½:1 2 8.9255 X
¼ :1 2 20.9075 X
1:1 2 27.19 X
Contraste Sig. Diferencia +/- Límites
½:1 - ¼ :1 * -11.982 1.20589
½:1 – 1:1 * -18.2645 1.20589
¼ :1 – 1:1 * -6.2825 1.20589
Tabla B - 3.
ANOVA para rendimiento por tres niveles de alcohol, para experimento con HCl
Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P
Entre grupos 15.803 2 7.90152 73.77 0.0028
Intra grupos 0.321313 3 0.107104
Total (Corr.) 16.1243 5
Tabla B - 4.
Pruebas de múltiples rangos rendimiento por tres niveles de alcohol, para experimento con HCl.
Alcohol Casos Media Grupos Homogéneos
½:1 2 2.3965 X
¼ :1 2 4.4265 X
1:1 2 6.3715 X
Contraste Sig. Diferencia +/- Límites
½:1 - ¼ :1 * -2.03 1.04151
½:1 – 1:1 * -3.975 1.04151
¼ :1 – 1:1 * -1.945 1.04151
Luis Nogueda Romero
42
Tabla B - 5.
Análisis de Varianza para rendimiento de pectina, diseño factorial.
Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P
A:Relacion A:C 19.5719 1 19.5719 73.54 0.0033
B:Temperatura 90.0549 1 90.0549 338.36 0.0004
C:Tiempo 11.9389 1 11.9389 44.86 0.0068
AB 15.6716 1 15.6716 58.88 0.0046
AC 0.0600311 1 0.0600311 0.23 0.6673
BC 4.44467 1 4.44467 16.70 0.0265
ABC 0.00340312 1 0.00340312 0.01 0.9171
Error total 0.798449 3 0.26615
Total (corr.) 142.544 10
Tabla B - 6.
Coeficiente de regresión para Rendimiento.
Coeficiente Estimado
Constante 5.53009
A:Relacion A:C 1.56413
B:Temperatura 3.35513
C:Tiempo 1.22162
AB 1.39962
AC 0.086625
BC -0.745375
ABC 0.020625
Luis Nogueda Romero
43
Tabla B - 7.
Análisis de media para los experimentos del diseño factorial 2, para un nivel de 10% de significancia.
Grupo A A B C C D D D,E E
Experimento L8 L4 L7 L3 L9 L6 L5 L2 L1
Rendimientos 12.5154 11.3480 6.3726 5.6354 5.3100 4.4550 3.9937 0.3885 0.1920
L1 0.1920 12.3234 11.1560 6.1806 5.4434 5.1180 4.2630 3.8017 0.1965 0.0000
L2 0.3885 12.1269 10.9595 5.9841 5.2469 4.9215 4.0665 3.6052 0.0000
L5 3.9937 8.5217 7.3543 2.3789 1.6417 1.3163 0.4613 0.0000
L6 4.4550 8.0604 6.8930 1.9176 1.1804 0.8550 0.0000
L9 5.3100 7.2054 6.0380 1.0626 0.3254 0.0000
L3 5.6354 6.8800 5.7126 0.7372 0.0000
L7 6.3726 6.1428 4.9754 0.0000
L4 11.3480 1.1674 0.0000
L8 12.5154 0.0000
Ecuación utilizada en el análisis de medias, prueba de Tukey (Anzaldúa, 1994)
𝐷𝑀𝑆 = √𝐶𝑀𝑒
𝑛 (𝑅𝐸𝑆)
Donde:
CMe= Varianza (cuadrado medio)
n= numero de experimentos
RES= Rangos estudentizados significativos (10%)
Luis Nogueda Romero
44
Tabla B - 8.
Tablas del rango estudentizado de Tukey.
