Plantas mucilaginosas en la clarificación del jugo de la caña de azúcar

Mucilaginous plants in the clarification of sugar cane juice

Walter Francisco Quezada Moreno ^1*, Walter David Quezada Torres ² e Irenia Gallardo Aguilar ³

¹ Universidad Técnica de Cotopaxi. Avenida Simón Bolívar s/n Barrio El Ejido /San Felipe. Latacunga, Ecuador. Código Postal: 050108.
²  Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Sede Ibarra. Avenida Jorge Guzmán Rueda y Avenida Aurelio Espinoza Polit. Ibarra, Ecuador. Código Postal: 100112. ]]> ³ Departamento de Ingeniería Química. Facultad de Química y Farmacia. Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas. Carretera a Camajuaní km 5 ½, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.

* Autor para la correspondencia: Walter F. Quezada, Email: mfrancisco473@gmail.com

RESUMEN

El objetivo es incorporar soluciones mucilaginosas en la clarificación de jugos, como alternativa de mejora de los productos finales que se producen en la industria panelera. De un estudio realizado con 14 plantas con propiedades mucilaginosas, cinco especies vegetales. La Malva silvestre (Malva peruviana L.), Yausabara (Pavonia sepium A. St-Hil), Yausa (Abutilon insigne Planch), Cadillo negro (Triumfetta lappula L) y Falso Joaquín (Hibiscus rosa sinensis), estamparon los mejores resultados de turbidez como agentes clarificadores. Experimentalmente se ensayaron tres factores como: concentración de la solución, cantidad de solución añadido al jugo y temperatura de incorporación, en dos niveles, juzgado por la variable turbidez, como respuesta. Resultados de turbidez muestran que los factores ensayados, afectan significativamente en la clarificación del jugo (claros y brillantes) lográndose con las especies vegetales en su orden (Yausabara, Yausa Malva silvestre, Falso Joaquín y Cadillo negro).

Palabras clave: clarificación, jugo de caña, plantas mucilaginosas, turbidez.

ABSTRACT

Key words: clarification, cane juice, mucilaginous plants, turbidity.

INTRODUCCIÓN

La producción y consumo de azúcar integral sin refinar en forma de bloque sólido a nivel mundial, se acerca a los 13 millones de toneladas anuales y en América Latina y el Caribe se estima la existencia de cerca de 50000 trapiches que en conjunto vinculan a más de un millón de personas. Colombia es el primer productor de panela en América y segundo en el mundo. El gremio panelero lo conforman más de 20000 trapiches y producen 1 300 000 toneladas por año, que representan el 7 % del PIB agrícola con una participación del 1,06% en el gasto nacional de alimentos (Rodríguez et al., 2007). Es conocida esta actividad como la locomotora generadora de trabajo, Cruz (2013), donde el apoyo del estado es permanente y directo (FEDEPANELA, 2015). En el Ecuador, se estima que existen 519 fábricas, número que día a día disminuye por la falta de incentivos por parte del Gobierno y una ley especial al sector, que promueva su desarrollo (Quezada, 2015; Baquero y Lucio-Paredes, 2010; MAG, 2006; Poveda, 2014). La panela o Jaggery (azúcar no refinada) es producida por la evaporación del agua del jugo de caña de azúcar en ollas de acero situadas sobre hornos (Kiran et al., 2014), Jaffé (2012).

En términos generales, el proceso en fábrica inicia con etapas de extracción del jugo, purificación, evaporación y concentración final. La falta de tecnificación y mejoras en los procesos, afecta la calidad, donde las etapas de purificación y concentración son concluyentes. En la clarificación industrial del jugo, para separar y precipitar las impurezas, se combinan varios tratamientos que se realiza por sedimentación, flotación y filtración, Rein (2007).

La purificación comprende la limpieza, pre- limpieza y clarificación del jugo. Esta última, consiste en la separación de los no azúcares disueltos en el jugo e impurezas gruesas que se separan por efecto del incremento de temperatura del jugo y por la acción de sustancias clarificadoras que pueden ser naturales como los mucílagos y químicos, Fernández (2003), Sentmanat (2010), (Blanco y Zumalacárregui, 2006) y que se realiza bajo el principio de flotación y sedimentación, Batule (2004). El mucílago del tallo y las raíces de burío (Heliocarpus appendiculatus) como floculante para la clarificación o limpieza de los jugos de caña, es una práctica para obtener productos orgánicos como el dulce y azúcar (Gutiérrez y col., 2004).

En el África los mucílagos son extraídos para purificar alimentos, frutos de okra y hojas de baobab son macromoléculas complejas compuestas por polisacáridos, proteínas y minerales y que su viscosidad disminuye notablemente con el incremento de temperatura (Mark et al., 1976). En la India utilizan cortezas de Lneus Hibisco, Hibiscus esculentus, Bombus malbaricum, Kydia calycina, que se sumergen en agua y la solución resultante añaden al jugo solo antes de iniciar la ebullición, Jaffé (2014). Una investigación del mucílago del Hibisco esculentus, en la actividad de coagulación-floculación para cerveza, a partir de 35 NTU de turbidez, alcanzan clarificaciones de 22,1 hasta 28,8 NTU (Yao et al., 2005). El uso de clarificadores naturales como los mucílagos, incorporados al jugo en solución, hoy en día es una práctica que va en aumento, Quezada (2015).

MATERIALES Y MÉTODOS

La experimentación se desarrolló a 2100 metros sobre el nivel de mar (msnm), a una temperatura ambiente promedio de 25±2°C. Se recolectaron 14 especies vegetales con propiedades mucilaginosas, que fueron valoradas y analizadas mediante análisis fitoquímico cualitativo, cuyo objetivo fue determinar el grado de toxicidad de las mismas y su uso industrial. Se valoró los extractos de las catorce especies con fin de establecer el poder clarificador en el jugo de la caña a través de la variable turbidez. Las plantas se trituraron, maceraron en agua y agitaron de forma manual y mecánica y se estrujaron para separar de la solución mucilaginosa. Las soluciones utilizadas se prepararon con 100 gramos de especie vegetal en 1,0 litro de agua. Se experimentaron concentraciones de 50 y 150 gramos de material/litro de agua, que fueron rechazadas por proporcionar soluciones altamente diluidas en el primer caso y escaso rendimiento en el segundo caso. La solución mucilaginosa se incorporó al jugo, se agitó y se separó los no azúcares o cachaza una vez coagulados. De acuerdo al poder clarificador del mucílago en el jugo, se seleccionaron cinco especies vegetales (Malva silvestre, Cadillo, Falso joaquín, Yausabara y Yausa), según la turbidez y características del jugo (claro).

Se establecieron factores, niveles y variable respuesta, según la tabla 1, considerando estudios de incorporación del mucílago de balso al jugo en 2,5 % a temperaturas entre 50 y 85 °C para retirar la cachaza negra y la cachaza blanca a temperatura de ebullición (Pérez, 2004). De 15 a 30 litros de solución clarificadora/500 litros de jugo, que corresponde al 3 al 6 % (Prada, 2002; Aguiar, 2001; Azain, 2002). En América Latina la clarificación de jugos con productos naturales o químicos se realiza entre 50-55°C, Jaffé (2014) práctica común, pero poco eficiente. En la India la incorporación de yerba clarificadora es directa a razón de 45 g/100 kg jugo (Singh et al., 2013). Los mucílagos forman soluciones viscosas a bajas concentraciones (5-10 g/litro), sin embargo, las soluciones de mucílago no son estables al calor y pierden gran parte de su viscosidad cuando se calientan (Mark et al., 1976). La clarificación industrial del jugo de caña, sucede entre 50 a 102°C, Rein (2007).

Se utilizó un diseño factorial 2³ y se valoró estadísticamente con el software Statgraphics Plus 4. El control del efecto clarificador del mucílago en el jugo, se juzgó mediante la variable respuesta turbidez, utilizando un turbidímetro HANNA HI 93703, de unidades FTU (Unidades de Turbidez Formazin) conocidas como NTU (Unidades Nefelómetricas de Turbidez). 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Análisis Fotoquímico cualitativo de las plantas mucilaginosas

La presencia de componentes tóxicos en las especies analizadas es escasa (+) o negativa (-) en la mayoría de las plantas, resultados favorables para ser utilizadas en la clarificación de jugos, tabla 2.

3.2. Resultados de clarificación de las catorce especies vegetales

La variable turbidez, orientó a determinar el poder clarificador del mucílago en el jugo de caña de cada una de las especies vegetales estudiadas. Cinco de las catorce especies vegetales alcanzaron jugos claros con valores de turbidez inferiores a 100 NTU y que se aprecian con las especies vegetales de Cadillo, Malva silvestre, Falso Joaquín, Yausabara y Yausa, arbustos considerados malas hierbas, excepto la yausa que es un árbol de baja altura, tal como se muestra en la figura 1. Mientras menor es la turbidez la cantidad de impurezas disminuye, condición que se consideró para elegir las especies vegetales para profundizar el estudio.

El uso de la cáscara de balso en la clarificación de jugos de caña utilizada en la agroindustria panelera tanto de Ecuador y Colombia, debe ser criticado ya que es un árbol que está siendo afectado severamente (López y Osorio, 2004), aunque su poder clarificador es superado por otras especies vegetales.

3.3. Resultados de clarificación en el jugo de las cinco mejores especies vegetales

Los resultados del diseño estadístico (tabla 1), definen la especie vegetal que mejor se comporta en la clarificación de los jugos, según el estudio precisado para las cinco mejores especies vegetales, tabla 3.

El efecto del mucílago de las especies vegetales en la clarificación es mejor cuando alcanzan valores bajos de turbidez y es evidente a niveles superiores de los factores. Los modelos matemáticos obtenidos (tabla 4), proyectan el comportamiento del poder clarificador de las mucílagos según la especie y nivel aplicado en el jugo de caña.

Los mejores resultados se obtienen cuando están en sus niveles superiores en las tres variables estudiadas. Los modelos matemáticos muestran el mejor grado de clarificación alcanzado a través de la variable turbidez y que se evidencia con la especie vegetal yausabara, seguido en su orden la yausa, malva silvestre, falso Joaquín y cadillo. El comportamiento de los modelos para la turbidez en su orden, falso Joaquín, yausa, yausabara, cadillo y malva muestran que mayor efecto tiene la temperatura seguido del porcentaje de solución mucilaginosa incorporado y finalmente la concentración del mucílago, en sus niveles máximos. El grado de significancia está en dependencia de la naturaleza de la especie vegetal. La figura 2, figura 3, figura 4 y figura 5 de diagramas de Pareto estandarizadas para la turbidez, justifican lo señalado.

En la figura 2, figura 3, figura 4 y figura 5 la variable dependiente temperatura tiene mayor significancia sobre la turbidez del jugo y en menor proporción inciden el porcentaje de solución incorporado, la concentración del mucilago y sus interacciones. Para el caso de la malva, el poder clarificador no es significativo la variable concentración de la planta y sus interacciones con la temperatura y el porcentaje de solución incorporado, igual sucede para la especie vegetal yausabara con esta última variable. 

Los resultados estadísticos se corresponden con el jugo clarificado y que dependen de la especie vegetal, factores y niveles. La eficiencia del proceso de clarificación determinan el color y turbidez del jugo principalmente, Batule (2004). Para jugos claros y brillantes se alcanzaron únicamente con las plantas de yausabara (40,3 NTU) y yausa (54 NTU), valores de turbidez menores o similares a los medidos in situ de jugo clarificado en el ingenio azucarero IANCEM de nuestro país (46,15 NTU) y que es indicativo de un adecuado proceso de coagulación y separación de no azucares, conocido como cachaza o scum (Kiran et al., 2014).

Jugos claros se alcanzó con las especies vegetales malva, falso Joaquín y cadillo en un rango de turbidez entre 72 a 75 NTU, comparables a los reportados en un estudio realizado en un ingenio azucarero de Colombia y que están entre 62 y 210 NTU de turbidez, Cardona (2009).

CONCLUSIONES

1.  Las variables evaluadas tanto de concentración, temperatura y porcentaje de mucílago incorporado al jugo de caña y monitoreadas bajo la variable respuesta turbidez, se logra mejores resultados (jugos claros y brillantes) clarificados con las plantas de Yausabara, seguido de la Yausa, Cadillo, Falso Joaquín y Malva silvestre.

2.  Por los resultados obtenidos técnicamente los mucilagos son una alternativa de clarificación natural viable en jugos de caña y correspondería establecerse la sostenibilidad de este procedimiento en industrias paneleras mediante acciones ejecutivas.

AGRADECIMIENTOS

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Recibido: Noviembre 2, 2015
Revisado: Diciembre 3, 2015
Aceptado: Enero 6, 2016