Aprovechamiento integral de
Naranjas (Citrus sinensis)
Residuales de la variedad Washington
Navel
“Integral
use of Oranges(Citrus sinensis)
residuals of the variety Washington Navel”
Artículo resultado de proyecto de investigación financiado por
Universidad Nacional Agraria La
Molina
José Antonio Flores Bao
Universidad Nacional Agraria La Molina
https://orcid.org/0000-0002-6817-2373
Lima – Perú
Davys Berrospi Sánchez
Universidad
Nacional Agraria La Molina
https://orcid.org/0000-0002-5510-5673
Lima – Perú
Eduardo Reynaldo Morales Soriano
Universidad
Nacional Agraria La Molina
https://orcid.org/0000-0002-5510-5673
Lima – Perú
http://centrosuragraria.com/index.php/revista
Publicada
por: Instituto Tecnológico Edwards Deming
Quito
- Ecuador
July-December vol. 1. Num. 1 – 2017
Esta
obra está bajo una Licencia Creative Commons
Atribución-NoComercial-CompartirIgual
4.0 Internacional.
RECIBIDO:
15 DE ENERO 2017
ACEPTADO:
12 DE MARZO 2017
PUBLICADO: 4 DE JULIO 2017
RESUMEN
Se investigó tres formas de
aprovechamiento, diseñando un flujo de operaciones integral, de las naranjas
residuales de la variedad Washington Navel, mediante la obtención de un
aguardiente (destilado alcohólico), extracción de aceites esenciales y pectina;
a partir del jugo de naranja, cáscaras y bagazo, respectivamente. Para llevar a
cabo la fermentación alcohólica, se utilizó levadura Saccharomyces
cerevisiae, 0.3 g/L de fosfato de amonio a pH original del jugo de naranja,
para su posterior destilación. La extracción del aceite esencial se realizó a
partir de las cáscaras, mediante el método de arrastre con vapor, para su
posterior purificación con Na2SO4 anhidro. Luego, se realizó la extracción de
pectina con HCl al 37 por ciento, pH 2 y 80 °C. Además, se caracterizó
previamente las naranjas residuales en parámetros fisicoquímicos como
rendimiento del jugo, °Brix, pH, azúcares reductores, totales y se estimó el
grado alcohólico probable del mosto sin fermentar. El análisis estadístico de
los rendimientos de aguardiente, aceite esencial y pectina, indicaron que la
variabilidad de las repeticiones es baja para cada uno de los productos
obtenidos, (coeficiente de variabilidad menor al 10%). El rendimiento del
aguardiente (40 °GL) a partir de las naranjas residuales fue 7.49 por ciento
(mL de etanol/ 100 mL mosto fermentado) ó 59.10 g/L., 0.66 por ciento (mL
aceite/cáscara de naranja) para aceites esenciales y 16.70 por ciento
(kg/cáscara de naranja seca) para la obtención de pectina.
PALABRAS CLAVE: Naranjas residuales Washington Navel, aguardiente, Saccharomyces
cerevisiae, grado alcohólico, rendimiento.
ABSTRACT
Three
forms of exploitation were investigated, designing an integral flow of
operations, of the residual “Huando” oranges (Washington
Navel variety), by obtaining a hard liqueur (distilled spirits), extraction of
essential oils and pectin; from orange juice, peels and bagasse, respectively.
To carry out the alcoholic fermentation, yeast Saccharomyces cerevisiae, 0.3 g
/ L of ammonium phosphate was used at the original pH of the orange juice, for
its later distillation. The extraction of the essential oil was carried out
from the peel, by means of the steam trapping method, for its subsequent
purification with anhydrous Na2SO4. Then, pectin extraction was extracted with
37 percent HCl, pH 2 and 80 °C. In addition, the residual oranges were
previously characterized in physicochemical parameters such as juice yield,
°Brix, pH, reducing sugars, totals and the probable alcoholic degree of the
unfermented must was estimated. The statistical analysis of the yields of
brandy, essential oil and pectin, indicated that the variability of the
repetitions is low for each of the products obtained, (coefficient of
variability less than 10%). The yield of the liquor (40 °GL) from the residual
oranges was 7.49 percent (mL of ethanol / 100 mL fermented must) or 59.10 g /
L, 0.66 percent (ml oil / orange peel) for essential oils and 16.70 percent (kg
/ dry orange peel) to obtain pectin.
KEY WORDS: Washington
Navel residual oranges, hard liqueur, Saccharomyces cerevisiae, alcoholic
grade, yields
INTRODUCCIÓN
La naranja de la variedad Washington Navel es conocida en el país como naranja “Huando” se
cultiva en la región Lima. Según el Ministerio de Agricultura y Riego (MINAGRI,
2017), la producción total de naranjas para dicha región fue de 34 440 t en el
año 2016. Sin embargo, este volumen no incluye a las naranjas de desecho o
“residuales”, existiendo limitada información sobre la cantidad que no pudo ser
comercializada y que tuvo que enterrarse en los campos de cultivo, no
aprovechándose los residuos de manera inmediata.
Asimismo, la carencia de algunos
agricultores en asesoría técnica en manejo post cosecha y el enfoque sólo al
procesamiento primario de la materia prima, generan gran cantidad de naranjas
rajadas, con alto grado de madurez o magulladas, denominadas “residuales”. Para
la campaña 2018, estos residuales ascendieron a 10 t/ha en la región Lima
(Valle de Irrigación Santa Rosa, Sayán, Huaura).
Actualmente, el Ministerio de Agricultura y Riego (MINAGRI)
mediante el Programa Nacional de Destilados del Perú ha identificado como
“cítricos” (mandarinas, naranjas y tanghelos) en la región Lima, Ica y San
Martín y “naranjas” en la región Puno como productos potenciales para la
producción de destilados (Sierra y Selva Exportadora, 2018).
En consecuencia, considerando la promulgación del Decreto
Legislativo 1278 (2016) del Ministerio del Ambiente, que aprueba la Ley de
gestión integral de los residuos sólidos, para la prevención o minimización de
la generación de residuos sólidos en origen y la valorización de los mismos
(Ministerio de Ambiente [MINAM], 2016).
Es posible la elaboración de un destilado alcohólico,
extracción de aceites esenciales y pectina, a partir de las naranjas residuales
como alternativa para su aprovechamiento y valorización de los mismos.
Sin embargo, en nuestro país existen pocas empresas dedicadas
al procesamiento de destilados alcohólicos a base de cítricos, entre ellas
naranjas de la variedad Navel. Además,
no existe una “denominación comercial” para este aguardiente; situación que
difiere con 2
respecto a la denominación del
Pisco, el cual la Norma Tecnica Peruana (NTP, 2006) lo define como “el
aguardiente obtenido exclusivamente por destilación de mostos frescos de “Uvas
Pisqueras” recientemente fermentados”.
Asimismo, otro producto que se puede obtener a partir de las
naranjas residuales es la pectina cítrica, aditivo conocido y muy usado en la
industria alimentaria.
La pectina tiene muchas aplicaciones en la industria
alimentaria y farmacéutica en nuestro país, sin embargo, existen muchas
empresas importadoras más que productoras de éste insumo. Chasquibol et al. (2007) mencionan “que nuestro
país no produce a nivel industrial pectina ni sus derivados, por lo que es
necesaria su importación para cubrir la demanda de la industria alimentaria y
farmacéutica”.
A fin de aprovechar
integralmente a la fruta, se pueden utilizar las cáscaras de las naranjas
residuales para la producción de aceites esenciales. En el país, este insumo,
tiene aplicaciones comunes en la industria alimentaria como olorizante y
bactericida en la industria farmacéutica; sin embargo, la comercialización y
uso de aceites esenciales artificiales son mayores con respecto a los aceites
esenciales naturales.
Por lo tanto, la investigación
tuvo el objetivo el aprovechamiento integral de las naranjas residuales
“Huando”, cultivadas en el Fundo “Señor de los Milagros” – Valle de Irrigación
Santa Rosa (distrito de Sayán, provincia de Huaura), teniendo como objetivos
específicos; (1) caracterizar a las naranjas residuales en función de los
componentes físicos (porcentaje de cáscara, albedo y jugo extraído) y
fisicoquímicos (acidez total, azúcares reductores, °Brix, pH del jugo extraído
y humedad de las cáscaras), (2) determinar el rendimiento en aguardiente
(destilado alcohólico) obtenido a partir del jugo, el rendimiento en aceite
esencial a partir de las cáscaras y el rendimiento en pectina a partir del
bagazo y (3) plantear un flujo de operaciones para el aprovechamiento integral
las naranjas residuales y realizar el balance de masa.
MATERIALES Y MÉTODOS
Estos compuestos carbonilados, son formados por la levadura
mediante la descarboxilación de los ácidos α-cetónicos presentes a propósito de
la biosíntesis de los alcoholes superiores y la mayor concentración dentro del
grupo de aldehído corresponde al aldehído etílico, llamado también etanal o
acetaldehído.
Este compuesto debido a su alta volatilidad, pasa en su
totalidad al destilado y lo hace durante la primera fracción, en la
"cabeza". Su olor es violento, a veces de gusto metálico. Un exceso
de este compuesto se considera negativo para la calidad del destilado (Flanzy,
2000).
Los ésteres se forman en el transcurso de la fermentación, en
el interior de la célula de levadura, esta formación depende de la
disponibilidad de oxígeno durante la fermentación (Mauricio et al., como
se citó en Hatta, 2004). Son “cabezas deseables”, ya que son responsables de
muchas notas "dulces y afrutadas" deseadas. Intensamente oloroso, el
éster más comúnmente encontrado en alcoholes alcohólicos es el acetato de
etilo, y mientras está en bajas concentraciones, esto puede actuar para
"suavizar" los olores intensos.
En grandes dosis sin embargo,
los ésteres pueden dar a los licores un sabor similar al vinagre. Otros
ejemplos son formiato de etilo, etilo butirato y acetato de hexilo (Wiśniewska et
al., 2016).
DESTILACIÓN El objetivo de la destilación es la separación del alcohol y
los compuestos aromáticos mediante un aporte controlado de calor, tratando en
la medida de lo posible de favorecer la presencia de unos compuestos y eliminar
otros (Rodríguez, 2008). Asimismo, la destilación no produce alcohol, ese es el
trabajo de la fermentación; en cambio, la destilación simplemente concentra el
contenido alcohólico, así como los contenidos de sabor y aroma de una bebida
alcohólica (Gibson y Newsham, 2018). El compuesto que se forma durante esta
etapa es el siguiente:
FURFURAL Otro aldehído presente en los destilados, también
llamado aldehído piromúcico, inexistente en el vino base, se forma durante la
destilación, a partir de los azúcares residuales por acción del calentamiento
prolongado y el medio ácido (Alonso, como se citó en 18
Domenech, 2006). Asimismo,
Hatta (2004) menciona que el furfural también se obtiene como producto de la
reacción entre los azúcares reductores sobre los prótidos y aminoácidos durante
la destilación. El furfural comienza a destilar en la fracción del cuerpo,
aumentando en forma paulatina a medida que transcurre la destilación por lo que
se le considera un producto de fracción cola.
LAS PECTINAS DE BAJO METOXILO (LMP,
Low Methoxyl Pectins)
Presentan esterificación menor
del 50 por ciento (equivalente al 7% de grado de esterificación) y gelifican
solamente con presencia de iones calcio.
Algunas veces aparecen grupos
amidados luego de los procesos industriales de desmetilación en medio amoniacal.
Asimismo, algunas de las aplicaciones en la industria alimentaria se vienen
dando en el campo de la tecnología de alimentos, como por ejemplos; el
encapsulado de bacterias del género Bifidobacterium, para potenciar los
efectos de estos microorganismo en la calidad del yogurt (Li et al., 2018)
y en la fuerza de gelificación con iones calcio (Ca+2) para la industria
alimentaria que requiere diversas concentraciones del gel (Han et al., 2017).
GRADO DE GEL
El poder gelificante de la pectina se expresa en grados SAG
(grado de gel). Estos grados se definen como “el número de gramos de sacarosa
que en una solución acuosa de 65 ºBrix y un valor de pH 3.2, son gelificados
por un gramo de pectina, obteniéndose un gel de una consistencia determinada”
(Lodoño et al., 2011).
APLICACIONES DE LA PECTINA
Según Catadora y Asola (1995),
el uso de la pectina se realiza en dos industrias principalmente: Industria
Alimentaria; en la fabricación de jaleas (gelatinas) y conservas, como
espesante en la mayonesa, en la precipitación de la caseína de la leche, como
estabilizador en los sorbetes, preparación de jugos como estabilizantes y
otros. Y en la Industria farmacéutica; Como
coagulante sanguíneo, emulsificante de preparados farmacéuticos, como antídoto
en intoxicaciones con metales pesados, preparación de medios de cultivo
bacteriológico y como agente suspenso, fabricación de cosméticos y otros.
RESULTADOS
Principales métodos de extracción
de aceites esenciales
La tecnología utilizada para la extracción industrial de
aceites esenciales, se encuentra ligada de cierta forma a la de extracción de
zumo. Según Di Giacomo y Mincione (1994) el tratamiento del fruto completo o
método de “raspadura” se considera idóneo, para la transformación en continuo
de grandes cantidades de naranja, mientras que el proceso de “sfumatura”
o método Esfumadurase prefiere en empresas de tipo medio o artesanales
especializadas en producir aceites esenciales de calidad “exquisita”.
Asimismo, Di Giacomo y
Mincione (1994) mencionan que en el método de “sfumatura” se actúa sobre
la corteza una vez se ha extraído el zumo, presionándola y comprimiéndola
repetidamente para lograr la salida del aceite esencial contenida en los sacos
odoríferos de las cáscaras, que es arrastrado por una fina lluvia de agua,
dispuesta oportunamente en el interior de la máquina.
Por otro lado, la denominación
del método destilación por arrastre de vapor, extracción por arrastre,
hidrodestilación, hidrodifusión o hidroextracción, dependerá de la interacción
directa o indirecta de la materia prima y vapor de agua (Cerpa, 2007). Es así
que, cuando se usa vapor saturado o sobrecalentado, fuera del equipo principal,
es llamado “destilación por arrastre de vapor” (Günther, como se citó en Cerpa,
2007). Sin embargo, cuando se usa vapor saturado, pero la materia prima está en
contacto íntimo con el agua generadora del vapor, se le llama
“hidrodestilación” (Günther, como se citó en Cerpa, 2007). Asimismo, cuando se
usa vapor saturado, pero la materia no está en contacto con el agua generadora,
sino con un reflujo del condensado formado en el interior del destilador y se
asumía que el agua era un agente extractor, se le denomina “hidroextracción”
(Palomino y Cerpa, como se citó en Cerpa, 2007).
La “Destilación por arrastre con vapor” (Figura 3) que se
emplea para extraer la mayoría de los aceites esenciales es una destilación de
mezcla de dos líquidos inmiscibles y consiste en una vaporización a
temperaturas inferiores a las de ebullición de cada uno de los componentes
volátiles por efecto de una corriente directa de vapor de agua, el cual ejerce
la doble función de calentar la mezcla hasta su punto de ebullición y adicionar
tensión de vapor a la de los componentes volátiles del aceite esencial; los
vapores que salen de la cámara extractora se enfrían en un condensador donde
regresan a la fase líquida, los dos productos 23 inmiscibles, agua y aceite
finalmente se separan en un dispositivo decantador o vaso florentino (Bandoni,
como se citó en Albarracín y Gallo, 2003).
Métodos de extracción de pectina de
alto metoxilo
Según Catacora y Azola (1995)
los principales métodos de extracción de pectina (gelificación rápida) con
diferente grado de pureza o grado gel son: Precipitación con acetona; en el
cual, la acetona tiene la propiedad de precipitar la pectina; dando una
coagulación firme, pero tiene el inconveniente que precipita otras materias no
pécticas. Asimismo; la precipitación con sales metálicas; en el cual, las sales
comúnmente usadas son: sulfato de cobre y aluminio.
Este procedimiento da buen
resultado, pero tiene el inconveniente de la remoción posterior del metal. Y
finalmente, precipitación con alcohol etílico; el cual, tiene la propiedad de
precipitar la pectina directamente de la fuente vegetal. La precipitación de la
pectina con alcohol depende de la presencia de electrolitos y del grado de
esterificación, según lo mencionan dichos autores.
PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE
PECTINAS DE BAJO METOXILO
Según Isique (1986), para obtener pectinas de gelificación
lenta (bajo metoxilo); se realiza una etapa posterior a la precipitación con
alcohol o sales de aluminio, denominada deseterificado. Así, el precipitado
péctico se mantiene en una solución de alcohol acidificado.
Esta operación involucra una ruptura del éster a 60 °C por
medio ácido, o por una base (álcali) o enzimáticamente con una pectinmetilesterasa.
Sin embargo, Hua et al. (2018) con el método alcalino, y los parámetros
de desesterificación pH 12, tiempo de 30 minutos y temperatura de 20 °C
obtuvieron pectinas con 6.81 por ciento ± 1.46 de grado de 24
metoxilación. Asimismo, la
desesterificación con la enzima pectina metilesterasa (PME) al 1.5 por ciento
(p/p) y tiempo de 5 horas produjeron 14.67 por ciento ±0.80 de grado de
metoxilación. Estas pectinas desesterificadas son dependientes del ion Ca+2 y
de pH en un rango de 2-4 para gelificar, según demuestra el estudio realizado.
Lo componen una olla, paila o
caldera donde se calienta el mosto recientemente fermentado, los vapores se
elevan a un capitel, cachimba, cabeza o sombrero de moro para luego pasar a
través de un conducto llamado "cuello de cisne" llegando finalmente a
un serpentín o condensador cubierto por un medio refrigerante, generalmente
agua (Figura 4) (Consejo Regulador de la Denominación Origen Pisco, 2011).
El diseño permite la aparición
en la cabeza del alambique de fenómenos de reflujo mediante los cuales se condensan
los vapores menos volátiles, que retoman a la caldera, y los más volátiles
pasan a través del cuello de cisne para condensar en el serpentín. De esta
manera se consigue una mejor separación de los compuestos en función de sus
puntos de ebullición y un destilado con un mayor contenido en etanol
LUGAR DE EJECUCIÓN
El trabajo académico se
realizó en el laboratorio de Biotecnología y en la Planta Piloto de Alimentos
de la Facultad de Industrias Alimentarias, de la Universidad Nacional Agraria
La Molina (UNALM).
MATERIA PRIMA E INSUMOS
MATERIA PRIMA
Naranjas Huando (var.
Washington Navel) residuales, provenientes del Fundo “Señor de los
Milagros” - Irrigación Santa Rosa (distrito de Sayán, provincia de Huaura). .
INSUMOS
Levadura
fresca Saccharomyces cerevisiae, (Fleischmann®)
Fosfato
de Amonio o fosfato monoamónico (NH4H2PO4), (Biopack®)
Alcohol
etílico 96°, (AGO®)
Ácido
Clorhídrico 37% (E-507, F.C.C.) grado alimentario, (Merck®)
Sulfato
de sodio anhidro (Na2SO4) p.a., (Merck®)
MATERIALES,
EQUIPOS Y REACTIVOS
REACTIVOS
Hidróxido de sodio (NaOH)
p.a., ( J.T. Baker®)
Fenolftaleína p.a.,
(Loudwolf®)
Solución
de Fehling A (Solución de CuSO4.5H2O) p.a., (Pflücker®)
Solución
de Fehling B (Solución de C4H4KNaO6.4H2O y NaOH) p.a., (Pflücker®)
Solución de azul de
metileno (Pflücker®)
CONCLUSIONES
Las
características fisicoquímicas (porcentaje de rendimiento de jugo, °Brix,
densidad, acidez total, azúcares reductores y totales) de las naranjas
residuales (var. Washington Navel), están dentro del rango establecido
por la Norma Técnica Peruana (NTP 011.023, 2014). Entonces, es posible el
aprovechamiento integral, a escala piloto, de las mismas naranjas residuales.
Los rendimientos para el destilados alcohólico, aceite esencial y pectinas
fueron: 7.49 por ciento, 0.66 por ciento y 13.41 por ciento en base húmeda,
respectivamente.
El flujo integral
diseñado permite aprovechar las naranjas residuales (var. Washington Navel) aproximadamente
en un 68 por ciento para la producción de un aguardiente, aceite esencial y
pectina.
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