ESTUDIO DE SECADO INDUSTRIAL DE LA QUINUA (Chenopodium quinoa Willd) CULTIVADA EN CHILE

Elena Lara Aravena

1, Dr. Antonio Vega Gálvez

2, Mariela Sanders

Maya, Margarita Miranda3, Enrique A. Martínez

4.

RESUMEN

El objetivo de esta investigación fue estudiar las isotermas de sorción a tres temperaturas (20, 40 y 60ºC), y la cinética de secado a cinco temperaturas (40, 50, 60, 70 y 80ºC) de la quinua (Chenopodium quinua Willd). Además, se estudio el efecto de la temperatura el aire de secado sobre propiedades fisicoquímicas y actividad antioxidante. El modelo de Iglesias-Chirife mostró un buen ajuste de los datos experimentales de sorción. El modelo de Page modificado obtuvo el mejor ajuste para las curvas de secado basados en los test estadísticos aplicados (r

2, SSE y χ

2). Las propiedades

fisicoquímicas no presentaron grandes variaciones. La quinua fresca presentó la mayor actividad antioxidante seguida de las muestras tratadas a 40, 60 y 80ºC. Palabras Claves: quinua, secado con aire caliente, isotermas de sorción, actividad

INTRODUCCIÓN La quinua (Chenopodium quinoa Willd.) es una planta nativa de la región Andina y es miembro de la subsección Cellulata, sección Chenopodium, género Chenopodium (Bhargava y col., 2006). El potencial agrícola de este cultivo es su capacidad de adaptación, siempre proporcionando un alto rendimiento en todas las condiciones climatológicas adversas (Gely y Santalla, 2007; Tolaba y col., 2004). El contenido de proteína, lisina, grasas y fibra de la quinua son superiores a las de trigo y otros cereales como la cebada, el maíz y el arroz (Koziol, 1992; Gely y Santalla, 2007; Tolaba y col., 2004). Además, cuenta con una amplia gama de vitaminas y microelementos (Bhargava y col., 2006). Su actividad antioxidante se asocia a su contenido de vitamina E y compuestos fenólicos (Pasko y col., 2008). El secado de los productos alimenticios es un importante método de conservación y es aplicable a muchos productos industriales y agrícolas en la actualidad (Togrul y Pehlivan, 2003). La estabilidad física, química y microbiológica de los alimentos deshidratados es influenciada por su actividad de agua (aw). Dicha estabilidad se produce principalmente como consecuencia de la relación entre el contenido de humedad en equilibrio y su correspondiente aw (Sablani y col., 2001). El modelado o simulación matemática de la cinética de secado es fundamental para la optimización del proceso en sí, y como ayuda a controlar los parámetros de funcionamiento de este proceso. Hay muchos modelos semi-empíricos o empíricos para la simulación de secado (Vega y col., 2007). El objetivo principal de esta investigación fue estudiar las isotermas de sorción a tres temperaturas (20, 40 y 60ºC), y la cinética de secado a cinco temperaturas (40, 50, 60, 70 y 80ºC) de la quinua (Chenopodium quinua Willd). Además, se estudio el efecto de la temperatura el aire de secado sobre propiedades fisicoquímicas y actividad antioxidante.

(1)

: elara@userena.cl; Departamento de Ingeniería en Alimentos, Universidad de La Serena; La Serena, Chile. (2)

: avegag@userena.cl; Departamento de Ingeniería en Alimentos, Universidad de La Serena; La Serena, Chile. (3*)

: margmir@gmail.com; Autor de correspondencia; Departamento de Ingeniería en Alimentos, Universidad de La Serena; La Serena, Chile. (4)

: enrique.martinez@ceaza.cl; Centro de Estudios Avanzados en Zonas Áridas (CEAZA), Universidad de La Serena, La Serena. Chile.

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia prima Los granos de quinua (Chenopodium quinoa Willd.) fueron cultivadas en el Valle del Elqui, ciudad de La Serena, Chile. Granos homogéneos fueron seleccionados de acuerdo a similares condiciones de maduración, color y tamaño. Además, las muestras de quinua fueron sometidas a una inspección visual a fin de eliminar partículas contaminantes o impurezas. Antes de las experiencias de secado e isoterma, las muestras fueron lavadas con agua destilada a 60º C (con agitación) durante una hora para extraer la mayor cantidad de saponina, en una relación (p/p) de la quinua:agua de 1:10, cambiando el agua de lavado cada 10 minutos. Posteriormente, la quinua fue drenada durante 5 min. El contenido de humedad se determinó de acuerdo a la metodología de la AOAC no. 934.06 (AOAC, 1990). Esta determinación de humedad corresponde a la humedad inicial del proceso de secado.

Isotermas de porción Para el experimento de adsorción las muestras de quinua fueron secadas por 4 horas en un secador convectivo a 60 ºC, mientras que para la isoterma de desorción se usaron muestras de quinua previamente lavadas. Ambas isotermas (adsorción y desorción) fueron determinadas a tres temperaturas (20, 40 y 60 ºC). El experimento de sorción se llevo a cabo utilizando la metodología recomendada por el Proyecto Europeo COST 90 (Spiess y Wolf, 1983). Las sales utilizadas para obtener un rango de actividad de agua de 0,10 a 0,95 fueron: LiCl, KC2H3O2, MgCl2, K2CO3, NaNO2, KI, NaCl y KNO2 (Labuza et al., 1985). Los modelos utilizados para la predicción de la humedad de equilibrio de la quinua fueron las ecuaciones propuesta por Guggenheim, Anderson y de Boer (GAB; Ec. 1) e Iglesias-Chirife (I-Ch; Ec. 2), que normalmente son utilizas en los experimentos de absorción de humedad en diferentes alimentos (Tolaba y col., 2004; Vega y col., 2007).

ww

wmwe

akCak

akCXX

111

(1)

wwwe aaBAX 1 (2)

Donde Xwe es la humedad de equilibrio (g agua/g m.s.), aw es la actividad de agua (adimensional), Xm es la humedad de la monocapa (g agua/g m.s.) y A, B son constantes del modelo de Iglesias-Chirife

Procedimiento de Secado Para las experiencias de secado se utilizó un secador convectivo (Figura 1, dimensiones internas de la cámara de secado de 0,5×0,5×0,5 m). Cinco temperaturas se utilizaron en el estudio de la cinética de secado (40, 50, 60, 70 y 80 º C). El flujo del aire de secado se mantuvo constante a 2,0±0,2 m/s (dirección perpendicular a la muestra). Todos los experimentos de secado se realizaron por triplicado, con una densidad de carga de 1,5 ± 0,1 kg/m2. Al final del proceso de secado, las muestras fueron retiradas y selladas a vacío en bolsas de polietileno para su almacenamiento.

Figura 1. Esquema del secador convectivo de bandeja. Diseñado y construido en el Departamento de Ingeniería

de Alimentos, Universidad de La Serena-Chile.

Modelos matemáticos de la cinética del secado

Para el presente experimento, se utilizaron las ecuaciones de Page modificado (Ec. 3) y Wang–Singh (Ec. 4) para modelar la cinética de secado de la quinua. Para la modelación se utilizó la relación de humedad (MR) como variable dependiente (Ec. 5), la cual relaciona el gradiente de la humedad de la muestra en tiempo real con la humedad inicial y de equilibrio (Akpinar y col., 2003).

nktMR exp (3)

21 tBtAMR (4)

wewo

wewt

XX

XXMR

(5)

Donde Xwt es el contenido de humedad (g agua/g m.s.), Xwo es el contenido de humedad inicial (g agua/g m.s.), Dwe es el coeficiente difusional (m

2/s), t es el tiempo de secado (min) y k, A (min

-1); n, B

(adimensional) son constantes de los modelos de Page modificado y Wang-Singh.

Aspectos de Calidad

Análisis fisicoquímico

El contenido de humedad se determinó mediante el método de la AOAC no. 934.06. El contenido de proteína cruda se determinó utilizando el método de Kjeldahl con un factor de conversión de 6,25 (AOAC no. 960.52). El contenido de lípidos fue analizado por gravimetría después de la extracción de Soxhlet (AOAC no. 960.39). La fibra cruda fue calculado por una hidrólisis ácido/alcalina de los residuos insolubles (AOAC no. 962.09). El contenido de cenizas se calculó mediante la incineración en un horno-mufla a 550 ºC (AOAC no. 923.03). Todas las metodologías siguieron las recomendaciones de la A.O.A.C. (1990). Todas las mediciones se realizaron por triplicado.

Determinación de la actividad antioxidante (DPPH) La actividad antioxidante de las muestras se determinó utilizando el método 2,2,-difenil-2-picril-hydrazyl (DPPH) (Turkmen y col., 2005) con algunas modificaciones. La solución del radical DPPH se preparó disolviendo 2.0 mg DPPH en 100 ml de etanol. Para el ensayo se mezclaron 2.0 mL de solución de DPPH y 1.0 mL de diferentes concentraciones de los extractos de quinua. Luego, se mezclo vigorosamente por 30 s, luego se deja reposar a temperatura ambiente y en la oscuridad durante 20 min. La absorbancia se midió a 517 nm utilizando un espectrofotómetro (Spectronic ® 20 GenesysTM, Illinois, EE.UU.). Etanol 80 % (v/v) se utilizó para calibrar el quipo. Los resultados se calcularon como % Decoloración respecto al control (Ec. 6).

1001%controlABS

muestraABSónDecoloraci

(6)

ABS es la absorbancia. IC50, que es la concentración requerida para obtener un 50% de la capacidad antioxidante. IC50 se determina a partir de un gráfico del % capacidad antioxidante versus concentración de extracto de la muestra (μg/mL de muestra).

Análisis estadístico La calidad de ajuste de los datos experimentales a la isoterma de sorción, cinética del secado y parámetros de calidad fueron evaluadas usando los test estadísticos coeficiente de determinación (r2), suma de cuadrados de error (SSE, Ec. 7) y Chi-cuadrado (χ2, Ec. 8). Un

análisis de la varianza (ANOVA) (Statgraphics Plus ® 5.1 software, Statistical Graphics Inc., Herndon, EE.UU.) se utilizó para indicar diferencias significativas entre las muestras. Las pruebas de significancia fueron realizadas usando el test de Fisher de las mínimas diferencias significativas (LSD), las diferencias fueron tomadas como estadísticamente significativas cuando el valor p<0,05.

2

1

1 N

iciei XX

NSSE

(7)

zN

XXN

ieici

2

12

(8)

RESULTADO Y DISCUSIÓN

Isotermas de porción El contenido de humedad inicial de quinua fresca y seca fue 0,62 g agua/g m.s. y 0,12 g agua/g m.s., respectivamente. La tabla 1 muestra los valores de los parámetros propuestos de GAB e Iglesias-Chirife, así como también los valores promedio de los test estadísticos obtenidos al modelar las isotermas de sorción a 20, 40 y 60 ºC. Como se observa en la tabla, los valores estimados de Xm (GAB) y A de Iglesias-Chirife disminuyeron con el aumento de la temperatura, tanto para las isotermas de adsorción y desorción. Los resultados de los análisis estadísticos aplicados a ambos tipos de isotermas (adsorción y desorción) muestran que el modelo que mejor ajustó los datos experimentales fue Iglesias-Chirife. Resultados similares se obtuvieron en otras investigaciones trabajando con frijol negro (Castillo y col., 2003) y maíz (Samapundo y col., 2007).

Tabla 1. Parámetros y test estadísticos de las Ecuaciones de GAB e Iglesias-Chirife

Modelos

Parámetros

Adsorción Desorción

20ºC 40ºC 60ºC 20ºC 40ºC 60ºC

GAB Xm 0,073 0,044 0,032 0,086 0,056 0,050

C 11,130 64,291 31,627 24,138 34,183 19,848

k 0,746 0,853 0,992 0,741 0,789 0,785

SSE* 0,0021 0,0008

χ2* 0,0003 0,0013

Iglesias-Chirife

A 0,074 0,049 0,035 0,087 0,067 0,027

B 0,018 0,024 0,022 0,028 0,021 0,027

SSE* 0,0002 0,0004

χ2* 0,0002 0,002

*valores promedio de los test estadísticos a las tres temperaturas de trabajo.

En la figura 2 se muestran los datos de sorción experimentales y calculados con Iglesias-Chirife en función de la actividad de agua para las tres temperaturas de trabajo 20, 40 y 60 °C. Se puede observar que el comportamiento de sorción (adsorción y desorción) de humedad de la quinua fue dependiente de la temperatura, observándose una disminución del contenido de humedad de equilibrio, en todos los niveles de aw, con el aumento de la temperatura. Según la gráfica, las isotermas podrían corresponder a las isotermas de tipo II o sigmoidea, según la clasificación de Brunauer, Emmett y Teller (1938). Este tipo de isotermas se encuentra con frecuencia en los cereales, granos y semillas (Samapundo y col., 2007).

(a)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1aw

Xw

e(g

ag

ua/g

b.s

.)

20

40

60

I-Ch

(b)

Figura 2. Comparación entre isotermas de quinua (a) adsorsión, (b) desorción y calculados con Iglesias-Chirife a

la tres temperaturas de trabajo (°C).

Modelo matemático de la cinética del secado En la figura 3 se puede observar las curvas de secado experimental las cuales mostraron un comportamiento exponencial para todas las temperaturas de trabajo. Del mismo modo, sólo se observó la presencia del período de velocidad decreciente. Un comportamiento similar fue reportado por Gely y Santalla (2007), trabajando con semillas de quinua de la Argentina. Esto explica el uso de modelos empíricos de Page modificado y Wang-Singh para simular tal comportamiento. Figura 3, también muestra las curvas de secado calculadas con los modelos propuestos, los cuales presentaron un buen ajuste gráfico de los valores de humedad experimentales para todas las temperaturas de secado de trabajo.

(a)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 100 200 300 400Tiempo (min)

MR

40

50

60

70

80

Page modificado

(b)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 100 200 300 400

Tiempo (min)

MR

40

50

60

70

80

Wang-Singh

Figura 3. Curva de secado experimental y calculada con los modelos (a) Page modificado, (b) Wang-Singh para

las cinco temperaturas de trabajo (ºC).

En la Tabla 2 se muestran los valores promedios y desviación estándar de los parámetros de los modelos estudiados, donde se observa que k y A aumentan a medida que incrementa la temperatura de secado. En general, lo dos modelos propuestos mostraron un buen ajuste con valores altos de r2 (> 0,96) y valores próximos a cero para SSE y χ

2. Según los resultados, el modelo que mejor ajusto los datos experimentales fue Page modificado (SSE<0.028, χ2<0.032), ya que con este modelo se lograron los valores más bajos de los estadísticos con respecto a Wang-Singh (SSE<0.040, χ2<0.048). Observaciones similares

fueron hechas por Gely y Santalla (2007) en semillas de quinoa, Roberts y col. (2008) en semillas de uvas. Tabla 2. Valores de los parámetros cinéticos y empíricos de los modelos propuestos para las curvas

de secado

Temperatura (ºC)

Page modificado Wang-Singh

k (min-1

) n A (min-1

) B

40 0,0191+0,00215 1,103+0,0565 0,00005+1,527·10-5

-0,0145±0,00141

50 0,0270+0,00420 1,049+0,0974 0,00009+4,359·10-5

-0,0189±0,00380

60 0,0313+0,00235 1,237+0,0226 0,00013+3,605·10-5

-0,0228±0,00273

70 0,0376+0,00653 1,155+0,0642 0,00018+5,291·10-5

-0,0275±0,00383

80 0,0463+0,00309 1,107+0,0543 0,00038+2,646·10-5

-0,0379±0,00168

Aspectos de Calidad

Análisis fisicoquímico

La tabla 3 muestra los valores promedio y desviaciones estándar del análisis proximal de las semillas de quinua incluido: humedad, proteína cruda, grasa, fibra cruda, cenizas y aw para muestras frescas y secas. Se encontraron diferencias significativas entre las propiedades mencionadas y la temperatura (valor p <0,05). La humedad, proteína cruda, grasa y contenido de cenizas de la quinua son similares a las reportadas por otros autores (Repo-Carrasco y col., 2003; Barghava y col., 2006). Al analizar la composición química de la quinua deshidratado (a excepción del contenido de humedad) entre las temperaturas de secado (40-80 ºC), muestran valores bastante similares entre si. Por otra parte, al comparar la quinua fresca con las deshidratadas, se demostró que la operación de secado produce una reducción del 10% de proteínas, 12% de grasa, 27% en ambas fibras y cenizas, especialmente a altas temperaturas.

Tabla 3. Caracterización química de la quinua fresca y deshidratada (g/100 g m.s.)

Temperatura de secado (ºC)

Parámetros Fresco 40 50 60 70 80

Humedad 13,42+0,30a 10,67+0,60

b,c 11,05+0,20

c 9,80+0,41

b 5,74+0,90

d 6,31+0,04

d

Proteínas (Nx6,25) 12,46+0,22a,c

11,17+0,67b 11,82+0,37

a,b,c 12,59+0,81

c 11,54+0,54

a,b 11,20+0,18

b

Lípidos 8,47+0,96a 7,43+0,51

b 7,58+0,25

a,b 7,72+0,51

a,b 7,38+0,33

b 7,48+0,24

b

Cenizas 3,71+0,08a 2,63+0,04

b 2,43+0,15

b 2,60+0,43

b 2,54+0,02

b 2,69+0,10

b

Fibra 1,92+0,15a 1,70+0,09

a 1,61+0,18

a,b 1,63+0,15

a,b 1,37+0,24

b 1,39+0,20

a,b

aw 0,466+0,003a 0,497+0,001

b 0,479+0,005

c 0,426+0,005

d 0,239+0,006

e 0,278+0,003

f

Letras similares en los exponentes de las columnas indican que no existe diferencias significativas (valor p<0,05).

Determinación de la actividad antioxidante (DPPH)

En la figura 4 se muestra el IC50 para todas las muestras deshidratadas y el fresco (valor p<0,05), se observa que la muestra fresca necesito una menor concentración de extracto de quinua para alcanzar el 50% del atrapamiento de radicales libres en comparación con las muestras deshidratadas. Al comparar las muestras deshidratadas, la mayor capacidad antioxidante se observó a 40, 50 y 80 °C en lugar de a los 60 y los 70 ºC. Aunque algunos autores han informado de que los largos períodos de secado asociado a baja temperatura de proceso puede favorecer una disminución de la capacidad antioxidante, en este caso de estudio, no se evidenció (Garau et al., 2007). Además, el perfil observado de DPPH podría estar relacionado con la generación y acumulación de diferentes compuestos antioxidantes, con un grado variable de la actividad antioxidante desarrollando efectos antagónicos o sinérgicos con otros componentes de los extractos de quinua (Zielinski y Kozłowska, 2000).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Fresco 40 50 60 70 80

Temperatura de secado (ºC)

IC5

0-

Co

nc

en

tra

tio

n

(ug

/mL

)

a

bb

c c

b

Figura 4. Efecto de la temperatura de secado sobre la actividad antioxidante (DPPH) de las muestras

frescas y deshidratadas. Idénticas letras sobre barra de error indican que no existe diferencias significativas (valor p<0,05).

CONCLUSIÓN Los resultados de este estudio muestran un contenido de humedad inicial de quinua fresca y seca de 0,62 g agua/g m.s. y 0,12 g agua/g m.s., respectivamente. El modelo de Iglesias-Chirife presentó un buen ajuste de los datos experimentales de sorción. El proceso de secado muestra que al aumentar la temperatura de secado se disminuye el tiempo de procesamiento. El modelo de Page modificado obtuvo el mejor ajuste para las curvas de

secado basados en los test estadísticos aplicados (r2, SSE y χ2). Las propiedades

fisicoquímicas no presentaron grandes variaciones. La quinua fresca presentó la mayor actividad antioxidante seguida de las muestras deshidratadas a 40, 50 y 80ºC.

Agradecimientos Los autores agradecen al Departamento de Investigación de la Universidad de La Serena (DIULS), Chile, por proporcionar apoyo financiero al proyecto DIULS PI07302. Además, queremos dar las gracias al proyecto FONDECYT 1100638. BIBLIOGRAFIA

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